数学物理方法2.ppt

1、,第二章 地球大气的成分及分布,地球大气是迄今为止以发现的天体 大气中唯一以氮、氧为主，水可以以气体、 液体、固体三态出现的大气。 地球大气的演变简述如下： 地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气 的。地球大气的演变可分为原始大气，次生大气 和现代大气三个阶段。,原始大气：（46亿年前） 由于太阳风和地球升温的作用，原始大 气是一些轻物质：H2，He、CO 次生大气：（4520亿年前） 由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和 从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成次 生大气（CO2，CH4，NH3，H2O） 现代大气：（6亿年前） 以N2、O2为主,地球上的生命是何时才有的？ 原始和次生大气

2、均没有O2。30亿年前O2很少，或只有 由水汽光解作用产生极少量的氧气。在无氧的条件下产 生的原始生命，既要躲避太阳辐射，又需光合作用，因此 最初的生命是在10米下的海洋表面，一些厌氧生物产生O2。 亿年前，大气O2浓度达到现在的1，（生物史上第一关键浓度），高空臭氧层增加，削弱了紫外线，生命到达水面。 亿年前，大气浓度达到现在的十分之一，植物茂盛生长，生 命由海洋到陆地, O2更多。 同时动植物的呼吸和死亡又会消耗O2产生CO2 ，这个演变过程 逐渐达到了一种平衡。CO2从亿年前的3000ppm下降到280ppm， 生物也从海洋到陆地，从低级到高级不断发展繁衍下去。,2.1大气成分的组成和分

3、类 2.1.1 大气成分的组成： 大气是由多种气体组成的混合气体， 包括N2、O2、Ar、 CO2、CH4、O3、H2 水汽、大气气溶胶。,2.1.2 大气成分的组成和分类 2.1.2.1 按浓度分类： 主要成分： N2 、 O2、 Ar、CO2 （300ppmv) 微量成分： CH4等（1-20ppmv) 痕量成分： O3 、 H2 、氮氧化合物 、 硫化物及氟氯化烃（1ppmv),2.1.2.2 按平均停留时间分类： 不变成分： （1000年） N2 、 O 2 、 Ar 、 Ne、He 、 Kr 、 Xe等 可变成分： （几十几年) CO2 、H 2、CH4、N2O 、 CO 、 O3、

4、NH3、NO2、 SO2、H2S水汽、大气气溶胶 快变成分：（1年） 碳、硫、氮的化合物 微量成分和痕量成分一般也是寿命短的成分，它们至少有两个特点：有化学活性，多为温室气体。,由于大气中存在着空气的垂直运动、水平 运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不 同地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面 开始向上直到90km处，空气主要成分（除水汽臭 氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。 因此，在90km以下可以把干洁空气当成分子 量为28.97的“单一成分”来处理。,2.2 干洁大气 干洁大气的定义： 通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大 气称为干洁大气，简称干空气。 下面介绍对气象影响较

5、大的干洁大气,2.2.1 碳的化合物(CO2、CH4以及氟氯烃化合物） 一、CO2： 1、来源： 人工源：地面燃烧、工业活动，生物体的呼吸和 生物尸体腐化都排出CO2。 呼吸作用：CH2On+nO2=nCO2+nH2O (包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使CO2还原） 自然源：CO2分压大于大气CO2分压的海水。 （如热带和低纬地区的海洋是大气的源，放出CO2）,人工汇：植物的光合作用减少CO2 光合作用：nCO2+nH2O=CH2On+nO2 自然汇：CO2分压小于大气 CO2分压的海水。 （如高寒冷地区的海洋是大气的汇，吸收大气中的CO2 ） 全球平均，是大气向海洋输送CO2。 深

6、海的水流能把海水中的部分CO2从高纬流向低纬， 部分CO2还变成碳酸盐矿物（贝壳）沉到大海。因此， CO2是在地壳、大气层、海洋和生物圈之间循环的。,2、 CO2的含量变化： 大气中主要原因是由燃烧煤、石油、天然 气，化学燃料等燃料引起； 次要原因是火山爆发及碳酸盐矿物、浅地层里 释放CO2 ，原子武器试验把放射性碳带进大气等。 随着19世纪初工业的发展及世界人口的增长，全球 大气中的CO2含量在逐年增加。 图2.1为过去一千年来CO2的含量变化曲线,3、作用： CO2吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地 面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而 失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。

7、 （温室效应） 这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，导 致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接 影响人类的生存环境。 CO2增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面 升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度， 温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的河 流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。,二、 CH4：（甲烷） 甲烷分子式CH4，最简单的有机化合物。 甲烷是无色无味，极难溶于水的可燃性气体。甲烷 在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气 的主要成分之一。 CH4主要是由湖泊、沼泽里的生物体腐败后被细菌 分解而成

8、。大气中CH4的80%来自地表生物源，是在严 格无氧环境中产生的。,CH4不仅是温室气体，又是一种化学活性 气体，在大气中容易被氧化而产生一系列 氢氧化物和碳氢氧化合物。 CH4的浓度近一两百年来有明显的增加， 值得重视。,三、氟氯化碳化合物 氟氯化碳化合物由氯、氟、碳原子组成， 这是一类大气中根本不存在的有机化合物。 其中氟里昂-11（CFCl）、氟里昂-12（CFCl）， 由于性质非常稳定无毒，被人们作为制冷剂、喷雾发 射剂和发泡剂、电子元件清洗剂长期使用，在对流层 中浓度逐年积累，能做长距离输送并向上进入平流层。,CFCS在平流层能光化学分解成Cl,起到破 坏臭氧层的作用，同时还是温室气

9、体，在地气 系统辐射收支中的作用不容忽视。 其中，氟氯烃化合物减少臭氧的反应： 当CFCS在平流层被光化学分解成Cl， Cl+O3 ClO+O2 ClO+O Cl+O2 O3+OO2 ClO和 Cl未减少，只起催化作用。,2.2.2 臭氧 虽然臭氧在大气中所占的比例极小，但因 它对太阳紫外辐射（0.20.29m)有强烈的 吸收作用，所以臭氧是大气中最重要的微量成 份之一。 1995.9.16联合国大会作出决定，把每年的9.16作为 国际保护臭氧层日。,一、臭氧的作用： 1、臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面,是 地面上生命的保护伞。 强紫外辐射有足够的能量使包括DNA在内的重要生 物分子分解，增高患

10、皮肤癌、白内障和免疫缺损症 的发生率，并能危害农作物和水生生态系统。少量 的紫外线对地面上的生命有杀菌作用，对人类生存 起保护作用。,2、臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量 使平流层大气增温，对平流层的温度场和 大气环流起着决定性的作用。 如果平流层的臭氧浓度下降，将引起平流层上部 的温度下降，平流层下部和对流层的温度上升。 因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气 的辐射平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射 能，估计使地面的平均温度降低12oC。,二、臭氧的产生： 氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解， 光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主源。 O2+hO+O O+O2+MO3+M O+O+M

11、O2+M M为第三种分子（如N2），作用是维持反应过程的动量和能量守恒；太阳紫外辐 射主要指波长短于0.24m的紫外辐射，h为普朗克常数，为频率。 三、臭氧的消失： O3+h O2+O O3+O2 O2 可见，影响O3生成的两大因素：太阳紫外线、O2的含量,四、臭氧的空间分布： 1、垂直分布： 测量臭氧垂直分布 的方法很多，可在 地面或卫星上遥测， 也可用气 球或火箭 直接收集资料。 在近地面层臭氧 含量很少 从10km高度开始 逐渐增加,在12-15km以上含量增加得特别显著， 在20-30km高度处达最大值， 再往上则逐渐减少，到55km高度上就极少 了。 why?,造成这一现象的原因：

12、由于在大气的上层中，太阳短波的强度很大， 使得氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇 的机会很少，即使臭氧在此处形成，由于它吸收 一定波长的紫外线，又引起自身的分解，因此在 大气上层臭氧的含量不多。 在2030km高度这一层中，既有足够的氧分子， 又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜 条件，故这一层又称臭氧层。,2、水平分布： 用臭氧厚度表示 总臭氧含量，单位 是多普森单位DU, 即1DU=10-3大气厘米 见图,北半球，大部分地区臭氧层的厚度春季 变大，秋季变小。高纬的季节更明显，最大 臭氧带靠近极地。 南半球，各纬度的季节变化比较小。最大 臭氧带在春季的中高纬地区。,若按光化学平衡

13、理论，气柱臭氧的极大 值应出现在太阳辐射强烈的夏季赤道区域， 但实际观测并非如此。见图：,臭氧最大浓度在北极和南极的60o左右。,臭氧总量不仅和光化学反应有关，还和大气运 动有关。臭氧主要在赤道生成，通过大气环流向 高纬输送，这种极向环流冬春季最大,并在极地 变成下沉气流，形成臭氧高浓度层。 影响臭氧浓度的因素，大气高层以光化学作用为主； 低层大气以动力输送为主。所以低层大气的臭氧含量和 天气系统发生了联系。,近几十年根据卫星观测资料发现，全球 臭氧浓度及气柱总量有缓慢下降的趋势。 全球臭氧总量变化范围200450DU,平均 300DU,而南极春季少至100DU！Why?,五、臭氧洞： 1985年，英国南极站的大气科学家有了一个 惊人的发现：臭氧洞！ 臭氧洞的含义： 臭氧总量在60oS附近地区的环极涡旋形成低值区； 从时间序列上在910月臭氧总量突然大幅下降形 成低谷。,对臭氧洞成因的研究，目前主要在两个方面： 1、大气动力原因： 南极冬季环极涡旋作用 2、大气化学原因： 氟氯烃等化合物的破坏作用。 南极臭氧洞的成因很复杂至今仍未完全清楚！ 1995年，中科院周秀骥等根据卫星资料，在青藏高 原夏秋季节又发现一臭氧低值区！,思考题： 1、大气由哪些成分组成？ 2、什么是干洁大气？主要成分、微