1大气的成分状态与结构

2020/1/141主讲：郑永宏E-mail:[e-mail]武汉大学资源与环境科学学院第1章大气成分、状态与结构2020/1/14大气是多种气体的混合物。一、大气成分分类第一节大气的组成2020/1/141、干洁大气各种气体成分的临界温度都很低。氧气（在波长小于0.24μm辐射作用下分解）氮气（对太阳辐射远紫外光区0.03-0.13μm具有选择性吸收）二氧化碳（对太阳辐射短波吸收很少，但能强烈吸收地面长波辐射）臭氧（强烈吸收波长小于0.3μm太阳紫外辐射）二、大气各成分特性2020/1/14大气的状态参量空气状态通常用密度、体积、压强、温度等参量进行表示。大气海平面平均气压为1013.3hPa，气温为288.15K，密度为1.225kg/m3。对于一定质量的空气，其体积、压强、温度之间存在函数关系。如：气团上升，压力降低，体积增大，温度降低。2020/1/14气压：指大气压强，一般用P表示。它是空气具有重量和空气分子运动的综合反映。在静止大气中，任意高度的气压值等于该高度处单位面积所承受的空气柱重量。（水银气压表、空盒气压表）气压单位曾经用毫米水银柱高度和豪巴表示，国际上常用帕斯卡（Pa）表示，大气科学上常用百帕（hPa）表示。气象上曾规定，当气温0℃，在纬度45°海平面上，760mm水银柱高时的大气压称为标准大气压，为1013.25hPa。2020/1/14气温：气温是表示空气冷热程度的物理量，一般用t（摄氏温标）或T（绝对温标）表示。温度是分子平均动能大小的度量。摄氏温标：规定在一个标准大气压下，纯水的冰点为0度，沸点为100度，其间等分100等份，每份即为1摄氏度。华氏温标：规定在一个标准大气压下，水的冰点为32度，沸点为212度，其间分为180等份，每份代表1华氏度。2020/1/14开氏温标（绝对温标）：1度的间隔与摄氏度温标完全相同，不同的是它以理论上所说的分子热运动完全停止时的温度作为零度，即-273.16℃作为零度。2020/1/14干空气状态方程：空气状态方程指气体的气压、密度和温度这三个气体的基本状态参数之间的函数关系式。如果三个量都不变，则空气处于一定状态中。理想气体状态方程：理想气体指分子为一质点，分子仅具有质量但自身体积为零，且分子间无作用力的气体。P=ρRTP为气压，ρ为气体密度，T为温度，R为比气体常数。R=R*/μR*=8.31J/（mol·k）为普适气体常数；μ为分子量。2020/1/14理想气体状态方程说明了当温度保持不变，空气的体积改变与气压成反比，这种关系是物理学常见的波义耳定律；当压力保持不变，空气体积与温度成正比，这就是一般的膨胀原理；当体积保持不变，则该体积的压力与温度成正比，这种关系在物理上又称查理定律。2020/1/14干洁大气状态方程：在常温常压下，可以把干洁大气视为分子量为28.97的单一成分的理想气体，其比气体常数Rd为：R𝑑=𝑅∗𝜇𝑑=8.3128.97=0.287J/（g·K）Rd干洁大气比气体常数干洁大气状态方程为：Pd=ρdRdT2020/1/142、水汽大气中水汽总质量为1.24×1010g，占地球总水量的0.001%，相当于24mm厚的水层。大气中水汽具有时空变化。具三相变化，是天气变化主要角色。水的相变和水循环过程将多个圈层联系到一起，且吸收、释放潜热和长波辐射，因此水汽含量多少直接影响地面和空气温度，影响天气和天气系统的变化和发展，此外，大气降水能清除污染。2020/1/14表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量称为空气湿度（湿度）。主要指标如下：水气压：由空气中水汽所产生的分压力称水汽压（e）。在一定温度下，从水面或冰面进入空气中的水分子数与从空气中进入水面或冰面的水分子数相等时的水汽压称为饱和水汽压（E）。E=𝐸010at𝑏+𝑡t是温度（℃）；E0=6.11hPa，是0℃时湿空气饱和水汽压；a、b均为常数，对水面a=7.5℃、b=237.3℃，对冰面a=9.5℃、b=265.5℃。2020/1/14绝对湿度：单位体积湿空气所含水汽质量，称为绝对湿度，也就是空气中的水汽密度。绝对湿度不能直接测量，其与水汽压之间的关系为：a=217𝑒𝑇a为湿空气绝对湿度，单位g/m3；e为水汽压，单位hPa；T为温度，单位K。2020/1/14相对湿度（f）：指空气的实际水汽压（e）与同一温度下饱和水汽压（E）之比，以百分数表示：𝑓=𝑒𝐸×100%温度变化时，e、E均发生变化，但e变化远小于E变化。因此，气温升高，f减小；气温降低，f增加。2020/1/14露点温度：湿空气在水汽含量不变条件下，等压降温达到饱和时的温度称为露点温度，简称露点（Td）。露点的单位虽与温度一致，但它表征的是空气中水汽含量的多少。气压一定时，水汽越多，露点越高。由于空气一般是未饱和的，故露点通常比气温低。可基于温度与露点差判断空气距离饱和的程度。2020/1/14湿空气状态方程：P=ρRTv其中，Tv为虚温：在同一压强下，干空气密度等于湿空气密度时，干空气应有的温度。Tv=（1+0.378𝑒𝑃）𝑇“虚温”并不虚，它是反应空气中水汽多少的物理量，水汽含量越多、虚温就越高。2020/1/143、大气气溶胶粒子大气气溶胶指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。大气气溶胶粒子指悬浮大气中的固体、液体微粒，包括烟粒、尘埃、盐粒、水滴、冰晶、微生物、植物的孢子和花粉等。单位体积空气悬浮的粒子数目（或物质总质量）称为数浓度（或质量浓度）。集中在近地面1-2km，对辐射的吸收与散射、云雾降水的形成及大气污染的产生都具有重要作用，还在大气的许多光化学过程中起重要作用。2020/1/14大气密度随高度增加呈指数递减并逐渐趋于稀薄，向星际空间过渡且无明确的上界。基于物理分析确定大气上界：根据极光（80-1200km）：出现的最大高度确定大气上界为1200km；以大气密度接近星际气体密度（1个中性气体质点/cm3）的高度作为标准，大气上界约为2000-3000km。一、大气的上界第二节大气的垂直结构2020/1/14（一）按热力结构分层一、大气的垂直分层2020/1/141、对流层气温随高度增加而降低；对流运动显著；主要天气现象均发生在对流层；气象要素水平分布不均匀。2020/1/142、平流层（对流层顶到55km左右）臭氧含量丰富，在20-25km高度存在臭氧层；在平流层内，25km以下气温保持不变或微升，25km以上气温随高度增加显著升高，大约到30km温度随高度升高增加很快，到平流层顶部气温可升到-3至17℃（270-290K）；空气运动以水平运动为主，无明显垂直运动；大气中水汽和尘埃含量极少，非常干燥，晴朗少云，透明度好，气流平稳。2020/1/143、中间层（平流层顶到85km左右）气温随高度增加迅速降低，垂直温度梯度很大，其顶部温度可降到-113至-83℃，是大气层中的最低温度；空气有强烈垂直运动；水汽含量极少，几乎没有云层出现。2020/1/144、暖层、热层、热成层、电离层（中间层到800km左右）气温随高度增加迅速升高（太阳辐射波长小于0.175μm的紫外辐射几乎全部该层中的分子氧和原子氧吸收）；空气质点（N2、O2气体成分）在强烈太阳紫外辐射和宇宙射线作用下，处于高度电离状态。2020/1/145、散逸层800km以上的大气层，亦称外层，是大气圈向星际空间的过渡地带。空气极度稀薄，温度随高度增加略微升高。2020/1/14（二）按电磁特性分层按气体电离状况与受地磁作用，将大气分为中性层（60km以下）、电离层、磁层。1、电离层指60km至500-1000km的气层。在60km以上，强辐射迫使原子电离，大气中带电离子和自由电子的存在使高层大气中能够产生电流和磁场，并可以反射无线电波。在高层大气中，电子数密度较大，且存在相当多的中性成分，能显著影响无线电波传播的区域称为电离层。2020/1/142、磁层指地球之外受太阳发射的高能离子流-太阳风所包围的地磁场控制的区域。磁层顶在向日面离地心约10个地球半径，背日面几百至一千个地球半径。2020/1/14少量太阳粒子能从磁层最弱的磁极区进入地球磁极附近，冲击高层大气，使分子或原子受到激发后，与其他粒子碰撞或自身辐射回到基态时发出可见光，形成白天的极光；有的太阳风粒子绕到磁尾才能进入磁层，然后到达磁极附近冲击大气，形成夜晚的极光。2020/1/14（三）按化学成分分层根据大气成分垂直分布的特点，将大气分成均质层和非均质层。1、均质层或湍流层均质大气指空气密度不随高度改变的大气。80-90km高度以下，包括对流层、平流层、中间层在内，由于湍流扩散、分子扩散及垂直和水平运动，使不同高度、不同地区的空气得以交换和混合，大气中各种成分（臭氧等可变成分除外）所占比例在垂直和水平方向保持基本不变。2020/1/142、非均质层由于重力分离作用及光化学作用，大气各成分的比例随高度而变化，平均分子量随高度逐渐减小。