第1-2节大气组成和热量a精.ppt
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1、第1-2节大气组成和热量a第1页,本讲稿共80页第一节 大气的组成和热量大气的组成和热量 v 围绕着地球的厚层气体称为大气大气,它是多种气体的混合物,无色、无味。此外,还有固体杂质、液体杂质。它形成一个连续的圈层,称大气圈大气圈。v大气中存在着复杂的物理过程和物理现象,这些都与大气本身的物理特征有着密切的联系。第2页,本讲稿共80页一、一、大气的组成大气的组成 一、干洁空气:二、几种重要气体的来源及其作用 三、大气中的杂质 第3页,本讲稿共80页(一)干洁空气:【干洁空气干洁空气】:大气中除水汽水汽、液体液体和固体固体杂质外的整个混整个混整个混整个混合气体合气体合气体合气体,简简称称称称干空气
2、干空气干空气干空气。主要集中在从地面到085km处。2、主主要要成成分分:N2、O2、Ar,三者占整个干洁空气容积的99.97%,其中N2占容积的78%,O2占容积的21%,Ar占容积的 0.93%。此外二氧化碳、臭氧、氢、氖、氦、氪、氙等稀有气体含量不到空气容积的0.1%。v 第4页,本讲稿共80页u 几种重要气体的来源及其作用几种重要气体的来源及其作用1.N1.N2 2来来源源:来自于地球形成过程中的火山喷发;作作用用:是地球上生命体的基本成分;可冲淡氧气;是合成氮肥的基本原料。2.O O2 2来来源源:水的离解和光化学反应以及植物的呼吸。作作用用:是维持生命现象的重要气体;可助燃,使有机
3、体腐败;起氧化作用。第5页,本讲稿共80页3、CO2:v来源:燃烧、氧化,大陆生物圈作用、海洋的作用以及火山喷发。主要集中分布于大气底部20km的一薄层,浓度为0.020.04%,其含量随时间、空间而变。一般是底层多,高层少;城市多乡村少;夜间多白天少,近年来由于工业的发展,含量与年俱增。1958年至1988年,其含量从316351ppm。占干洁空气容积的0.03%。v作用:能强烈地吸收地面长波辐射,对地面起保温作用;是绿色植物光合作用中不可缺少的物质,但其含量超过0.20.5%时,对生物体有害。第6页,本讲稿共80页4、O3:v来来源源:在太阳紫外线辐射作用下,氧分子分解为氧原子后再和另外的
4、氧分子结合而成。低层大气有机物的氧化和雷雨、闪电作用也能形成臭氧。主要分布在1040km处,极大值在2025km。v作用作用:能吸收太阳紫外辐射的99%,保护地面生物,可杀菌治病。第7页,本讲稿共80页(二)水汽水汽v水水汽汽含含量量:整个大气中,平均1.3104km3【1-2】(占地球总水量的0.001%,24-25mm),总降水量相当于780mm,交换时间约1011天。v水水汽汽来来源源:海洋、湖泊、河流、土壤的蒸发、植物蒸腾作用。v水汽时空分布水汽时空分布:随海陆分布,大气环流的变化;时间上年、季节变化;随高度的变化主要集中3.0km范围内,每上升1.02.0km,水汽含量减少1/2。【
5、1】水文学2002年,黄锡荃;【2】水圈水文学1998年,木村和政。第8页,本讲稿共80页水水汽汽作作用用:由于分分子子扩扩散散和气气流流传传递递而散布于大气之中。水汽会凝结,产生云、雾、雨、雪等天气。地地地地球球球球的的的的水水水水分分分分:通过“蒸蒸发凝凝结降降水水”等物理过程循环不已(大气成分中,唯一的相变成分),相变过程中释放和吸收热量量,它对“地气系统”的能能量量转换、交交换以及天天气气变化化起着非常重要的作用。第9页,本讲稿共80页【气气溶溶胶胶aerosolaerosol】又又称称气气胶胶、烟烟雾雾质质,是是指指固固体体或或液液体体微微粒粒稳稳定定地地悬悬浮浮于于气气体体介介质质
6、中中形形成成的的分分散散体体系系。主主要要是是水水滴滴、冰冰晶晶、大大气气尘埃埃、其其它它杂质。半径大小在半径大小在10+210-4um(0.01-10um)之间之间。1 1、气溶胶粒子主要来源气溶胶粒子主要来源 (1)自然源)自然源:火山灰、宇宙尘埃、陨石尘埃、风沙尘粒;植物花粉、孢子;灰烬、海水溅沫等。天然气溶胶天然气溶胶云,雾,霭,烟,海盐等;生物气溶胶生物气溶胶微粒中含有微生物或生物大分子等生物物质;其中含有微生物的称为微生物气溶胶微生物气溶胶。(2)人人工工源源:工业生产、居民生活的燃料燃烧、运输工具排出的废气。(三)大气中的杂质第10页,本讲稿共80页大气污染的概念*大气污染物在大
7、气中达到一定浓度,而对人类的生产和健康造成直接或间接危害时称大气污染大气污染。A)直直接接污染染:因污染物性质、浓度、时间等因素造成危害的污染物,如粉尘微粒、硫化物、氮化物、氧化物、卤化物(氯化氢、氟化氢)B)间接接污染染:污染物与大气正常成份发生反应形成新的污染物或污染物发生光化学反应形成的新污染物。第11页,本讲稿共80页v如1952年伦敦的光光化化学学烟烟雾事事件件就是烟雾形成之后,高空受高气压控制,使大大气气稳定定,烟雾笼罩4天,造成数千人死亡数千人死亡。第12页,本讲稿共80页治理污染的措施 v建立监测网、进行污染预报、通过集尘器和清洗器在排气前清除污染物;发展无烟囱工厂的闭合工艺过
8、程以及合理布局工业等,造林绿化也是保护环境、净化空气,防止大气污染的重要措施第13页,本讲稿共80页二、大气结构(一)大气质量l大气上界:理论上,当气压为0(或接近0)时,为大气的顶层;但大气圈顶部没有截然的界限。(气象学上)大气上界:与地面气候有关的某种现象所发生的最大高度。如:极光出现的最大高度1200km。(物理、化学)大气上界:离心力大于重力,大气密度接近星际气体密度;在12003200km范围。(高层大气物理学)大气上界:3000km左右;第14页,本讲稿共80页l 大气质量v大气密度大气密度:随高度按指数规律减少。v大气质量大气质量:同上。05.5km高度内含有大气总质量的50。0
9、8km 高度内含有大气总质量的99。(图图3.1)第15页,本讲稿共80页【问题1】v设地球表面的大气压为1013.25hPa,地球表面积5.1亿km2,求:大气总质量(求:大气总质量(以吨为单位,以吨为单位,重力加速度重力加速度g9.8m/s2)?提示:1hPa102N/m2第16页,本讲稿共80页(二)大气压力v大气压强大气压强:简称大气压。v标准大气压标准大气压:气象学上,温度:气象学上,温度0纬度纬度45度的度的海平面气压,又称海平面气压,又称1个个大气压。大气压。(1013.25hPa1013.25hPa76mm76mm汞高汞高10.34m10.34m水柱水柱高高)。)。v气压单位气
10、压单位:水银柱高度(:水银柱高度(mm),),hPa(百帕)(百帕)、mb(毫巴)。(毫巴)。v1hPa1mb=10N/m2。第17页,本讲稿共80页v一个大气压=1013.25hPa 1013.2510-2N/cm2,1013.2510-2/9.8(kgf/cm2);1.034kgf/cm2;(9.8N1kgf)第18页,本讲稿共80页常用的单位(常用的单位(SI单位体系)单位体系)度量度量单位名称单位名称 符号符号 定义定义基本单位基本单位:长度长度 米(meter)m质量质量 千克(kilogram)kg时间时间 秒(second)s温度温度绝对温度()K物质量物质量 千摩尔(kilom
11、ole)kmol 第19页,本讲稿共80页诱导单位诱导单位:力力 牛顿(newton)Nkg m s-2压力压力 帕斯卡(pascal)PaN m-2=kg m-1 s-2能量能量焦耳(joule)JN m=kg m2 s-2功率功率瓦特(watt)WJ s-1=kg m2 s-3频率频率赫兹(hertz)Hzs-1摄氏温度摄氏温度 K -273.15 体积比:体积比:ppm(ppmv)10-6;ppbv(ppb)10-9;pptv(ppt)10-12;第20页,本讲稿共80页(三)大气分层(三)大气分层 v 按分子组成:1、均质层:地表至85km高度大气层,除水水汽汽以外,组成较均一。2、非
12、均质层:85km高度以上;其中氮层、原子氧层、氦层。v 按化学、物理性质:1、光化层:包括20km处的O3层。2、离子层:第21页,本讲稿共80页u在气象学中 按温度、运动情况分为5层v对流层:对流层:v平流层平流层:v中间层中间层:v暖层暖层:v逸散层逸散层:第22页,本讲稿共80页1、对流层1)高度:最底层,厚度最簿,平均高度11km,并随纬度、季节而不同,在高纬地区平均:89km,中纬地区平均:1012km,低纬地区平均1718km,夏季大于冬季。2)特征:气温随高度的升高而降低;因为该层的热量来自于地面的长波辐射,平均气温递减率为0.65oC/100m;强烈的对流运动;因为地面受热不均
13、。天气现象复杂多变;几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。第23页,本讲稿共80页【问题2】为什么在什么在对流流层顶,低,低纬度温度(度温度(-85OC)小于高)小于高纬度(度(-53OC)?)?第24页,本讲稿共80页3)对流层的分层:根据内部温度、湿度、气流运动和天气状况划分:低层(摩擦层):高度高度约12km;特特点点是对流强,水汽多、粉尘多;气温日变化明显,湍流明显。低云、雾、霾、浮尘基本出现频繁。中中层:高度高度从低低对对流流层层6km6km,特特点点:云、雨、雪多产生于此层,受地面縻擦小为自由大气层。上上层:高度高度从中层对流层顶;特特点点是气温常在0OC以下,水汽少,
14、云由冰晶、过冷水滴组成,风速大;中纬度及低纬度地区常出现急急流流,风速30米/秒。第25页,本讲稿共80页2、平流层的特征1)高度:下层:其上界离地面约3540km,为同温层同温层。上层:其上界离地面约5060km,为逆逆温温层层(即气温随高度的升高而降低。因为平流层上层含有大量的臭氧,臭能大量地吸收太阳紫处线而增温)。2)特征:气温随高度微升;气流以水水平平运运动动为主,对流不易产生;水汽、尘埃含量少,天气晴朗,能见度好天气晴朗,能见度好。第26页,本讲稿共80页3、中间层 1)高度:平流层顶至85km处,亦称高空对流层。2)特征:随高高度度升升高高而温温度度迅速下降;空气以垂垂直直运运动动
15、为主,但由于空气稀薄,天气现象已不如对流层复杂;在80km处白天出现一个电离层电离层,叫D层。第27页,本讲稿共80页5、暖层(电离层)1)高度:中间层至800km处。2)特征:空气质量小,空空气气稀稀薄薄,空气密度只有空气总质量的0.5%,在120km高空,空气密度小至声音都难于传播;随高度升高而温温度度升升高高;因为所有波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收,顶层温度可达1000;空气处于高度电电离离状状态态,能反射无线电波;出现极极光光现象现象。第28页,本讲稿共80页暖层出现极光现象*v极光是由太阳喷焰中发射的高能粒子与高层大气中的空气分子相撞,使之电离,并在地球磁场的
16、作用下,偏于两极上空而形成的一种光现象。第29页,本讲稿共80页5、散逸层1)高度:800km以上 3000km左右;2)特征:空气极其稀薄;随高度上升而温度升高;高速运动的分子可以逃逸到宇宙空间。第30页,本讲稿共80页大气圈层结构中各层的特征及对比表 第31页,本讲稿共80页(四)标准大气v标准大气模式:标准大气模式:空气干燥,86km以下均匀混合物,平均kmol质量为28.964kg/kmol,静力学平衡、水平成层。第32页,本讲稿共80页【Note】:v均质层:均质层:85kmv大气边界层大气边界层(atmospheric boundary layer):又称 摩擦层摩擦层 或行星边界
17、层行星边界层。地表至12km高度。上部摩擦层上部摩擦层(上边界层、埃克曼层):100m大气近地层大气近地层(atmospheric surface layer):0100m以下。v自由大气自由大气(free atmosphere):摩擦层以上,摩擦力可以忽略不计,称为自由大气。v干洁空气干洁空气:v标准大气标准大气:第33页,本讲稿共80页三、大气的热量(一)太阳辐射(为短波辐射)(一)太阳辐射(为短波辐射)可见光:0.40.76m,占总能量的50。红外辐射:大于0.76m,占总能量的43。紫外辐射:小于0.4m,占总能量的7。【太阳辐射强度】:单位时间内垂直投影在单位面积上的太阳辐射能,表示
18、太阳辐射能强弱的物理量。【太阳常数S0】:在日地平均距离上,大气顶界垂至于太阳光线单位面积上单位时间内接受的太阳辐射。1367W/m2(1981年WMO推荐)【地面反射率】:反射辐射占地面总辐射的百分比。地面的太阳辐射包括:直射辐射和散射辐射组成,称为总辐射。第34页,本讲稿共80页(二)大气能量及其保温效应1.1.太阳辐射的直接吸收太阳辐射的直接吸收:主要臭氧、水汽、液态水。2.2.地面辐射的吸收:地面辐射的吸收:地表吸收了大气上界太阳辐射能的50;地表加热后,再以大于3um长波向外辐射,其中7595被大气吸收。3.3.潜热输送:潜热输送:水分”蒸发水汽凝结蒸发水汽凝结”是”地气”间能量交换
19、的主要方式。潜热输送年总量,洋面(3430MJ/m2)是陆面(1130MJ/m2)的3倍。4.4.感热输送:感热输送:陆面、水面与大气温度不相等所致。总是地表向大气输送,年均540MJ/m2.【大气辐射】:大气依据本身温度向外辐射,称为。大气依据本身温度向外辐射,称为。【大气逆辐射】:投向地面的部分。投向地面的部分。【温室效应】:大气逆辐射、保温作用。大气逆辐射、保温作用。第35页,本讲稿共80页(三)地、气系统的辐射平衡【辐射平衡、辐射差额】:辐射平衡的日变化、年变化?辐射平衡的日变化、年变化?第36页,本讲稿共80页四、气温四、气温(一)气温的周期性变化(一)气温的周期性变化 日变化:年变
20、化:【气温的日较差、年较差】受纬度、下垫面、海拔高度影响。第37页,本讲稿共80页(二)气温的水平分布【等温线等温线】:【热赤道】:【热赤道】:赤道附近的赤道附近的1个高温带,月平均温度在冬、夏均个高温带,月平均温度在冬、夏均高于高于24。全球气温水平分布特点:全球气温水平分布特点:(1)纬度:)纬度:(2)同纬度海陆分布影响:)同纬度海陆分布影响:(3)洋流的影响:)洋流的影响:(4)近赤道高温区:)近赤道高温区:510N(5)极地气温:)极地气温:地球表面气温变化范围地球表面气温变化范围-9063。第38页,本讲稿共80页(三)气温的垂直分布(三)气温的垂直分布【气温垂直递减率】:-0.6
21、5/100m【逆温层】.。【平流逆温】暖空气流至较冷地面冷地面或冷水面冷水面上时,形成的逆温。【锋面逆温、下沉逆温】:逆温层(阻挡层)对大气污染的影响?逆温层(阻挡层)对大气污染的影响?第39页,本讲稿共80页参考答案v提示:因为在低纬地区对流层顶高1718km,而高纬地区平均只有89km,在对流层,温度受地面影响大,且温随高度的升高而降低。第40页,本讲稿共80页第二节:大气水分和降水第二节:大气水分和降水一、大气湿度二、蒸发和凝结三、水汽的凝结现象四、大气降水第41页,本讲稿共80页一、大气湿度(一)湿度-1:蒸发、蒸腾(海、湖、河、土壤、植被)大气潮湿潮湿程度。程度。【水汽压(水汽压(e
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