第二章 地球大气

第二章地球大气本章内容大气的组成大气的铅直结构大气的物理性质第一节大气的组成干洁大气（即干空气）水汽悬浮在大气中的固液态杂质一、干洁大气地球大气由三个部分组成:干洁大气的定义及其成分变化：定义：除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。成分变化：0~90km，主要成分和含量比例基本保持不变。90km以上，氮稍有减少,氧稍有增多,氩和二氧化碳明显减少,其中氧分子和氮分子开始离解。各种成分介绍：各成分总体状况：表2-1干洁大气的成分（高度25km以下）气体成分所占体积（%）临界温度（℃）临界压强（大气压）氮78.08-147.233.5氧20.95-118.940.7氩0.93-122.048.0二氧化碳0.03231.073.0臭氧0.00006-5.092.3干洁大气100-140.737.2氮气（N2）：存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。自然条件下,氮气只能通过闪电雷暴作成形成,通过降水过程被植物和土壤吸收利用。氧气（O2）：作用：是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；积极参与大气中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。臭氧（O3）：时空变化：时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。空间变化：水平：由赤道向两极增加。垂直：55～60km，含量极少。20～25km，达最大值，形成臭氧层；12～15km以上，含量增加特别显著；从10km向上，逐渐增加；近地面，含量很少；这幅地图显示的是臭氧空洞。1986年，南极的臭氧量仅是30年前的一半。1988年，探测发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄百分之三。这种变化足以使皮肤癌的病例大幅增加。作用：对紫外线有着极其重要的调控作用。对高层大气有明显的增温作用。二氧化碳（CO2）：来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。时空变化：时间变化：a)白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于黑夜、阴天、冬季。b)工业革命前小于工业革命后。空间变化：水平：城市大于农村；垂直：0～20km，含量最高；20km以上，含量显著减少。作用：绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使地面保持较高的温度，产生“温室效应”。温室效应模式图二、水汽来源：主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。时间：夏季多于冬季空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。时空变化：作用：在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射，对大气起着“温室效应”。大气中悬浮着的各种固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。三、大气中的杂质气溶胶粒子：定义：分类：液体质粒、固体质粒固体质粒的来源：有机质数量较少，大多为植物花粉、微生物和细菌等；大气中沉降速率极小、尺度在10-4μm到100μm之间的固态和液态微粒。无机质数量较多，主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。作用：吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地面的太阳辐射；缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。大气中的污染物质：定义：由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。分布：空间上垂直：主要集中在3km以下的低层大气中；水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少。时间上：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。来源：自然过程形成。人为过程造成。工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。二次污染物：分类：一次污染物：直接从污染源排出来的物质。进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。大气污染的危害第二节大气的铅直结构一、大气的铅直分层对流层平流层中间层热成层散逸层电离层对流层：厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为17～18km；中纬地区：平均为10～12km；高纬地区：平均为8～9km；时间：夏季大于冬季。特点：主要天气现象均发生在此层。温度随高度升高而降低。（平均高度每升高100m，气温下降0.65℃。）空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。气象要素的水平分布不均匀。分层：下层、中层、上层、对流层顶。下层（摩擦层或行星边界层）：0-2km摩擦作用、对流运动和乱流运动最强烈；在接近地面约30～50m高度以下的气层称为近地气层，常有雾形成。中层：2-6km空气运动以对流为主；有中云和直展云出现，由云滴增大成雨滴的过程多在此层进行，因而是形成降水的重要气层。上层：6km至对流层顶受地面影响更小，气温常在0℃以下，水汽含量少，各种云均由冰晶或过冷却水滴组成。飞机飞行在此气层常出现结冰现象。在中、低纬度地带，常出现风速等于或大于30m·s-1的强风带，即所谓高空急流。对流层顶：对流层与平流层之间1-2km的过渡层气温随高度变化很小，甚至成为等温状态。由低层上升而至的水汽和尘埃等多聚集在这里，使能见度恶化。平流层：对流层顶～55km25km以下，气温保持不变；25km以上，气温随高度增加而显著升高。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流比较平稳，适宜于飞机航行。中间层：平流层顶～85km气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至-83℃以下。空气有强烈的垂直运动，故又称之为“高空对流层”。热成层(热层、暖层、电离层)：中间层顶～800km气温随高度增加迅速上升。空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生电离现象。散逸层：这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是大气圈与星际空间的过渡地带。二、大气上界根据大气中极光出现的最大高度，大气上界的高度为1,000～1,200km。另一种是以大气密度接近星际气体密度的高度作为标准，大气上界约在2,000～3,000km高度处。第三节大气的物理性质一、大气的质量假定大气是均质的，以气温0℃时、45°N（或45°S）处、海平面上的大气密度ρ0为标准（ρ0=1.293kg.m-3），则此时大气厚度（Z0）经理论计算约为8,000m。于是单位截面积的大气柱中空气的质量为：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2假定条件下的大气质量：据此推算，地球表面大气的总质量大约有5×1015t。ρz为Z高度处的大气密度；ρ0为标准状态下的大气密度；Z0为均质大气的高度，Z为对应于要计算ρz的高度。大气密度的计算公式：00zzze（2-1）二、气象要素定义：表示大气状态和特征的物理量和物理现象。内容：日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度和天气现象等。天气现象：在大气中或地面上产生的降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电学现象，也包括一些风的特征。大风、飑常见天气现象：雨、阵雨、毛毛雨雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰针雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风雷暴、闪电、极光第四节地球大气中的光、电、声现象一、大气中的光学现象（一）大气中光的散射现象1.蔚蓝天空2.霞光3.曙暮光（二）大气中光的折射现象1.蒙气差2.海市蜃楼3.彩虹4.晕（三）大气中光的衍射现象1.华2.宝光环（四）大气中的其它光学现象夜天光、气辉、极光、地光等等二、大气中的电学现象（一）大气电场1.晴天电场2.扰动天气电场（二）天电天电是指大气中放电过程所引起的脉冲电磁辐射，最常见的现象就是闪电，此外还有雷暴放电、尘暴放电和电晕放电等，有时也将某些人工放电过程如核爆炸引起的大气放电等也包括在内。闪电是积雨云云中、云间或云地之间发生放电时激发空气强烈闪光，并伴有雷声的物理过程。云内放电和云际放电形成云闪，云地间放电形成地闪。闪电按形状分为线状闪电、带状闪电、片状闪电、联珠状闪电和球状闪电，其中最常见的是线状闪电。地球表面每时每刻都有闪电发生，全球每秒有100—300次闪电发生，其中约有20%是地闪。闪电多出现在低纬度地区，但在两极地区有时也能观测到，陆地闪电的次数比海洋多一个数量级，白天闪电多于夜晚，夏季闪电多于冬季。闪电的破坏作用主要有热效应、电化效应和机械效应。热效应使物体急剧升温，出现熔化、燃烧和汽化，电化效应使生物组织的某些部分发生电解，机械效应则形成电击穿。除被闪电直接击中外，人体还会受到跨步电流和回闪震击的损害。由于地面孤立物、尖端或电阻率小电导率大的地方是最易受闪电打击，因此在雷雨发生时，应尽可能避免处于易受雷击的状态，不能在山顶、大树和旗杆等孤立或尖端物体附近避雨，不要携带金属制品，不要在雷雨中快跑，并避开潮湿、高温和原来已通电的地方。三、大气中的声学现象频率在15—20000Hz之间的声波，频率低于15Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波（。大气中声波的声源可分为人工声源和自然声源两类。人工声源包括人工爆炸声、各种机器及交通工具发出的声音和人类活动的种种吵杂声等。自然声源包括火山爆发、流星穿入大气、海浪和地震激发的大气声波、鸟兽等动物的声音、风和地表的摩擦发声、强风暴系统中大气运动引起的湍流和对流发声、雷声以及极光发声等等。大气中自然声源发出的声波具有极宽的频谱，高频端可达102—103Hz的频率，低频端可达几分钟至几十分钟的周期。大部分自然声源主要产生的是大气次声波。（一）大气中声波的传播1.声波衰减2.声波折射3.声波频散（二）大气中的次声波大气次声波是指大气中频率低于15Hz的不可闻声波，又称声重力波，其传播由空气压缩力和重力共同参与作用。大部分自然声源主要产生的是大气次声波，火山爆发、大流星坠落、强风暴、地震、海浪、极光等均可激发大气次声波，人工次声波源主要有大量火药爆炸、核爆炸、火箭发射、大型喷气飞机发动机等。大气中主要的次声波可分为微压波、强风暴次声波、火山爆发和流星坠落产生的次声波等。（三）源于天气现象的声音在大气中除了与人类及生物活动有关的声音外，还有许多单纯起源于天气现象的声音，如雷声、风的呼啸声、降水体的摩擦声等。雷声是伴随闪电出现的大气发声现象，其声强的峰值频率为4—125Hz。气流遇到山丘、建筑物、森林和树木以及电线等障碍物时，能够产生声音；由于风而掀起的海浪能够产生啸叫。雨、雪花等降水体在降落过程中与空气摩擦能够产生声音；冰雹云中的雹块与空气摩擦能够产生嗡嗡声。