第二章大氣的基本知識

大氣的重要性及組成

大氣的垂直結(jié)構(gòu)及特性

表征大氣的基本要素第二講大氣的基本知識月球上看到的天空與地球上看到的有什么不同？為什么？地球的外衣→大氣龍卷風(fēng)極光臺風(fēng)猜想一下：沒有大氣，地球?qū)⑹鞘裁礃?？閃電降水

沒有大氣，天氣無變化！臺風(fēng)沒有大氣，地球易受隕石侵襲！隕石沒有大氣，聲音無法傳播！聲音沒有大氣，晝夜溫差大！溫差沒有大氣，地球無液態(tài)水！水沒有大氣，地球上將無生命！生命對地面的影響

保護(hù)地球的體溫----“保溫被”形成水循環(huán)----“永動機(jī)”改變地球形態(tài)----“塑像師”對生物和人類的影響—生命之本第一節(jié)大氣的重要性及組成干潔大氣（即干空氣）CleanAir

水汽Moisture

懸浮在大氣中的固液態(tài)雜質(zhì)Impurity一、干潔大氣地球大氣由三個部分組成:干潔大氣的定義及其成分變化：除去水汽及其他懸浮在大氣中的固、液體質(zhì)粒以外的整個混合氣體。第一節(jié)大氣的重要性及組成成分變化：

0~90km:主要成分和含量比例基本保持不變。

90km以上:氮稍有減少,氧稍有增多,氬和二氧化碳明顯減少,其中氧分子和氮分子開始離解

。各種成分介紹：各成分總體狀況：表2-1干潔大氣的成分（高度25km以下）氮33.520.95氬二氧化碳0.03231.0氣體成分所占體積（%）臨界溫度（℃）臨界壓強(qiáng)（大氣壓）78.08-147.2氧-118.940.70.93-122.048.073.0臭氧0.00006-5.092.3干潔大氣100-140.737.2氮氣（N2）：存在方式：以蛋白質(zhì)的形式存在于有機(jī)體中。

作用：是有機(jī)體的基本組成部分，也是合成氮肥的基本原料。

氧氣（O2）：作用：

是人類和動植物維持生命活動的極為重要的氣體；積極參加大氣中的許多化學(xué)過程；對有機(jī)物質(zhì)的燃燒、腐敗和分解起著重要的作用。

臭氧（O3）：時空變化：時間變化：最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在夏季。垂直：

55～60km，含量極少。

20～25km，達(dá)最大值，形成臭氧層；

12～15km以上，含量增加特別顯著；從10km向上，逐漸增加；

近地面，含量很少；空間變化：水平：由赤道向兩極增加。作用：對紫外線有著極其重要的調(diào)控制作用。對高層大氣有明顯的增溫作用。

氯氟烴（CFCs）是空調(diào)、電冰箱用的制冷劑，其商品名叫氟里昂。氯氟烴在低層大氣中穩(wěn)定，游蕩10年左右的時間進(jìn)入同溫層，直至穿出臭氧層。穿出臭氧層后，在強(qiáng)烈紫外線的作用下，氯氟烴迅速分解，產(chǎn)生氯原子，氯原子極為活潑，專門拆散臭氧分子，使臭氧層逐漸變薄，出現(xiàn)空洞。由于臭氧層空洞擴(kuò)大，目前世界上每年每百萬人中有2000人患皮膚癌。如果臭氧層不能得到恢復(fù)，空洞繼續(xù)擴(kuò)大，到2070年，全世界皮膚癌者人數(shù)將增加5％。這幅地圖顯示的是臭氧洞二氧化碳（CO2）：來源：生物的呼吸、化石燃料的燃燒、有機(jī)物質(zhì)的燃燒和分解、火山噴發(fā)作用等。時空變化：時間變化：

a)白天、晴天、夏季時的二氧化碳濃度小于黑夜、陰天、冬季。

b)工業(yè)革命前小于工業(yè)革命后。空間變化：水平：城市大于農(nóng)村；垂直：

0～20km，含量最高；

20km以上，含量顯著減少。作用：綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的原料。強(qiáng)烈吸收長波輻射（地面輻射、大氣輻射），使地面保持較高的溫度，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”?！皽厥覛怏w”和“溫室效應(yīng)”溫室氣體包括兩類：一類在對流層混合均勻，如CO2、CH4、N2O和CFCs。另一類在對流層混合不均勻，如O3。由于大氣中CO2等溫室氣體濃度的增加，大量吸收地表放出的長波輻射，阻止地球熱量的散失，使地球發(fā)生可感覺到的氣溫升高--“溫室效應(yīng)”。溫室效應(yīng)模式圖Greenhouseeffect看漫畫，試想企鵝在說什么？

近百年來全球平均氣溫已上升0.6~0.9℃思考：為什么全球氣溫會升高？----氣溫升高，對各地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、干濕狀況和社會經(jīng)濟(jì)會造成什么影響？

研究表明，至少在過去3億年里，大氣中二氧化碳含量變化和全球氣溫升降的曲線吻合得非常好，二氧化碳可能確實是影響氣候變化的主要因素。在5次已知的地球生物大滅絕時期，大氣中二氧化碳濃度都處于高峰，其中包括6500萬年前一顆小行星撞擊地球、結(jié)束恐龍時代。研究人員說，二氧化碳濃度的異常升高，給生態(tài)環(huán)境造成了極大破壞。

溫室效應(yīng)會帶來以下幾種嚴(yán)重惡果：

1)地球上的病蟲害增加；

2)海平面上升；

3)氣候反常，海洋風(fēng)暴增多；

4)土地干旱，沙漠化面積增大。

科學(xué)家預(yù)測：如果地球表面溫度的升高按現(xiàn)在的速度繼續(xù)發(fā)展，到2050年全球溫度將上升2-4攝氏度，南北極地冰山將大幅度融化，導(dǎo)致海平面大大上升，一些島嶼國家和沿海城市將淹于水中，其中包括幾個著名的國際大城市：紐約，上海，東京和悉尼。二、水汽Moisture來源：

主要來自江、河、湖、海、潮濕陸面的水分蒸發(fā)以及植物表面的蒸騰。時間：夏季多于冬季?？臻g：一般低緯多于高緯，下層多于上層。

時空變化：作用：在天氣氣候變化中扮演了重要角色。

能強(qiáng)烈吸收地面放射的長波輻射并向地面和周圍大氣放出長波輻射，對大氣起著“溫室效應(yīng)”。

在大氣中懸浮著的各種固體和液體微粒（包括氣溶膠粒子和大氣污染物質(zhì)兩大部分）。三、大氣中的雜質(zhì)Impurity氣溶膠粒子：Aerosol定義：大氣中沉降速率極小、尺度在10-4μm到100μm

之間的固態(tài)和液態(tài)微粒。分類：液體質(zhì)粒、固體質(zhì)粒固體質(zhì)粒的來源：

有機(jī)質(zhì)數(shù)量較少，大多為植物花粉、微生物和細(xì)菌等；

無機(jī)質(zhì)數(shù)量較多，主要來源于：塵粒、煙粒、海洋中浪花飛濺的鹽粒，流星飛逝后留下的灰燼，火山塵埃等。作用：

吸收太陽輻射，使空氣溫度增高，但也削弱了到達(dá)地面的太陽輻射；

緩沖地面輻射冷卻，部分補(bǔ)償?shù)孛嬉蜷L波有效輻射而失去的熱量；降低大氣透明度，影響大氣能見度；充當(dāng)水汽凝結(jié)核，對云、霧及降水的形成有重要意義。

大氣中的污染物質(zhì)：Pollutant定義：由于人類活動或自然過程，使局部、甚至全球范圍的大氣成分發(fā)生對生物界有害的變化。分布：空間垂直：主要集中在3km以下的低層大氣中。水平：城市多，農(nóng)村少；陸地多，海洋少；時間：冬季多，夏季少；清晨和夜間多，午后少?；鹕奖l(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)沙和沙塵暴、雷擊森林失火等。來源：

自然過程形成

人為過程造成工業(yè)和交通上煤炭、石油、天然氣的使用，農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)藥的噴施，生活上制冷采暖的排放與泄漏等。二次污染物：分類：一次污染物：直接從污染源排出來的物質(zhì)。進(jìn)入大氣的一次污染物互相作用或與大氣正常組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以及在太陽輻射線的參與下引起光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新的污染物。

危害酸雨，有害氣體“雨”中垂釣酸雨受酸雨腐蝕的森林5896米高的乞力馬扎羅不僅僅是非洲最高的山，更以獨特的地理風(fēng)貌著稱世界?；\統(tǒng)地說，乞力馬扎羅可以分成四層，最下面一層是熱帶雨林，中間的腰部有一條沼澤地帶，再上面是高原沙漠，而頂部，超過了雪線以上的地方則是高山雪峰。遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看，乞力馬扎羅就像一位拖著長長的灑地的綠裙，系了一條細(xì)細(xì)的腰帶，身著緊身淡黃襯衫，頭上俏皮地戴了頂白色小帽的青春少女。第二節(jié)

大氣的垂直結(jié)構(gòu)及特性想一想：位于非洲中部的乞力馬扎羅山，被稱為“赤道上的白雪公主”，即地處熱帶，山頂卻終年積雪，這是什么原因？大氣的垂直分層外層對流層平流層中間層熱層上冷下熱高空對流中間層頂?shù)轿灏傺踉显鰷乜斓厍蚴`引力小空氣質(zhì)點往外跑電離層對流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增來溫度減，只因熱源是地面；天氣復(fù)雜且多變，風(fēng)云雨雪較常見。氣溫初穩(wěn)后升熱，只因?qū)又谐粞醵啵搅鲃犹鞖夂?，高空飛行很適合。對流層：厚度變化空間：隨緯度增加，厚度降低。低緯地區(qū)：平均厚度為17～18km；中緯地區(qū)：平均為10～12km；高緯地區(qū)：平均為8～9km；時間：夏季大于冬季。特點：主要天氣現(xiàn)象均發(fā)生在此層。

溫度隨高度升高而降低。（平均高度每升高100m，氣溫下降0.65℃。）空氣具有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動和不規(guī)則的亂流運(yùn)動。氣象要素的水平分布不均勻。Troposphere分層：下層、中層、上層、對流層頂。下層（摩擦層或行星邊界層）：0-2km摩擦作用、對流運(yùn)動和亂流運(yùn)動最強(qiáng)烈；在接近地面約30～50m高度以下的氣層稱為近地氣層，常有霧形成。中層：2-6km

空氣運(yùn)動以對流為主；有中云和直展云出現(xiàn)，由云滴增大成雨滴的過程多在此層進(jìn)行，因而是形成降水的重要氣層。上層：6km至對流層頂

受地面影響更小，氣溫常在0℃以下，水汽含量少，各種云均由冰晶或過冷卻水滴組成。飛機(jī)飛行在此氣層常出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。在中、低緯度地帶，常出現(xiàn)風(fēng)速等于或大于30m·s-1

的強(qiáng)風(fēng)帶，即所謂高空急流。

對流層頂：對流層與平流層之間1-2km的過渡層氣溫隨高度變化很小，甚至成為等溫狀態(tài)。由低層上升而至的水汽和塵埃等多聚集在這里，使能見度惡化。平流層：對流層頂～55km

25km以下，氣溫保持不變；25km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高?？諝膺\(yùn)動以水平運(yùn)動為主，無明顯的垂直運(yùn)動。水汽和塵埃含量極少，晴朗少云，大氣透明度好，氣流比較平穩(wěn)，適宜于飛機(jī)航行。Stratosphere中間層：平流層頂～85km氣溫隨高度增加迅速下降，頂部氣溫可降至-83℃以下。

空氣有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動，故又稱之為“高空對流層”。

熱成層(熱層、暖層、電離層)：中間層頂～800km氣溫隨高度增加迅速上升?？諝赓|(zhì)點在太陽紫外輻射和宇宙高能粒子作用下，產(chǎn)生電離現(xiàn)象。MesosphereThermosphere1、定義：表示空氣冷熱程度的物理量。氣溫實際上是空氣分子平均動能大小的表現(xiàn)。2、單位----溫標(biāo)（1）溫標(biāo)定義：為了定量地表示物體的冷熱程度，必須引進(jìn)衡量物體溫度高低的尺子，這把尺子稱為溫標(biāo)。（2）溫標(biāo)種類---目前常用的有三種溫標(biāo)：

a）攝氏溫標(biāo)℃------實際業(yè)務(wù)和日常生活

b）華氏溫標(biāo)℉------一些英語國家用（冰點：32℉

）

c）開氏溫標(biāo)K-----理論計算

t=5×(F－32)/9；t=T－273.15一、氣溫第三節(jié)表征大氣的基本要素1、定義：即大氣壓強(qiáng)，指單位面積上所受到的大氣壓力或單位面積上空氣柱的重量。2、氣壓單位1）毫米水銀柱高度（mmHg）2）毫巴（mb）3）國際單位制用帕斯卡（Pa）來表示，氣象上采用百帕（hPa）為單位。1百帕斯卡是1平方厘米面積上受到100牛頓（N）的壓力時的壓強(qiáng)值，即1hPa=100N/cm2二、氣壓第三節(jié)表征大氣的基本要素3、氣壓單位換算關(guān)系

1hPa=100Pa1hPa=1mb1hPa=3/4mmHg4、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：氣象上規(guī)定，把溫度為0℃、緯度為45°的海平面的氣壓作為標(biāo)準(zhǔn)情況時的氣壓，稱為1個大氣壓，其值為760毫米水銀柱高，或相當(dāng)于1013.25hPa。一般海平面氣壓在970－1040hPa之間，在臺風(fēng)中可能低于900hPa。二、氣壓第三節(jié)表征大氣的基本要素1、空氣濕度：空氣中水汽含量的多少或潮濕程度。2、表示方法：有多種

1）絕對濕度：單位體積水汽含量，即密度（g/cm3)

2）水汽壓和飽和水汽壓水汽壓(e)：由水汽引起的那部分壓力，單位hPa。飽和水汽壓(E)：在溫度一定的情況下，單位體積空氣中的水汽有一定限度，如果水汽含量達(dá)到此限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時的空氣稱為飽和空氣，飽和空氣的水汽壓稱為飽和水汽壓，單位hPa。飽和水汽壓是溫度的函數(shù)，溫度越高，飽和水汽壓越大。三、濕度第三節(jié)表征大氣的基本要素4）比濕在