大气科学导论2-大气成分与结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章 大气的起源、成分和结构,大气科学导论,参考书,徐玉貌，刘红年，徐桂玉。大气科学概论。南京：南京大学出版社，,2000,，,219.,黄荣辉。大气科学概论。北京：气象出版社，,2005,，,212.,C.Donald Ahrens.2008.Meteorology Today:An Introduction to Weather,Climate,and the Environment,9th edition.,Tim Flannery.The Weather Makers:The History and Future Impact of Climate Change.Melbourne:Text Publishing,2005,352.,（越家康译。是你，制造了天气：气候变化的历史与未来。北京：人民文学出版社，,2010,，,329.,）,Atmosphere,The envelope of gases surrounding the earth or another planet.,牛津英汉双解词典,大气是人类赖以生存的最重要的资源,洁净的空气对生命来说，比任何东西都重要。一个成人每天呼吸大约有,两万,次，吸入的空气量是,10,15m,3,，大约是每天所需食物重量的,10,倍。生命的新陈代谢离不开空气。一般而言，人若,5,周,不吃饭，,5,天,不饮水，尚能生存，但,5,分钟,不呼吸就会死亡。,从太空中看，地球是一颗明亮的蓝色星球，美丽而多变。蓝色是因为它表面的四分之三是覆盖着蓝色的海洋，明亮是因为它上面有许多云层。,亚马逊河上空航拍的照片。贴近地球表面的地方（圆弧）很薄的、,淡蓝色,的一层，大致就是大气的厚度，顶部大致就是“天”的高度了。,圣人的洋葱皮,主要内容,大气结构,地球形成,大气演化,大气成分,2.1,地球的形成,太阳系、行星和地球,宇宙中有,10,22,个星系，太阳系是其中的一个。,太阳系由八颗行星以及小,(,矮,),行星，慧星和尘埃等组成。,八颗行星依次是水星,(Mercury),，金星,(Venus),，地球,(Earth),，火星,(Mars),，木星,(,Jupitor,),，土星,(Saturn),，天王星,(Uranus),，海王星,(Neptune),冥王星,(Pluto,矮行星,),。,太阳系行星分类,类木行星和类地行星：,类木行星,在小行星带外侧，质量大、密度小、体积大、自转快、有光环、卫星多，星体表面为液态，金属物质成分少，以氢氦和挥发性物质为主，处于低温状态；,其大气有一个固体的下垫面。,类地行星,在小行星带内侧，质量小、密度大、体积小、自转慢、无光环、卫星少或无，星体表面是固态，由硅酸盐和含铁物质构成，金属物质比例大，温度比类木行星都高。,这些星球具有固态或液态的核心，但很难定义其大气从何开始，没有一个清楚的下垫面。,行星,类型,行星,距日,远近,质量,体积,密度,类,地,行,星,水星,0.05,0.056,0.893,金星,0.82,0.856,0.958,地球,1.00,1.000,1,火星,0.11,0.150,0.733,巨型星,木星,317.94,1316,0.242,土星,95.18,745,0.128,远日,行星,天王星,14.6,65.20,0.224,海王星,17.2,57.10,0.301,近,中,远,小,大,中,小,大,中,大,小,中,地球的结构特征普通，无特别之处,地球,地球离开太阳的,平均距离是,1.5x10,8,km,，即,1,个天文单位,。,地球是由太阳温暖着的。实际上地球只接受很少一部分太阳的能量，驱动着大气中所有的变化，每天的冷热，刮风下雨。,地球表面的平均温度是,15,，这是很幸运的，因为人类和自然界大量的生物是适应这一条件的。虽然温度有很大的变化幅度，,-85,0,C,从到,+50,0,C,。,2.1,地球的形成,天地浑沌如鸡子，盘古生其中。万八千岁，天地开辟，阳清为天，阴浊为地。盘古在其中，一日九变，神于天，圣于地。天日高一丈，地日厚一丈，盘古日长一丈，如此万八千岁。天数极高，地数极深，盘古极长。后乃有,三皇,。数起于一，立于三，成于五，盛于七，处于九，故天去地九万里。,天气蒙鸿，萌芽兹始，遂分天地，肇立乾坤，启阴感阳，分布元气，乃孕中和，是为人也。首生盘古，垂死化身；气成风云，声为雷霆，左眼为日，右眼为月，四肢五体为四极,五岳,，血液为江河，筋脉为地里，肌肉为田土，发髭为星辰，皮毛为草木，齿骨为金石，精髓为珠玉，汗流为雨泽，身之诸虫，因风所感，化为黎氓。,五运历年纪,太阳系的形成,上帝的七天奇迹：能力很强，效率很高，粉丝很多。,康德和拉普拉斯：太阳系起源的星云假说；,灾变说；俘获说；“星云说”的重生；,宇宙大爆炸（,Big Bang,）：大约,150,亿年前，宇宙所有的物质都高度集中在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。之后，物质开始向外膨胀，先后诞生了星系团、星系及我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。地球是由银河系内发生的一次大爆炸所产生的星云物质碎片及尘埃，经过长时间凝聚，在,46,亿,年前形成。,小结一,太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体，它们形成行星，卫星及大气。,原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳系中心体中运动的气体和宇宙尘借引力吸积而成。它一边增大，一边扫并轨道上的微粒和气体，一边在引力作用下收缩。随着“原地球”转变为“地球”，地面逐渐冷却为固体，原始大气也就同时包围地球表面。,内容,大气结构,地球形成,大气演化,大气成分,典故：,李世民和魏征,“夫，以铜为镜，可以正衣冠；以史为镜，可以知兴替；以人为镜，可以知得失。魏征没，朕亡一镜矣！”,刘昫（,x,）,旧唐书,年轻的时候，我们常常冲着镜子做鬼脸，年老的时候，镜子算是扯平了。,现代大气的镜子？,从宏观上看，地球演化主要是地球各圈层的演化以及各圈层演化的耦合关系。地球的演化分为古大气圈的演化、古水圈的演化、古生物圈的演化、古岩石圈的演化等等。因此，大气圈的演化也要结合各圈层进行分析。,2.2,大气圈的演化,2.2,大气圈的演化,地球自从它形成以来，大约,46,亿年。其大气的演变可分为三个阶段：,原生大气，次生大气、现代大气,。,原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约,46,亿年，比原始人类出现（几百万年）早,3,个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早,6,个数量级。,因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。,显生宙,隐生宙,元古宙,太古宙,冥古宙,新生代,中生代,古生代,新元古生代,中元古生代,古元古生代,古太古生代,中太古生代,新太古生代,46-38,亿年,38-25,亿年,25-5.4,亿年,5.4-2.51,亿年,2.51-0.65,亿年,0.65-0,亿年,一、原生大气,（天文大气圈）,原生大气,的成分是以,氢和少量的氦,为主（,why,？,）。,大气伴随着地球的诞生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所说的星云开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体了。,原生大气存在大约数千万年。当太阳作为年轻恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。,二、次生大气,（地质大气圈）,地球生成以后，由于温度的下降，地球表面发生冷凝现象，而地球内部的高温又促使,火山,频繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐代替了原始大气，而成为次生大气。,生物的化学进化：简单物质,=,有机化合物,=,有机大分子,=,团聚体,=,原核生物,冥古宙,46-38,亿年,次生大气中没有氧，即使有也不能保留。当时地面温度很高，地壳中有很多金属铁，氧将很快和金属铁反应形成氧化铁。,次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，,主要是水汽（,79%,）、二氧化碳（,12%,）、甲烷，一些氮和硫的化合物,。,火山气体成分,体积分数,/%,水蒸气,79.31,二氧化碳,11.61,二氧化硫,6.48,氮气,1.29,氧气,0,其他气体,0.73,夏威夷火山气体的成分,生命的起源和演化可能在太古宙早期就完成了。,简单物质：,火山喷发和雷电的作用，在原始的大气层中出现了较多的甲烷、氮、氨、二氧化碳、硫化氢、水蒸气等。,有机化合物：,在火山、闪电、电离辐射、高温和高压长期作用下，与金属化合物的化合与分解形成了各种有机化合物，如：氨基酸、核苷酸、单糖、甘油、脂肪酸等,.,有机大分子：,上述有机化合物汇集在原始海洋中，经过化学反应聚合成有机大分子，如：蛋白质、核酸等。,团聚体：,大量有机大分子在水溶液中聚集成多分子体系。,原核生物：,这些团聚体产生了界膜，独立于水体，从外界中吸收物质，将废物排除体外,新陈代谢，并且有了繁殖的能力。,原核生物（菌澡类）生活在海洋中，能进行光合作用。,生物圈,生物的生物学进化开始，微体原核生物,38,亿年；,最古老叠层石和微体生物化石记录,35,亿年；,大气圈,大气中无游离态的氧，海水中有游离态的氧。,条带状硅铁质岩石（磁铁石英岩）的大量存在，说明是一种过度状态。因为大量磁铁矿的形成需要大量的低价铁（未经氧化），经过溶解汇入海盆，又要在海水中大量变为高价铁（氧化）而普遍沉淀。说明大气中乏氧（游离），而海水中又有游离氧的存在。,太古宙,38-25,亿年,二、次生大气,次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，,强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，,风雨闪电交加。,次生大气笼罩的时间大约,46,亿年前到,20,亿年前。期间大量的,CO,2,溶于原始海洋，,最原始的生命在这个时期已经出现,（大约,35,亿年前）。,大气圈 成分,20,亿年前：,N,2,CO,2,SO,2,H,2,O,Ar,20,亿年后：,N,2,O,2,Ar,H,2,O CO,2,含氧大气,三、现代大气,由次生大气转化为现在大气，同生命现象的发展关系最为密切。,植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来，动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。,大气中的二氧化碳还通过地球的固相和液相成分同气相成分间的平衡过程来调节。,元古代,25-5.4,亿年,代（亿年）,生物圈,大气圈,古原生代,(,25,-,18),原核细胞演化，真核生物出现,含氧大气出现,中元古代,(,18,-,10),宏体生物的起源,含氧量可能为现在的,1-4%,，臭氧层可能开始出现。,新元古代,(,10,-,5.4),裸露动物群,大气和海洋中,CO,2,含量降低,古生代,生物圈,大气圈,早古生代,5.3-4.05,寒武纪初生命的大爆发，寒武纪早期动物界的进化只用了极短的地质时间，并构成了寒武纪以来的生物演化的基本框架。出现了生物地理分区，生态分异也非常明显。,大气含氧量在进一步增加，,5.4,亿年为现在水平的,10%,，,4,亿年接近现在的水平。,晚古生代,4.05-2.51,海生无脊椎动物的发展，脊椎动物的登陆与演化，陆地森林的出现与植物分区。,自,4,亿始，大气圈中氧的含量接近现代水平。,古生代,5.3-2.51,亿年,次生大气和现代大气成分的比较,小结二,约,46,亿年来地球大气的演变可分为三个阶段：,原生大气，次生大气，现代大气,。,现代大气的主要成份是,N,2,、,O,2,、,H,2,O,、,CO,2,，,O,3,等。,自由氧的出现是现代大气形成的重要标志,。,现代大气的产生同生命现象的发展关系最为密切。,内容,大气结构,地球形成,大气演化,大气成分,2.3,大气的成分,按浓度将大气组成分成三类：,主要成分：,浓度,1%,，氮,(N,2,占,78.08%v),，氧,(O,2,占,20.95%v),，氩,(,Ar,占,0.93%v),。,微量成分：,浓度,1ppm,1%,，包括,CO,2,CH,4,及,He,Ne,Kr,等及水汽。,痕量成分：,浓度,1ppm,，主要有氢,(H,2,),臭氧,(O,3,),氙,(,Xe,),一氧化氮,(NO),二氧化氮,(NO,2,),氨气,(NH,3,),二氧化硫,(SO,2,),一氧化碳,(CO),等，还有一些人为产生的污染气体。,ppm,：,part per million,百万分之,ppb,：,part per billion 10,亿分之,ppt,：,part per trillion,万亿分之,氧气：,一切生命所不可缺少的。,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。,一切有机物的燃烧、腐败和分解都依赖于氧，氧气被称为“有生命的气体”。即使能够获得燃料，生火也需要空气中至少有,12%,的氧气。,2.3,大气的成分,大气中的氧气只需提高大约,4%,，就会引起世界性的火灾。氧气现在浓度每增加,1%,，闪电造成森林大火的概率就增加,70%,。若氧气成分达到,25%,，一旦着起火来，即使是潮湿的植被也会不断地燃烧下去，闪电引发的森林大火将会烈焰冲天，直到所有的可燃物全部烧光。（,Lovelock J,，,1979,）,2.,氮气,老大哥（,78.08%,）：对氧起稀释作用，使氧不致太浓、氧化作用不过于激烈；,对植物而言，豆科植物的根瘤菌将大量的氮固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料。,氮和氧是大气的主要成分，对天气现象影响很少。通过生物过程达到收支平衡。,水汽：,占大气总质量的,0.25%,：,可变,浓度随高度迅速减少，观测表明，在,1.5,2km,高度上，水汽含量已减少为地面的一半，到,5km,高度上，只有地面的,1/10,。,大气中水汽的含量还与地理纬度、海岸分布、地势高低、季节以及天气条件等密切相关。在温暖潮湿的热带地区、低纬暖水洋面，低空水汽含量最大，体积混合比可达,4%,，而干燥的沙漠地带和极地，水汽含量极少，仅为,0.10.002%,。,2.3,大气的成分,水汽的相态变化,液态,固态,气态,水的存在,水汽是大气中的重要成分,随着大气的垂直运动，空气中的水汽会发生凝结或凝华，形成水滴或冰晶，进而产生云和降水（雨、雪、冰雹等）；,水汽发生相变时会吸收或释放大量的热量,(,潜热,),；,水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，是一种重要的,温室气体,。,水汽能直接影响地面和空气的温度，从而也影响大气的垂直运动。,通过水的相态变化，海洋、河流、江湖和土壤等的蒸发向大气输送水汽，大气中的水汽通过凝结或凝华形成降水，又回到海洋、河流、土壤，使不同部分的水不断发生更替，形成,水循环,。水汽在大气中的平均停留时间为,11,天。,水汽在大气中的平均停留时间,大气中的水量是,13,个单位,，每年全球的降水量是,423,个单位,。,CO,2,：,占大气体积,(,质量,),的,0.035%,(,0.037%),。,通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。,它的消耗是植物光合作用,(,海洋,),以及与地表的岩石发生化学反应。,CaSiO,3,+CO,2,CaCO,3,+SiO,2,CO,2,+H,2,O+,320nm,几乎无直接危害,一小部分,紫外,B,280320nm,杀死或严重损伤,绝大部分,紫外,C,200280nm,可杀死一切生灵,全部,大气中臭氧的含量太多太少都不行,悬浮在大气中的液态或固态微粒统称为大气气溶胶粒子,.,来源包括：,自然来源：被风扬起的细沙和微尘、海水溅沫蒸发而成的颗粒、火山喷发的灰尘等；,随着人口增加和工业、交通运输的发展，大气中的烟粒、煤粒尘大量增加。,6.,大气颗粒物（气溶胶）,显微镜下的气溶胶颗粒图像,大气颗粒物,对云雾、降水、辐射传输、大气能见度、大气光学以及大气污染有很大影响。可作为水汽凝结或冻结的核心，是成云、雾和降水的重要条件。吸收和散射太阳辐射，改变地球的辐射平衡等。,如果没有尘埃，日落就会像涮锅水般浑浊，灿烂的蓝天会像墨水般黑暗和一成不变，而影子将变得一片漆黑，边缘犹如剃刀般锋利，在我们眼里好像水泥一样不可穿透。,（,Tim Flannery,，,2005,）,2.3,大气的成分,干洁大气,：,气象上通常称不含,水汽,和,悬浮颗粒物,的大气为干洁大气，简称干空气。,水汽和干空气的混合气体称为湿空气。,80-90km,以下，干空气成分,(,除,O,3,和一些污染气体外,),的比例基本不变，可视为单一成分，其平均分子量为,28.966,，不会发生相变。,小结三,N,2,土壤中的,细,菌，吸收,大气中,的氮,植物、,动,物的腐,败,，,产,生氮送回大,气,-,植物、,动,物的腐,败,，吸收氧,O,2,氧化,作用,呼吸,作用,光合作用,产,生氧,-,光合作用,消耗二氧化碳,CO,2,海洋吸收,植物腐,败,、火山爆,发,、呼吸、人工燃,烧,砍伐森林,(deforestation),-,H,2,O,凝,结,(condensation),蒸,发,(evaporation),-,O,3,光化学过程,+,+,+,+,臭氧吸收太阳紫外线使生物免受伤害,地 面 辐 射,生物体的基本成分,氮,生命活动（呼吸）离不开,氧,光合作用原料,二氧化碳,大气逆辐射,内容,大气结构,地球形成,大气演化,大气成分,大气的垂直结构,Why,？,大气（垂直）运动,2.4,大气的垂直结构,地球大气在垂直方向上的物理性质（温度、成分、电荷、气压等）有显著差异，依据这些特征可将大气进行不同类型的分层。,2.4,主要气象要素,大气的性状及其现象用基本要素,气温、气压、湿度、风、云况（云状和云量）、能见度、降水情况（降水类型和降水量）、辐射、日照及各种天气现象等来描述的，这些因子成为气象要素。最常用的是温、压、湿、风四个要素。,气温,表示空气的冷热程度的物理量,。热力学中，气体温度,T,（绝对温度）是分子平均动能的量度，也是分子运动快慢的量度。,温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。,气温,量度温度高低的尺子称为,温标,，常用三种：,摄氏温标：，用符号,t,表示。,绝对温标：,K,。用,T,表示，,T,273.16,t,。,华氏温标：,。水的沸点为,212,，冰点为,32,，均分为,180,等分，一等分为,1,。,9/5,32,。,湿度,设一定体积的空气中含有水汽质量,m,v,克,干空气的质量,m,d,克。,定义,混合比,r,为水汽与干空气的质量比：,定义,比湿,q,为水汽与湿空气的质量比：,表示湿空气中水汽含量的物理量称为空气湿度，一定体积湿空气的水汽和干空气的质量。最基本的大气湿度物理量是混合比,r,与比湿,q,，其他湿度参量是导出量。,湿度,水汽压：空气中所含水汽的分压力,饱和水汽压：,绝对湿度：单位体积空气中含水汽的质量,相对湿度：水汽压与饱和水汽的比值,湿度,露点温度：湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至对水面而言达到饱和时的温度，简称露点。即空气中的,水蒸气,变为露珠时候的温度叫露点温度。,露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的,程度,。,气压,大气压强。静止大气某地的气压是该地单位面积上大气柱的重量，空气有垂直运动时，气压值与空气柱的重量有一定差异。气压的单位,hPa,。,气象上规定，温度为,0,，,纬度为,45,的海平面气压为一个标准大气压，为,101325Pa=1013,25hPa,风：,空气相对于地面的运动：风向和风速。,风向：风吹来的方向,风向标,尾翼、指向杆、平衡锤、旋转轴,风速：,单位时间内空气相对于地面移动的水平距离,气象台站要求风向标与风速表同为,10m,高。,蒲福风力等级,0,级烟柱直冲天,1,级青烟随风偏,2,级风来吹脸面,3,级叶动红旗展,4,级风吹飞纸片,5,级带叶小树摇,6,级举伞步行艰,7,级迎风走不便,8,级风吹树枝断,9,级屋顶飞瓦片,10,级拔树又倒屋,1112,陆上很少见,2.4,大气温度的垂直变化,根据温度的垂直变化，分为：对流层、平流层、中层、热层和外逸层等。,我们平常关心的大气层是对流层，,0-10,公里。大气越往上越稀薄，最后融合到宇宙空间。,高空探测：探空气球,把,无线电探空仪,携带到高空，进行温度、压力、湿度和风探测。,几个问题,气球材料：由,天然橡胶,或氯丁合成橡胶制成，有圆形、梨形等不同形状。球重,300,1000,克，充入适量的,氢,或,氦气,，可升达离地,30,40,。,高空气象站,使用的常规探测气球升速一般为,6,8,米,/,秒，约上升到,30,千米高空后自行爆裂。,内充气体：氢气和氦气。,意义：探空气球是人类研究,平流层,的重要工具，在,气象学,发展和天气预报工作中起到了重要作用。,为什么大气的垂直温度分布是这样的？,对流层,(Troposphere),特点：,气温随高度增加而降低，平均而言，减温率平均为,=0.65/100,米。,原因：阳光加热地面，而地面又加热它上面的空气。,包含了地球上我们熟悉的所有天气,。,对流层,(Troposphere),大气密度和水汽随高度迅速递减。对流层几乎集中了整个大气质量的,3/4,，和水汽的,90%,。,有强烈的垂直运动。,气象要素的水平分布不均匀，受地表的影响大。海陆分布、地形起伏差异等。,1718,千米,高纬度 低纬度 高纬度,对流层高度：低纬地区平均为,17-18km,，中纬地区,10-12km,，极地,8-9km,。,季节变化：夏季高于冬季。,1012,千米,89,千米,1012,千米,89,千米,对流层上冷下热，利于空气对流,温度随高度增加而递减,冷热不均引起空气对流,热,冷,天气复杂多变,平流层,(Stratosphere),特点,（对流层顶到,55km,）：,最初,20km,以下，,气温随高度不变；,20-50km,温度上升很快。,原因：,臭氧吸收紫外太阳能加热了大气；,30km,以上臭氧减少，但紫外辐射强烈，空气稀薄，加热很少的分子，即可达较高的温度。,层内气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，能见度很好。,平流层大气上冷下热，不利于空气对流，空气以水平运动为主,冷空气,高度 平流层顶,50/55,千米,温度随着高度增加而递增,热空气,天气晴朗,中层,(Mesosphere),55-85km,，气温随高度下降。,1.,几乎没有臭氧吸收太阳辐射。,2.,氮和氧能直接吸收的太阳辐射大部分被上层大气吸收掉，大气失去比得到能量多，结果能量损失冷却。因此发现中层温度随高度一直降低到,85km,，在此处，大气达到它的最低平均温度,-90,。,中层,(Mesosphere),55-85km,。,有相当强烈的垂直对流混合，又称为高空对流层，但是由于水汽稀少，只是在高纬地区的黄昏时刻，该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。,只有当太阳在地平线以下,6-12,时，低层大气在地球阴影内，高层大气的夜光云被日光照射时，才能用肉眼直接观察到。,冰晶颗粒散射太阳光的结果,呈淡蓝色或银灰色而透明的波状云,温度随高度增加而递减,冷热不均引起空气对流,热,冷,原因：臭氧减少,高度在平流层顶,85,千米,热层,(Thermosphere),85-500km,，气温随高度增加。原因是氮和氧原子吸收了大量的太阳短波辐射，加热了大气。因为在热层仅有相对较少的原子和分子，因此吸收相对少的太阳能就可以导致温度的巨大增加。这层温度可达,1000-2000K,。,高度,85500,千米,温度随高度增加而递增,原因：氮氧原子吸收紫外线,地球表面大约,500km,以上，分子运动,10,公里才可与另一个相碰撞，在这里许多分子可以摆脱地球引力的束缚。这个原子、分子可逃到外太空的区域叫,外逸层,，可以代表大气上界,(,天的高度,),。,气温很高，随高度的增加很少变化。,外逸层,(Exosphere),大气上界,通常有两种方法：,根据大气中出现的某些物理现象，以极光出现的最大高度,1200km,作为大气上界。极光是太阳发出的高速带电粒子使稀薄空气分子或原子激发出来的光，它只出现在大气中，星际空间没有这种现象。,根据大气密度随高度增加而减少的规律，以大气密度接近星际星体密度的高度定位大气上界。根据卫星资料计算结果，约为,2000,3000km,。,2.4,按大气组成的分层,均匀层和非均匀层,从地面到,80100km,，干洁大气成分随高度基本不变，称为均匀层。原因：湍流混合作用强。,90km,以上的稀薄空气成分则不均匀，称为不均匀层。,2.4,按电荷分层,高空大气中的气体分子和原子在太阳短波辐射（紫外辐射和,X,射线）和微粒辐射（质子、电子等）作用下会电离而形成离子和自由电子。这种电离现象发生在地面以上,50,1000km,之间，电离的正离子和负电子密度在,80,400km,范围达到最大，称为电离层。,小结四：作业,自己画一张大气垂直结构图，以温度和海拔为坐标轴，内容包括温度曲线，臭氧含量，天气现象，各种分层等。,思考题,地球大气的主要成分及其演化历史？,按照气温的变化特征，在垂直方向上，地球大气包括哪些层次？为什么会有这样的变化特征？,思考人类圈与大气圈的关系。,次生大气向现代大气演变过程中的几个重要问题,氧气的产生,臭氧层的变化,二氧化碳含量的变化,1.,氧气的起源,早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于,H,2,O,和,CO,2,中。,氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从,H,2,O,和,CO,2,分解,而来；另一种是生物的光合作用。,如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。,生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把,H,2,O,和,CO,2,转化为,O,2,，碳则存储在生（植）物中。可是，生命本身需要样来维持，问题是生命的起源在先还是氧的起源在先。,nCO,2,+nH,2,O+,(CH,2,O),n,+nO,2,问题：生命和氧的起源？,氧气的起源,最初的生命来自哪里无定论。,在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，制造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大分子。它们都可能是生命的来源。,氧气的起源,最初的生物生存环境是非常残酷的，因为当时大气中没有臭氧层臭氧，太阳紫外线可以直射到水下,10,米，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通过光合作用产生氧气。,到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积也加快。生物发展也更多样化。,2.,臭氧层,氧气累计造成大气中臭氧量的增加,臭氧层出现，对致命的紫外线产生屏障作用，使得生物能够脱离对海洋的依赖而在陆地上生存与演化。,生物群族大量繁衍，大气中氧气浓度达到高峰，二氧化碳的含量也更少了。,随着,植物的大量繁衍，,氧气,和,臭氧,的,浓度逐渐,升高，,约,在石炭,纪达到接近,目前的,浓度。,Graedel,，,T.E.,，,and Paul J.,Grutzen,著,，,陈正平译,，,1997,：,变色的天空大气与气候变迁的故事，远哲科学教育基金会，,P,67,，,Fig.4.30,。,3.CO,2,含量变化：,CO,2,：,现代大气发展的前期，地球温度尚高时，水汽和二氧化碳往往从固相岩石中被释放到大气中，使大气中水汽和二氧化碳增多。另外大气中甲烷和氧化合时，也能放出二氧化碳。但当现在大气发展的后期，地球温度降低，大气中的二氧化碳和水汽就可能结合到岩石中去。这种使很大一部分二氧化碳被锢禁到岩石中去的过程，是现在大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的原因。再则，一般温度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，这又是现在大气形成后期二氧化碳含量比前期大为减少的原因之一。因为现在大气的温度比早期为低。,氮气,氮：,从原始大气中或火山喷发气中来看，氮的成分是很少的，只有百分之几。,在动植物繁茂后，动植物排泄物和腐烂遗体能直接分解或间接地通过细菌分解为气体氮。,氧虽是一种活泼的元素，但是氮是一种惰性气体，所以在常温下它们不易化合。这就是为什么氮能积集成大气中含量最多的成分，且能与次多成分氧相互并存于大气中的原因。,