大气的组成和结构

1/27中国民航大学空管学院第一章大气的组成和结构中国民航大学空管学院2020/2/152/27中国民航大学空管学院第一节大气组成第二节大气结构第四节标准大气第三节空气状态方程3/27中国民航大学空管学院4/27中国民航大学空管学院5/27中国民航大学空管学院地球表面的外层是多种气体混合组成的空气，受地球重力作用，围绕地球占有一定的空间，称为地球大气，简称大气（Atmosphere）。大气不停地运动，不断地变化，呈现出各种各样的天气（Weather）现象。大气的状态用气温、气压、湿度、风、云、降水、能见度等气象要素（MeteorologicalElement）表示。地球大气6/27中国民航大学空管学院1、干洁空气（DryAir）除水汽、气溶胶以外的整个混合气体2、水汽（WaterVapor）垂直和水平分布差异较大；大气中唯一能发生相变的成分，来源于地面，含量变化。容积计约占0~5%。3、气溶胶粒子（大气杂质）（Aerosols）水汽凝结物水滴和冰晶悬浮的固体微粒烟粒、盐粒、尘粒、各种凝结核以及带电离子等。第一节大气组成7/27中国民航大学空管学院1、干洁空气O3：主要分布于10~50km高度的平流层大气中，极大值在20~35km之间。O3可以强烈吸收太阳紫外线辐射而增温，改变大气温度的垂直分布，同时也使地球生物免受了过多紫外线（Ultraviolet）的照射。对天气影响较大的成分N2占大气质量的78%，O2占大气质量的21%.8/27中国民航大学空管学院干洁大气之不同纬度臭氧浓度平均垂直分布曲线（a）4月（b）10月9/27中国民航大学空管学院干洁大气之CO2CO2：吸收地面受热后放出的长波辐射，对地球具有“温室效应”（GreenHouseEffect）的作用。对天气影响较大的成分二氧化碳含量分布特点：工业区多、农村少同一地区冬季多、夏季少夜间多、白天少阴天多、晴天少10/27中国民航大学空管学院水汽在大气中所占的比例很小，仅0.1%~3%，却是大气中最活跃的成分。水对于地球上生命的意义。2、水汽11/27中国民航大学空管学院水汽的分布：大气中的水汽含量随高度的增加而逐渐减少。水平地理分布不均。约50%的水汽集中在约2km以下，约大于90%的水汽集中在5km以下；99%的水汽集中在对流层。水汽是成云致雨的物质基础，故大多数复杂天气均出现在中低空，高空晴朗。2、水汽12/27中国民航大学空管学院水汽之对天气的影响：水汽对天气的影响：水汽相变产生云、雾、露、霜、雨、雪、雹等天气现象。相变过程中放出或吸收热量，影响地面和空气的温度。水汽与气温及天气变化关系密切：大气运动中的水汽通过状态变化传输热量。13/27中国民航大学空管学院（1）定义气溶胶(Aerosols)质粒：指悬浮在大气中的固体微粒和水汽凝结物。（2）对天气的影响：固体杂质可充当水汽的凝结核，在云、雾、降水等的形成过程中起着重要的作用。在一定的天气条件下，气溶胶粒子常聚集在一起，形成霾、风沙浮尘等视程障碍现象，使大气透明度变差；吸收、散射和反射地面和太阳辐射，影响大气温度；3、大气气溶胶3、大气气溶胶14/27中国民航大学空管学院1、大气垂直分层依据2、大气分层及各层特征第二节大气结构15/27中国民航大学空管学院∆T为温度变化量∆Z为高度变化量一、大气垂直分层的依据——气温垂直递减率气温垂直递减率的定义：TZ东XZ天∆Z北YTT+∆TZZ+∆Z16/27中国民航大学空管学院一、大气垂直分层的依据——气温垂直递减率气温垂直递减率γ０γ＝０γ０等温层逆温层普遍分布TTTZZZ17/27中国民航大学空管学院一、大气垂直分层的依据——气温垂直递减率已知某地的地面气温为T0(ºC)，可大致推算该地Z(m)高度上的气温TZ(ºC):TZ=T0－γZ在对流层中，平均取γ=0.65ºC/100m，则TZ=T0–0.65×Z100或TZ=T0–0.0065×ZT0Z天TZZ北Y气温垂直递减率的应用18/27中国民航大学空管学院一、大气垂直分层的依据——气温垂直递减率气温垂直递减率的应用已知某地的Z1(ft)高度上气温为T1(ºC)，可大致推算该地Z2(ft)高度上的气温T2(ºC):T2=T1－γ(Z2－Z1)在对流层中，平均取γ=2ºC/1,000ft，则T2=T1–2×Z2－Z11,000T1东XZ天T2Z2北YZ1Z2-Z119/27中国民航大学空管学院大气层状结构：对流层（Troposphere）平流层/同温层（Stratosphere）中间层（Mesosphere）暖层/电离层（Thermosphere）外逸层（Exosphere）二、大气垂直分层结构20/27中国民航大学空管学院8090km5060km89km1012kmATMOSPHERICLEVELSTroposphereStratosphereMesosphereTropopauseThermosphereExosphere大气的分层暖层散逸层对流层平流层中间层对流层顶1718km1600km垂直分层的高度21/27中国民航大学空管学院1、对流层对流层（Troposphere）是紧贴地面的一层，它受地面的影响最大。因为地面附近的空气受热上升，而位于上面的冷空气下沉，发生对流运动，故得名对流层。对流层顶高度：平均说来，低纬度对流层顶高、高纬度对流层顶低。同一地区，对流层顶高度夏季高于冬季。二、大气垂直分层结构22/27中国民航大学空管学院对流层集中了约75%的大气质量和90%以上的水汽。对流层大气热量的直接来源主要是空气吸收地面发出的长波辐射，靠近地面的空气受热后热量再向高处传递。对流层中，水汽和二氧化碳对大气温度变化的影响最大。1对流层23/27中国民航大学空管学院对流层三大重要特征：对流层的三个主要特点：气温随着高度的增高而降低具有强烈的对流和湍流运动各气象要素水平分布不均匀因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐射，大气主要通过吸收地面的长波辐射和通过对流、湍流等方式从地面吸收热量才能升温，因而越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层的气温随高度升高而降低。低层空气由于从地面得到热量使之受热上升，高层冷空气下沉，从而造成对流层内存在强烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂直混合能到很高高度，对流层顶高度高；极地地面温度低，垂直混合作用弱，对流层顶高度低。气象要素水平分布不均匀。由于各地纬度和地表性质的差异，地面上空空气在水平方向上具有不同物理属性，温、压、湿等要素水平分布不均匀，从而产生各种天气过程和天气变化。24/27中国民航大学空管学院多数天气发生在对流层中，包括云、降水和风，特别是引起对流云发展的垂直气流。1对流层25/27中国民航大学空管学院对流层下层（离地面1500m高度以下）－又名摩擦层，空气运动受地形扰动和地表摩擦作用最大，气流混乱。中层（摩擦层顶到6000m高度）－空气运动受地表影响较小，气流相对平稳，可代表对流层气流的基本趋势，云和降水大多生成于这一层。上层（从6000m到对流层顶）－受地表影响更小，水汽含量很少，气温通常在0以下，各种云多由冰晶或过冷水滴组成。1500m高度以上的大气因为几乎不受受地表摩擦作用的影响---自由大气。对流层中按气流和天气现象分布的特点，可分为上中下三个层次：1对流层26/27中国民航大学空管学院在对流层的顶部直到55km，气流运动相当平衡，而且主要以水平运动为主，故称为平流层（Stratosphere）。平流层顶的气压约1hPa。平流层下部温度随高度变化很小，平流层上部因为存在臭氧层，臭氧吸收太阳紫外辐射使大气温度增加。2、平流层27/27中国民航大学空管学院平流层的重要特征：大气很稳定，空气的垂直运动很微弱，多为平流运动。水汽和杂质含量很少，几乎没有对流层中所出现的各种天气现象。大气透明度高，天气晴朗，飞行气象条件好。28/27中国民航大学空管学院平流层的重要特征：气温随高度的升高而升高。水平风速大：冬季极地有时出现80米/秒以上的强风。大气层结稳定，垂直运动受到抑制。空气阻力小，颠簸极少。大气密度小，对飞机的空气动力性能有影响；天空黯淡。高空主导环流：夏季－以极地为高压中心的东风环流―中高纬度盛行东风；冬季－以极地为低压中心－中高纬度盛行西风。29/27中国民航大学空管学院平流层对飞行的影响有利方面：气流平稳、空气干洁、能见度好、飞行阻力小，有利于大型飞机飞行。不利方面：发动机效率降低，飞机对操纵的反映迟缓。30/27中国民航大学空管学院3、中间层、热层、外逸层中间层在50~85km高度，是大气中最冷的部分。水汽极少，虽然不稳定，但是没有什么天气现象。热层（电离层）在85km~800km以上，太阳辐射中的强紫外辐射造成了热层的高温。虽然温度是最高，但是大气极其稀薄。31/27中国民航大学空管学院暖层顶以上的大气统称为外逸层，又叫外层。它是大气的最高层，高度离地表800km以上，厚度可达2000~3000km。外逸层中温度很高，空气十分稀薄，受地球引力场的约束很弱，一些高速运动着的空气分子可以挣脱地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空间。3、中间层、热层、外逸层32/27中国民航大学空管学院第四节标准大气标准大气是铅直方向上，温度、气压和密度按一种假定的规律分布的模式大气，是根据实测资料，用简化方式近似的表示大气温度、压力和密度的平均分布。制作目的：出于比较飞机性能和设计大气数据仪表的需要。在设计飞行器、飞行器的设备和仪表时，在订正飞行试验数据时，都要以预先规定好的，随高度固定分布的大气物理状态为根据，这样才能得到可以相互比较的仪表示度、飞行试验数据和空气动力数据。33/27中国民航大学空管学院由国际民航组织(ICAO)统一采用的32公里以下标准大气的主要数据是：1、干洁大气，垂直方向上成份（各种气体的比例）不改变，平均分子量为28.9644；2、具有理想气体的性质（服从方程pV=nRT）；3、标准海平面的重力加速度为g0=9.80665m/s2；4、在平均海平面上，气温为T0=15ºC=288.16K；气压为P0=1013.25hPa=760mmHg=1个大气压；空气密度为ρ0=1.225kg/m3；5、处于流体静力平衡状态（合力为零）；6、气温的垂直递减率，在海拔11000m以下为0.65℃/100m，11~20公里气温随高度不变，为-56.5℃，20~30公里为–0.1℃/100m。标准大气主要特性：34/27中国民航大学空管学院35/27中国民航大学空管学院习题：一、单选题：1、中纬度地区对流层上界的高度通常是（）A：8-9千米B：10-12千米C：15-17千米D：17-18千米2、在标准大气中飞机在空中测得的气温是-24℃，则飞机所在高度是（）A：3000米B：4000米C：6000米D：8000米36/27中国民航大学空管学院习题二、填空：1、大气的成分由_______、________、________三部分组成。2、大气垂直结构分为以下______、______、______、______、_____五个部分。3、标准大气海平面气压、气温分别是________、_________。三、简答题：1、对流层具有哪些特性？2、平流层具有哪些特性？37/27中国民航大学空管学院本章小结：大气由干洁空气、水汽、大气杂质三部分组成。在干洁空气中，对大气温度影响较大的是二氧化碳和臭氧，而水汽和大气杂质在天气变化中起了重要作用。以气层气温的垂直分布特征为主要依据，将大气分成了五层，航空活动主要在对流层和平流层中进行。对于对流层和平流层的基本特征，我们应有充分认识。