第2章 地球大气(1).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 地球大气,第一节 地球及其大气,宇宙中有,10,22,个星系，太阳系就是其中的一个。,太阳系由,8,颗行星以及小行星，慧星和尘埃等组成。,这,8,颗行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星,.,太阳系、行星和地球,太阳系行星的体积和自转方向的比较,太阳和行星的基本数据,行星的不同性质,内围星球：水星、金星、地球、火星。这些星球是固体的，其大气有一个固体的下垫面,外围星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。这些星球具有固态或液态的核心，并逐步向气态过渡，很难定义一个明确的大气下垫面。,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。,地表和大气主要是被太阳加热的。,太阳的能量驱动着大气中的所有变化：冷暖和刮风、下雨。,地球表面的平均温度是,15,0,C,，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。,.,大气的成分,大气的成份主要是氮（,N2,占,78%),，氧（,O2,占,21%),。还有少量的,H,2,O,CO,2,O,3,CH,4,N,2,O,以及惰性气体,Ar,He,Ke,.,如果只考虑大气中数量最多的气体，,N,2,O,2,那么这二种成分的比值一直到,90,公里还是不变的，称为均匀混合层。,大气中变化最大的气体是H,2,O,和,O,3,。,干洁大气（即干空气）,水汽,悬浮在大气中的固液态杂质,一、干洁大气,地球大气由三个部分组成,:,干洁大气的定义及其成分变化：,定义：,除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。,成分变化：,090km,，,主要成分和含量比例基本保持不变。,90km,以上，,氮稍有减少,氧稍有增多,氩和二氧化碳,明显减少,其中氧分子和氮分子开始离解,。,各种成分介绍：,各成分总体状况：,表,2-1,干洁大气的成分（高度,25km,以下）,气体成分,所占体积（,%,）,临界温度（）,临界压强（大气压）,氮,78.08,-147.2,33.5,氧,20.95,-1189,40.7,氩,0.93,-122.0,48.0,二氧化碳,0.032,31.0,73.0,臭氧,0.00006,-5.0,92.3,干洁大气,100,-140.7,37.2,氮气,（,N,2,）,：,存在方式：,以蛋白质的形式存在于有机体中。,作用：,是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料,。,自然条件下,氮气只能通过闪电雷暴作成形成,通过降水过程被植物和土壤吸收利用。,氧气,（,O,2,）,：,作用：,是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；,积极参与大气中的许多化学过程；,对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。,臭氧,（,O,3,）,：,时空变化：,时间变化：,最大值出现在春季，最小值出现在夏季。,空间变化：,水平：,由赤道向两极增加。,垂直：,55,60km,，,含量极少。,20,25km,，,达最大值，形成臭氧层；,12,15km,以上，含量增加特别显著；,从,10km,向上，逐渐增加；,近地面，含量很少；,作用：,对紫外线有着极其重要的调控作用。,对高层大气有明显的增温作用。,二氧化碳,（,CO,2,）,：,来源：,生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。,时空变化：,时间变化：,a),白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于,黑夜、阴天、冬季。,b),工业革命前小于工业革命后。,空间变化：,水平：,城市大于农村；,垂直：,020km,，,含量最高；,20km,以上，含量显著减少。,作用：,绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。,强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使,地面保持较高的温度，产生,“,温室效应,”,。,二、水汽,来源：,主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。,时间：,夏季多于冬季,空间：,一般低纬多于高纬，下层多于上层。,时空变化：,作用：,在天气气候变化中扮演了重要角色。,能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放,出长波辐射，,对大气起着,“,温室效应,”,。,大气中悬浮着的各种,固体和液体微粒,（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。,三、大气中的杂质,气溶胶粒子,：,定义：,分类：,液体质粒、固体质粒,固体质粒的来源：,有机质数量较少，大多为,植物花粉、微生物和细菌,等；,大气中沉降速率极小、尺度在,10,-4,m,到,100m,之间的固态和液态微粒。,无机质数量较多，,主要来源于：,尘粒、烟粒、海洋中浪,花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃,等。,作用：,吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地,面的太阳辐射；,缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而,失去的热量；,降低大气透明度，影响大气能见度；,充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。,大气中的污染物质,：,定义：,由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。,分布：,空间上,垂直：主要集中在,3km,以下的低层大气中；,水平：,城市多，农村少；陆地多，海洋少。,时间上,：,冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。,火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。,来源：,自然过程形成。,人为过程造成。,工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。,大气中的可变化成分,1,、,水汽,1,、,水汽：占大气总质量的,0.25%,，浓度随高度迅速减少，主要存在于近地面,3,公里以下的层次，水汽在大气中的平均停留时间为,10,天。,水汽在大气中的平均停留时间,如上图所示，大气中的水量是13,个单位，每年全球的降水量是,423,个单位。,2,、,CO2,占大气总质量的,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+,CH,2,O+O,2,在大气中的停留时间大约是,15,year,。,3,、,O3,主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的紫外辐射，对地面生命有保护作用。,对流层臭氧对人体有害。,平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反应生成臭氧。,4,、气溶胶,液态或固态微粒在空气中的悬浮体系,.,它们能作为水滴和冰晶的凝结核,太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。它的来源包括：,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、,森林或其它生物体燃烧的烟尘、,人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、,矿物燃料燃烧过程中排放的,SO,2,在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子,燃烧石油和天然气等排放的,NO,x,，,CO,CH,等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子,其它大气化学过程形成的气溶胶粒子,气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷,显微镜下的气溶胶颗粒图像,显微镜下的气溶胶颗粒图像,大气成分的性质,行星大气的成分,为什么行星具有不同的大气成分？,地球、木星和海王星大气均存在涡旋运动，但它们的性质不尽相同，因为后两者没有固态下垫面,第二节 地球大气的演化,一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了宇宙。其过程有点类似于一个核弹的爆炸，原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。,2.1,从大爆炸理论,(Big Bang),说起,宇宙演化的时间尺度,宇宙的形成大约在,150,亿年前；,银河系形成大约在,130,亿年前；,太阳系形成在,50,亿年前；,地球的生命大约是,46,亿年。,宇宙元素的演化,最初的宇宙仅包含氢,(H),和少量的氦,(He),原子。,在最初的,100,亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许多中心，在万有引力的作用下，气体分别向这些中心收缩，出现许多原星体。,这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其内部温度也越来越高。当温度升高到,1000,万度以上时，原星体会内部将发生核反应，形成了,重元素,。这些聚变过程伴随产生大量的辐射能，使原星体转变为发光的恒星体。,特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经形成的不同的元素散布到星际空间去。,地球的形成,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。,地球大气的演化,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。,2.2,原生大气,原生大气的成分是以,氢,和少量的,氦,为主。,但原生大气存在不太久（大约数千万年）。当太阳作为年青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。,2.3,次生大气,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，,还有一些,氨,和,硫,的化合物。,次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。,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。最原始的生命在这个时期已经出现（大约,35,亿年前）。,2.4,现代大气,地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜测的是当时的大气含有甲烷,(CH,4,),和氨,(NH,3,),，而非现在丰富的,(CO,2,),和,(N,2,O),，,但没有氧。,为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导致大气朝着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（,为什么？,）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如,CO,2,、,SO,2,等。另一个是氢的逃逸。当氢从,CH,4,和,NH,3,分离出来并逃逸之后，大气变更易于被氧化。,如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地球的引力势能也就是,(1).,从（,1,），我们可以得到（,2,）。根据（,2,），我们知道，在,500km,的高度，该分子的逃逸速度为,10.77kms,-1,.,(1),(2),M,为分子质量，,r,为该分子,距地心的距离。,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。其中，自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生命的出现和演化有着重要关系。,因此，氧气的起源成为人们最为关心的问题。,2.5,氧的起源,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。,nCO,2,+nH,2,O+,(CH,2,O),n,+nO,2,氧的起源,最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以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。,因为当时没有臭氧层，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。,氧气浓度的变化,（,Holton,，,2004,）,生命的演化,大气演化中的氧和臭氧,Gaia,假说,上面的关于,“,生命的光合作用产生了氧气，并为生命本身的演化创造了一个环境,”,的学说被,James Lovelock,称之为,“,Gaia Hypothesis”,。,Gaia,是,“,地球之神,”,的意思。,但是，该假说似乎与达尔文主意,（,Darwinism,）,相矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境而改变自己，也就是,“,适者生存,”,。,2.6,人类活动对大气成分的影响,从上面的讨论我们可以看到，地球大气势在不断演变的。工业革命（,1860,年）之前的演变可以认为是自然变化。,工业革命之后，人类对大气或环境的改变影响在加大，而且，这种影响是达到了无法忽略的程度。,人类活动对以下大气成分的改变影响显著,化石燃料和生物体的燃烧导致大气中,CO,2,含量升高，煤的燃烧导致,SO,2,含量升高。,汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。,人工固氮导致大气中氮的减少。,人工制造的制冷剂,CFCs,的泄漏导致大气中,CFCs,含量增加，,CFCs,在大气平流层分解后产生的氯造成平流层,O,3,减少。,CO,2,等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水汽含量增加。,CO,2,含量的增加,甲烷（,CH,4,）的增加,最近,1000,年的温度变化,（最近,150,年温度升高很快）,最近,130,年的温度变化,（最近,30,年温度升高很快）,自上个世纪,70,年代末，平流层臭氧急剧减少,右图：南极臭氧洞在加强左图：在,2000,年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次，已经延伸到了南美大陆,观测给出的全球温度的逐年变化,（来自,GISS/NASA,）,根据温度的垂直变化，大气分为：对流层、平流层、中层、热层等。,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。,虽然大气层没有真正的顶，一般我们认为大气层的厚度为,1000,公里。,第三节 大气的垂直结构,为什么大气的垂直温度分布是这样的？,为什么大气温度随高度会有现在这样的变化？这是一个需要想清楚的问题。,如果没有特殊原因，大气温度也应该随高度单调递减。但现在有些层次温度是上升的，必须有热源。在平流层温度升高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸收。,金星和火星的垂直温度结构,Venus,Mars,木星的垂直温度结构,大气的密度和气压,在重力的作用下，大气分子主要集中在近地面，大气密度和气压随高度呈指数递减,90%,的大气质量或分子位于,10,公里以下,标准大气压：,76cm Hg=1013.25mb,=1013.25hPa,从太空看大气层,对流层：,厚度变化,空间：随纬度增加，厚度降低。,低纬地区：平均厚度为,17,18km,；,中纬地区：平均为,10,12km,；,高纬地区：平均为,8,9km,；,时间：夏季大于冬季。,特点：,主要天气现象均发生在此层。,温度随高度升高而降低。,（,平均高度每升高,100m,，,气温下降,0.65,。）,空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。,气象要素的水平分布不均匀。,平流层：,对流层顶,55km,25km,以下，气温保持不变；,25km,以上，气温随高度增加,而显著升高。,空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。,水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流,比较平稳，适宜于飞机航行。,中间层：,平流层顶,85km,气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至,-83,以下。,空气有强烈的垂直运动，故又称之为,“,高空对流层,”,。,热成层,(,热层、暖层、电离层,),：,中间层顶,800km,气温随高度增加迅速上升。,空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生,电离现象。,散逸层：,这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是大气圈与星际空间的过渡地带。,二、大气上界,根据大气中,极光出现的最大高度,，大气上界的高度为,1,000,1,200km,。,另一种是,以大气密度接近星际气体密度的高度,作为标准，大气上界约在,2,000,3,000km,高度处。,第四节 大气的物理性质,一、大气的质量,假定大气是均质的，以气温,0,时、,45,N,（,或,45,S,）,处、海平面上的大气密度,0,为标准（,0,=1.293kg.m,-3,），,则此时大气厚度（,Z,0,）,经理论计算约为,8,000m,。,于是,单位截面积,的大气柱中空气的质量为：,m,0,=,0,Z,o,=1.293,8000=10344kg.m,-2,假定条件下的大气质量：,据此推算，地球表面大气的总质量大约有5,10,15,t,。,二、气象要素,定义：,表示大气状态和特征的物理量和物理现象。,内容：,日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度,和,天气现象,等。,天气现象：,在大气中或地面上产生的,降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电学现象，,也包括一些,风的特征,。,大风、飑,常见天气现象：,雨、阵雨、毛毛雨,雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、,冰雹、冰针,雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞,吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰,沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风,雷暴、闪电、极光,第五节 地球大气中的光电声现象,（一）大气中光的散射现象,1.,蔚蓝天空,2.,霞光,3.,曙暮光,（二）大气中光的折射现象,1.,蒙气差,2.,海市蜃楼,3.,彩虹,4.,晕,一、大气中的光学现象,晕,（三）大气中光的衍射现象,1.,华,2.,宝光环,（四）大气中的其它光学现象,夜天光,、,气辉,、,极光,、,地光等等,虹、霓,内紫外红,内,红外紫,（一）大气电场,1.,晴天电场,2.,扰动天气电场,（二）天电,天电是指大气中放电过程所引起的脉冲电磁辐射，最常见的现象就是闪电，此外还有雷暴放电,、,尘暴放电和电晕放电等，有时也将某些人工放电过程如核爆炸引起的大气放电等也包括在内。,二、大气中的电学现象,闪电是积雨云云中、云间或云地之间发生放电时激发空气强烈闪光，并伴有雷声的物理过程。云内放电和云际放电形成云闪，云地间放电形成地闪。,闪电按形状分为线状闪电,、,带状闪电,、,片状闪电,、,联珠状闪电和球状闪电，其中最常见的是线状闪电。地球表面每时每刻都有闪电发生，全球每秒有,100300,次闪电发生，其中约有,20%,是地闪。闪电多出现在低纬度地区，但在两极地区有时也能观测到，陆地闪电的次数比海洋多一个数量级，白天闪电多于夜晚，夏季闪电多于冬季。,频率在,1520000Hz,之间的声波,，,频率低于,15Hz,的声波称为次声波,，,频率高于,20000Hz,的声波称为超声波。,大气中声波的声源可分为人工声源和自然声源两类。人工声源包括人工爆炸声、各种机器及交通工具发出的声音和人类活动的种种吵杂声等。自然声源包括火山爆发、流星穿入大气、海浪和地震激发的大气声波、鸟兽等动物的声音、风和地表的摩擦发声、强风暴系统中大气运动引起的湍流和对流发声、雷声以及极光发声等等。,三、大气中的声学现象,大气中自然声源发出的声波具有极宽的频谱，高频端可达,10,2,10,3,Hz,的频率，低频端可达几分钟至几十分钟的周期。大部分自然声源主要产生的是大气次声波。,（三）源于天气现象的声音,在大气中除了与人类及生物活动有关的声音外，还有许多单纯起源于天气现象的声音，如雷声、风的呼啸声、降水体的摩擦声等。,雷声是伴随闪电出现的大气发声现象，其声强的峰值频率为,4125Hz,。,气流遇到山丘、建筑物、森林和树木以及电线等障碍物时，能够产生声音；由于风而掀起的海浪能够产生啸叫。雨、雪花等降水体在降落过程中与空气摩擦能够产生声音；冰雹云中的雹块与空气摩擦能够产生嗡嗡声。,