自然地理-chp03-1 大气成分与变化

三.大气·气候·全球气候变化6.大气成分

7.大气运动

8.气候与环境

9.全球气候变化虹闪电海市蜃楼北极的海市蜃楼前方的山是假的极光露雾雾淞雨冰雹，北京，20050531雪2021年百年罕见的雪灾袭击中国南部地区台风莫拉克的卫星影像.大气·气候·全球气候变化大气圈：按极光伸达高度，大气的物理上界定为1200km，蕴育地球环境，维护生灵，保护着人类的生存。散逸层:800km以上的大气层暖层:自85km左右高空到800km中间层:自55km左右到85km左右平流层:自55km左右向下到对流层顶为平流层对流层:平均厚度在低纬度带为17-18km，中纬度带10-12km，高纬度带为8-9km。6.大气成分6.大气成分气体成分分子量干洁空气中的含量（%，按容积）①密度临界温度t-3标准下的绝对值（g/m2）对干洁空气的比值氮N228.01678.09(75.52)12500.967-147.2（33.5）氧O232.00020.95(23.15)14291.105-118.9（49.7）氩Ar39.9440.93(1.28)17861.379-122.0（48.7）二氧化碳CO244.0100.03(0.05)19771.52931.0（73.0）氖Ne20.1831.8×10-39000.695-228.0（26.0）氦He4.0035.24×10-41780.138-258.0（2.3）甲烷CH416.042.2×10-4717——氪Kr83.701.1×10-437362.868-63.0氧化氮N2O44.0160.5×10-41978——氢H22.0160.5×10-4900.070-239.0（12.8）氙Xe131.3000.08×10-458914.52416.6（58.2）臭氧O348.00021401.624-5.0（92.3）氡Rn222.0006.0×10-18干洁空气18.96610012931.0-140.7（37.2）干洁空气成分(25km高度以下)6.1大气成分大气成分随高度的变化干洁大气中氮(N2)与氧(O2)占空气容积99.4%，其它气体含量甚微。在90km高度以下，受气流不规那么运动引起的湍流混合，各气体成分比例根本不变，总平均分子量为28.966，可将干洁大气看作理想气体或均质层。但从80km往上由于太阳紫外线照射，N2和O2已有不同程度离解在100km以上氧分子几乎全部离解为氧原子，250km以上N2也根本离解了。6.1大气成分氧气〔O2〕是地表一切生命所必须的气体。如动、植物的呼吸，要在氧化作用中得到维持生命的热能。此外，一切有机物的燃烧、腐败和分解都依赖于氧，所以氧被称为“有生命的气体〞。氮气〔N〕能冲淡氧使氧化作用不太剧烈。氮在自然条件下可通过地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造为植物易吸收的化合物，是植物体内不可缺少的养料。6.1大气成分二氧化碳(CO2)主要来源于大气底层的火山喷发、燃料燃烧、有机物腐败及动植物呼吸等，因此CO2集中在20km高度以下，平均含量0.03%。底层大气的CO2夏季较冬季多，城市较农村多，在大工业城市区其含量可达0.05—0.07%。CO2对太阳短波辐射很少吸收却能吸收地面与大气间的长波辐射，对大气和地表有一定的增温保温作用。CO2对全球温暖化的奉献率达60％。在人类生活生产过程中，排放到大气中的CO2含量增加明显，它对气候变化产生的深刻影响已受到世界各国的关注。6.1大气成分臭氧(O3)由氧分子分解为氧原子后和其它氧分子结合产生。主要来源于低层大气有机物的氧化和雷电作用以及高层大气太阳紫外线作用。臭氧在低层大气含量极低，随高度增加、太阳紫外线逐渐加强使高层大气臭氧含量明显增多，并在20—25km达极大值后又逐渐减少，在55-60km附近臭氧含量已趋于零，因此通常将集中了地球上约90%臭氧的10-50km大气层称为臭氧层。臭氧能大量吸收太阳紫外线增高臭氧层温度，直接影响大气温度的垂直分布规律。同时，高空大量的有害短波辐射〔以紫外线为主〕被吸收使地面上生物免遭伤害，而少量穿透臭氧层的紫外线对人类和生物那么大有裨益。6.1大气成分水汽主要来源于海洋、地表各种水体(江、河、湖泊等)、土壤和潮湿物体外表的蒸发及植物蒸腾。地表水汽借助空气的垂直交换向上输送，所以一般随高度增加而减少。据实测，1.5—2km高度上水汽含量仅为地表一半，5km高度的水汽为地表的1/10，再往上更少。但特殊〔地形〕状态下水汽会随高度而增加。大气中的水汽含量变化范围0—4%。水汽是天气变化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面辐射并同时向周围大气和地面放出长波辐射，对地面和大气温度有一定影响。6.1大气成分溶胶粒子为大气中悬浮着的固态、液态微粒。气溶胶粒子与气体介质一起称为气溶胶。其中的固体微粒有烟粒、盐粒、尘埃、花粉、细菌等。集中于大气底层的固体微粒以海浪、风沙、植物奉献最大，约占气溶胶粒子总质量的60%以上。固体微粒的含量一般城市多于农村、陆地多于海洋、低空多于高空、冬季多于夏季、夜里多于白天。它能够充当水汽凝结核心并吸收一局部太阳辐射和阻挡地表放热，使地面和空气温度变化振幅减小。液体微粒有水滴、过冷水滴(指气温低于零度仍未结成冰的水)、冰晶等。它们常聚集成云、雾使大气能见度变低，并减弱太阳辐射和地面辐射影响地表气温。6.1大气成分大气污染〔1〕大气中对人和动植物产生危害的有毒、有害物质称为大气污染。污染物主要来源于工业、交通运输业、火山爆发、弃物燃烧等废气向大气排放。目前已引起人们注意的大气污染物已不下百余种，其中对人类危害最大的是煤粉尘、二氧化硫、一氧化碳、碳氢化合物、氨和放射性物质等。

日本东京南600多公里伊豆群岛的火山喷发大气污染〔2〕

在更高层次上的大气污染，包括大气中CO2浓度升高、大气臭氧的损耗、大气中水汽及其气溶胶物质的增多等。大气污染物不仅直接危及人类健康和农、林作物的正常生长，影响环境和生态，而且对天气、气候影响也日趋加剧。如粉尘烟雾可直接进入肺组织内部，通过血液传遍全身甚至致癌；二氧化硫和一氧化碳成为酸雨等。中国重庆市多年前每年的酸雨损失超过20亿元。6.2大气成分的变化大气成分的变化，主要取决于地球系统中的地—气系统与水—气系统中物质交换的通量及其滞留量。近现代大气组分含量的变化，主要是人类活动干扰了上述复杂系统中的物质通量与物质循环，并导致假设干大气组分在大气中的含量发生显著的变化。6.2大气成分的变化过去的大气成分的变化地质历史上有过屡次大气成清楚显的变化如生命大爆炸时代有人测试南极冰芯中小气泡的成分，发现地球冰期与间冰期大气中二氧化碳的含量是有高有低的，给人的印象,好似大气中二氧化碳的含量升高在前，而间冰期温暖气候的到来在其之后。

16万年以来CO2含量的变化6.2大气成分的变化全球碳循环示意图〔据Hardy，〕近现代的大气成分的变化CO2源

化石燃料及水泥生产5.5±0.5

热带土地利用的变化所产生的净释放1.6±1.0

人工源释放合计7.1±1.1CO2汇

大气浓度的增加3.2±0.2

海洋吸收2.0±0.8

北半球森林生长吸收0.5±0.5

植被施肥1.0±0.5

氮沉降0.6±0.3

失汇0.2±2.0作为吸收大气CO2的主要因素，除大气圈增加的量外，海洋吸收、北半球的森林生长及植被的施肥效应是主要的CO2汇自然植被的光合作用增强，生长期延长，生产力会有一定程度提高近现代的大气成分的变化

大气中的碳含量变化(1)

由化石燃料和水泥产品而全球大气中的碳含量每年新增5.5Gtc〔碳循环库贮量单位千兆吨碳),由于土地利用的变化而每年新增1.3Gtc由全球主要的净产出和呼吸作用再生并向大气输入而每年减少1.3Gtc,因此，大气层中每年净增约3.3Gtc以箭头表示的为每年千兆吨〔Gtc·y－1〕大气层中贮量为750Gtc人类活动经大气层散发增加的量大约为6.6Gtc由于自然积淀而大气层每年增量约3.3Gtc6.2大气成分的变化

近现代大气成分变化

大气中的CO2浓度变化(2)

二次世界大战以来，大气中CO2的浓度几乎增加了25%，预计在未来40a中将比工业革命前增加1倍

过去1000年来冰核和大气观测得到的CO2浓度变化，放大图为工业革命以来的情况，其中矿石燃料产生的CO2量以碳计〔据，1996〕CH4含量据冰芯气泡分析千年来CH4含量的变化美国的世界资源研究所〔WRI〕于2002年提出大气中CH4的来源，有30％来自家蓄，16％来自固体废气物，13％来自煤矿，16％来自石油、天然气的使用，25％来自水稻农业，也就是说，其总含量的三分之二以上源自于与人类活动有关。公元1000年2000年〔据IPCC,2000〕据冰芯和近期观测，千多年来大气中N2O在地球大气浓度的变化〔据IPCC,2000〕

硫酸盐气体据冰芯分析得知近400多年来，硫酸盐气体浓度的变化，其中后几十年来硫酸盐浓度的下降，也是由人类活动的某些变化所造成。据格陵兰冰芯，400多年来硫酸盐气溶胶的浓度变化〔据IPCC,2000〕全球平均CFC-11、CCL4与CapeGrim站SF6浓度的变化〔IPCC,1995〕1.爱尔兰2.俄勒冈3.塔斯马尼亚4.美国NOOL/CMDL全球模式结果温室气体工业革命前的体积分数1994年的体积分数浓度增长率(％a－1)大气寿命aCO2280×10－6358×10－60.4CH4700×10－91721×10－90.6N2O275×10－9311×10－90.25CFC-110268×10－650CFC-12(CCl2F2)0503×10－12102HCFC-22(CHClf2)0105×10－1212.1CF4070×10－1250,000SF60280×10－6假设干温室气体含量的变化〔据JohnT.Hardy，〕大气中十亿分之一CO2的含量相当于2.13百万吨碳*CO2、CH4、N2O的浓度增长率是据1984年为根底1993以来，西伯利亚沙果特湿地上空空