第2章-地球大气概述ppt课件.ppt
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1、第二章第二章 地球大气概述地球大气概述本章主要内容:本章主要内容:大气组成与结构大气组成与结构 大气热能大气热能 大气温度大气温度 大气湿度与水分大气湿度与水分 学时:学时:1010第一节第一节 大气组成与结构大气组成与结构一、大气组成一、大气组成二、大气垂直分层结构二、大气垂直分层结构相关概念相关概念大气质量:均匀大气高度大气质量:均匀大气高度H H为为8000m 8000m 则单位面积大气柱的质量:则单位面积大气柱的质量:m m0 0=0 0 H H =1.225*10 =1.225*10-3-3*8000*100*8000*100 =1.013*10 =1.013*103 3 g/cmg
2、/cm2 2大气上界:大气上界:大气无上界;大气无上界;气象学家:极光出现的高度(气象学家:极光出现的高度(1200km1200km)。)。物理、化学学家:不超过物理、化学学家:不超过3200km3200km。极光现象极光现象极光:极光:在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉。在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉。产生原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中产生原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。的原子的作用。这种相互作用常发生在地球磁极周围区域。大气压大气压1 1、气压单
3、位:帕斯卡(、气压单位:帕斯卡(PaPa)和水银柱高度()和水银柱高度(mmmm)大气压定义:温度为大气压定义:温度为0 0,纬度为,纬度为4545度的海平面气压为标度的海平面气压为标准大气压,值为准大气压,值为1.013*101.013*105 5帕斯卡。帕斯卡。2 2、气压垂直分布、气压垂直分布 特点:随着高度升高气压减小,见图。特点:随着高度升高气压减小,见图。高高度度气压气压随着高度升高气压变化随着高度升高气压变化图图百帕百帕气压垂直梯度气压垂直梯度:上升单位距离气压的降低值,用单位高度气压差表示上升单位距离气压的降低值,用单位高度气压差表示 或降低一个气压对应的高度,用单位气压高度差
4、表示或降低一个气压对应的高度,用单位气压高度差表示此值越大,气压垂直梯度越小,相反越大。此值越大,气压垂直梯度越小,相反越大。气压随高度变化即气压垂直梯度与气压和温度相关气压随高度变化即气压垂直梯度与气压和温度相关气压相同时,气柱温度高,高度差大,气压垂直梯度小,高空气气压相同时,气柱温度高,高度差大,气压垂直梯度小,高空气压比周围大;压比周围大;温度相同时,气压越高,高度差越小,气压垂直梯度大,高空温度相同时,气压越高,高度差越小,气压垂直梯度大,高空气压比周围小。气压比周围小。一、大气组成一、大气组成按照气体的形态分为:按照气体的形态分为:干洁空气干洁空气水汽水汽固体杂质固体杂质在距离地表
5、在距离地表85km85km的空间的空间,按照空气变化特性分为两类:按照空气变化特性分为两类:定常成分(如定常成分(如N N2 2、O O2 2、A Ar r 等)等)可变成分(水汽、二氧化碳和臭氧等)可变成分(水汽、二氧化碳和臭氧等)按照含量多少分为按照含量多少分为 主要成分:浓度大于主要成分:浓度大于0.01ml/l0.01ml/l,主要有,主要有N N2 2、O O2 2、ArAr,占,占99.96%99.96%;微量成分:浓度大于微量成分:浓度大于0.001ml/l0.001ml/l,主要有,主要有COCO2 2 、H H2 2O O,CHCH4 4,N N2 2O O,SOSO2 2,
6、COCO,H H2 2,HeHe,NeNe,KrKr。痕量成分:浓度小于痕量成分:浓度小于0.001ml/l0.001ml/l,主要有,主要有H H2 2S S,O O3 3,N N2 2O O,NONO。大气组成示意图大气组成示意图干洁空气(干洁空气(85km85km空间)空间)概念:把除掉水汽、液体和固体杂质外的整个混合气概念:把除掉水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气,是混合物。体称为干洁空气,是混合物。组成成分组成成分分子式分子式空气中含量空气中含量分子量分子量临界温度临界温度临界压力临界压力大气压大气压沸点温度沸点温度(气(气压为压为760mm760mm)按容量比按容量比
7、/%/%按质量比按质量比/%/%氮气氮气N N2 278.0978.0975.5275.5228.01628.016-147.2-147.233.533.5-195.8-195.8氧气氧气O O2 220.9520.9523.1523.1532.00032.000-118.9-118.949.749.7-183.1-183.1氩气氩气ArAr0.930.931.281.2839.94439.944-122.0-122.048.048.0-185.6-185.6二氧化碳二氧化碳COCO2 20.030.030.050.0544.01044.01031.031.073.073.0-78.2-78.
8、2臭氧臭氧O O3 30.0000010.000001-48.00048.000-5.0-5.092.392.3-111.1-111.1干洁空气干洁空气10010010010028.96428.964-140.7-140.737.237.2-193.0-193.0干洁空气组成一览表干洁空气组成一览表N N2 2与与O O2 2N N2 2:含量高含量高78%78%;化学性质不活泼;化学性质不活泼;对太阳辐射的远紫外光谱区对太阳辐射的远紫外光谱区0.03-0.13um0.03-0.13um选择性吸收。选择性吸收。O O2 2:含量高含量高21%21%;化学性质活泼;化学性质活泼;植物呼吸作用;植
9、物呼吸作用;存在形式多样;存在形式多样;在波长小于在波长小于 0.24um 0.24um的辐射作用下发生分解,参与的辐射作用下发生分解,参与O O3 3形成。形成。COCO2 2含量低含量低0.03%0.03%;分布于分布于20km20km以下;以下;低温易溶于海水;低温易溶于海水;特性:吸收地表长波辐射,对太阳短波吸收较少。特性:吸收地表长波辐射,对太阳短波吸收较少。*其浓度增加带来的影响如何?其浓度增加带来的影响如何?大气中的二氧化碳浓度增加,阻止地球热量的散失,使地大气中的二氧化碳浓度增加,阻止地球热量的散失,使地球发生可感觉到的气温升高,这就是有名的球发生可感觉到的气温升高,这就是有名
10、的“温室效应温室效应”。COCO2 2是数量最多的温室气体,约占大气总容量的是数量最多的温室气体,约占大气总容量的0.03%0.03%,许多其,许多其它痕量气体如它痕量气体如CHCH4 4、N N2 2O O、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等、氢氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等也会产生温室效应,其中有的温室效应比二氧化碳还强。也会产生温室效应,其中有的温室效应比二氧化碳还强。温室效应温室效应进入大气进入大气层的太阳层的太阳能能离开大气层的热离开大气层的热能能返回地表热返回地表热能能COCO2 2浓度增加浓度增加破坏地面辐射收支破坏地面辐射收支平衡平衡地面温度升地面温度升高高O O3 3:含量
11、极少;含量极少;分布于分布于10-40km10-40km空间,集中于空间,集中于20-25km20-25km空间,称为臭氧层;空间,称为臭氧层;强烈吸收太阳紫外辐射(强烈吸收太阳紫外辐射(0.22-0.320.22-0.32(紫外吸收带),(紫外吸收带),4.74.7、9.69.6、14.114.1(红外吸收谱线)(红外吸收谱线)作用:减少到达地面的太阳紫外线,避免对人类的皮肤伤害。作用:减少到达地面的太阳紫外线,避免对人类的皮肤伤害。O O3 3随随高高度度分分布布变变化化O O3 3浓度减少变化的气温影响浓度减少变化的气温影响臭氧浓度减少对气温的影响因高度而不同,臭氧浓度减少对气温的影响因
12、高度而不同,在臭氧分布层在臭氧分布层22km22km以上以上,臭氧减少将减少对太阳紫外线臭氧减少将减少对太阳紫外线的吸收使地面温度升高的吸收使地面温度升高;在臭氧分布层在臭氧分布层22km22km以下以下,臭氧减少将降低温室效应的作臭氧减少将降低温室效应的作用,使地面温度降低。用,使地面温度降低。宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层。宇宙高能粒子簇射破坏了臭氧层。美国地球与宇宙研究局局长登美国地球与宇宙研究局局长登贝克认为,通过人造地球卫贝克认为,通过人造地球卫星发现,地球每隔星发现,地球每隔2727天就有两天半要受到宇宙高能粒子簇射,射向天就有两天半要受到宇宙高能粒子簇射,射向地球的带电粒子,其能量
13、为地球的带电粒子,其能量为20020015001500万电子伏特。这些带电粒子万电子伏特。这些带电粒子在地球磁场作用下沿着磁力线向南北两极射去。当南半球冬季到来在地球磁场作用下沿着磁力线向南北两极射去。当南半球冬季到来时,南极大陆处于黑夜,大气中间层的氮、氢化合物在带电粒子的时,南极大陆处于黑夜,大气中间层的氮、氢化合物在带电粒子的影响下浓度开始升高。当南极大陆出现太阳的早春季节到来时,氮、影响下浓度开始升高。当南极大陆出现太阳的早春季节到来时,氮、氢化合物由于气温升高开始发生化学反应,这一过程使臭氧层迅速氢化合物由于气温升高开始发生化学反应,这一过程使臭氧层迅速遭到破坏,因而在南极上空臭氧层
14、出现空洞。遭到破坏,因而在南极上空臭氧层出现空洞。同样道理为什么北极没有发生?同样道理为什么北极没有发生?由于大气层总环流的稳定性和地球磁场的不同结构,北极磁场比南由于大气层总环流的稳定性和地球磁场的不同结构,北极磁场比南极磁场较强和均匀,因此这种化学过程只对南极大陆产生影响。极磁场较强和均匀,因此这种化学过程只对南极大陆产生影响。臭氧洞形成原因之一臭氧洞形成原因之一化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞。化学反应引起臭氧耗损造成臭氧空洞。怀俄明大学的霍夫曼认为,臭氧层出现空洞是由于工业化产怀俄明大学的霍夫曼认为,臭氧层出现空洞是由于工业化产生的氟氯化物(氟利昂)引起的化学反应造成的。氟利昂能破坏生
15、的氟氯化物(氟利昂)引起的化学反应造成的。氟利昂能破坏离地面离地面25km25km高大气层里的臭氧,使透过大气层的太阳紫外线增强,高大气层里的臭氧,使透过大气层的太阳紫外线增强,导致皮肤癌的患者增加,并有可能影响气候,这种解释最近得到导致皮肤癌的患者增加,并有可能影响气候,这种解释最近得到验证。与此同时,他还发现臭氧耗损区气体成份并不均匀,有时验证。与此同时,他还发现臭氧耗损区气体成份并不均匀,有时臭氧耗损达臭氧耗损达75%75%以上的气层与臭氧耗损不到以上的气层与臭氧耗损不到2525的气层相邻,而且的气层相邻,而且臭氧耗损的速率很高,仅臭氧耗损的速率很高,仅2525天臭氧就耗去了一半。他还认
16、为,分天臭氧就耗去了一半。他还认为,分层现象与化学反应一致,在化学原因造成臭氧耗损后,可能是空层现象与化学反应一致,在化学原因造成臭氧耗损后,可能是空气运动导致分层的。气运动导致分层的。臭氧洞形成原因之二臭氧洞形成原因之二大量废气的排放使臭氧层出现空洞。大量废气的排放使臭氧层出现空洞。专家指出,近年来由于在同温层飞行的喷气式飞机和火箭、专家指出,近年来由于在同温层飞行的喷气式飞机和火箭、导弹日益增多,将大量废气排放到高空,臭氧遭到耗损,若不采导弹日益增多,将大量废气排放到高空,臭氧遭到耗损,若不采取措施,任其发展下去,就会严重地破坏臭氧层。空洞的面积将取措施,任其发展下去,就会严重地破坏臭氧层
17、。空洞的面积将会越来越大。会越来越大。臭氧洞形成原因之三臭氧洞形成原因之三水汽水汽来源:蒸发和蒸腾来源:蒸发和蒸腾含量:含量小,可变,分布不均。含量:含量小,可变,分布不均。特性:发生相变,调节热量。特性:发生相变,调节热量。波谱性能:强烈吸收和放出长波辐射波谱性能:强烈吸收和放出长波辐射能。能。所以对于热量交换起重要作用。所以对于热量交换起重要作用。气溶胶粒子气溶胶粒子来源:自然源和人工源来源:自然源和人工源分布:集中于地表附近。分布:集中于地表附近。特性:容易使水汽凝结,形成凝结核特性:容易使水汽凝结,形成凝结核波谱性能:吸收和散射太阳辐射。波谱性能:吸收和散射太阳辐射。所以对于热量交换起
18、重要作用。所以对于热量交换起重要作用。大气中悬浮的固体杂质和液体微粒。大气中悬浮的固体杂质和液体微粒。半径一般为半径一般为1-101-10-6-6mmmm大气污染物大气污染物分分类类成成份份粉尘微粒粉尘微粒硫化物硫化物氮化物氮化物卤化物卤化物碳氧化物碳氧化物氧化剂氧化剂碳粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧化铅碳粒、飞灰、碳酸钙、氧化锌、二氧化铅SOSO2 2、SOSO3 3、H H2 2SOSO4 4(雾)、(雾)、H H3 3S S等等NONO、NONO2 2、NHNH3 3等等ClCl2 2、HClHCl、HFHF等等COCO、COCO2 2等等O O、过氧酰基硝酸脂(、过氧酰基硝酸脂(PAN
19、PAN)等)等 其中影响范围广,对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧其中影响范围广,对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。从污染物来源看,主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气从污染物来源看,主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气,而烟囱与汽车废气约占总污与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气,而烟囱与汽车废气约占总污染物的染物的70%70%之多。之多。成份分布:均质层和成份分布:均质层和非均质层非均质层85km85km为界为界成份分光化层和离成份分光化层和离子层子层垂直温度变化分的垂直温度变化分的气象分层
20、:气象分层:对流层对流层 平流层平流层 中间层中间层 暖层暖层 散逸层散逸层二、大气垂直分层结构二、大气垂直分层结构1 1、对流层(、对流层(Troposphere,8-11km Troposphere,8-11km)特点:特点:1)1)厚度从赤道向两极减少,厚度从赤道向两极减少,低纬:低纬:17-18 17-18;中纬:;中纬:10-12 10-12;高纬:;高纬:8-9 8-9。2)2)垂直交换强烈垂直交换强烈3)3)气温递减变化,气温直减率气温递减变化,气温直减率0.65/100m0.65/100m,即每上升,即每上升100m100m,气温下降,气温下降0.65 0.65。到达对流层顶部
21、到达对流层顶部,低纬地区为低纬地区为-85,-85,高纬地区为高纬地区为-53,-53,为为什么?什么?4)4)各种天气现象发生在此层。各种天气现象发生在此层。对流层亚层划分:对流层亚层划分:摩擦层:摩擦层:1-2km1-2km,摩擦作用强烈,对流、湍流运动明显;,摩擦作用强烈,对流、湍流运动明显;自由大气层:摩擦层以上的高空,摩擦力可以忽略,大气中的自由大气层:摩擦层以上的高空,摩擦力可以忽略,大气中的云和降水主要在本层产生。云和降水主要在本层产生。过渡层:对流层顶部约过渡层:对流层顶部约1-2km1-2km的气层,水汽含量减少,气温随的气层,水汽含量减少,气温随高度增加不变,在高度增加不变
22、,在00以下。以下。2 2、平流层(、平流层(StratosphereStratosphere,55km 55km)特点:特点:气流稳定,以水平运动为主,气流稳定,以水平运动为主,气温随着高度的增加不变,而后显著升高,产生逆温现气温随着高度的增加不变,而后显著升高,产生逆温现象。象。大气透明度好,适合于飞机和探测气球飞行。大气透明度好,适合于飞机和探测气球飞行。3 3、中间层(、中间层(Mesosphere,85kmMesosphere,85km)也叫高空对流层)也叫高空对流层特点:特点:强烈的垂直气流交换强烈的垂直气流交换气温迅速降低,到中间层顶气温下降到气温迅速降低,到中间层顶气温下降到-
23、83-83,是,是大气圈最冷部分。大气圈最冷部分。4 4、暖层(、暖层(Thermosphere,800kmThermosphere,800km)也叫电离层)也叫电离层特点:特点:空气密度小,只占大气总质量的空气密度小,只占大气总质量的0.5%0.5%,在,在120km120km高度声高度声波难以传播波难以传播空气分子高度电离,温度升高。空气分子高度电离,温度升高。在在1200km1200km范围内常出现极光现象。范围内常出现极光现象。5 5、散逸层(、散逸层(ExosphereExosphere,800km800km以上,上界以上,上界3000km3000km)特点:特点:空气极稀空气极稀温
24、度升高温度升高分子可以达到外围空间分子可以达到外围空间第二节第二节 大气热能与保温效应大气热能与保温效应一、辐射基本知识一、辐射基本知识二、太阳辐射二、太阳辐射三、大气热能与保温效应三、大气热能与保温效应一、辐射基本知识一、辐射基本知识(知识回顾知识回顾)相关概念相关概念1 1、辐射:能量传播方式,一切物体具有辐射能、辐射:能量传播方式,一切物体具有辐射能2 2、电磁波谱范围(、电磁波谱范围(10-1010-10几公里)几公里)兴趣区:兴趣区:0.15-120um0.15-120um辐射基本定律辐射基本定律1 1、基尔荷夫定律、基尔荷夫定律2 2、斯蒂芬、斯蒂芬-波尔兹曼定律波尔兹曼定律3 3
25、、维恩位移定律(、维恩位移定律(Wein)Wein)4 4、辐射差额与辐射平衡、辐射差额与辐射平衡1 1、基尔荷夫定律(、基尔荷夫定律(Kirchhoff)Kirchhoff)1)1)一定的波长与温度条件下,物体吸收率等于放射一定的波长与温度条件下,物体吸收率等于放射率;率;2)2)同一物体在温度相同时放射某一波长的辐射也吸同一物体在温度相同时放射某一波长的辐射也吸收该波长辐射;收该波长辐射;3)3)某温度下某波长物体辐射能与吸收能之比为同波某温度下某波长物体辐射能与吸收能之比为同波长黑体辐射能。长黑体辐射能。2 2、斯蒂芬、斯蒂芬-波尔兹曼定律(波尔兹曼定律(Stefan-Boltzman)
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