第三章大气和气候PPT讲稿.ppt
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1、第三章 大气和气候第1页,共93页,编辑于2022年,星期二一、大气的成分一、大气的成分大气是多种物质的混合物。大气是多种物质的混合物。主要包括:主要包括:干洁的空气干洁的空气(体积占(体积占78.09,质量占,质量占75.52的氮的氮N2,体积占,体积占20.95,质量占,质量占23.15的氧的氧O2,体积占,体积占0.93,质量占,质量占1.28的氩的氩Ar,除此之外,还有,除此之外,还有CO2以及其它微量惰性气体)以及其它微量惰性气体)、水汽水汽、悬浮尘粒悬浮尘粒或或其它杂质其它杂质。组成大气的成分可分为两类:组成大气的成分可分为两类:定常成分:定常成分:各成分之间基本保持固定比例,基本
2、不随时间和地点的改变而发生变化。各成分之间基本保持固定比例,基本不随时间和地点的改变而发生变化。主要是主要是氮氮N2,氧,氧O2,氩,氩Ar和微量惰性气体和微量惰性气体氖氖Ne、氪、氪Kr、氙、氙Xe、氦、氦He等;等;可变成分:可变成分:水汽、二氧化碳水汽、二氧化碳CO2,臭氧,臭氧O3,和碳、硫、氮的化合物,和碳、硫、氮的化合物,如,如CO、CH4、H2S等。等。第一节第一节大气的组成和热能大气的组成和热能第2页,共93页,编辑于2022年,星期二下面将组成大气的成分分别作以介绍:下面将组成大气的成分分别作以介绍:1、氮和氧、氮和氧(质量共占大气圈成分的质量共占大气圈成分的98.52%):
3、N2约占大气容积的约占大气容积的78。常温下,。常温下,N2的化学性质不活泼,不能被植物直接利用只能通过豆科植的化学性质不活泼,不能被植物直接利用只能通过豆科植物的根瘤菌,部分物的根瘤菌,部分固定于土壤中(形成氮肥)固定于土壤中(形成氮肥)。N2对太阳辐射远紫外区(波长对太阳辐射远紫外区(波长0.030.13m)具有选择性吸收)具有选择性吸收。02占地球大气质量的占地球大气质量的23,按体积比占,按体积比占21。除了游离态外,氧还以硅酸盐、氧化物、水等。除了游离态外,氧还以硅酸盐、氧化物、水等化合物形式存在。化合物形式存在。2、二氧化碳(、二氧化碳(CO2):):只占大气容积的只占大气容积的0
4、.03,多集中在,多集中在20km高度以下,主要由有机物燃烧、腐烂和生物呼高度以下,主要由有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程产生。二氧化碳对太阳短波吸收很少,但能吸过程产生。二氧化碳对太阳短波吸收很少,但能强烈吸收地表长波辐射(强烈吸收地表长波辐射(地面辐射的主要能地面辐射的主要能量集中在量集中在130m的波长之间,其最大辐射的平均波长为的波长之间,其最大辐射的平均波长为10m,属红外区间,与太阳短波辐射相比,称为,属红外区间,与太阳短波辐射相比,称为地面长波辐射地面长波辐射),致使从地表辐射的热量不易散失到太空致使从地表辐射的热量不易散失到太空。对地球有保温作用,对地球有保温作用,但近年来随着工
5、业的发展和人口的增长,全球二氧化碳含量逐年但近年来随着工业的发展和人口的增长,全球二氧化碳含量逐年增加,改变了大气热平衡,导致地面和低层大气平均温度升高,引起严重的气候问题。增加,改变了大气热平衡,导致地面和低层大气平均温度升高,引起严重的气候问题。第3页,共93页,编辑于2022年,星期二3、臭氧:、臭氧:主要分布在主要分布在1040km的高度处,极大值在的高度处,极大值在2025km附近,称为臭氧层(臭附近,称为臭氧层(臭氧虽在大气中的含量很少,但具有氧虽在大气中的含量很少,但具有强烈吸收紫外线的能力)强烈吸收紫外线的能力)。研究表明,人们大量使用氮肥以及作冷冻剂和除臭剂使用的碳氟化合物(
6、氟利研究表明,人们大量使用氮肥以及作冷冻剂和除臭剂使用的碳氟化合物(氟利昂昂CHCl2F2)所造成的污染使平流层的臭氧遭到破坏。臭氧层的破坏能)所造成的污染使平流层的臭氧遭到破坏。臭氧层的破坏能引起一系列不利于人类的气候生物效应,因而受到广泛关注。引起一系列不利于人类的气候生物效应,因而受到广泛关注。4、水汽、水汽:水汽的来源:陆面或洋面水汽的蒸发,植物的蒸腾。水汽的来源:陆面或洋面水汽的蒸发,植物的蒸腾。水汽的去向:水汽的去向:大气降水。大气降水。水汽的特点和作用:水汽是大气中唯一能发生相变的大气成分,在水汽的特点和作用:水汽是大气中唯一能发生相变的大气成分,在相变的相变的过程中伴随能量的释
7、放和吸收过程中伴随能量的释放和吸收,同时,水汽能,同时,水汽能强烈吸收和放出长波辐射强烈吸收和放出长波辐射能能,因此水汽在天气变化、大气能量转换过程及大气与地面的能,因此水汽在天气变化、大气能量转换过程及大气与地面的能量交换中起着重要的作用。量交换中起着重要的作用。第4页,共93页,编辑于2022年,星期二5、固、液体杂质(悬浮颗粒)、固、液体杂质(悬浮颗粒):大气悬浮固体杂质和液体微粒,也可称为气溶胶粒子大气悬浮固体杂质和液体微粒,也可称为气溶胶粒子(气溶胶(气溶胶粒子是空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称,半径一般为粒子是空气中悬浮的固态或液态颗粒的总称,半径一般为10-3mm10-7mm)。
8、气溶胶粒子除由水汽变成的。气溶胶粒子除由水汽变成的水滴和冰晶水滴和冰晶外,主要是外,主要是大大气尘埃和其他杂质气尘埃和其他杂质。粒径大的水溶性气溶胶粒子最易粒径大的水溶性气溶胶粒子最易使水气凝结,是成云致雨的重要使水气凝结,是成云致雨的重要条件条件。气溶胶粒子能气溶胶粒子能吸收部分太阳辐射并散射辐射,从而改变大气透明度吸收部分太阳辐射并散射辐射,从而改变大气透明度。它它对太阳辐射的影响对太阳辐射的影响和和增大散射辐射增大散射辐射、大气长波逆辐射,都有可能破、大气长波逆辐射,都有可能破坏地球的辐射平衡。坏地球的辐射平衡。第5页,共93页,编辑于2022年,星期二二、大气的结构二、大气的结构(一)
9、(一)大气质量大气质量1大气上界大气上界大气按其物理性质来说是不均匀的,特别大气按其物理性质来说是不均匀的,特别是在铅直方向变化急剧。在很高的高度上空气是在铅直方向变化急剧。在很高的高度上空气十分稀薄,气体分子之间的距离很大。在理论十分稀薄,气体分子之间的距离很大。在理论上,当压力为零或接近于零的高度为大气顶层,上,当压力为零或接近于零的高度为大气顶层,但这种高度不可能出现。因为在很高的高度渐但这种高度不可能出现。因为在很高的高度渐渐到达星际空间,不存在完全没有空气分子的渐到达星际空间,不存在完全没有空气分子的地方。地方。第6页,共93页,编辑于2022年,星期二气象学家认为,只要发生在最大高
10、度上的某种现象与地面气候有关,便可定义这个高度为大气上界。气象学家认为,只要发生在最大高度上的某种现象与地面气候有关,便可定义这个高度为大气上界。因此,过去曾把极光出现的最大高度(因此,过去曾把极光出现的最大高度(1200km)定为大气上界。)定为大气上界。作为太阳风的一部分带电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,电磁场将进入高空大气的太阳风粒子流作为太阳风的一部分带电粒子在到达地球附近时,被地球磁场俘获,电磁场将进入高空大气的太阳风粒子流汇聚成电子束,打入极区高空的大气层,激发大气中的分子和原子,导致其发出红、绿或蓝等色的光,称为极光。汇聚成电子束,打入极区高空的大气层,激发大气中的分子和
11、原子,导致其发出红、绿或蓝等色的光,称为极光。第7页,共93页,编辑于2022年,星期二物理学家、化学家则从大气物理、化学特物理学家、化学家则从大气物理、化学特征出发,认为大气上界至少高于征出发,认为大气上界至少高于1200km,但,但不超过不超过3200km,因为在这个高度上离心力已,因为在这个高度上离心力已超过重力,大气密度接近星际气体密度。所以超过重力,大气密度接近星际气体密度。所以在高层大气物理学中,常把大气上界定在在高层大气物理学中,常把大气上界定在3000km。第8页,共93页,编辑于2022年,星期二2大气质量大气质量假定大气是均质的,则大气高度约为假定大气是均质的,则大气高度约
12、为80000m(1644年,伽利年,伽利略的学生托里彻利和维瓦尼通过实验证明大气是有重量的,因而也必略的学生托里彻利和维瓦尼通过实验证明大气是有重量的,因而也必然存在有限的高度。他们推算出大气层的厚度大约是然存在有限的高度。他们推算出大气层的厚度大约是8公里。),整公里。),整个大气柱的质量为个大气柱的质量为m00H1.12510-381051013.3g/cm20为标准情况下(为标准情况下(T0,气压为,气压为1013.25hPa)大气密度。)大气密度。(hPa即即“百帕百帕”。1百帕百帕=1毫巴(毫巴(mbar)=3/4毫米水银柱毫米水银柱。在海。在海平面的平均气压平面的平均气压约为约为1
13、013.25百帕斯卡(百帕斯卡(760毫米水银柱),这个毫米水银柱),这个值也被称为标准大气压)。值也被称为标准大气压)。第9页,共93页,编辑于2022年,星期二(二)(二)(二)(二)大气压力大气压力大气压力大气压力1.定义定义定义从观测高度到大气上界单位面积上(横截面积定义从观测高度到大气上界单位面积上(横截面积1cm2)铅直空气柱的重量为大气)铅直空气柱的重量为大气压强,简称气压。压强,简称气压。地面的气压值在地面的气压值在9801040hPa之间变动,平均为之间变动,平均为1013hPa。气压有日变化和年变。气压有日变化和年变化,还有非周期变化。气压非周期变化常与大气环流和天气系统有
14、关,且变化幅化,还有非周期变化。气压非周期变化常与大气环流和天气系统有关,且变化幅度大。度大。气压日变化,一昼夜有两个最高值(气压日变化,一昼夜有两个最高值(910时,时,2122时)和两个最低值(时)和两个最低值(34时,时,1516时)。热带的日变化比温带明显。赤道地区气压年变化不大,高纬地区时)。热带的日变化比温带明显。赤道地区气压年变化不大,高纬地区较大;大陆和海洋也有显著差别,大陆冬季气压高,夏季最低,而海洋相反。较大;大陆和海洋也有显著差别,大陆冬季气压高,夏季最低,而海洋相反。(气压最高值和最低值的出现与气温的日变化有关,地球上向阳的一边(白天)由于加热作用使空气膨气压最高值和最
15、低值的出现与气温的日变化有关,地球上向阳的一边(白天)由于加热作用使空气膨胀而垂直上升,到一定高度后向四周辐散,致使空气柱的质量减少,地面气压降低。背阳的一面(夜间)胀而垂直上升,到一定高度后向四周辐散,致使空气柱的质量减少,地面气压降低。背阳的一面(夜间)由于冷却作用,气柱收缩,空中四周气流辐合,使气往质量增多,地面气压升高。至于气压次高值和次由于冷却作用,气柱收缩,空中四周气流辐合,使气往质量增多,地面气压升高。至于气压次高值和次低值的出现,原因比较复杂,目前还没有完善的解释。)低值的出现,原因比较复杂,目前还没有完善的解释。)第10页,共93页,编辑于2022年,星期二2气压的垂直分布气
16、压的垂直分布气压的垂直分布气压的垂直分布气压大小取决于所在水平面的大气质量,随高度的气压大小取决于所在水平面的大气质量,随高度的气压大小取决于所在水平面的大气质量,随高度的气压大小取决于所在水平面的大气质量,随高度的上升,大气柱质量减少,所以气压随高度升高而降低。上升,大气柱质量减少,所以气压随高度升高而降低。上升,大气柱质量减少,所以气压随高度升高而降低。上升,大气柱质量减少,所以气压随高度升高而降低。气压随高度的实际变化与气温和气压条件有关。具气压随高度的实际变化与气温和气压条件有关。具气压随高度的实际变化与气温和气压条件有关。具气压随高度的实际变化与气温和气压条件有关。具有如下两个明显的
17、规律:有如下两个明显的规律:有如下两个明显的规律:有如下两个明显的规律:在气压相同条件下,气柱温度愈高,单位气压高度在气压相同条件下,气柱温度愈高,单位气压高度在气压相同条件下,气柱温度愈高,单位气压高度在气压相同条件下,气柱温度愈高,单位气压高度差愈大,气压垂直梯度愈小;差愈大,气压垂直梯度愈小;差愈大,气压垂直梯度愈小;差愈大,气压垂直梯度愈小;在气温相同条件下,气压愈高,在气温相同条件下,气压愈高,在气温相同条件下,气压愈高,在气温相同条件下,气压愈高,单位气压高度差单位气压高度差单位气压高度差单位气压高度差愈小,气压垂直梯度愈大。愈小,气压垂直梯度愈大。愈小,气压垂直梯度愈大。愈小,气
18、压垂直梯度愈大。第11页,共93页,编辑于2022年,星期二(三)(三)大气分层大气分层按照分子组成按照分子组成,大气可分为两个大的层次,即均质层和,大气可分为两个大的层次,即均质层和非均质层。均质层为从地表至非均质层。均质层为从地表至85km高度的大气层,除水汽有高度的大气层,除水汽有较大变动外,其组成较均一。较大变动外,其组成较均一。85km高度以上为非均质层,其中又高度以上为非均质层,其中又可分为氮层(可分为氮层(85200km)、原子氧层()、原子氧层(2001100km)、氦层)、氦层(11003200km)和氢层()和氢层(32009600km)按大气化学核物理性质按大气化学核物理
19、性质,非均质层可分为光化层和离子层。,非均质层可分为光化层和离子层。光化层具有分子、原子和自由基组成的化学物质,其中包括约光化层具有分子、原子和自由基组成的化学物质,其中包括约在在20km高度处高度处03浓度最大处的臭氧层。离子层包含大量离子,具有浓度最大处的臭氧层。离子层包含大量离子,具有反射无线电波能力。反射无线电波能力。在气象学中按照温度和运动情况在气象学中按照温度和运动情况,将大气圈分为五层:即:,将大气圈分为五层:即:对流层、平流层、中间层、暖层(也称电离层)和散逸层。对流层、平流层、中间层、暖层(也称电离层)和散逸层。第12页,共93页,编辑于2022年,星期二(四)(四)(四)(
20、四)标准大气标准大气标准大气标准大气 人们根据高空探测数据和理论,规定了一种人们根据高空探测数据和理论,规定了一种人们根据高空探测数据和理论,规定了一种人们根据高空探测数据和理论,规定了一种特性随高度平均分布的特性随高度平均分布的特性随高度平均分布的特性随高度平均分布的大气模式大气模式大气模式大气模式,称为,称为,称为,称为“标准大气标准大气标准大气标准大气”或或或或“参考大气参考大气参考大气参考大气”。标准大气模式假定:空气是干燥的,在标准大气模式假定:空气是干燥的,在标准大气模式假定:空气是干燥的,在标准大气模式假定:空气是干燥的,在86km86km以下是均匀混合物,以下是均匀混合物,以下
21、是均匀混合物,以下是均匀混合物,平均摩尔质量为平均摩尔质量为平均摩尔质量为平均摩尔质量为28.964kg/mol28.964kg/mol,且处于静力学平衡和水平成层分布。,且处于静力学平衡和水平成层分布。,且处于静力学平衡和水平成层分布。,且处于静力学平衡和水平成层分布。在给定温度,高度廓线及边界条件后,通过对静力学方程在给定温度,高度廓线及边界条件后,通过对静力学方程在给定温度,高度廓线及边界条件后,通过对静力学方程在给定温度,高度廓线及边界条件后,通过对静力学方程和状态方程求积分,就得到压力和密度值。和状态方程求积分,就得到压力和密度值。和状态方程求积分,就得到压力和密度值。和状态方程求积
22、分,就得到压力和密度值。第13页,共93页,编辑于2022年,星期二三、三、大气的热能大气的热能地球气候系统的地球气候系统的能源主要是太阳辐射能源主要是太阳辐射能源主要是太阳辐射能源主要是太阳辐射,它从根本上,它从根本上决定地球、决定地球、大气的热状况,从而支配其他的能量传输大气的热状况,从而支配其他的能量传输过程。过程。地球气候系统内部也进行着辐射能量交换地球气候系统内部也进行着辐射能量交换地球气候系统内部也进行着辐射能量交换地球气候系统内部也进行着辐射能量交换。因此,。因此,。因此,。因此,需要研究太阳、地球及大气的辐射能量交换和其他地气系需要研究太阳、地球及大气的辐射能量交换和其他地气系
23、需要研究太阳、地球及大气的辐射能量交换和其他地气系需要研究太阳、地球及大气的辐射能量交换和其他地气系统的辐射平衡统的辐射平衡统的辐射平衡统的辐射平衡。第14页,共93页,编辑于2022年,星期二(一)(一)太阳辐射太阳辐射太阳是离地球最近的一个恒星,其表面温度约为太阳是离地球最近的一个恒星,其表面温度约为6000K,内部温度更高,内部温度更高,所以太阳不停地向外辐射巨大的能量。太阳辐射能主要是波长在所以太阳不停地向外辐射巨大的能量。太阳辐射能主要是波长在0.40.76m的可见光,约为总能量的的可见光,约为总能量的50;其次是波长大于;其次是波长大于0.76m的红外辐射,的红外辐射,约占总辐射能
24、的约占总辐射能的43;波长小于;波长小于0.4m的紫外辐射约占的紫外辐射约占7。相对于地球来说。相对于地球来说(地面辐射的平均波长为地面辐射的平均波长为10m),),太阳辐射的波长较短,故称太阳辐射太阳辐射的波长较短,故称太阳辐射为短波辐射为短波辐射。表示太阳辐射能强弱的物理量,即单位时间内垂直投射。表示太阳辐射能强弱的物理量,即单位时间内垂直投射在单位面积上的太阳辐射能,称为在单位面积上的太阳辐射能,称为太阳辐射强度太阳辐射强度。在日地平均距离(在日地平均距离(1.496108)上,大气顶界垂直于太阳光线的单)上,大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射,称为位面积上每分钟接受
25、的太阳辐射,称为太阳常数太阳常数太阳常数太阳常数。第15页,共93页,编辑于2022年,星期二经大气削弱后到达地面的太阳辐射有两部分:经大气削弱后到达地面的太阳辐射有两部分:一是一是直接辐射直接辐射;二是经大气散射后到达地面的部分,称为二是经大气散射后到达地面的部分,称为散射辐射散射辐射。二者之和就是太阳辐射总量,称为二者之和就是太阳辐射总量,称为总辐射总辐射。总辐射的纬度分布,一般是纬度愈高,总辐射愈小;纬度愈总辐射的纬度分布,一般是纬度愈高,总辐射愈小;纬度愈低,总辐射愈大。因为赤道附近多云,总辐射最大值并不出现在低,总辐射愈大。因为赤道附近多云,总辐射最大值并不出现在赤道,而是出现在赤道
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