《大氣的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》課件

大氣的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)了解大氣的垂直結(jié)構(gòu)及其組成元素,有助于我們更深入地認(rèn)識(shí)地球作為一個(gè)獨(dú)特的藍(lán)色星球。探索大氣的各層次特點(diǎn),有助我們認(rèn)識(shí)其對(duì)生命的支持作用。課程目標(biāo)掌握大氣結(jié)構(gòu)深入了解大氣圈的組成和各層次結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。分析大氣性質(zhì)探討大氣中主要?dú)怏w的分布特征及其對(duì)人類活動(dòng)的影響。理解熱量傳輸分析大氣溫度變化的影響因素和熱力學(xué)過程。掌握風(fēng)系統(tǒng)學(xué)習(xí)風(fēng)的形成機(jī)制及地面和遙感觀測(cè)方法。大氣圈的組成主要?dú)怏w成分大氣圈主要由氮?dú)?78%)、氧氣(21%)和微量氣體(1%)組成。這些氣體比例一直保持穩(wěn)定,維持了地球適宜生命的環(huán)境。其他成分除了主要?dú)怏w,大氣圈中還含有水汽、塵埃、污染物等其他成分。這些成分雖然含量較少,但對(duì)氣候和生態(tài)系統(tǒng)有重要影響。動(dòng)態(tài)平衡大氣圈的組成是通過各種生物地球化學(xué)過程維持動(dòng)態(tài)平衡的。人類活動(dòng)會(huì)改變這一平衡,造成環(huán)境問題。大氣的層次結(jié)構(gòu)1對(duì)流層大氣最低層，從地表到約10公里高度，溫度隨高度降低。包含了地球上的天氣變化和人類活動(dòng)區(qū)域。2平流層位于對(duì)流層之上，溫度基本恒定或略有上升。包含了臭氧層，能吸收有害的紫外線輻射。3中間層溫度隨高度先升后降。被稱為中間層，是對(duì)流層和熱層的過渡地帶。4熱層最高層，溫度隨高度升高。氣溫可達(dá)數(shù)千攝氏度。包含了離子層和極光帶。對(duì)流層的特點(diǎn)1溫度下降對(duì)流層內(nèi)溫度隨高度升高而下降,平均每升高100米溫度降低約6.5°C。2湍流發(fā)達(dá)大氣湍流主要發(fā)生在對(duì)流層,對(duì)流和風(fēng)切變是湍流的主要驅(qū)動(dòng)力。3天氣變化劇烈水汽凝結(jié)和降水等氣象過程主要發(fā)生在對(duì)流層,導(dǎo)致天氣變化復(fù)雜多變。4云層發(fā)達(dá)對(duì)流層內(nèi)云系眾多,從地表到對(duì)流層頂有各種不同種類的云。平流層的特點(diǎn)穩(wěn)定的溫度結(jié)構(gòu)平流層溫度隨高度增加,這種溫度逆轉(zhuǎn)有利于大氣的垂直穩(wěn)定性,阻礙了對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。少云無雨平流層相對(duì)干燥,很少有云層形成,降水也很少發(fā)生。這有助于保護(hù)地球表面免受太陽輻射的直接沖擊。低湍流運(yùn)動(dòng)平流層中的垂直運(yùn)動(dòng)很小,水平風(fēng)速較快,加之溫度逆轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性,因此湍流非常弱。中間層的特點(diǎn)溫度升高中間層是地球大氣的一個(gè)特殊區(qū)域,溫度隨高度呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)。這是由于紫外線在此層吸收造成的。風(fēng)速較大中間層的風(fēng)速相對(duì)較大,主要受到極地渦旋的影響,有利于上下層大氣物質(zhì)交換。臭氧層聚集中間層是地球上臭氧層最為集中的區(qū)域,能夠吸收有害的紫外線輻射,保護(hù)地球生物免受傷害。熱層的特點(diǎn)1高溫環(huán)境熱層是地球大氣中溫度最高的一層,可達(dá)2000℃以上,主要由強(qiáng)烈的太陽輻射加熱所致。2電離層的存在熱層內(nèi)存在大量電離氣體,形成電離層,能反射無線電波,對(duì)通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)有重要作用。3外來物質(zhì)的積累熱層是地球大氣層中最稀薄的一層,但卻容納了大量從外層空間射入的微小隕石和塵埃顆粒。4重要的大氣層熱層是地球大氣層的最外層,對(duì)保護(hù)地球免受太陽輻射和宇宙射線的侵害起著關(guān)鍵作用。外層大氣的特點(diǎn)廣闊無垠外層大氣如地球之上的廣闊無垠的空間,涵蓋了從中間層到熱層的高空區(qū)域,遠(yuǎn)離地面環(huán)境。稀薄低密度外層大氣壓力和密度非常低,大部分由氮?dú)夂脱鯕饨M成,為大氣層中最稀薄的區(qū)域。溫度劇烈變化外層大氣溫度隨高度急劇變化,從寒冷的熱層到熾熱的熱層,溫差可達(dá)數(shù)千度。大氣成分的分布大氣由不同成分氣體組成,它們?cè)诖髿庵械姆植疾⒉痪鶆?。下面我們來了解一下各種氣體在大氣中的分布情況。78%氮?dú)獾獨(dú)馐谴髿庵凶钪饕慕M成成分,占了大氣總成分的78%。它無色無味,在大氣中起穩(wěn)定作用。21%氧氣氧氣占大氣成分的21%,是人類和動(dòng)物賴以生存的氣體。氧氣分布在整個(gè)大氣中。0.9%氬氣氬氣雖然只占大氣成分的0.9%,但在某些工業(yè)應(yīng)用中有重要用途。0.04%二氧化碳二氧化碳雖然含量很低,但在調(diào)節(jié)氣候、植物光合作用中扮演重要角色。大氣中主要?dú)怏w的特性氮?dú)庹即髿饪傮w積的78.084%,是大氣中含量最多的氣體。氮?dú)鉄o色無味、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,是生命活動(dòng)所需的重要元素。氧氣占大氣總體積的20.946%,是大氣中第二大成分。氧氣是呼吸作用和許多化學(xué)反應(yīng)的必需品,對(duì)生命活動(dòng)至關(guān)重要。二氧化碳占大氣總體積的0.0397%,是植物光合作用的原料,同時(shí)也是溫室氣體之一,對(duì)氣候變化有重要影響。其他氣體大氣中還含有少量的氬氣、氦氣、氖氣等惰性氣體,以及一些微量氣體如甲烷、一氧化二氮等。大氣中微量氣體的作用溫室氣體如二氧化碳、甲烷等微量氣體吸收和反射地表輻射,維持地球生態(tài)環(huán)境溫度。臭氧吸收有害紫外線,保護(hù)地球生物免受傷害。同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度有一定影響。污染物一氧化碳、氮氧化物等污染物會(huì)對(duì)人體健康和環(huán)境產(chǎn)生不利影響,需要加以控制。大氣壓的垂直分布大氣壓隨高度的增加而急劇下降。在海平面附近氣壓較高，而在高海拔地區(qū)氣壓顯著降低。這種垂直分布規(guī)律對(duì)地球上各種氣象過程和人類活動(dòng)都有重要影響。溫度隨高度的變化規(guī)律對(duì)流層溫度下降隨著高度增加,對(duì)流層內(nèi)的溫度會(huì)逐漸下降。這是因?yàn)檩^高處大氣壓力較低,空氣膨脹,導(dǎo)致溫度下降。平流層溫度升高平流層內(nèi),隨著高度增加,溫度會(huì)逐漸升高。這是由于臭氧氣體的吸收熱量所致。溫度逆轉(zhuǎn)帶在平流層和對(duì)流層之間,存在一個(gè)溫度逆轉(zhuǎn)帶,這是由于臭氧層吸熱導(dǎo)致的。大氣中水汽的分布水汽的垂直分布水汽含量隨高度遞減,對(duì)流層最多,平流層較少。水汽的水平分布水汽含量與海陸分布有關(guān),內(nèi)陸干燥,沿海地區(qū)較濕潤(rùn)。季節(jié)變化夏季水汽含量高,冬季較低。赤道地區(qū)水汽含量相對(duì)較高。相對(duì)濕度的概念和計(jì)算相對(duì)濕度概念相對(duì)濕度是指空氣中水汽含量與該溫度下飽和水汽含量之比。反映了空氣中水汽的相對(duì)豐富程度。相對(duì)濕度計(jì)算相對(duì)濕度=實(shí)際水汽壓/飽和水汽壓×100%?？赏ㄟ^溫度、濕度傳感器測(cè)量獲得。相對(duì)濕度意義相對(duì)濕度是表征大氣濕潤(rùn)程度的重要指標(biāo),對(duì)氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域都有重要影響。大氣中熱量的傳輸1輻射傳熱太陽輻射通過大氣加熱地表2傳導(dǎo)傳熱地表熱量通過接觸傳導(dǎo)至空氣3對(duì)流傳熱熱空氣上升帶動(dòng)熱量垂直流動(dòng)大氣中的熱量傳輸主要包括輻射傳熱、傳導(dǎo)傳熱和對(duì)流傳熱三種方式。太陽輻射通過大氣加熱地表，地表熱量又通過接觸傳導(dǎo)至空氣，熱空氣上升又帶動(dòng)熱量的垂直流動(dòng)。這三種機(jī)制共同決定了大氣溫度的垂直分布。大氣層結(jié)構(gòu)與熱量傳輸1對(duì)流層熱量主要通過對(duì)流傳輸2平流層熱量主要通過平流傳輸3中間層熱量通過輻射和對(duì)流傳輸4熱層熱量通過輻射和對(duì)流傳輸大氣分層結(jié)構(gòu)與熱量傳輸過程密切相關(guān)。熱量從地球表面向上傳輸,在不同層次表現(xiàn)不同:對(duì)流層主要通過對(duì)流傳熱,平流層通過平流傳熱,中間層和熱層則主要依靠輻射和對(duì)流傳熱。這種差異導(dǎo)致了大氣溫度隨高度的不同變化趨勢(shì)。大氣中的熱力學(xué)過程熱量傳導(dǎo)熱量通過分子間碰撞和振動(dòng)在大氣中傳播,從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。這種傳導(dǎo)過程遵循熱量始終由熱源流向冷端的熱力學(xué)定律。熱量對(duì)流大氣中溫度差異導(dǎo)致的密度差異引發(fā)垂直氣流對(duì)流,將熱量從地表傳遞到上層大氣。這種對(duì)流過程是大氣溫度垂直分布的主要原因。熱量輻射大氣中的溫室氣體能夠吸收和發(fā)射長(zhǎng)波輻射,使得地表向外輻射的熱量部分被大氣層吸收,從而形成溫室效應(yīng)。影響大氣溫度的主要因素太陽輻射太陽輻射是地球大氣溫度的主要來源,決定了各個(gè)地區(qū)的熱量輸入程度。大氣成分溫室氣體如二氧化碳、甲烷等的濃度變化會(huì)影響地球?qū)μ栞椛涞奈蘸头瓷?。地理位置緯度不同、海陸分布不同都?huì)造成熱量分布的差異,導(dǎo)致不同地區(qū)溫度差異。大氣環(huán)流大氣環(huán)流系統(tǒng)如全球性的風(fēng)系統(tǒng)和氣旋等會(huì)影響熱量在大氣中的傳輸和分布。引起溫度倒轉(zhuǎn)的常見原因1輻射性溫度反射當(dāng)?shù)乇砝鋮s時(shí),下層空氣溫度會(huì)降低,而上層空氣層由于受到地表輻射的加熱而變暖,從而出現(xiàn)溫度倒轉(zhuǎn)。2陸地與海洋熱容差異陸地和海洋的不同熱容量會(huì)造成地表溫度的差異,進(jìn)而引起溫度倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象的發(fā)生。3地形因素山谷地區(qū)和高地之間的溫差會(huì)導(dǎo)致溫度倒轉(zhuǎn),如山風(fēng)和谷風(fēng)的形成。4熱量輸送當(dāng)熱量從上層向下層輸送時(shí),也會(huì)引起溫度倒轉(zhuǎn),如逆溫層的出現(xiàn)。大氣層結(jié)構(gòu)的垂直分異熱量傳輸大氣中熱量主要通過輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種方式進(jìn)行傳輸。這些熱量傳輸過程會(huì)導(dǎo)致大氣溫度隨高度發(fā)生變化。溫度倒轉(zhuǎn)層由于特殊的熱量傳輸過程,大氣溫度會(huì)在某些高度范圍內(nèi)出現(xiàn)反向變化,形成溫度倒轉(zhuǎn)層。分層結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度隨高度的變化特點(diǎn),大氣被劃分為對(duì)流層、平流層、中間層和熱層等垂直分層。每個(gè)層次都有自己的特點(diǎn)。風(fēng)的形成和演變機(jī)制1氣壓差異大氣壓力不同產(chǎn)生氣壓梯度力2科氏力地球自轉(zhuǎn)引起的偏轉(zhuǎn)力3摩擦力地表與空氣之間的摩擦阻力4熱力差異不同區(qū)域的溫度差異引起的對(duì)流風(fēng)的形成和演變主要由氣壓差異、科氏力、地表摩擦力和熱力差異四大因素決定。這些因素相互作用,共同促使空氣流動(dòng),形成不同類型的風(fēng)系統(tǒng)。風(fēng)系統(tǒng)的分類全球性風(fēng)系統(tǒng)包括貿(mào)易風(fēng)、偏西風(fēng)和極地東風(fēng)。這些風(fēng)系統(tǒng)由地球自轉(zhuǎn)和溫度差造成,影響著全球范圍的氣流運(yùn)動(dòng)。地域性風(fēng)系統(tǒng)如季風(fēng)、陸海風(fēng)、山谷風(fēng)等,受地形和局地氣候條件影響,在特定區(qū)域內(nèi)形成。局地性風(fēng)系統(tǒng)諸如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)等,由于特殊氣象條件和地理環(huán)境產(chǎn)生,范圍相對(duì)較小。垂直性風(fēng)系統(tǒng)如熱帶對(duì)流層內(nèi)的對(duì)流環(huán)流、中緯度地區(qū)的波動(dòng)氣流等,體現(xiàn)了大氣垂直運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。風(fēng)的地面觀測(cè)通過布設(shè)分布全國(guó)的氣象觀測(cè)站，利用各種風(fēng)速風(fēng)向儀器和技術(shù)對(duì)地面風(fēng)進(jìn)行觀測(cè)和監(jiān)測(cè)。這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可反映當(dāng)?shù)氐臍饬鬟\(yùn)動(dòng)特征，為氣象預(yù)報(bào)、氣候分析等提供重要依據(jù)。同時(shí)利用移動(dòng)探測(cè)車等設(shè)備，可進(jìn)行更加精細(xì)化的局部區(qū)域風(fēng)場(chǎng)測(cè)量，為風(fēng)能資源評(píng)估、大氣污染擴(kuò)散模擬等提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐。風(fēng)的遙感觀測(cè)風(fēng)的遙感觀測(cè)利用衛(wèi)星和雷達(dá)等先進(jìn)設(shè)備,能夠快速準(zhǔn)確地獲取大范圍的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。通過遙感監(jiān)測(cè),可以實(shí)時(shí)掌握高空和地面的風(fēng)向風(fēng)速信息,為氣象預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)。這些數(shù)據(jù)還能幫助分析局地氣象變化和極端天氣事件的發(fā)生規(guī)律。大氣環(huán)境對(duì)人類活動(dòng)的影響空氣污染工廠排放、汽車尾氣等造成的空氣污染會(huì)對(duì)人體健康造成嚴(yán)重影響,導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病等。極端天氣氣候變化導(dǎo)致的干旱、暴雨、熱浪等極端天氣事件會(huì)給農(nóng)業(yè)、交通、基礎(chǔ)設(shè)施等帶來嚴(yán)重?fù)p害。溫室氣體排放人類活動(dòng)產(chǎn)生的大量溫室氣體導(dǎo)致全球變暖,對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類生存造成威脅。人類活動(dòng)對(duì)大氣環(huán)境的影響1工業(yè)排放工廠排放的廢氣和粉塵污染了空氣,加劇了霧霾和酸雨等環(huán)境問題。2交通排放汽車尾氣排放中的氮氧化物和碳?xì)浠衔镆彩窃斐纱髿馕廴镜闹饕蛩亍?能源消耗過度開采和使用化石燃料加劇了溫室氣體的排放,導(dǎo)致全球氣候變化。4土地利用大規(guī)模的城市化和農(nóng)業(yè)開發(fā)改變了地表覆蓋,影響了大氣中的熱量和水分平衡。大氣環(huán)境保護(hù)措施采用清潔能源推廣使用太陽能、風(fēng)能、水力等可再生能源,減少化石燃料的燃燒。加強(qiáng)廢棄物處理建立完善的垃圾分類和回收利用體系,妥善處理工業(yè)廢棄物和生活垃圾。提高排放標(biāo)準(zhǔn)制定并嚴(yán)格執(zhí)行更嚴(yán)格的工業(yè)和機(jī)動(dòng)車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn),減少大氣污染。增加綠色覆蓋面積大力植樹造林,建設(shè)城鄉(xiāng)生態(tài)廊道,增強(qiáng)大氣自凈能力。