大气物理学第一篇大气概论.

1大气物理学张泽锋[e-mail]气象楼12232Grading期末考试:50%;期中考试:30%;平时成绩:20%.3参考书目：1.[美]J、M华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观.上海科学技术出版社，19812.许绍祖主编.大气物理学基础.气象出版社,19913.周秀骥等编著.高等大气物理学.气象出版社,19914.盛裴轩,毛节泰等.大气物理学,北大出版社,20034第一章大气概述一、定义主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。二、分支大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学5三、学科位置按研究范畴大体可划分为：自然科学：数、理、化、天、地、生、工程与材料科学、信息科学、管理科学社会科学6地球科学包括大气科学、海洋科学、地理学、地质学等大气科学基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天气学、气候学、大气探测学应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染气象、人工影响天气等71）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶~20世纪中叶）四、大气物理学发展简史1752，美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电。1871，英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的现象81908，德国物理学家G.Mie解决了球形粒子的散射问题1859-1901，这两位德国物理学家开创了辐射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德国物理学家，量子力学的开创人G.R.Kirchhoff（1824-1887）德国物理学家91880-1881，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。——〉是云雾物理的基础和开端。2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。1）1946年，美国物理学家I.Langmuir,V.J.Schaefer发现干冰可以催化云产生降水后来，B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核大大激励了科学家们进行人工影响云雨的勇气与信心，促使云降水物理学获得了重大发展。102）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大气湍流学科的发展3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学的研究11第一节宇宙、地球、大气的起源和演化一、宇宙的起源大爆炸学说•按照Friedmann等人的理论，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow和他的学生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）认为过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为“大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。12•他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹，目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。•1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与2．735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的证据之一。通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。13膨胀理论上世纪70年代，美国科学家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文学家AndreasLinde提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。14膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离15宇宙无限论：有限无界论：•在17世纪，Galilei、Newton在经典力学体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无限的天体分布在无限的空间之中。•1917年，AlbertEinstein在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。16二、地球与宇宙银河系中心银河系与河外星系1718太阳系192006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。20地球形成50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。21三、大气演化1、原始地球上无大气、无海洋；火山爆发频繁发生2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测），形成原始海洋，生命就在原始海洋的汤液中形成。223、生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。从火山喷发出来的氮，由于其化学惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大气中，成为现代大气中的主要气体成分；大气中的氩，是地球固体部分放射性物质40K衰变时的副产品。23第二节大气组成一、气体成分地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质组成的。90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层241、90km以下大气的气体成分1）按浓度时空变化是否明显来分，分为：定常成分：浓度的时空变化不明显的气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体可变成分：定义略。例如，水汽、CO2、O3、CH4等252）按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：主要气体：浓度≥1%，包括N2、O2、Ar微量气体：1ppm—1%，包括CO2、CH4、Ne、He、Kr、水汽（2ppm—4%痕量气体：＜1ppm，包括（见表）26Table1.1U.S.StandardAtmosphere.ConstituentgasContent(%byvolume)Nitrogen(N2)78.084Oxygen(O2)20.948Argon(Ar)0.934Carbondioxide(CO2)0.333Neon(Ne)18.18×10-4Helium(He)5.24×10-4Methane(CH4)1.5×10-4Krypton(Kr)1.14×10-4Hydrogen(H2)0.5×10-4Nitrousoxideb(N2O)0.27×10-4Carbonmonoxideb(CO)0.19×10-4Ozone(O3)0-12×10-4Xenon(Xe)0.089×10-4Ammoniab(NH3)0.004×10-4Sulfurdioxideb(SO2)0.001×10-4Nitrogendioxideb(NO2)0.001×10-4Watervaporb(H2O)0-0.04×10-4NitricOxideb(NO)0.0005×10-4HydrogenSulfideb(H2S)0.00005×10-4NitricacidvaporTracesbConcentrationneartheearth'ssurface.27大气的组成饼图282、90km以上大气3、有关概念及其它特征1）空气分子大部分都发生离解；2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量（或原子量）大小排列。从低层到高层依次为N2、O、He、H1）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气称为干洁大气292）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分3）平均分子量90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化；90km以上，随高度递减。具体如下图4）空气密度标准状态（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空气密度为1.29kg/m330314、重要气体成分的作用1）主要气体—氮、氧对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。2）微量、痕量气体—水汽、CO2、O3a)水汽是云和降水的源泉；在全球能量平衡中起重要作用，影响地面和空气温度；是地球系统的水循环中起重要角色。3233地表上的水–全球年水量平衡34b)CO2c)O335ThecurrentconcentrationofCO2isabout365ppm(partpermillion),ascomparedtothepre-industrialconcentrationofabout285ppm.Thisisanincreaseofabout28%.Thisincreaseisprimarilyduetotheburningoffossilfuels(alsosomelossofbiomass)36Fig.1-4,p.737Fig.1-3,p.638Increaseincatastrophicfloodevents39Globalaveragesealevelhasrisenandoceanheatcontenthasincreased40IncreaseinfrequencyandintensityofdroughtsSource:OSTP41Snowcoverandiceextenthavedecreased42二、大气气溶胶粒子1、定义：尺度范围：1nm-100μm大气中分散、悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系称为大气气溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒子。432、分类1）云降水学分类（按半径分类）2）大气环境学分类爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。大核：半径在0.1到1微米之间。巨核：半径大于1微米。TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、灰霾、等。443、大气气溶胶粒子的源和汇1）源据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。包括海水飞沫（见下图）、气粒转换、风扬沙尘、火山爆发45462）汇即气溶胶粒子被移出大气的过程。按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出。47干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。484、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用1）在云雾降水中的作用；可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloudcondensationnuclei)或IN(icenuclei)2）对大气辐射过程的影响；吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。493）对大气光学特性的影响；对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。504）对大气电学特性的影响气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小+++++++++++++++----------------------------晴天大气地面正离子负离子515）在大气化学过程中的作用。气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。52第三节大气的垂直结构大气上界：物理现象上界为1200km(极光出现高度）；大气密度上界为2000~3000km(接近于星际气体密度1个/cm3的高度）分层标准：（1）按温度随高度的变化（2）按大气成分是否混合均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分：均匀层、非均匀层53（3）按电离状况分（4）按O3浓度分：臭氧层（10~50km)非臭氧层（5）按地磁场对带电