農(nóng)業(yè)氣象學之地球大氣

大氣的組成大氣的鉛直結(jié)構(gòu)大氣的物理性質(zhì)(自學)Chapter1地球大氣大氣的組成水汽

雜質(zhì)干潔大氣

氧氣氮氣臭氧二氧化碳稀有氣體氬氣氮78%氧21%氬和其他氣體CO2、O3

一、干空氣的成分(25Km高度以下)含量(％)臨界溫度臨界壓力沸點溫度(℃)(當大氣壓力為氣體種類按容積按質(zhì)量分子量(℃)(大氣壓)1013.3hPa)氮(N2)78.0975.5228.016—

147.233.5—195.0氧(()2)20.9523.1532.000—118.949.7—183.1氬(Ar)0.931.2839.944—122.048.0—185.6二氧化碳(CO2)0.030.0544.01031.073.0—78.2臭氧(O3)1.0×10-648.000—5.092.3—111.1干潔空氣10010028.966—140.737.2—193.0從上表看出，各種氣體的沸點都很低，在地球上可能出現(xiàn)的溫度范圍內(nèi)，除CO2、O3外，其它氣體永無液化的可能，所以干潔大氣是永久氣體。85km以下成分不變。大氣各種成分和世界萬物的關(guān)系微生物動物植物人成分成云致雨的必要條件主要成分次要成分水汽固體雜質(zhì)生物體的基本成分，合成氮肥的原料維持生物活動的必要物質(zhì)植物光合作用的原料；對地面保溫吸收紫外線，使地球上的生物免遭過量紫外線的傷害成云致雨的必要條件；對地面保溫大氣組成主要作用干潔空氣O3N2O2CO2大氣各成分的作用低層干潔大氣中以N2，O2，CO2，O3最為重要

1、臭氧(O3)

時空變化：

時間變化：最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在夏季

空間變化：水平：由赤道向兩極增加垂直：55～60km，含量極少20～30km，達最大值，形成臭氧層12～15km以上，含量增加特別顯著從10km向上，逐漸增加近地面，含量很少臭氧層的作用：一是對紫外線有著極其重要的調(diào)控制作用；二是對高層大氣有明顯的增溫作用；此外還有殺菌作用，但多會造成傷害臭氧層是指大氣層的平流層中臭氧濃度相對較高的部分，主要作用是吸收短波紫外線。臭氧層密度不是很高，如果它被壓縮到對流層的密度，它會只有幾毫米厚了太陽輻射中波長短于0.29μm

(1μm＝10cm)的紫外線被臭氧吸收，保護地面的生物免受過多紫外線的傷害；透射到地面上少量的紫外線，具有殺菌作用。同時由于大量吸引太陽紫外線，使得20～25Km氣層以及上層的溫度大為增加

1、臭氧(O3)

1、臭氧(O3)這幅地圖顯示的是臭氧洞。1986年，南極的臭氧量僅是30年前的一半1988年，曾發(fā)現(xiàn)北半球上空臭氧層已比20年前要薄百分之三。這種變化足以使皮膚癌的病例增加皮膚癌曬傷的危險系數(shù)下降40%每周一勺左右的檸檬汁其發(fā)病率下降30%

南極臭氧含含量的變化化2、二氧化化碳(CO2)來源：生物的呼吸吸、化石燃燃料的燃燒燒、有機物物質(zhì)的燃燒燒和分解、、火山噴發(fā)發(fā)作用等時空變化：：時間變化：：a)白天天、晴天、、夏季時的的二氧化碳碳濃度小于于黑夜、陰陰天、冬季季b)工業(yè)業(yè)革命前小小于工業(yè)革革命后空間變化：：水平：城市市大于農(nóng)村村；垂直：0～～20km，含量最最高；20km以上，含量顯顯著減少大氣中CO2含量很少，，其平均含含量約占大大氣容積的的0.036％作用：CO2是綠色植物物進行光合合作用不可可缺少的原原料；使地地面保持較較高的溫度度，產(chǎn)生“溫室效應應”。目前成為世世界各國政政府可科學學家的關(guān)注注1750年年前維持在在280ul/L，，目前達到到360ul/L。。平均每年年上升0.04％2、二氧化化碳(CO2)Greenhouseeffects溫室氣體主主要包括：：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物物、(CFCs)、氧化亞氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物物(PFCs)、氫氟碳化物物(HFCs)等。溫室效應:大氣中對長長波輻射具具有屏蔽作作用的溫室室氣體濃度度增加使較較多的輻射射能被截留留在地球表表層而導致致溫度上升升。IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.GREENHOUSEEFFECTCarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industriallevelThecarbondioxideconcentrationoftheatmospherehasshownasteadyincreasesincetheIndustrialRevolution.Averageglobaltemperatureshavealsoshownagradualincreaseduringthepastcentury,parallelingtheincreasingatmosphericcarbondioxide.CO2CONCENTRATIONANDGLOBALWARMING珠峰冰川對對比圖片。。上圖為1968年年中科院珠珠峰考察時時拍攝的中中絨布冰川川；下圖為為綠色和平平2007年拍攝的的中絨布冰冰川。挪威冰川對對比圖片南極洲浮冰冰哈龍冰川冰冰舌末端位位置對比圖圖片。上圖圖由MatthiasKuhle博博士攝于1981年年6月；下下圖由綠色色和平JohnNovis攝于2005年6月。通過過兩張照片片中冰川末末端、冰川川厚度、表表磧覆蓋等等對比可以以看出隨著著全球變暖暖，近25年老哈龍龍冰川退縮縮顯著。黃河源冰湖湖潰決對比比圖片。上上圖由綠色色和平JohnNovis攝于2005年6月；下圖圖由綠色和和平杜江攝攝于2005年9月月。全球變暖解解凍的凍土土層使地基基變形幾乎干竭的的巴西庫魯魯阿伊湖(1)大大氣中的氮氮，植物不不能直接吸吸收，但豆豆科植物的的根瘤菌具具有固氮作用，能夠夠固定和利利用大氣中中的氮，另另外大氣中中氮的氧化物物也可隨降水水進入土壤壤，供給植植物的需要要(2)氧氧不但為動動物和植物物呼吸所必必需，并且且還決定著著有機物質(zhì)質(zhì)的燃燒、、腐敗和分分解3、氮和氧氧二、水汽來源：主要來自江江、河、湖湖、海、潮潮濕陸面的的水分蒸發(fā)發(fā)以及植物物表面的蒸蒸騰含量隨時間間和空間以以及氣象條條件的變化化而變化1.主主要集中在在2～3Km以下的大氣氣層中2.大氣氣中水汽的的含量還隨地區(qū)、季季節(jié)的不同同而變化；一一般來講，，低緯度地區(qū)大氣中中水汽含量量比高緯度區(qū)區(qū)多；夏季多于冬冬季。如：：熱帶雨林林地區(qū)，近近地面空氣氣中水汽占占體積百分分比可達4%，干旱旱沙漠不到到0.01%。二、水汽3.在大大氣溫度變變化的范圍圍內(nèi)，水汽汽是唯一能能進行氣、液、、固態(tài)三相變化的的大氣成分分4.水汽汽有兩個特特點：其一一是水汽在在相變過程程中都要吸收和放出出潛熱；其二二水汽能強強烈吸收和和放射長波輻射。所以，水水汽不僅影影響大氣中中的濕度狀狀況，同時時也影響地地面和空氣氣溫度變化化二、水汽大氣中懸浮浮的各種固態(tài)和液態(tài)態(tài)微粒，統(tǒng)稱稱雜質(zhì)。它們主要要集中在3Km以下下的低層大氣氣中(包括括氣溶膠粒子子和大氣污染物物質(zhì)兩大部分)1.氣溶溶膠粒子：：指大氣中中沉降速率率極小、尺尺度在10-4μm到100μm之之間的固態(tài)態(tài)和液態(tài)微微粒。是低低層大氣中中的重要組組成部分液體質(zhì)粒：：使水汽凝凝結(jié)成為水水滴或水晶晶，對成云云致雨有重重要作用固體質(zhì)粒：：有機質(zhì)：：植物花粉粉、微生物物和細菌無機質(zhì)：煙煙粒、灰塵塵、塵埃等等三、大氣中中的雜質(zhì)氣溶膠粒子子對大氣中中物理過程程和現(xiàn)象的的作用(1)吸吸收太陽輻輻射，使空空氣溫度增增高，但削削弱了到達達地面的太太陽輻射———陽傘效應(2)阻阻擋地面輻輻射，減緩緩地面的輻輻射冷卻(3)降降低大氣的的透明度，，影響能見見度(4)充充當水汽的的凝結(jié)核，，對成云致致雨有重要要意義火山噴發(fā)產(chǎn)產(chǎn)生的氣溶溶膠吸收和反射射太陽輻射射提高平流層層溫度降低對流層層及地面溫溫度——陽陽傘效應大氣中的污污染物質(zhì)定義：由于人類活活動或自然然過程，使使局部、甚甚至全球范范圍的大氣氣成分發(fā)生生對生物界界有害的變變化來源自然過程形形成：火山山爆發(fā)、風風吹揚沙和和沙塵暴、、雷擊森林林失火等人為過程造造成：工業(yè)業(yè)和交通上上煤炭、石石油、天然然氣的使用用，農(nóng)業(yè)上上化肥、農(nóng)農(nóng)藥的噴施施，生活上上制冷采暖暖的排放與與泄漏等大氣中的污污染物質(zhì)分布：空間：垂直：主要集中在在3km以以下的低層層大氣中水平：城市多，農(nóng)農(nóng)村少；陸陸地多，海海洋少時間：冬季季多，夏季季少；清晨晨和夜間多多，午后少少分類：一次污染物物：直接從污污染源排出出來的物質(zhì)質(zhì)二次污染物物：進入大氣氣的一次污污染物互相相作用或與與大氣正常常組分發(fā)生生化學反應應，以及在在太陽輻射射線的參與與下引起光光化學反應應而產(chǎn)生的的新的污染染物一、大氣上界大氣上界的的界定:1、極光出出現(xiàn)的最大大高度是1000～1200Km來估計計大氣上界界，因此，，將此數(shù)字字定為大氣氣的物理上上界2、大氣密密度接近于于星際氣體體密度的高高度來估計計大氣上界界。大氣上上界為2000～～3000Km大氣結(jié)構(gòu)和和垂直分層層大氣圈以地地球的水陸陸表面為其其下界，稱稱為大氣層層的下墊面。是影響氣氣候的重要要因素之一一，包括地地形、地質(zhì)質(zhì)、土壤和和植被等。。在相同氣氣象條件下下不同下墊墊面表面溫溫度有很大大差異，下下墊面的綠綠化能夠有有效改善了了局部微氣氣候大氣結(jié)構(gòu)和和垂直分層層對流層平流層中間層熱成層散逸層電離層1.對流流層厚度變化：：空間：低緯地區(qū)平平均為17～18Km，在中中緯地區(qū)平平均10～～12Km，在高緯緯地區(qū)平均均為8～9Km。時間：一般夏季對對流層厚度度比冬季厚厚2Km以下下大氣層稱稱為摩擦層；2m以下大大氣層稱稱為貼地層；；從地面到到50~100m高度度的氣層層稱為近地層。。對流層特特點：(1)集中了整整個大氣氣3/4的質(zhì)量和和幾乎全部的水汽。大氣中的的各種天天氣現(xiàn)象象如風、云云、雨、、雪等都都發(fā)生在在這一層層里，對對天氣分分析和預預報具有有重要意意義二、大氣氣的鉛直直結(jié)構(gòu)隨緯度增增加，厚厚度降低低(2)氣氣溫隨隨著海拔拔高度的的增高而而降低平均來說說，每上上升100m，，氣溫約約下降0.65℃，稱稱氣溫直直減率，，也叫氣氣溫鉛直直梯度，，通常以以r表示示：(3)對對流層空空氣具有有強烈的的垂直運運動和不不規(guī)則的的亂流運運動。結(jié)果使高高層和低低層之間間的冷暖暖空氣進進行了交交換，使使近地面面的熱量量、水汽汽、雜質(zhì)質(zhì)等向上上輸送。。這對成成云致雨雨有重要要作用(4)氣氣象要要素水平平方向上上分布不不均勻(溫度、、濕度)γ>0時，表示示氣溫隨隨高度升升高而降降低；γ=0時，表示示氣溫不不隨高度度變化而而變化；；γ<0時，表示示氣溫隨隨高度升升高而升升高（逆溫層）。逆溫溫是環(huán)境境中很重重要的大大氣現(xiàn)象象，許多多嚴重的的污染事事件都與與之有關(guān)關(guān)。逆溫溫現(xiàn)象出出現(xiàn)時，，氣層穩(wěn)穩(wěn)定性強強。導致致排放的的氣體污污染物累累積并產(chǎn)產(chǎn)生污染染事故逆溫層與與工業(yè)大大氣污染染光化學煙霧、氮氧化物和臭氧污染酸沉降的后果對流層分層下層、中中層、上上層、對對流層頂頂（氣流、、氣溫、、天氣現(xiàn)現(xiàn)象）下層(摩擦層或行星邊邊界層)：0~2km摩擦作用用、對流流運動和和亂流運運動最強強烈氣溫、空空氣濕度度等氣象象要素有有明顯的的日變化化、水汽汽豐富，，風速隨高高度增加加而加大大。摩擦層（（貼地層層2m和和近地層層0—50~100））中層：2-6km空氣運動動以對流流為主有中云和和積雨云云出現(xiàn)，，由云滴滴增大成成雨滴的的過程多多在此層層進行，，因而是是形成降水的重重要氣層層對流層分層下層、中中層、上上層、對對流層頂頂上層：6km至至對流層層頂受地面影影響更小小，氣溫溫常在0℃以下下，水汽含量量少，各種云均均由冰晶晶或過冷冷卻水滴滴組成在中、低低緯度地地帶，常常出現(xiàn)風風速等于于或大于于30m·s-1的強風帶帶，即所所謂高空急流流對流層頂頂：對流流層與平平流層之之間1~2km的過渡渡層氣溫隨高高度變化化很小，，甚至等等溫或逆逆溫狀態(tài)態(tài)由低層上上升而至至的水汽汽和塵埃埃等多聚聚集在這這里，使使能見度度惡化2.平平流層：：自對流層層頂?shù)?0Km高度。在在平流層層下層，，即30～35km以下，溫溫度隨高高度降低低變化較較小，氣氣溫趨于于穩(wěn)定，，所以又又稱同溫層。在30～35km以以上，溫溫度隨高高度增加加升高較較快。其其特點：：第一、在在平流層層的下部部，隨著高度度增加，，氣溫最最初保持持不變，在25Km以以上，氣溫隨高高度增加加而顯著著升高；到50Km高高度上接接近0℃℃？第二、在在平流層層中空氣氣的垂直直運動明明顯減弱弱，主要是水水平運動動第三、在在平流層層中，水汽和塵塵埃含量量極少。晴朗少少云，大大氣透明明度好，，氣流比比較平穩(wěn)穩(wěn)，適于于飛機飛飛行大氣結(jié)構(gòu)構(gòu)和垂直直分層3.中中間層自平流層層頂?shù)?5Km高的氣層層為中間間層。這這一層空空氣更為為稀薄氣溫隨高高度增高高而迅速下降降，其頂部部氣溫可可降至－－83℃℃以下。。有強烈烈的對流流運動，，稱為“高空對對流層””大氣結(jié)構(gòu)構(gòu)和垂直直分層大氣結(jié)構(gòu)構(gòu)和垂直直分層4.熱成層(熱層、、暖層、、電離層層)：中間層頂～～500km.溫度隨高高度的升高迅迅速增高。暖暖層的空氣處處于游離狀態(tài)態(tài)。這是由于于該層空氣在在強烈的太陽紫外線和和宇宙射線(宇宙高能粒粒子)的作用用下呈電離狀狀態(tài)，產(chǎn)生電電離現(xiàn)象對無線電通訊訊，衛(wèi)星、火火箭的發(fā)射有有重要作用5、散逸層：500km高度以上到大大氣上界的大大氣層稱散逸層。。大氣物質(zhì)有有向星際空間間散逸的特性性大氣中的光、、電、聲現(xiàn)象象一.大氣中的的光學現(xiàn)象大氣中的散射現(xiàn)象：1.蔚藍的天空、、霞光、曙暮暮光等是怎樣樣形成的？2.陰雨天氣氣時，天空為為什么呈現(xiàn)乳乳白色或灰白白色？大氣中的折射現(xiàn)象：3.蒙氣差、、海市蜃樓、、彩虹、暈等等現(xiàn)象的形成成機理大氣中的衍射現(xiàn)象：4.大氣中華華、寶光環(huán)是是怎么形成的的？太陽輻射光譜譜:太陽輻射能能隨波長的分分布曲線稱為為太陽輻射光光譜。太陽輻射能量量分布:絕大部分集集中在0.15~4m之間，占太太陽輻射總能能量的99％％50％43％7％最大放射能波長入max=0.475μm即475nm，相當于青光波長。nm作用二、大氣中的的電學和聲學學現(xiàn)象閃電雷聲大氣中的光、、電、聲現(xiàn)象象大氣成分與農(nóng)農(nóng)業(yè)氮和氧氮是生物固氮氮、工業(yè)氮肥肥和雷電固氮氮的唯一來源源；02是維持人類和和動物生命極極為重要的氣氣體，動植物物都需要呼吸吸，并在氧化化作用中獲得得熱量來維持持生命氮、氧的配比比變化，對生生命活動產(chǎn)生生一定的影響響?！Z糧食和蔬菜的的貯藏）大氣成分與農(nóng)農(nóng)業(yè)CO2植物光和作用用隨著環(huán)境中中的CO2濃度增高而增增加，當光合合速率與呼吸吸速率相等時時，外界環(huán)境境中的CO2濃度即為CO2補償點。當CO2濃度繼續(xù)提高高，光合速率率隨CO2濃度的增加變變慢，當CO2濃度達到某一一范圍時，光光合速率達到到最大值，光光合速率開始始達到最大值值時的CO2濃度為CO2飽和點。從光合作用對對CO2要求求的三基點為為最低10ppm，最適適1000ppm，最高高3000ppm；目前前大氣中CO2濃度約為為300ppm，因此在在田間適當增增加CO2濃濃度有利于提提高光合生產(chǎn)產(chǎn)率和水分利利用率。提高田間CO