大气概论-新1(ppt文档).ppt

第一章第一章 行星大气和地球大气的演化行星大气和地球大气的演化太阳系:由太阳、九大行星、64个行星的卫星，大量的小星体（彗星及小行星），行星际间的介质。太阳系内层包含太阳，水星，金星，地球，火星：外层的行星为木星，土星 ，天王星，海王星和冥王星：这些行星都以太阳为中心以椭圆轨道轨道公转，虽然除了水星和冥王星的十分接近于圆。行星轨道中或多或少在同一平面内（称为黄道面黄道面并以地球公转轨道面为基准）。黄道面与太阳赤道仅有7度的倾斜。冥王星的轨道大都脱离了黄道面，倾斜度达17度。下面的图从一个特定的高于黄道面的透视角显示了各轨道的相对大小及关系（非圆的现象显而易见）。它们绕轨道运动的方向一致（从太阳北极上看是逆时针方向）；除金星和天王星外自转方向也如此。在太阳系的九大行星中拥有大气的有:水星（Mercury)、金星(Venus)、地球、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、海王星(Neptune)、冥王星(Pluto)，仅有水星因其大气过于稀薄，一般认为不具有大气。所有的类木行星（气态行星）都有大气，并且它们本身就是主要由气体组成，而类地行星（固态行星）则未必，有的有而有的没有。在卫星中，月球、火卫一等卫星不具有大气；但是土卫六、海卫一等卫星却有大气存在。国际天文学联合会大会2006年8月日投票决定，不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星，而将其列入“矮行星”。许多人感到不解，为什么从儿时起就一直熟知的太阳系“九大行星”概念如今要被重新定义，而冥王星又因何被“降级”？“行星”这个说法起源于希腊语，原意指太阳系中的“漫游者”。近千年来，人们一直认为水星、金星、地球、火星、木星和土星是太阳系中的标准行星。世纪后，天文学家陆续发现了天王星、海王星和冥王星，使太阳系的“行星”变成了颗。此后，“九大行星”成为家喻户晓的说法。冥王星是一颗大行星吗?不过，新的天文发现不断使“九大行星”的传统观念受到质疑。天文学家先后发现冥王星与太阳系其他行星的一些不同之处。冥王星所处的轨道在海王星之外，属于太阳系外围的柯伊伯带柯伊伯带，这个区域一直是太阳系小行星和彗星诞生的地方。世纪年代以来，天文学家发现柯伊伯带有更多围绕太阳运行的大天体。比如，美国天文学家布朗发现的齐娜娜()，就是一个直径和质量都超过冥王星的天体。柯伊伯带（Kuiper Belt）柯伊伯柯伊伯带 全称为艾吉沃斯艾吉沃斯-柯伊伯带（英语：柯伊伯带（英语：Edgeworth-Kuiper Edgeworth-Kuiper beltbelt；EKBEKB，一般简称作柯伊伯带，或译作古柏带、库柏带，一般简称作柯伊伯带，或译作古柏带、库柏带等）等）点环为柯伊伯带（柯伊伯带（Kuiper BeltKuiper Belt）。柯伊伯带位于太阳系的尽头，其名称源于荷兰裔美籍天文学家柯伊伯（Kuiper）。早在上世纪50年代，柯伊伯和埃吉沃斯（Edgeworth）就预言：在海王星轨道以外的太阳系边缘地带，充满了微小冰封的物体，它们是原始太阳星云的残留物，也是短周期彗星的来源地。1992年，人们找到了第一个柯伊伯带天体柯伊伯带天体（KBOKBO）；如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现，宽度从数千米到上千公里不等。许多天文学家认为：由于冥王星的个头和柯伊伯带中的小行星大小相当，所以冥王星应该被排除在太阳系行星之外，而归入柯伊伯带小行星的行列当中；而冥王星的卫星则应被视作其伴星。不过，因冥王星是在柯伊伯带理论出现之前被发现的，所以传统上仍被认为是行星。无论如何，柯伊伯带的存在现已是公认的事实，但“柯伊伯带为什么会存在?”等种种疑问成为太阳系形成理论的许多未解谜团的一部分。布朗等人发现的齐娜,使传统行星定义遭遇巨大挑战。国际天文学联合会大会通过的新行星定义，意在弥合传统的行星概念与新发现的差距。大会通过的决议规定，“行星”指的是:1、围绕太阳运转；2、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状；3、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交，不符合新的行星定义，因此被自动降级为“矮行星”。在距离太阳4050个天文单位的位置，低倾角的轨道上，过去一直被认为是一片空虚，太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体，热闹无比，就是柯伊伯带。柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界，是太阳系大多数彗星的来源地。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢？如果按照行星形成的吸积理论来解释，那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞，互相吸引，最后粘附成一个个大小不一的天体，形成现在的样子。可是这个理论有个致命的问题！如果在柯伊伯带目前的位置，要形成直径上千公里的天体，那么柯伊伯带上物体的总质量至少要是地球质量的10倍以上。可是目前推估的柯伊伯带总质量，不过只有地球质量的十分之一。其他99%的质量，难道凭空消失了？1.原始大气:以氢、氦、二氧化碳为主要气体2.次生大气(还原大气):以二氧化碳、甲烷、氨、水汽为主要气体。3.现代大气:氮、氧、氩为主要气体成分。地球大气的演化:Marvelous atmospheric phenomenaTornado 龙卷风LandspoutIsabelHurricane(Typhoon)StormcloudLightingBow photoHailnGrapefruit from a hailSnowstormFrontrange-snowDamage from bad weatherDamage by hurricaneThe flood due to the rainstorm From a tornadoEndeavor of Human beings to study WeatherSatellite for meteorolgical observationDistribution of the cosmicsounding全球声纳探测The instrument prepared for LaunchRadar for probing stormNew development of GPS meteorologyProbe on the air by aeroplaneThe evidence of the global charge第二章第二章 地球大气的成分及分布地球大气的成分及分布2.1 干洁大气干洁大气n大气中的气体成分,除去水汽的部分,被称作干洁大气,简称 干空气。n干空气中的氮、氧、氩在气体中的比例在85km以下基本不变，是准定常的。并且所占比例很高。为主要成分n大气还有很多成分，其在大气中所占比例不高，有些甚至是很微弱，其中多数该种气体与人类的活动有很大关系。（如下表）地球大气的主要成分(体积)名称体积%主要成分准定常成分氮气(N2)78.084氧气(O2)20.947氩气(Ar)0.934可变成分二氧化碳(CO2)0.032次要成分惰性气体氦气(He)5.2410-4氖气(Ne)1.8210-4氪气(Kr)1.1410-4氙气(Xe)8.710-6氡(Rn)微量可变成分二氧化硫(SO2)1.010-4一氧化二氮(N2O)2.710-5一氧化碳(CO)6.010-61.010-5氢气(H2)5.010-5臭氧(O3)1.010-61.010-5水蒸气(H2O)0.14.0甲烷(CH4)1.810-41、干空气的状态方程干空气的状态方程：式中：Pi为第i种成分的分压，V为气体体积，ni为第i种气体成分的摩尔数，R为气体常数，T为绝对温标。又由道尔顿定律：n式中:P 总压强，n 气体的总摩尔数，平均摩尔质量定义为:M=m/n =ni Min，其中 m=质量；Mi=第i 分气体的摩尔质量。2、碳的化合物碳的化合物 碳化合物应作为单独的循环进行考虑，因为它不是相互联系的化合物：二氧化碳CO2；一氧化碳CO；甲烷CH4；氟氯化碳化合物;其他等 (1)二氧化碳是大气空气的主要成分之一二氧化碳是大气空气的主要成分之一。它的主要来源是含碳物质的燃烧。这既包括自然过程(森林火灾，也包括人类活动，矿物燃料的燃烧等)，动物呼吸和有机物质的腐烂;它的主要汇是植物碳水化合物的光合作用以及在海洋中逐渐浸透到深层的溶解性和碳酸钙CaCO3，沉积物的形成。根据质量作用定律，碱性(低浓度pH)使平衡式向右边推栘。因此，大气中CO2和海洋上层溶解的CO2之间的平衡是与它们水分中的pH值紧密联系的。在水中，二氧化碳很容易溶解产生弱碳酸，然后又进入离解平衡由于工业的发展和森林覆盖面积的减少(CO2的一个重要汇)，引起二氧化碳增加，使大气中二氧化碳含量有规律的增加(如下图)，目前，它的浓度约在330ppm左右但是每年仍以近lppm（PartsofPerMillion)的速率增加：这种情况引起了人们的关注。因为这种气体对辐射通过大气是有影响的.二氧化碳浓度的变化(2)虽然CO能够被氧化为CO2，但这需要大气中强烈的化学条件(如燃烧，爆炸等），一般不能满足。因此，这两种气体是互不影响的，CO有它自己的一种循环形式，是受生物控制的，也就是它似乎主要是靠洋面上的微生物产生的。而主要的汇大概是靠土壤中细菌的分解。另外一个来源是由于不完全的燃烧。而另外一个汇，则是光合作用和通过与平流层中氢氧基的化学反应引起的摧毁作用。CO是一种比较丰富而稳定的气体。但是在城市和森林中它却成为非常易变的气体(受当地汇和源的影响)。(3)CH4是受一种生物循环控制的比较丰富和稳定的气体。它的产生是由于沼泽地、湿地和稻田等的腐烂物质所致。这种气体的汇目前还不清楚，可能是由于氧化作用或生物的毁灭。其次可能是平流层中OH的破坏。(4)氟氯化碳化合物在化学工业发展以前，大气中没有这种气体。由于制冷设备、电冰箱与香雾剂的大量使用，使大气中氟氯化碳化合物含量飞速增长,尤其是CFCs中的氟里昂-11(CFCl2-11或F-11)和氟里昂-12(CF2Cl2或F-12)二种成份。这二种气体有明显的温室效应。它们在对流层中非常稳定，与其它大气成份不发生化学反应，一直垂直输送到平流层大气中，在太阳短紫外辐射(A0.24m)的光化作用下，分解出氯气(C1)(5)其它的碳化合物包括另外的碳氢化合物，以及甲醛等的有机物质。由于它们对目前的主要环境问题来说，不太重要，所以，不准备进行讨论。Cl即与O3，进行下列化学反应3、臭氧臭氧臭氧含量主要分布在10一50公里的大气中（平流层），极大值在20一25公里附近。对流层大气中的臭氧含站只占整层大气臭氧量不到十分之一，但分析研究表明，其温室效应仍很显著（9.6微米有吸收带）。从1913年Fabry和Buission第一次测量大气臭氧总量，1924年Dobson臭氧分光光度计问世以来，现已由世界气象组织正式全球臭氧观测网，进行大气臭氧总量与臭氧垂直分布的地面与探宅观测。同时，气象卫星探测臭氧总量也获得成功。大气臭氧含量除了用一般的气体浓度量表达外，通常用臭氧厚度表示，它是指垂直大气柱内所有的臭氧被压缩指垂直大气柱内所有的臭氧被压缩到标准状况下的等效厚度，单位为厘米到标准状况下的等效厚度，单位为厘米。有时也用另一单位称为Dobson单位，缩写为D.u.:在际准状况下，等效厚度为10-3厘米的臭氧相当于1D.U.。大气臭氧总量有明显的地区和季节变化，其范围约从200D.U.到450D.U.下图是16581980年臭氧平均总量的全球分布。赤道地区上空的臭氧(平均总量约为240D.U.)。这是全球臭氧极小值的地区，由赤道向两极,总量逐渐增加，在北半球650一700N和南半球600一650S纬地区极大，而北半球的臭氧总量又大于南半球年平均值可超过280DU.。(1)臭氧的产生与破坏臭氧的产生过程主要是氧气的光致分解造成的，氧气吸收太阳紫外辐射而被离解。首先，氧吸收schumann-Runge连续吸收范围（吸收带0.17一0.18微米）的紫外辐射后可以发生下列反应:在大气上层(大约120公里以上)太阳的schumann-Runge连续吸收范围的辐射很强。太阳辐射向下深入大气时，因被吸收而越来越弱，到大约85公里处，实际上已下降为零。在85公里以下，Lyman-辐射，Herzberg（吸收中心0.25微米）连续光谱，和0.17一0.18微米范通的SchumannRunge带开始起作用。氧气光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主要源。在大气中，下列反应是重要的:臭氧也会因吸收太阳紫外辐射而破坏。臭氧吸收Hartley带范围的太阳辐射后会产生如下反应：(2)对流层内的臭氧早期大气污染研究中，已经注意到臭氧污染的严重性，但是真正对大尺度范围对流层臭氧的系统研究却是最近几年。臭氧作为一种强氧化剂强氧化剂，在许多对流层大气化学过程中起重要作用，例如许多有机化合物的分解氧化，二氧化硫的氧化、氮氧化物的转化过程都与臭氧有关。臭氧是光化学烟雾的成因之一和重要指标。地表附近的臭氧是一种重要的污染大气成分一种重要的污染大气成分，其浓度增加将直接危害生态环境，另一方面，臭氧在9.6微米范围的大气红外窗区有一个很强的红外吸收带，使对流层臭氧成为一种非常重要的温室气体一种非常重要的温室气体。对流层臭氧增加将使地表增地表增温温。由于这些紧迫的实际环境问题使得对流层臭氧研宄越来越受到普遍重视。最近几年的研究发现，产生臭氧的光化学过程不仅发生在城市污染大气中，也会发生在干净对流层大气中，这种光化学过程产生的臭氧在数量上可能超过平流层注入的量，是对流层臭氧的主要来源。对流层大气中，产生臭氧的光化学过程与氮氧化物、碳氢化合物以及一氧化碳的光化学反应有关。大气中的氮氧化物主要是NO和NO2，产生臭氧的主要是NO2存在。只要有NO2存在，下列反应在对流层大气条件下容易产生臭氧但是NO可与臭氧很快反应生成NO2，这一反应是一个快速循环过程，其净效果不产生臭氧。如果在NO2光化分解的同时，有其它反应物消耗NO，则将有臭氧产生，非甲烷烃和一氧化碳可能成为这种重要的反应物。主要反应过程是，上述反应是一个快速循环过程，其净效果是:在上式中，NMHC代表非甲烷烃，R表示大分子碳-氢自由基，CARB大分子碳化合物。与一气化碳有关的反应是:上式反应的净效果是:很显然,上述光化学反应过程的臭氧产生率取决于大气中氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的浓度以及太氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的浓度以及太阳紫外辐射的强度阳紫外辐射的强度。近几年已有不少研究者根据上述反应机制建立起光化学摸式来计算对流层臭氧光化学产率。很遗憾，由于不同作者采用的氮氧化物和碳氢化合物的浓度差别比较大，文献报导的对流层臭氧光化学产生率有较大的变化范围，对流层垂直气柱内臭氧平均光化学产生率约为：(1一10)1011个分子/厘米2/秒。美国大气与海洋管理局的环境研究实验室的模式给出，考虑到人为排放的氮氧化物和碳氢化合物，夏季对流层垂直气柱内臭氧平均光化学产生率可达21012个分子/厘米2/秒，而冬季只有21011个分子/厘米2/秒。如果只考虑自然排放的氮氧化物，则相应的数字分别是：1.21012个分子/厘米2/秒与1.21011个分子/厘米2/秒。尽管模式计算结果误差较大，我们仍然可以得出结论，在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学产量要比平流层注入量大得多；而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多；而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多；而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多；而在冬季对流层臭氧的光化氧的光化氧的光化氧的光化 学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些。大气臭氧浓度的变化是最早引起人们注意的全球尺度的大气成分浓度变化。尽管臭氧在大气中的含量很少，但它对地球气候以及地表生态环境的影响却是非常大的。大气臭氧的重要性表现在两个方面，一方面是它对辐射和气候的辐射和气候的辐射和气候的辐射和气候的作用作用作用作用，另一方面是在大气化学中的作用大气化学中的作用大气化学中的作用大气化学中的作用。大气臭氧主要集中平流层，它对太阳紫外辐射的强烈吸收使得到达地面的对生物有杀伤力的短波辐射(波长小于0.3微米)保持在较低的强度，从而保护着地面生物和人。所以平流层臭氧层常被称为“臭氧保护层臭氧保护层臭氧保护层臭氧保护层”。平流层臭氧对太阳紫外辐射的吸收是平流层的主要热源平流层的主要热源平流层的主要热源平流层的主要热源，平流层臭氧的分布在很大程度上决定了平流层的温度结构，从而对地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气候候候候的形成起着重要作用。(3)臭氧的分布下图为臭氧量随纬度季节变化(地面观测与卫星观测)（4）臭氧洞南极臭氧洞是近几年来使科学界困惑，社会各界普遍关注的重大科学难题。所谓南极臭氧洞是指在南极的春天(每年l0月)，南极大陆上空气柱臭氧总量急剧下降，形成一个面积与极地涡旋相当的气柱臭氧总量很低的地区，这个所谓洞表现为：一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分布的角度来看，随着纬度增加气柱臭氧总量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值，进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值，进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值，进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值，进入环极涡旋后，气柱臭氧总晕突然大幅度下降，形成气柱臭氧环极涡旋后，气柱臭氧总晕突然大幅度下降，形成气柱臭氧环极涡旋后，气柱臭氧总晕突然大幅度下降，形成气柱臭氧环极涡旋后，气柱臭氧总晕突然大幅度下降，形成气柱臭氧总量低值区总量低值区总量低值区总量低值区。另一方面是是是是从从从从9 9月到月到月到月到1010月南极地区气柱臭氧总月南极地区气柱臭氧总月南极地区气柱臭氧总月南极地区气柱臭氧总量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷量突然大幅度下降，形成季节变化中的谷。南极臭氧洞首先是由英国学者通过分析英国的南极站(Halley站)的臭氧观测资料后提出的。在HalleyBay观测的l0月份平均气柱臭氧总量从1976年到1986年的10年间下降了大约40%。而从该站建立的1956年到1976年的20年里，10月份平均气柱臭氧总量几乎保持不变。从1979年以后的卫星观测资料(包括臭氧总量绘图光度计和太阳后向散射紫外光光度计的测量结果)进一步证实了南极地区春季气柱臭氧总量的下降趋势。卫星观测王画出了气柱臭氧量的空间分布。尽管气柱臭氧总量的空间分布逐年变化，但分布状态大致是：在600S以北气柱臭氧总量基本上是随纬度增加而增加的，在600S附近，气柱臭氧浓度达到最大值，而进入极地涡旋圈内，气柱臭氧浓度随纬度增加而急剧下降，在极点周围形成一块气柱臭氧总量极低的地区，气柱臭氧总量低值区所覆盖的范围与极地涡旋相当，大致是南极洲大陆的范围。自有卫星观测以来，南极臭氧洞覆盖的范围有明显的两年周期波动并有逐渐扩大的趋势。臭氧洞内臭氧总量最低值区的气柱臭氧总量的绝对值也有类似的准两年周期波动和逐渐下降的长期变化趋势，并且最近几年变化的幅度特别大。关于南极臭氧洞产生和变化的原因至今仍未完全清楚。由上面所讲的一些观测事实和大气环流特点来分析，南极臭氧洞主要是大气运动造成的，是一种自然现象，只是过去没有发现而已。在南极地区，冬季盛行强大的环极环流。从4月直到10月这一环极涡旋控制着南极大陆上空，这种环流结构造成南极上空平流层极低的温度(-84以下)，以致在南极上空经常出现极地平流层云。这种极地平流层云有利于臭氧的破坏过程，再加上南极的冬季无太阳辐射，臭氧产生率低，便在极区形成了臭氧浓度极低的气团。另一方南极的环极涡旋阻止了极区大气与中低纬度大气的交换，中低纬度平流层中产生的臭氧不能输送到极区，而在极区环极涡旋外累积形成那里的臭氧极大值。北极的冬季同样是臭氧产量低的季节，但由于北极上空的环极涡旋弱且持续时间短，北极地区大气与中低纬度大气的频繁交换使北极地区大气臭氧浓度保持了高水平，在空间分布上不存在臭氧洞，只在短时间内出现臭氧总量的下降。（5）人类活动对平流层臭氧的影响早在20世纪60年代初，就开始认真考虑人为活动对平流层臭氧的破坏的可能性。从前面可知：大气臭氧的含量取决于太阳辐射、大气化学成分(主要是氧，氮氧化物、和含包自由基)以及大气运动状况。人类活动的影响主要表现为对大气成分的扰动。首先，人类活动的强度还不至于影响氧气的浓度，但却明显引起了大气微量成分的变化。大气中的含氢自由基主要来自水汽的光化学离解。模式计算表明，氢自由基氢自由基氢自由基氢自由基的反应在臭氧破坏总量中约占的反应在臭氧破坏总量中约占的反应在臭氧破坏总量中约占的反应在臭氧破坏总量中约占510510（如下的反应式总的效果是使臭氧破坏）人们活动排放大量的氮氧化物(主要是NO和NO2，合写为NOx)。此外也排放大气氧化二氮(N2O)，它们在大气中发生的光化学反应，使平流层臭氧浓度发生变化。一般认为：在平流层下部下述反应起主要作用，使平流层下部的臭氧浓度增加就是说，人类活动造成的氮氧化物增加能够改变臭氧浓度的垂直分布。而在平流层上部下述反应起主要作用，使平流层上部的臭氧减少。4、硫的化合物大气中除了有悬浮着的硫酸盐颗粒外，还有一些含硫的气体，如：二氧化硫SO2、硫化氢H2S等，大气中80一90的硫存在于SO2和H2S中。与碳的化合物不同，这些硫的化合物是不稳定的，它们在大气中通过化学反应或光化学反应互相转化，不过其中有些反应，目前还不十分了解。H2S在大气中能很快被氧化，因此，虽然它的来源丰富，在大气中H2S的浓度并不大。这个氧化反应是很复杂的，还不很清楚。在溶液(云滴)中，H2S能被臭氧氧化SO2溶于水(云滴，雨滴)以后能进一步氧化，并生成亚硫酸溶液中所含氢离子浓度H+的负对数称为溶液的PH值，它表示溶液的酸碱度pH值小，酸度大。因此，SO2溶于云水中将减少云水中的PH值，使降水呈酸性。在云滴和雨滴中，SO2此较容易氧化成SO3，并生成硫酸。若云滴中还含有NH4+、Ca+、Na+等正离子，就能生成(Na)2SO4和(NH4)SO4等盐类。这些盐溶液云滴在大气中蒸发后，就剩下硫酸盐颗粒。硫酸盐颗粒是大气气溶胶粒子的一个主要成份，是很好的凝结核，它往往又溶于水滴而被降水带回到地面和海洋中。降水清除大气中的SO2和硫酸盐，这称为湿沉降。SO2也能被植物吸收。硫酸盐颗粒本身还会逐渐沉落列地面，这些过程称为干沉降。硫化物来源于地球表面。土壤的分解和生物体腐烂都放出H2S与SO2。海浪溅起的泡沫蒸发后产生的海盐颗粒中，不仅有氯化钠，还有相当数量的硫酸盐颗粒。火山爆发也喷射出H2S、SO2及硫酸盐类。和大气中二氧化碳的增多一样，随着工业的发展，煤和石油燃烧放出的二氧化硫也在增加，在人口密集地区和工业区二氧化硫的浓度是相当大的，它对源地附近的局部地区造成很大的危害，不过随着距离的增加而能很快稀释掉，并且在大气中能很快沉降到地面。由二氧化硫及其生成物产生的酸雨在主要工业区的下风方向常能观测到。下图是硫的循环图，可以清楚地看到大气中硫化物的源和汇及输送过程。5、氮的化合物 氮气是大气中最丰富的气体，它的性质很稳定，只有少数的N2能被生物固定在土壤和海洋里，变成有机化合物。气态的氮的化合物有氧化亚N2O、一氧化氮NO、二氧化氮NO2，及氨NH3。N2O与N2比较相似，在低层大气中难以发生变化，而在平流层内N2O会被短长小于0.2 微米的太阳辐射分解成N2和O。含氮的有机物腐败后被土壤内细菌分解产生N2O及其它氮的氧化物。NO2和NO等氮氧化合物常统写成NOx。煤、石油和天然气的提炼及燃烧过程都会释放大量的NO2；另外，种有作物的土镶也是NO2的一个来源。在这样的土壤中，HNO2分解成NO，并被微生物氧化成NO2。自然界降水时，NO2能溶于水生成硝酸及硝酸盐沉降到地面，因此降水能冲刷大气中的氮化物。根据在雷雨的雨水中发现有硝酸盐成份，有人设想是闪电把大气中的氮高温氧化成NO2的，并随之发生上述反应的过程，形成硝酸盐而沉降到地面。氨(NH3）来源于地球表面，其中小部分由工业废气及燃烧所释放，大部分是由土壤中的细菌对生物体内含的氮和氨基酸起分解作用而形成的。氨很容易溶解于水而生成NH4OH，并离解成NH4+和OH-离子。如果水滴是酸性的（由于溶有CO2、或SO2，产生H2CO3。及H2SO4)，由于酸的离解，溶液内含有一部分H+离子。H+和OH-离子结合生成水，NH4+就会和酸根结合而生成铵盐。铵盐溶液滴蒸发后，留下的铵盐质点飘浮在空气中。因此在大气气溶胶粒子中，铵盐颗粒是相当丰富的，是很好的凝结核。下图是氮的化合物的年排放量的估计:6、氢、氦气体在宇宙中氢是最丰富的一种元素，但在地球大气中，氢却是一种微量气体。这是因为在漫长的地球大气的演化过程中，氢逐渐扩散到大气外层并逃逸出地球引力的结果。现在低层大气中氢的来源是多种多样的。自然源可能是土壤，土壤内的有机物腐败时被厌氧细菌分解产生氢。汽车排放的废气中也含有氢，据估计三十年来低层大气中氢的浓度已增加了35左右。过量的氢是一种污染物。氦也来自于地球，它是地壳中放射性元素U238和Th232（钍）在辐射衰变过程的产物。在500km以上的大气高层，气体的主要成分是氦原子、氢原子和氧原子。高层大气中的氢原子主要是由平流层和中层的水汽分子和甲烷分子在太阳紫外辐射的照射下离解产生(光致离解光致离解光致离解光致离解），高空强烈的太阳辐射使原子中的很大一部分具有极高的能量和极大速度。由于大气稀博，气体的平均自由程达到106m量级，气体原子间相互碰撞的机会极少，向上运动未被碰撞的原子，大多数在重力的作用下，会返回大气层，有些速度较快的原子将从大气层逃逸出去。逃逸出去的主要是氢原子和氦原子。2.2大气中的水汽大气中水汽的来源主要是水体特别是海洋表面的蒸发。水汽上升凝结形成水云或冰云。以后，又以降水的形式降到陆地和海洋上。降到地上的一部分水量供给河流、湖泊，一部分渗入地下，补充地下水。海洋上的降水量小于蒸发量。蒸发的水汽被气流带到大陆上形成降水，然后又被河流带入海洋。地面上的水分就是这样在大气，陆地和海洋之间循环的。大气中的水汽仅占地球上总水量的0.001%，绝大部分的水分储存在海洋。极冰及河流，湖泊，地下水中。关于地球上水分的分布状况，不同的资料稍有差别，有的认为海洋的水分占总水量的97，也有人估计只占有94%，根据较新的资科列于下表中。空气中所能容纳的水汽量不能超过饱和水汽量，因此代表水汽绝对含量的水汽压总是小于饱和水汽压的。饱和水汽压是温度的函数，温度越高，饱和水汽压越大。温度高也有利于水面的蒸发所以在温暖的大片水面附近水汽含量往往较高。目前地面上观测到的最高露点是34(阿拉伯半岛的沙加海滨)，假设气压为1000hPa则混合比就是35gkg这是湿度的最大值。湿度的最小值取决于最低气温时的饱和水汽量，目前有记录的最低气温度-882，位于南极苏联东方站，相应的混合比是0.1ppmm=10-4g/kg。最小值与最大值差5个量级。虽然地形，气候条件，植被覆盖面，离水汽源的远近使局部地区的水汽含量在水平方向有很大差异，但一般来说，地面大气中的水汽量是随着纬度的增加而减少的。水汽量的年变化也很明显，北京的夏季混合比有时可达到30g/kg，冬季有时小于5g/kg。1、大气湿度的表示方法(1)混合比r与比湿q测量湿度的标准是称重法，它直接测量大气中水汽的质量和干空气的质量，由此定义混合比与比湿。设一团空气中含有水汽质量mv克，干空气质量md克，则令：r=mv/mdn又因通常大气中的混合比和比湿都小于0.04，因此可以认为：qr(2)水汽压湿空气中水汽的mol分数为其中：Nv=mv/v和Nd=md/d分别是水汽和干空气的mo1数则在总压强为e混合比为r的湿空气中，水汽的分压强应是从而得到混合比，比湿与水汽压的关系为：由于大气中通常e60hPa，所以可近似认为饱和比湿qs，和饱和混合比rs，分别定义为：(3)水汽密度(绝对湿度)单位体积湿空气中含有的水汽质量称为水汽密度，也称绝对湿度，以v表示。它与水汽压e温度T之间满足理想气体状态方程：(4)相对湿度Uw(对水面)及Ui(对冰面）在一定的温度和压强下，水汽的摩尔分数r与饱和水汽摩尔分数rs比，称力相对湿度。(5)露点，霜点对于一定质量的湿空气，若气压保持恒定而令其冷却则湿度参量q、r和e都保持不变，饱和水汽压E(T)却因温度的降低而减小。当E(T）时，空气达到饱和。湿空气等压降温达到饱和时的温度就是露点Td，如果是对于冰面饱和，则就是霜点Tf。露点完全由空气的水汽压决定，在等压冷却过程中，水汽压不变，露点也不变，所以它们在等压过程中是保守量。露点可由露点仪直接测量，也可由其它湿度参量换算得到。2、湿空气的状态方程把湿空气看成是由干空气和水汽组成的混合理想气件，则得湿空气的平均mol质量为:而湿空气的状态方程为湿空气的平均mol质量比干空气的小，含有的水汽越多，mol质量就越小。湿空气的比气体常数为：定义虚温Tv=(1十0.608q)T，则上式可写为：上式形式上同干空气的状态方程一样，在计算密度时不能用湿空气的实际温度，而需用虚拟的温度Tv。虚温虚温虚温虚温T Tv v是与湿空气具有相同的压强与密度的干空是与湿空气具有相同的压强与密度的干空是与湿空气具有相同的压强与密度的干空是与湿空气具有相同的压强与密度的干空气所具有的温度气所具有的温度气所具有的温度气所具有的温度。显然，空气的温度越高，水汽越多，温度与虚温的差别就越大。湿空气的定压比热为：水汽的定压比热Cpv=1870JkgK，水汽的定容比热Cvv=1410J/kgk则：3、水汽的分布水汽量随高度的分布受到温度的垂直分布、气流运动、湍流交换、云层的凝结和蒸发以及降水等多种因素的影响，是比较复杂的。根据高空探测资料，对流层内水汽量一般随高度而减小。但有时也可观测到湿度逆增现象。湿度逆增层往往和逆温层同时存在，因为逆温层的稳定结构阻止了水汽继续向高层输送。在高空的低温，低湿下，一般的空仪器湿度感应元件的灵敏度很低，高空探测的数据不太可靠。目前探测的结果表明，大约直到15km的高度，水汽混合比一直是随高度增加而减少，15km至20km保持不变，然后又随着高度有些增加。在25km处水汽混合比有一个极大值，它大约是15km处水汽混合比的6倍。再往上水汽混合比又减少。在平流层内约2328km高度上，在高纬地区有时能见到珍珠般彩色的贝母云。贝母云出现的高度上的温度约是-70一-80，由霜点估计这个高度的水汽混合比约大于l0ppmm。距地面80km的高空有时还出现夜光云，此处的温度为：-130左右，估计混合比约力0.6ppmm。平流层内的水汽的源和汇还是一个正在研宄的问题，平流层内混合比的真正值也还有争论，需继续探测。根据大气环流理论，赤道地区的哈德来环流的上升湿空气携带着丰富的水汽，由于热带对流层顶部的温度很低，约-80左右，水汽在上升过程中大部分凝结成云和雨水降落，并使对流层顶附近的水汽含量降到极小值。少部分水汽物由气流携带穿透对流层顶而进入平流层，并随着环流向极地方向栘动，同时逐渐冷却下沉，又返回对流层而完成循环。有些强雷暴能穿迸对流层顶伸展到平流层内，雷暴云的这些部分若有1%的汽化，就能使平流层内水汽增加1ppmm，它们也供给平流层一部分水汽。2.3 大气气溶胶粒子大气中含有悬浮的各种固体和液体粒子，例如尘埃，烟杜，微生物、植物的孢子和花粉，以及由水和冰组成的云雾冰晶和雨雪等粒子，因此可以把空气看成一种气溶胶。本节不涉及云雾滴、冰晶等水成物部分，而只讨论其它的气溶胶粒子。1、气溶胶粒子的谱分布气溶胶粒子也称大气粒子，按其大小可分成爱根核(半径r0.1m)、大粒子(半径:0.1r1m)三类。大气中还有荷电的大、小离子，小离子是分子或原子失去电子或捕获电子后形成的，它的半径小于0.005m，大的离子则相当于爱根核的尺度。在不同的地区气溶胶粒子的浓度分布是不一样的它受地理位置，地形、地表性质、人类居住情况、距污染源的远近程度及气象条件的影响。据对爱根核的观测，一般在海洋上空平均值是103个/cm3，田野上空是104个/cm3，而城市上空受污染的空气中能达到l05个/cm3或更高。气溶胶总浓度的分布也是这一趋势：城市中的高于海面上的。气溶胶粒子的浓度随着尺度加大而迅速减少，可能是因为大粒子沉降快，在空中停留的时间短的缘故。分布曲线的直线部分可以用公式来拟合式中：C是和气溶胶粒子浓度有关的常数；一般在2与4之间，大陆上直径D大于0.2m的粒子可取3。从下图还可以看到，城市受污染的大气中粒子的浓度最高。2、气溶胶粒子的来源气溶胶粒子的主要来源是地面，可以分成自然现象产生的和人类活动产生的两大类。此外，宇宙尘埃也是一个来源。(1)土壤和岩石风化产生的粒子质点及火山喷发抛出土壤和岩石风化产生的粒子质点及火山喷发抛出土壤和岩石风化产生的粒子质点及火山喷发抛出土壤和岩石风化产生的粒子质点及火山喷发抛出的尘埃。的尘埃。的尘埃。的尘埃。由于农业耕作，出现了大片裸露地面，风把沙漠和干旱的荒地及农田里的微小颗粒刮上天空形成尘埃。冷气团入侵时，大风会卷起大量尘沙，干上而形成尘埃。火山爆发时，也把大量尘埃抛入空中，这些尘埃云能浮游相当长的时间好几年才完全沉降下来。(2）燃料燃烧产生的烟粒及工业粉尘燃料燃烧产生的烟粒及工业粉尘燃料燃烧产生的烟粒及工业粉尘燃料燃烧产生的烟粒及工业粉尘在大城市和工业区的烟粒很多，这是工业上以煤为能源及民用生活煤所造成的，另外，工矿业在生产过程中还会产生很多粉尘，如：二氧化硅粉尘及原子能工业产生的放射性粉尘，这些粉尘都是对人体有害的。这些由人类活动产生的气溶胶粒子，其浓度有明显的日变化，清晨由于人类对生产和生活活动已开始，大气却常处于逆温稳定状态，使低层粒子的浓度达到极大，中午过后由于向上的垂直输送强，粒子的浓度降到极小，黄昏时由于对流减弱粒子的浓度又增大，夜间则粒子浓度再次减少。(3)微生物孢子。花粉等有机物质点。微生物孢子。花粉等有机物质点。微生物孢子。花粉等有机物质点。微生物孢子。花粉等有机物质点。(4)海水溅沫产生的海盐颗粒是海洋上气溶胶粒子海水溅沫产生的海盐颗粒是海洋上气溶胶粒子海水溅沫产生的海盐颗粒是海洋上气溶胶粒子海水溅沫产生的海盐颗粒是海洋上气溶胶粒子的主要来源的主要来源的主要来源的主要来源。在海浪的冲击下，海面上形成很多空气泡并且很快破裂，破裂后生成大大小小的众多的盐水滴，盐水滴蒸发干涸后就成为一些大于2微米的海盐巨核及大量的大于0.3微米的爱根核。洋面上海盐粒子的产生率约是l00个(cm2s)。(5)(5)宇宙尘埃宇宙尘埃宇宙尘埃宇宙尘埃它是由宇宙空间进入大气的，其中包括流星在大气中燃烧所产生的灰尘。根据粗略估计，一昼夜降落到地球上的宇宙尘埃约有550吨。3、气溶咬粒子在大气过程中的作用气溶胶粒子在云雾降水大气光，电、辐射等物理过程中起着重要的作用。（1）凝结核作用凝结核作用凝结核作用凝结核作用：根据云的做物理学理论及实验研究，如果大气非常纯净投有杂质，则由水汽分子凝聚而生成云雾液滴及冰晶是极为困难的。因为这种同质凝结过程要求相对湿度约高达百分之几百，纯净的水滴冻结成冰晶也需要-30一-40的低温。实际上大气中成云致雨的过程并不罕见，这是因为大气中气溶粒子存在。有些气溶胶粒子能够吸附水汽形成水滴胚胎或能溶于水(如海盐粒子和硫酸盐颗粒)，形成溶液微滴，它们是云雾滴能够生存并且长大的基础。这种能起凝结核心作用的粒子，称为凝结核凝结核凝结核凝结核。还有一些气溶胶粒子能起到成冰核心的作用，有的能和云中的过冷水两相碰后促使水滴冻结，或让水汽先在核上凝结，再冻结成冰晶；或水汽分子直接在核上生成冰晶胚胎，这种粒子称为冰核冰核冰核冰核。巨粒子的数量虽少，在降水过程中却起着重要的作用。吸湿性的