大氣科學(xué)導(dǎo)論大氣成分與結(jié)構(gòu)

大氣科學(xué)導(dǎo)論大氣成分與結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一參考書(shū)徐玉貌，劉紅年，徐桂玉。大氣科學(xué)概論。南京：南京大學(xué)出版社，2000，219.黃榮輝。大氣科學(xué)概論。北京：氣象出版社，2005，212.C.DonaldAhrens.2008.MeteorologyToday:AnIntroductiontoWeather,Climate,andtheEnvironment,9thedition.第2頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Atmosphere

Theenvelopeofgasessurroundingtheearthoranotherplanet.

－《牛津英漢雙解詞典》第3頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣是人類(lèi)賴(lài)以生存的最重要的資源

潔凈的空氣對(duì)生命來(lái)說(shuō)，比任何東西都重要。一個(gè)成人每天呼吸大約有兩萬(wàn)次，吸入的空氣量是10～15m3，大約是每天所需食物重量的10倍。生命的新陳代謝離不開(kāi)空氣。一般而言，人若5周不吃飯，5天不飲水，尚能生存，但5分鐘不呼吸就會(huì)死亡。第4頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

從太空中看，地球是一顆明亮的藍(lán)色星球，美麗而多變。藍(lán)色是因?yàn)樗砻娴乃姆种歉采w著藍(lán)色的海洋，明亮是因?yàn)樗厦嬗性S多云層。第5頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一亞馬遜河上空航拍的照片。貼近地球表面的地方（圓弧）很薄的、淡藍(lán)色(why?)的一層，大致就是大氣的厚度，頂部大致就是“天”的高度了。第6頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圣人的洋蔥皮第7頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分第8頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.1大氣的成分按濃度將大氣組成分成三類(lèi)：主要成分：濃度>1%，氮(N2,占78.08%v)，氧(O2,占20.95%v)，氬(Ar,占0.93%v)。微量成分：濃度1ppm～1%，包括CO2,

CH4及He,Ne,Kr等及水汽。痕量成分：濃度<1ppm，主要有氫(H2),臭氧(O3),氙(Xe),一氧化氮(NO),二氧化氮(NO2),氨氣(NH3),二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO)等，還有一些人為產(chǎn)生的污染氣體。ppm：partpermillion百萬(wàn)分之…ppb：partperbillion10億分之…ppt：partpertrillion萬(wàn)億分之…第9頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氧氣：一切生命所不可缺少的。是地表一切生命所必須的氣體。如動(dòng)、植物的呼吸，要在氧化作用中得到維持生命的熱能。一切有機(jī)物的燃燒、腐敗和分解都依賴(lài)于氧，氧氣被稱(chēng)為“有生命的氣體”。即使能夠獲得燃料，生火也需要空氣中至少有12%的氧氣?！?.3大氣的成分第10頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

大氣中的氧氣只需提高大約4%，就會(huì)引起世界性的火災(zāi)。氧氣現(xiàn)在濃度每增加1%，閃電造成森林大火的概率就增加70%。若氧氣成分達(dá)到25%，一旦著起火來(lái)，即使是潮濕的植被也會(huì)不斷地燃燒下去，閃電引發(fā)的森林大火將會(huì)烈焰沖天，直到所有的可燃物全部燒光。（LovelockJ，1979）第11頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.氮?dú)饫洗蟾纾?8.08%）：對(duì)氧起稀釋作用，使氧不致太濃、氧化作用不過(guò)于激烈；對(duì)植物而言，豆科植物的根瘤菌將大量的氮固定到土壤中，成為植物體內(nèi)不可缺少的養(yǎng)料。氮和氧是大氣的主要成分，對(duì)天氣現(xiàn)象影響很少。通過(guò)生物過(guò)程達(dá)到收支平衡。第12頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水汽：占大氣總質(zhì)量的0.25%：可變濃度隨高度迅速減少，觀(guān)測(cè)表明，在1.5～2km高度上，水汽含量已減少為地面的一半，到5km高度上，只有地面的1/10。大氣中水汽的含量還與地理緯度、海岸分布、地勢(shì)高低、季節(jié)以及天氣條件等密切相關(guān)。在溫暖潮濕的熱帶地區(qū)、低緯暖水洋面，低空水汽含量最大，體積混合比可達(dá)4%，而干燥的沙漠地帶和極地，水汽含量極少，僅為0.1~0.002%?！?.3大氣的成分第13頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水的存在第14頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水汽的相態(tài)變化液態(tài)固態(tài)氣態(tài)第15頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水汽是大氣中的重要成分隨著大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，空氣中的水汽會(huì)發(fā)生凝結(jié)或凝華，形成水滴或冰晶，進(jìn)而產(chǎn)生云和降水（雨、雪、冰雹等）；水汽發(fā)生相變時(shí)會(huì)吸收或釋放大量的熱量(潛熱)；水汽能強(qiáng)烈地吸收和放出長(zhǎng)波輻射，是一種重要的溫室氣體。水汽能直接影響地面和空氣的溫度，從而也影響大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。第16頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一通過(guò)水的相態(tài)變化，海洋、河流、江湖和土壤等的蒸發(fā)向大氣輸送水汽，大氣中的水汽通過(guò)凝結(jié)或凝華形成降水，又回到海洋、河流、土壤，使不同部分的水不斷發(fā)生更替，形成水循環(huán)。水汽在大氣中的平均停留時(shí)間為??天。第17頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一水汽在大氣中的平均停留時(shí)間大氣中的水量是13個(gè)單位，每年全球的降水量是423個(gè)單位。第18頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CO2：占大氣體積(質(zhì)量)的0.035%(0.037%)。通過(guò)動(dòng)植物呼吸，有機(jī)物腐朽分解、火山噴發(fā)、化石燃料燃燒進(jìn)入大氣。它的消耗是植物光合作用(海洋)以及與地表的巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO2CO2+H2O+ν<CH2O+O2在大氣中的停留時(shí)間大約是15year?！?.3大氣的成分第19頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3大氣的成分

CO2對(duì)太陽(yáng)輻射吸收很少，但能強(qiáng)烈地吸收地面的長(zhǎng)波輻射，同時(shí)又向地面和周?chē)髿夥派溟L(zhǎng)波輻射，從而使地面和空氣不致因放射長(zhǎng)波輻射而失熱過(guò)多。也即，CO2起著使地面和空氣增溫的效應(yīng)，被稱(chēng)為溫室氣體。法國(guó)著名數(shù)學(xué)家傅立葉(J.B.Fourier)，1827年認(rèn)識(shí)到大氣有如玻璃瓶，會(huì)把陽(yáng)光的熱能困在其中，這后來(lái)發(fā)展成“溫室效應(yīng)”觀(guān)念。溫室效應(yīng)第20頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傅立葉被世人所推崇主要在于他在數(shù)學(xué)(傅立葉分析)和熱傳導(dǎo)上的卓越貢獻(xiàn)1768年3月21日生于歐塞爾，1830年5月16日卒于巴黎。9歲父母雙亡，被當(dāng)?shù)亟烫檬震B(yǎng)。12歲由一主教送入地方軍事學(xué)校讀書(shū)。17歲（1785）回鄉(xiāng)教數(shù)學(xué)，1794到巴黎，成為高等師范學(xué)校的首批學(xué)員，次年到巴黎綜合工科學(xué)校執(zhí)教。1798年隨拿破侖遠(yuǎn)征埃及時(shí)任軍中文書(shū)和埃及研究院秘書(shū)，1801年回國(guó)后任伊澤爾省地方長(zhǎng)官。1817年當(dāng)選為科學(xué)院院士，1822年任該院終身部長(zhǎng)，后又任法蘭西學(xué)院終身秘書(shū)和理工科大學(xué)校務(wù)委員會(huì)主席。第21頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一臭氧（O3）：德國(guó)科學(xué)家麻魯(VanMarum)1786年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，1839年德國(guó)化學(xué)家斯考賓(C.F.Schonbein)再次發(fā)現(xiàn)并命名為OZEIN，意思是發(fā)臭味的物質(zhì)。一般氣態(tài)的O3淺藍(lán)色無(wú)味，濃度達(dá)到10-6左右時(shí)，有特殊的刺鼻味道，在雷電天氣或有放電作業(yè)的場(chǎng)合中往往可以嗅到臭氧的味道。§2.3大氣的成分第22頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第23頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一O3的產(chǎn)生

大氣中的氧分子吸收一定波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)輻射，獲得足夠的能量使正常狀態(tài)的氧分子分解成氧原子，隨后，氧分子再和氧原子結(jié)合生成臭氧分子。其最基本的光化學(xué)過(guò)程可表示為第24頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖中藍(lán)色粒子代表氮原子，紅色粒子代表氧原子。第25頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖中藍(lán)色粒子代表氮原子紅色粒子代表氧原子第26頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一垂直方向上O3的含量在低層大氣中，由于太陽(yáng)輻射能的減弱，氧分子的分解速度很小，沒(méi)有足夠的氧原子存在，因此不能形成足夠多的臭氧分子。在較高的大氣層中，雖然有足夠的太陽(yáng)輻射能，但是由于大氣密度隨高度迅速減小，氧分子濃度很小，因此也不能形成足夠多的臭氧分子。

大氣中的某一高度上應(yīng)該出現(xiàn)臭氧濃度的極大值。實(shí)際觀(guān)測(cè)也證明了這一點(diǎn)。第27頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

O3：含量極少(10-7～10-8v)，分布不均(10km以下為10-8

，以上開(kāi)始增加，25km處最大達(dá)10-5

，再往上又減少，至50km則含量極少，10-50km稱(chēng)臭氧層)。第28頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一O3：臭氧是光化學(xué)煙霧的主要成分，對(duì)人體有害。臭氧對(duì)太陽(yáng)紫外輻射有很強(qiáng)的吸收作用，所獲得的能量對(duì)大氣高層熱狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程有著重要影響，對(duì)地面生命有保護(hù)作用。波段波長(zhǎng)對(duì)地球生靈的危害O3吸收紫外A>320nm幾乎無(wú)直接危害一小部分紫外B280~320nm殺死或嚴(yán)重?fù)p傷絕大部分紫外C200~280nm可殺死一切生靈全部大氣中臭氧的含量太多太少都不行第29頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一臭氧空洞某處臭氧層中臭氧含量的減少等于在屋頂上開(kāi)了天窗，如果減少到正常值的50%以上，人們形象地說(shuō)這是個(gè)臭氧洞。臭氧洞可以用一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)來(lái)描述，即臭氧洞的面積、深度及延續(xù)時(shí)間。第30頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣中的臭氧每減少1%。照射到地面的紫外線(xiàn)就增加2%，人的皮膚癌就增加3%，還受到白內(nèi)障、免疫系統(tǒng)缺陷和發(fā)育停滯等疾病的襲擊?，F(xiàn)在居住在南極洲較近的智利南端海倫娜岬角的居民，已嘗到苦頭，只要走出家門(mén)，就要在衣服遮不住的膚面，涂上防曬油，戴上太陽(yáng)眼鏡，否則半小時(shí)后，皮膚就曬成鮮艷的粉紅色，并伴有癢痛；羊群則多患白內(nèi)障，幾乎全盲。據(jù)說(shuō)那里的兔子眼睛全瞎，獵人可以輕易地拎起兔子耳朵帶回家去，河里捕到的鮮魚(yú)也都是盲魚(yú)。第31頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

懸浮在大氣中的液態(tài)或固態(tài)微粒統(tǒng)稱(chēng)為大氣氣溶膠粒子.來(lái)源包括：自然來(lái)源：被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)沙和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的顆粒、火山噴發(fā)的灰塵等；隨著人口增加和工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，大氣中的煙粒、煤粒塵大量增加。6.大氣顆粒物（氣溶膠）顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像第32頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣顆粒物對(duì)云霧、降水、輻射傳輸、大氣能見(jiàn)度、大氣光學(xué)以及大氣污染有很大影響。可作為水汽凝結(jié)或凍結(jié)的核心，是成云、霧和降水的重要條件。吸收和散射太陽(yáng)輻射，改變地球的輻射平衡等。如果沒(méi)有塵埃，日落就會(huì)像涮鍋水般渾濁，燦爛的藍(lán)天會(huì)像墨水般黑暗和一成不變，而影子將變得一片漆黑，邊緣猶如剃刀般鋒利，在我們眼里好像水泥一樣不可穿透。

——（TimFlannery，2005）第33頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.1大氣的成分

干潔大氣：氣象上通常稱(chēng)不含水汽和懸浮顆粒物的大氣為干潔大氣，簡(jiǎn)稱(chēng)干空氣。

水汽和干空氣的混合氣體稱(chēng)為濕空氣。80-90km以下，干空氣成分(除O3和一些污染氣體外)的比例基本不變，可視為單一成分，其平均分子量為28.966，不會(huì)發(fā)生相變。第34頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一臭氧吸收太陽(yáng)紫外線(xiàn)使生物免受傷害地面輻射生物體的基本成分氮生命活動(dòng)（呼吸）離不開(kāi)氧光合作用原料二氧化碳大氣逆輻射第35頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小結(jié)一N2

土壤中的細(xì)菌，吸收大氣中的氮

植物、動(dòng)物的腐敗，產(chǎn)生氮送回大氣-----------------------------------------------------------------------------------------

植物、動(dòng)物的腐敗，吸收氧O2

氧化作用呼吸作用光合作用——產(chǎn)生氧-----------------------------------------------------------------------------------------

光合作用——消耗二氧化碳

CO2

海洋吸收植物腐敗、火山爆發(fā)、呼吸、人工燃燒

砍伐森林(deforestation)-----------------------------------------------------------------------------------------H2O

凝結(jié)(condensation)

蒸發(fā)(evaporation)-----------------------------------------------------------------------------------------O3

光化學(xué)過(guò)程+–+++–––第36頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分第37頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一典故：李世民和魏征“夫，以銅為鏡，可以正衣冠；以史為鏡，可以知興替；以人為鏡，可以知得失。魏征沒(méi)，朕亡一鏡矣！”

——?jiǎng)d（xù）《舊唐書(shū)》年輕的時(shí)候，我們常常沖著鏡子做鬼臉，年老的時(shí)候，鏡子算是扯平了?，F(xiàn)代大氣的鏡子？玉匣盼開(kāi)蓋，輕灰拭夜塵，光如一片水，影照兩邊人第38頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.2大氣圈的演化地球自從它形成以來(lái)，大約46億年。其大氣的演變可分為三個(gè)階段：原生大氣，次生大氣、現(xiàn)代大氣。原始大氣的形成和星系的形成過(guò)程密切相關(guān)。原始大氣出現(xiàn)約46億年，比原始人類(lèi)出現(xiàn)（幾百萬(wàn)年）早3個(gè)數(shù)量級(jí)，比人類(lèi)有文字記載的歷史（數(shù)千年）早6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此只能在現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)加上推理來(lái)研究大氣演變?？茖W(xué)家們從不同的角度提出了不同大氣演化模式。第39頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一太陽(yáng)系的形成上帝的七天奇跡：能力很強(qiáng)，效率很高，粉絲很多?？档潞屠绽梗禾?yáng)系起源的星云假說(shuō)；災(zāi)變說(shuō)；俘獲說(shuō)；“星云說(shuō)”的重生；宇宙大爆炸（BigBang）：大約150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度集中在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。之后，物質(zhì)開(kāi)始向外膨脹，先后誕生了星系團(tuán)、星系及我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等。地球是由銀河系內(nèi)發(fā)生的一次大爆炸所產(chǎn)生的星云物質(zhì)碎片及塵埃，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間凝聚，在46億年前形成。第40頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、原生大氣（天文大氣圈）原生大氣的成分是以氫和少量的氦為主（why？）。大氣伴隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說(shuō)的星云開(kāi)始凝聚時(shí)，地球周?chē)鸵呀?jīng)包圍了大量的氣體了。原生大氣存在大約數(shù)千萬(wàn)年。當(dāng)太陽(yáng)作為年輕恒星經(jīng)歷噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段，強(qiáng)大的太陽(yáng)風(fēng)把原始大氣從地球上吹走，刮向茫茫太空。第41頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、次生大氣（地質(zhì)大氣圈）地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山頻繁活動(dòng)，火山爆發(fā)時(shí)所形成的揮發(fā)氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。生物的化學(xué)進(jìn)化：簡(jiǎn)單物質(zhì)=>有機(jī)化合物=>有機(jī)大分子=>團(tuán)聚體=>原核生物46-38億年前第42頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一次生大氣中沒(méi)有氧，即使有也不能保留。當(dāng)時(shí)地面溫度很高，地殼中有很多金屬鐵，氧將很快和金屬鐵反應(yīng)形成氧化鐵。

次生大氣主要來(lái)自地球內(nèi)部，由火山噴發(fā)產(chǎn)生。按現(xiàn)代火山噴發(fā)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?；鹕綒怏w成分體積分?jǐn)?shù)/%水蒸氣79.31二氧化碳11.61二氧化硫6.48氮?dú)?.29氧氣0其他氣體0.73夏威夷火山氣體的成分第43頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、次生大氣次生大氣形成時(shí)，水汽大量排入大氣中，當(dāng)時(shí)地面溫度很高，大氣不穩(wěn)定對(duì)流的發(fā)展很旺盛，強(qiáng)烈的對(duì)流使水汽上升凝結(jié)形成液態(tài)水，出現(xiàn)江河湖海等水體，風(fēng)雨閃電交加。次生大氣籠罩的時(shí)間大約46億年前到20億年前。期間大量的CO2溶于原始海洋，最原始的生命在這個(gè)時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)（大約35億年前）。大氣圈成分

20億年前：H2OCO2N2SO2Ar

20億年后：N2O2ArH2OCO2

含氧大氣第44頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、現(xiàn)代大氣

由次生大氣轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代大氣，同生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。植物的出現(xiàn)和發(fā)展使大氣中氧出現(xiàn)并逐漸增多起來(lái)，動(dòng)物的出現(xiàn)借呼吸作用使大氣中的氧和二氧化碳的比例得到調(diào)節(jié)。大氣中的二氧化碳還通過(guò)地球的固相和液相成分同氣相成分間的平衡過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)。

第45頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一代（億年）生物圈大氣圈古原生代(25-18)原核細(xì)胞演化，真核生物出現(xiàn)含氧大氣出現(xiàn)中元古代(18-10)宏體生物的起源含氧量可能為現(xiàn)在的1-4%，臭氧層可能開(kāi)始出現(xiàn)。新元古代(10-5.4)裸露動(dòng)物群大氣和海洋中CO2含量降低第46頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一古生代生物圈大氣圈早古生代5.3-4.05寒武紀(jì)初生命的大爆發(fā)，寒武紀(jì)早期動(dòng)物界的進(jìn)化只用了極短的地質(zhì)時(shí)間，并構(gòu)成了寒武紀(jì)以來(lái)的生物演化的基本框架。出現(xiàn)了生物地理分區(qū)，生態(tài)分異也非常明顯。大氣含氧量在進(jìn)一步增加，5.4億年為現(xiàn)在水平的10%，4億年接近現(xiàn)在的水平。晚古生代4.05-2.51海生無(wú)脊椎動(dòng)物的發(fā)展，脊椎動(dòng)物的登陸與演化，陸地森林的出現(xiàn)與植物分區(qū)。自4億始，大氣圈中氧的含量接近現(xiàn)代水平。第47頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一次生大氣和現(xiàn)代大氣成分的比較第48頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小結(jié)二約46億年來(lái)地球大氣的演變可分為三個(gè)階段：原生大氣，次生大氣，現(xiàn)代大氣?，F(xiàn)代大氣的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。自由氧的出現(xiàn)是現(xiàn)代大氣形成的重要標(biāo)志。現(xiàn)代大氣的產(chǎn)生同生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。第49頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分第50頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3大氣的垂直結(jié)構(gòu)地球大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)（溫度、成分、電荷、氣壓等）有顯著差異，依據(jù)這些特征可將大氣進(jìn)行不同類(lèi)型的分層。第51頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3主要?dú)庀笠?/p>

大氣的性狀及其現(xiàn)象用基本要素——?dú)鉁?、氣壓、濕度、風(fēng)、云況（云狀和云量）、能見(jiàn)度、降水情況（降水類(lèi)型和降水量）、輻射、日照及各種天氣現(xiàn)象等來(lái)描述的，這些因子成為氣象要素。最常用的是溫、壓、濕、風(fēng)四個(gè)要素。第52頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣溫表示空氣的冷熱程度的物理量。熱力學(xué)中，氣體溫度T（絕對(duì)溫度）是分子平均動(dòng)能的量度，也是分子運(yùn)動(dòng)快慢的量度。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)于個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒(méi)有意義的。第53頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣溫量度溫度高低的尺子稱(chēng)為溫標(biāo)，常用三種：攝氏溫標(biāo)：℃，用符號(hào)t表示。絕對(duì)溫標(biāo)：K。用T表示，T＝273.16＋t。華氏溫標(biāo)：℉。水的沸點(diǎn)為212℉，冰點(diǎn)為32℉，均分為180等分，一等分為1℉。

℉＝9/5℃＋32。第54頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一濕度一定體積的空氣中含有水汽質(zhì)量mv克,干空氣的質(zhì)量md克。定義混合比r為水汽與干空氣的質(zhì)量比：

定義比濕q為水汽與濕空氣的質(zhì)量比：表示濕空氣中水汽含量的物理量稱(chēng)為空氣濕度，一定體積濕空氣的水汽和干空氣的質(zhì)量。最基本的大氣濕度物理量是混合比r與比濕q，其他濕度參量是導(dǎo)出量。第55頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一濕度水汽壓：空氣中所含水汽的分壓力飽和水汽壓：絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積空氣中含水汽的質(zhì)量相對(duì)濕度：水汽壓與同溫度下飽和水汽壓的比值第56頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一濕度露點(diǎn)溫度：濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至對(duì)水面而言達(dá)到飽和時(shí)的溫度，簡(jiǎn)稱(chēng)露點(diǎn)。即空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。

露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值，可為什么用它來(lái)表示濕度呢？這是因?yàn)?，?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。第57頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣壓大氣壓強(qiáng)。靜止大氣某地的氣壓是該地單位面積上大氣柱的重量，空氣有垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣壓值與空氣柱的重量有一定差異。氣壓的單位hPa。氣象上規(guī)定，溫度為0℃，緯度為45的海平面氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為101325Pa=1013．25hPa第58頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一風(fēng)：空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)：風(fēng)向和風(fēng)速。風(fēng)向：風(fēng)吹來(lái)的方向第59頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一風(fēng)向標(biāo)尾翼、指向桿、平衡錘、旋轉(zhuǎn)軸第60頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣相對(duì)于地面移動(dòng)的水平距離

氣象臺(tái)站要求風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)速表同為10m高。第61頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3大氣溫度的垂直變化第62頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一根據(jù)溫度的垂直變化，分為：對(duì)流層、平流層、中層、熱層和外逸層等。我們平常關(guān)心的大氣層是對(duì)流層，0-10公里。大氣越往上越稀薄，最后融合到宇宙空間。第63頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一為什么大氣的垂直溫度分布是這樣的？第64頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)流層(Troposphere)特點(diǎn)：氣溫隨高度增加而降低，平均而言，減溫率平均為γ=0.65℃/100米。

原因：陽(yáng)光加熱地面，而地面又加熱它上面的空氣。包含了地球上我們熟悉的所有天氣。第65頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)流層(Troposphere)大氣密度和水汽隨高度迅速遞減。對(duì)流層幾乎集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4，和水汽的90%。有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。氣象要素的水平分布不均勻，受地表的影響大。海陸分布、地形起伏差異等。第66頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一17~18千米高緯度低緯度高緯度對(duì)流層高度：低緯地區(qū)平均為17-18km，中緯地區(qū)10-12km，極地8-9km。季節(jié)變化：夏季高于冬季。10~12千米8~9千米10~12千米8~9千米第67頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)流層上冷下熱，利于空氣對(duì)流溫度隨高度增加而遞減冷熱不均引起空氣對(duì)流熱冷天氣復(fù)雜多變第68頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平流層(Stratosphere)特點(diǎn)（對(duì)流層頂?shù)?5km）：最初20km以下，氣溫隨高度不變；20-50km溫度上升很快。原因：①臭氧吸收紫外太陽(yáng)能加熱了大氣；②30km以上臭氧減少，但紫外輻射強(qiáng)烈，空氣稀薄，加熱很少的分子，即可達(dá)較高的溫度。層內(nèi)氣流平穩(wěn)、對(duì)流微弱，而且水汽極少，能見(jiàn)度很好。第69頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一平流層大氣上冷下熱，不利于空氣對(duì)流，空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主冷空氣高度平流層頂~50/55千米溫度隨著高度增加而遞增熱空氣天氣晴朗第70頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一中層(Mesosphere)55-85km，氣溫隨高度下降。1.幾乎沒(méi)有臭氧吸收太陽(yáng)輻射。2.氮和氧能直接吸收的太陽(yáng)輻射大部分被上層大氣吸收掉，大氣失去比得到能量多，結(jié)果能量損失冷卻。因此發(fā)現(xiàn)中層溫度隨高度一直降低到85km，在此處，大氣達(dá)到它的最低平均溫度-90℃。

第71頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一中層(Mesosphere)55-85km。有相當(dāng)強(qiáng)烈的垂直對(duì)流混合，又稱(chēng)為高空對(duì)流層，但是由于水汽稀少，只是在高緯地區(qū)的黃昏時(shí)刻，該層頂部附近，有時(shí)會(huì)看到銀白色的夜光云。只有當(dāng)太陽(yáng)在地平線(xiàn)以下6°-12°時(shí)，低層大氣在地球陰影內(nèi)，高層大氣的夜光云被日光照射時(shí)，才能用肉眼直接觀(guān)察到。第72頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一冰晶顆粒散射太陽(yáng)光的結(jié)果

呈淡藍(lán)色或銀灰色而透明的波狀云第73頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溫度隨高度增加而遞減冷熱不均引起空氣對(duì)流熱冷原因：臭氧減少高度在平流層頂~85千米第74頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一熱層(Thermosphere)85-500km，氣溫隨高度增加。原因是氮和氧原子吸收了大量的太陽(yáng)短波輻射，加熱了大氣。因?yàn)樵跓釋觾H有相對(duì)較少的原子和分子，因此吸收相對(duì)少的太陽(yáng)能就可以導(dǎo)致溫度的巨大增加。這層溫度可達(dá)1000-2000K。第75頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一高度85~500千米溫度隨高度增加而遞增原因：氮氧原子吸收紫外線(xiàn)第76頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一地球表面大約500km以上，分子運(yùn)動(dòng)10公里才可與另一個(gè)相碰撞，在這里許多分子可以擺脫地球引力的束縛。這個(gè)原子、分子可逃到外太空的區(qū)域叫外逸層，可以代表大氣上界(天的高度)。

氣溫很高，隨高度的增加很少變化。外逸層(Exosphere)第77頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣上界通常有兩種方法：根據(jù)大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象，以極光出現(xiàn)的最大高度——1200km作為大氣上界。極光是太陽(yáng)發(fā)出的高速帶電粒子使稀薄空氣分子或原子激發(fā)出來(lái)的光，它只出現(xiàn)在大氣中，星際空間沒(méi)有這種現(xiàn)象。根據(jù)大氣密度隨高度增加而減少的規(guī)律，以大氣密度接近星際星體密度的高度定位大氣上界。根據(jù)衛(wèi)星資料計(jì)算結(jié)果，約為2000－3000km。第78頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3按大氣組成的分層均勻?qū)雍头蔷鶆驅(qū)訌牡孛娴?0~100km，干潔大氣成分隨高度基本不變，稱(chēng)為均勻?qū)?。原因：湍流混合作用?qiáng)。90km以上的稀薄空氣成分則不均勻，稱(chēng)為不均勻?qū)?。?9頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§2.3按電荷分層

高空大氣中的氣體分子和原子在太陽(yáng)短波輻射（紫外輻射和X射線(xiàn)）和微粒輻射（質(zhì)子、電子等）作用下會(huì)電離而形成離子和自由電子。這種電離現(xiàn)象發(fā)生在地面以上50－1000km之間，電離的正離子和負(fù)電子密度在80－400km范圍達(dá)到最大，稱(chēng)為電離層。第80頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一小結(jié)三試畫(huà)一張大氣垂直結(jié)構(gòu)圖，以溫度和海拔為坐標(biāo)軸，內(nèi)容包括溫度曲線(xiàn)，臭氧含量，天氣現(xiàn)象，各種分層等。第81頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一思考題地球大氣的主要成分及其演化歷史？按照氣溫的變化特征，在垂直方向上，地球大氣包括哪些層次？為什么會(huì)有這樣的變化特征？思考生命（包括人類(lèi)）與大氣圈的關(guān)系。第82頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一次生大氣向現(xiàn)代大氣演變過(guò)程中的幾個(gè)重要問(wèn)題氧氣的產(chǎn)生臭氧層的變化二氧化碳含量的變化第83頁(yè)，共91頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.氧氣的起源早期的大氣中沒(méi)有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通過(guò)兩種可能機(jī)制而產(chǎn)生：一是通過(guò)光解反應(yīng)從H2O和CO2分解而來(lái)；另