大气物理学第一次课.pptx
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1、1 1、大气物理学课程简介、大气物理学课程简介主要内容l l课程性质与任务l l学科发展简史l l主要参考书课程性质与任务课程性质与任务l l定义定义主要研究地球大气各种物理现象和过程主要研究地球大气各种物理现象和过程。大气现象与过程:大气中流体运动、光象、电象、大气现象与过程:大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。热现象、相变过程、辐射过程。l分支分支大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学云降水学、大气辐射学课程性质与任务课程性质与任务l l研究方法研究方法通过观测或者实验获取大气状态和过程的资料,通过观
2、测或者实验获取大气状态和过程的资料,应用物理学、化学和大气科学本身的理论分析这应用物理学、化学和大气科学本身的理论分析这些资料,总结大气过程规律性,并指导实践。些资料,总结大气过程规律性,并指导实践。l l课程学习目的课程学习目的 了解和掌握大气物理学的基础知识和基础理论,了解和掌握大气物理学的基础知识和基础理论,为学习后行课、专业课打下坚实的基础。为学习后行课、专业课打下坚实的基础。课程性质与任务课程性质与任务l l学习内容学习内容 大气成分和结构特征大气成分和结构特征大气静力学大气静力学大气辐射学大气辐射学大气热力学大气热力学1)近代大气物理学近代大气物理学起始阶段(起始阶段(18世纪中叶
3、世纪中叶20世纪中叶)世纪中叶)1752,美国,美国Franklin第一次第一次用风筝探明雷击的本质就是用风筝探明雷击的本质就是电。电。1871,英国物理学家,英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的解释了天空兰色的现象现象学科发展简史学科发展简史1908,德国物理学家,德国物理学家G.Mie解决了球形粒子的散解决了球形粒子的散射问题射问题1859-1901,这这两位德国物理学两位德国物理学家开创了辐射定家开创了辐射定律律MaxKarlErnstLudwigPlanck(1858-1947)德国物理学家,量子力德国物理学家,量子力学的开创人学的开创人G.R.Kirchhoff(1824-1
4、887)德国物理学家德国物理学家1880-1881,英国物理学家,英国物理学家J.Aitken等指出了凝结等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。核在雾滴形成中的重要作用。1911,.T.R.Wilson发发明云室,因此获明云室,因此获1927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。是云雾物理的基础和开端。是云雾物理的基础和开端。2)大气物理学高速发展阶段()大气物理学高速发展阶段(20世纪中叶以世纪中叶以来)来)1)具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气)具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。物理学的发展。1946年,美国物理学家年,美国物理学家I.Langmuir,V.J.Sc
5、haefer发发现干冰可以催化云产生降水现干冰可以催化云产生降水后来,后来,B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核,促发现碘化银可作为人工冰核,促使云降水物理学获得了重大发展。使云降水物理学获得了重大发展。2)需要掌握大气环境演变规律,促使大)需要掌握大气环境演变规律,促使大气边界层与大气湍流学科的发展气边界层与大气湍流学科的发展3)卫星、雷达等遥感技术的发展,推动)卫星、雷达等遥感技术的发展,推动了大气辐射学的研究了大气辐射学的研究l l参考书目参考书目:1.盛裴轩盛裴轩,毛节泰等毛节泰等.大气物理学大气物理学,北大出版社北大出版社,20032.许绍祖主编许绍祖主编.大气物理学基础大气
6、物理学基础.气象出版社气象出版社,19913.周秀骥等编著周秀骥等编著.高等大气物理学高等大气物理学.气象出版气象出版社社,19914.美美J、M华莱士,华莱士,P.V.霍布斯著霍布斯著.大气科学大气科学概观概观.上海科学技术出版社,上海科学技术出版社,19812、地球大气的演化、地球大气的演化2、地球大气的演化、地球大气的演化l地球大气以氮、氧为主。这在迄今为止所有已地球大气以氮、氧为主。这在迄今为止所有已发现的天体大气中是唯一的。发现的天体大气中是唯一的。l地球已经有地球已经有46亿年的历史,在漫长而曲折的演亿年的历史,在漫长而曲折的演化过程中,今天地球大气成分和结构已经发生化过程中,今天
7、地球大气成分和结构已经发生了很大的变化。了很大的变化。l本次课所要讲授的内容本次课所要讲授的内容 地球大气是怎样起源的呢?地球大气是怎样起源的呢?怎样从原始大气状态演变为现代大气的呢?怎样从原始大气状态演变为现代大气的呢?2、地球大气的演化、地球大气的演化银河系中心银河系与河外星系银河系与河外星系太阳太阳系系地球形成地球形成50亿年前,地球的轮廓已初步形成。最初是亿年前,地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却,较重的物质沉个火球。随着地球逐步冷却,较重的物质沉到中心,形成地核;较轻的物质浮在上面,到中心,形成地核;较轻的物质浮在上面,冷却后形成地壳。冷却后形成地壳。其结构见下图其
8、结构见下图地球构造图地球构造图2、地球大气的演化、地球大气的演化l地球大气的演化大致分为三个阶段地球大气的演化大致分为三个阶段l原始大气:原始大气:地球形成初期的原始大气应是以宇宙地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质中最丰富的轻物质H2、He和和CO为主。太阳风为主。太阳风(高速物质流)和地球的升温作用使得原始大气(高速物质流)和地球的升温作用使得原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸失散。逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸失散。l次生大气:次生大气:在在45-20亿年前,地球逐渐冷却后亿年前,地球逐渐冷却后,由由于造山运动、火山喷发伴随从地幔中释放出来的于造山运动、火山喷发伴随从地幔中释放出来的
9、地壳内部原来吸附的气体,形成了次生大气,其地壳内部原来吸附的气体,形成了次生大气,其主要成分是主要成分是CO2、CH4、NH3和和H2O。l现代大气:现代大气:大量水汽造成长时间降雨,持续了几大量水汽造成长时间降雨,持续了几千年(推测),形成原始海洋,生命就在原始海千年(推测),形成原始海洋,生命就在原始海洋的汤液中形成。以氮气和氧气为主。洋的汤液中形成。以氮气和氧气为主。2、地球大气的演化、地球大气的演化l综上,生命的出现和生物圈的形成在地球大气的综上,生命的出现和生物圈的形成在地球大气的演变过程中起了重要作用。而生命能够在地球上演变过程中起了重要作用。而生命能够在地球上出现,是和合适的日地
10、距离有关。出现,是和合适的日地距离有关。1)适宜的日地距离使地球表面温度合适,水能)适宜的日地距离使地球表面温度合适,水能完成水汽、液水和冰循环,为生命存在提供吸收完成水汽、液水和冰循环,为生命存在提供吸收养分等的介质。养分等的介质。2)水汽光解产生少量氧,海洋和少量氧的存在)水汽光解产生少量氧,海洋和少量氧的存在为生命出现创造了条件。为生命出现创造了条件。3)生命的出现反过来又改变了地球大气的成分,)生命的出现反过来又改变了地球大气的成分,形成以氮、氧为主的大气。形成以氮、氧为主的大气。4)臭氧强烈吸收太阳紫外辐射,保护地球上的)臭氧强烈吸收太阳紫外辐射,保护地球上的生命,并使平流层增温,从
11、而改变高层大气的热生命,并使平流层增温,从而改变高层大气的热力结构。力结构。地球大气地球大气是由多种是由多种气体气体以及漂浮于其中以及漂浮于其中的固态、液态等的固态、液态等颗粒物质(称为大气气颗粒物质(称为大气气溶胶溶胶)组成的。组成的。即包括含有多种成分的即包括含有多种成分的干空气(简称干干空气(简称干洁大气)洁大气)、水汽水汽和和气溶胶粒子气溶胶粒子。3、地球大气成分及分布、地球大气成分及分布3.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l定义:定义:除水汽以外的纯净大气除水汽以外的纯净大气。l研究的范围研究的范围:90km以下的以下的均和层均和层,特别是,特别是对流层的大气。对流层的大气。
12、均和层:均和层:在在90km以下,干空气的成分和各成以下,干空气的成分和各成分之间的比例是不变的,即各成分之间是均匀分之间的比例是不变的,即各成分之间是均匀混合的(湍流混合的结果)混合的(湍流混合的结果)3.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l分类分类 1)按照各成分在大气中的浓度分为)按照各成分在大气中的浓度分为:主要成分、微量成分和痕量成分主要成分、微量成分和痕量成分 2)按照平均滞留时间分为:)按照平均滞留时间分为:准定常成分、可变成分和平均寿命短于一准定常成分、可变成分和平均寿命短于一 年的变化很快的气体成分年的变化很快的气体成分主要成分、微量成分和痕量成分主要成分、微量成分和痕
13、量成分主要成分:主要成分:包括包括N2、O2、Ar和和CO2,浓度在浓度在300ppmv以上;以上;微量成分:微量成分:如如CH4,浓度在,浓度在120ppmv;痕量成分:痕量成分:浓度在浓度在1ppmv以下,如以下,如O3、H2、NOX、硫化物、人为产生的氟氯烃类化合物。、硫化物、人为产生的氟氯烃类化合物。后两者合称为后两者合称为次要成分次要成分;次要成分含量虽然低,;次要成分含量虽然低,但会显著影响人类;具有但会显著影响人类;具有化学活性化学活性和大多是和大多是温室气体温室气体(CO2、O3、CH4)。)。大气的组成饼图准定常成分、可变成分和平均寿命准定常成分、可变成分和平均寿命短于一年的
14、变化很快的气体成分短于一年的变化很快的气体成分准定常成分:准定常成分:平均寿命大于平均寿命大于1000a,各成,各成分之间大致保持固定的比例,主要包括分之间大致保持固定的比例,主要包括N2、O2、Ar,及微量惰性气体;,及微量惰性气体;可变成分:可变成分:平均寿命为几年平均寿命为几年十几年,其所占十几年,其所占的比例随时空变化,如的比例随时空变化,如CO2、CH4、H2、N2O和和O3;平均寿命短于一年的:平均寿命短于一年的:一些碳、硫、氮的一些碳、硫、氮的化合物,可能产生很大危害。化合物,可能产生很大危害。3.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l l及其它特征及其它特征 1)相变特征:
15、在地球大气温、压条件下,)相变特征:在地球大气温、压条件下,水汽是唯一能发生相变的气体成分;水汽是唯一能发生相变的气体成分;2)平均分子量:)平均分子量:90km以下,空气平均分以下,空气平均分子量为子量为28.966,不随高度变化;,不随高度变化;90km以上,以上,随高度递减。具体如下图随高度递减。具体如下图 3.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l l及其它特征及其它特征 3)空气密度:标准状态()空气密度:标准状态(p=1013.25hPa,t=0)下,干空气密度为)下,干空气密度为1.29kg/m33.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l l及其它特征及其它特征 3)空气
16、密度:标准状态()空气密度:标准状态(p=1013.25hPa,t=0)下,干空气密度为)下,干空气密度为1.29kg/m33.1 干洁大气(干空气)干洁大气(干空气)l l重要气体成分的作用重要气体成分的作用1)主要气体)主要气体氮、氧氮、氧 对生命活动有重要意义,但对天气、百万年对生命活动有重要意义,但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。尺度的气候变化没有什么作用。2)微量、痕量气体)微量、痕量气体水汽、水汽、CO2、O3a)水汽水汽 是云和降水的源泉;是云和降水的源泉;在全球能量平衡中起重要作用,影响在全球能量平衡中起重要作用,影响 地面和空气温度;地面和空气温度;是地球系统的水循
17、环中起重要角色。是地球系统的水循环中起重要角色。地表上的水 全球年水量平衡b)CO2c)O3写两篇读书报告,题目分别为写两篇读书报告,题目分别为“CO2及及全球变暖全球变暖”、“O3和和O3洞洞”3.2 大气中的水汽l大气中水汽特征决定了其在大气科学研究大气中水汽特征决定了其在大气科学研究的复杂性的复杂性 和特殊性。和特殊性。水汽水汽 存在三相变化,与成云致雨形成息息存在三相变化,与成云致雨形成息息相关,因此决定了水汽是大气中最为活跃相关,因此决定了水汽是大气中最为活跃的气体,因此给与单独研究;的气体,因此给与单独研究;l湿空气湿空气l l湿度湿度l表示大气中水汽量多少的物理量,称为湿度。大气
18、的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。3.2 大气中的水汽3.2 大气中的水汽大气中的水汽l表示大气湿度的物理量表示大气湿度的物理量 1、混合比混合比r与比湿与比湿q 2、水汽压水汽压 e(饱和水汽压)(饱和水汽压)3、饱和差、饱和差 4、水汽密度(绝对湿度)水汽密度(绝对湿度)5、相对湿度、相对湿度 6、露点和霜点、露点和霜点 上述大气湿度的表示方法中,水汽压上述大气湿度的表示方法中,水汽压(e)、比湿()、比湿(q)、水汽混合比()、水汽混合比()、露)、露点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表而相对湿度、
19、饱和差、温度露点差则表示了空气距离饱和的程度。示了空气距离饱和的程度。总 结l混合比混合比r:一定体积湿空气中,水:一定体积湿空气中,水汽与干空气的质量比。单位:汽与干空气的质量比。单位:g/g或者或者g/kg.l比湿比湿q:一定体积湿空气中,水汽:一定体积湿空气中,水汽与湿空气的质量比。与湿空气的质量比。l实际大气中,两者近似相等。实际大气中,两者近似相等。l水汽压水汽压 e:大气中水汽的分压强:大气中水汽的分压强l饱和水汽压:一定温度下水汽的凝饱和水汽压:一定温度下水汽的凝结率和蒸发率处于动态平衡时的水结率和蒸发率处于动态平衡时的水汽压。分为水面和冰面饱和水汽压汽压。分为水面和冰面饱和水汽
20、压饱和水汽压(物理解释)l l 空气和水汽空气和水汽l l 水水l l水体表面层内的分子处于动乱状态,其中有的离开水面成为水水体表面层内的分子处于动乱状态,其中有的离开水面成为水水体表面层内的分子处于动乱状态,其中有的离开水面成为水水体表面层内的分子处于动乱状态,其中有的离开水面成为水汽分子,有的水汽分子撞击水面,并被水面吸附。这样凝结和汽分子,有的水汽分子撞击水面,并被水面吸附。这样凝结和汽分子,有的水汽分子撞击水面,并被水面吸附。这样凝结和汽分子,有的水汽分子撞击水面,并被水面吸附。这样凝结和蒸发同时发生。在给定的某一温度下,当凝结和蒸发达到同一蒸发同时发生。在给定的某一温度下,当凝结和蒸
21、发达到同一蒸发同时发生。在给定的某一温度下,当凝结和蒸发达到同一蒸发同时发生。在给定的某一温度下,当凝结和蒸发达到同一速率时,将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温速率时,将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温速率时,将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温速率时,将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温度,而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变度,而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变度,而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变度,而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变化。液面上方就称为处于水汽饱和状态,这种情况下的水
22、汽分化。液面上方就称为处于水汽饱和状态,这种情况下的水汽分化。液面上方就称为处于水汽饱和状态,这种情况下的水汽分化。液面上方就称为处于水汽饱和状态,这种情况下的水汽分压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压压压压(给出定义)。给出定义)。给出定义)。给出定义)。l l饱和水汽压定义 在温度一定的情况下,单位体积空气中在温度一定的情况下,单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度,如能容纳的水汽数量有一定的限度,如果水汽
23、含量达到了这个限度,空气就果水汽含量达到了这个限度,空气就呈饱和状态,这时的空气,称为饱和呈饱和状态,这时的空气,称为饱和空气。饱和空气中的水汽压,称为饱空气。饱和空气中的水汽压,称为饱和水汽压和水汽压(E).l l饱和差饱和差 在某一温度下,饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d):d=Ee,d表示实际空气距离饱和的程度,在研究水面蒸发时常用到d,它可指出水分子的蒸发能力。(d0,subsaturation)l l相对湿度相对湿度 所谓相对湿度(f),就是空气中的实际水汽压空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值与同温度下的饱和水汽压的比值(用百分数来表用百分数来表示示),即:
24、,即:fe/E100%意意 义:义:相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度越大,越接近饱和,当达到相对湿度越大,越接近饱和,当达到100%时,时,空气就达饱和状态,此时水汽就要开始凝结。空气就达饱和状态,此时水汽就要开始凝结。l l露点露点 在空气中水汽含量不变,在一定的气压条件在空气中水汽含量不变,在一定的气压条件下,使空气冷却到达饱和时的温度,称为露点温下,使空气冷却到达饱和时的温度,称为露点温度,简称露点度,简称露点(Td)(Td)。它的单位与气温相同。它的单位与气温相同。例如上海某日例如上海某日1414时的气温为时的气温为3030,对应的饱
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