第四章大氣圈

第四章大氣圈本章重點：大氣圈各圈層特征、大氣運動、氣候變遷。本章難點：大氣環(huán)流。第一節(jié)大氣圈的物質(zhì)組成地球的外部圈層大氣圈存在的主要證據(jù)和現(xiàn)象：1.藍(lán)色的天空；2.白云；3.風(fēng)；4.流星1.藍(lán)天：選擇性散射（瑞利散射：散射能力與光波波長的四次方成反比，波長愈短的波，散射愈強烈

）。2.白云：云是由水滴和空氣中的粉塵組成，直徑較太陽光波長都長，所有的波長都是平均地被散射的（邁以散射），因此，云是白色的。

當(dāng)云層越來越厚時，小水滴越來越多，幾乎連成一片，太陽光和邁以射散的光不能或者很少能穿透云層，白云就變成烏云。

3.風(fēng)：有風(fēng)說明有物質(zhì)的存在，因為風(fēng)是由于大氣不同部位的壓力差造成的。在真空中不能形成風(fēng)。4.流星：隕石穿過大氣層時，由于其速度太快，與大氣摩擦產(chǎn)生熱使其燃燒起來形成。地球是特殊的行星，因地球引力，外圍包著一層有一定厚度的連續(xù)不斷的氣態(tài)物質(zhì)，成為地球最外面的一個圈層，即大氣圈（大氣層）。大氣圈沒有明顯的上界，在赤道上方高42000千米和兩極上方高28000千米的高空仍有大氣存在的痕跡。大氣是人類和生物賴以生存必不可少的物質(zhì)條件，也是使地表保持恒溫和水分的保護(hù)層，同時也是促進(jìn)地表形態(tài)變化的重要動力和媒介。中國古代賢哲通過呼吸及煙、云等現(xiàn)象，認(rèn)識到氣是一種物質(zhì)，天和氣之間存在著某種聯(lián)系。古希臘學(xué)者把氣看作構(gòu)成物質(zhì)的基本組成元素；達(dá)·芬奇有了空氣和真空的概念，能利用空氣的運動來說明風(fēng)的形成；伽利略通過實驗證明空氣是有質(zhì)量的；18世紀(jì)70年代后，氮氣、氧氣、惰性氣體和其它幾種成分陸續(xù)被認(rèn)識。地球大氣由多種氣體的混合物組成，主要成分是氮和氧，共占99%，其中氮占大氣體積的78%，氧占21%，此外還有氫、二氧化碳、臭氧、水汽和固體雜質(zhì)等，只占1%。在高出海平面80~90千米以下的空間內(nèi)的大氣質(zhì)量占整個大氣圈質(zhì)量的99.999%以上，其余部分質(zhì)量甚微，但分布空間可達(dá)地面幾千萬米以上。高層大氣的物質(zhì)組成，從下到上氮、氧、氦、氫為主，并從以分子狀態(tài)為主到以原子、離子狀態(tài)為主。大氣的組成成分基本上是恒定的。氮是一種不易與其它物質(zhì)化合的中性氣體，是植物營養(yǎng)的主要來源。植物通過土壤細(xì)菌（固氮菌）攝取大氣中的氮；閃電作用可析出氮。通過生物的燃燒以及脫氮作用回到大氣中。氧是化學(xué)性質(zhì)上高度活躍的元素，也是人類和動物生存的主要元素。在氧化過程中，它易于和其它元素化合。通過光合作用和呼吸作用實現(xiàn)在大氣和生命中交換。大氣中的水汽和固態(tài)雜質(zhì)主要存在于大氣低層，是產(chǎn)生天氣現(xiàn)象的必要條件之一。二氧化碳在大氣中有重要作用，因為它對太陽輻射吸收甚少，但卻能強烈地吸收地面輻射，同時又向周圍空氣和地面發(fā)射長波輻射，從而使地層大氣因接受熱輻射而變暖。綠色植物在光合作用過程中，利用大氣中的CO2，在水的參與下將它轉(zhuǎn)化為固態(tài)的碳水化合物，這正是人類食物的重要來源。過去300年，CO2增加了25%，主要是人類引起的化石燃燒、森林砍伐及土地利用形式的改變。第二節(jié)大氣圈的分層一、大氣圈的分層大氣在垂直方向的分布是極不均勻的，整個大氣圈內(nèi)大氣的成分、溫度、密度等物理性質(zhì)都有明顯的變化，稱為大氣在垂直方向上的差異。據(jù)此將大氣圈分為五層。大氣圈分層的主要依據(jù)：

(1)物質(zhì)組成；

(2)大氣溫度變化；

(3)電荷；(4)大氣運動。

由地表往上可分為五個次級圈層：（1）對流層；（2）平流層；（3）中間層；（4）暖層；（5）散逸層（擴散層）二大氣圈各層的基本特征1對流層：平均厚度12km，含大量水蒸氣和塵埃。⑴溫度隨高度的增加而降低，平均每上升100m氣溫約下降0.65℃。⑵空氣的對流強度，因緯度而變化，低緯地區(qū)對流強、影響高度大，高緯地區(qū)對流作用弱；夏季較強，冬季較弱。⑶天氣變化復(fù)雜多變，風(fēng)、霜、雨、雪、雹、霧等氣象現(xiàn)象均發(fā)生于此層。⑷氣象要素的水平分布不均勻。受地表海陸分布、地形起伏影響，對流層中溫度、濕度等水平分布是不均勻的。2平流層：從對流層頂?shù)降乇硪陨?5km的范圍。幾乎不含水蒸氣、塵埃，無天氣現(xiàn)象。⑴氣流運動相當(dāng)穩(wěn)定，且以水平方向上的運動為主；⑵氣溫隨著高度增高最初保持不變或微上升，大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升溫；

⑶有臭氧（O3）存在。臭氧層距地面20至30千米，介于對流層和平流層之間。這一層主要是由于氧分子受太陽光的紫外線的光化作用造成的，使氧分子變成了臭氧。臭氧層能大量吸收太陽光中的紫外線，對對流層和地表起著保護(hù)層的作用。

臭氧空洞：人類大量使用的氯氟烷烴化學(xué)物質(zhì)（如制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑等）在大氣對流層中不易分解，當(dāng)其進(jìn)入平流層后受到強烈紫外線照射，分解產(chǎn)生氯游離基，游離基同臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴(yán)重破壞。3中間層：從平流層頂?shù)降乇硪陨?5km的范圍。這層氣溫再次隨高度升高而迅速下降，因而氣流的垂直對流運動相當(dāng)強烈，故又稱高空對流層。中間層水汽含量極少，幾乎沒有云層出現(xiàn)。4暖層（電離層）：從中間層頂?shù)降乇硪陨?00km的范圍。⑴此層大部分氣體分子在太陽紫外線和宇宙線作用下發(fā)生電離，形成具有較高密度的帶電粒子。帶電粒子能反射電磁波，對地球上的無線電通訊有重要意義；⑵氣溫隨高度增加而急劇上升；⑶高緯度地區(qū)上空可出現(xiàn)極光。5擴散層（散逸層）：從暖層頂?shù)酵鈱涌臻g。物質(zhì)多以原子、離子狀態(tài)存在。是地球物質(zhì)向宇宙空間擴散的部位。第三節(jié)大氣圈中的物質(zhì)轉(zhuǎn)換

一、地球和宇宙物質(zhì)的相互交換通過大氣圈進(jìn)行。地球形成時，星云中的原始大氣（氫、氦）早已散失殆盡?，F(xiàn)代的大氣，一般認(rèn)為其成分是從地球內(nèi)部析出的。火山噴出的氣體主要是水蒸氣。它在紫外線的作用下，分解為氫和氧，氧受地球引力作用而保存下來，氫則散失到宇宙中去。地球的物質(zhì)也從宇宙得到補充。如隕石的絕大多數(shù)都變成氣體和塵埃（大氣圈中塵埃的主要來源之一）。二、大氣圈是地球自身各圈層間物質(zhì)轉(zhuǎn)換最活躍的場所。

⑴大氣圈中的少量氮向生物體、水、巖石和土壤中轉(zhuǎn)移，同時也有少量氮中地球內(nèi)部及腐爛生物遺體中析出，進(jìn)入大氣中。

⑵地球上的氧，95%固定在巖石里面，還有一些存在于生物體內(nèi)和溶解在水中，游離在大氣中的氧氣只是極少部分。人和動物呼吸吸入氧氣呼出二氧化碳。地面上廣泛發(fā)生的氧化作用和碳酸化作用，則使大氣中的氧和二氧化碳轉(zhuǎn)移到巖石、土壤和水中。

⑶綠色植物的光合作用，使吸入的二氧化碳中的碳固定在植物體內(nèi)，并釋放出氧氣。⑷集中分布在對流層下部的水蒸氣，海洋、河流、湖泊等水體的蒸發(fā)和植物葉面的蒸騰。水蒸氣又會凝結(jié)成細(xì)微的水滴懸乎在空中，形成云、霧。進(jìn)而通過降雨回到地面水體中。第四節(jié)大氣運動一、氣象要素及其特征氣象要素是指表明大氣特征的物理狀態(tài)和物理現(xiàn)象的各種要素，包括氣壓、氣溫、風(fēng)、云、降水量、蒸發(fā)量、能見度、輻射、日照、大氣光現(xiàn)象等。（一）氣壓：即大氣壓強，指單位面積承受大氣的力。1平方米地面上的氣壓，可以看成是截面為1平方米的平面上伸到大氣圈上界的空氣柱地實際重量。氣壓的形成，根本原因是大氣的氣體分子受到地球的引力，且愈近下層，空氣聚集得愈致密，故下層的空氣密度也愈大，壓強也愈大，反之愈小。氣壓隨高度升高遞減。1氣壓的空間分布：A在垂直方向上隨高度增加而遞減。遞減速度與空氣密度和重力加速度有關(guān)。B氣壓在水平方向上的分布也很不一致。通常把某一水平面上的氣壓分布稱為水平氣壓場，用等壓線來表示。低氣壓（低壓）：指在同一高度上中心氣壓低，周圍氣壓高，由閉合等壓線構(gòu)成的低氣壓區(qū)。氣流從周圍向中心輻合上升，容易造成云和降水

。高壓區(qū)（高壓）：指在同一高度上中心氣壓高，周圍氣壓低，由閉合等壓線構(gòu)成的高氣壓區(qū)。氣流從中心向周圍輻合下沉，一般天氣晴好。低壓槽和高壓脊：低壓槽內(nèi)以上升氣流為主，常出現(xiàn)陰雨天氣。高壓脊內(nèi)以下沉氣流為主，天氣以晴為主。鞍形氣壓場：兩個高氣壓和兩個低氣壓交錯相對的中間區(qū)域。氣流不穩(wěn)定，天氣陰沉。氣壓場的幾種基本形式2氣壓隨時間的變化：主要受氣溫的日變化和年變化所引起。夜間氣溫下降，空氣變冷，地面氣壓升高；白天地面氣壓下降。從全年看，大陸上冬季氣壓高，夏季氣壓低；海洋上氣壓的年變化則相反。（二）、氣溫：是指空氣冷熱程度。通常所說氣溫是指從距地面1.5米高處的百葉箱內(nèi)測得的空氣溫度。氣溫的高低，實質(zhì)上是空氣分子平均動能大小的表現(xiàn)。氣溫存在日變化和年變化。氣溫的空間分布包括氣溫的水平分布與垂直分布。（三）濕度：就是空氣的濕潤程度，它表示空氣中水汽的含量。風(fēng):

空氣相對于地面的運動。氣象上常指空氣的水平運動，并用風(fēng)向、風(fēng)速來表示。云:

懸浮在空氣中的大量水滴和冰晶組成的可見聚合體。在常規(guī)氣象觀測中要測定云狀、云高和云量。降水:

從云中降落的液態(tài)水和固態(tài)水,如雨、雪、冰雹等。蒸發(fā):

液體表面的氣化現(xiàn)象。氣象上指水由液體變成氣體的過程。輻射:

能量或物質(zhì)微粒從輻射體向空間各方向發(fā)送過程。氣象上通常稱太陽輻射為短波輻射，地球表面輻射和大氣輻射為長波輻射。日照:

表示太陽照射時間的量。氣象上通常提供的是觀測到的實照時數(shù)。能見度：人的正常視力所能看到的目標(biāo)物的最大距離。二、大氣運動1大氣運動的動力：來自于太陽輻射所產(chǎn)生的氣壓差。因氣壓差而形成熱力環(huán)流。2大氣環(huán)流：是指具有世界規(guī)模的、大范圍的大氣運動狀態(tài)。大氣環(huán)流反映了大氣運動的基本格局，并孕育和制約著較小規(guī)模的氣流運動。它是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和移動的背景條件。3地轉(zhuǎn)偏向力：由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生作用于運動空氣的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力，簡稱偏向力。它只在物體相對于地面有運動時才產(chǎn)生(實際不存在)，只能改變(水平運動)物體運動的方向，不能改變物體運動的速率。相對于物體前進(jìn)方向來說，在北半球地轉(zhuǎn)偏向力向右，在南半球則偏向左。4全球大氣環(huán)流⑴低緯熱帶環(huán)流圈：是指在赤道與南緯30°、北緯30°之間形成一個低緯的大氣環(huán)流系統(tǒng)。赤道地區(qū)空氣以垂直上升為主，且上升氣流常帶有較多水氣，到高空后易冷凝降雨，故造成“赤道無風(fēng)帶”和濕熱多雨氣候。在近地表，形成低緯信風(fēng)帶。⑵中緯的中緯環(huán)流圈和高緯的極地環(huán)流圈由極地高壓帶到副極地低壓帶之間形成偏東風(fēng)，稱“極地東風(fēng)帶”；由副熱帶高壓帶到副極地低壓帶形成偏西風(fēng)，稱“中緯西風(fēng)帶”。三、天氣和天氣系統(tǒng)天氣是指某一地區(qū)、某一時刻的大氣物理狀況。天氣系統(tǒng)是具有一定的溫度、氣壓或風(fēng)等氣象要素空間結(jié)構(gòu)特征的大氣運動系統(tǒng)。

一個地區(qū)某一時刻的天氣，是由該地區(qū)大氣中不同的各類天氣系統(tǒng)（如高壓、低壓、氣旋、反氣旋等）的移動、變化所引起的，而各天氣系統(tǒng)之間又是相互作用、相互交織著的，共同形成不同形態(tài)的天氣狀況。1主要天氣系統(tǒng)A氣團(tuán)：是指一定范圍內(nèi)，在水平方向上物理屬性（溫度、濕度、穩(wěn)定度等）相對比較均勻的大塊空氣。暖氣團(tuán)一般水汽含量豐富，所以當(dāng)冷、暖氣團(tuán)相遇時，暖氣團(tuán)往往被冷空氣抬升，降溫冷卻，常在高空形成云、雨。B鋒：兩個不同性質(zhì)的氣團(tuán)相接觸所形成的狹窄過渡區(qū)域稱為鋒。鋒面在水平和垂直方向上都有一定的空間范圍。鋒區(qū)極易形成云、雨。鋒可分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒等。C氣旋與反氣旋：氣旋：中心氣壓低、周圍氣壓高的大尺度空氣漩渦稱為氣旋。在北半球，氣旋風(fēng)是圍繞其中心作逆時針方向旋轉(zhuǎn)的；南半球則相反。氣旋是由于鋒面上或密度不同的空氣分界面上發(fā)生波動，進(jìn)一步發(fā)展形成的。氣旋常常帶來大風(fēng)和降水天氣。在低緯度熱帶地區(qū)形成的氣旋稱為熱帶氣旋。它是由于熱帶洋面上局部聚集的濕熱空氣大規(guī)模上升，低層周圍的空氣向中心流動，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成的空氣大漩渦，直徑約200~1000km。常有狂風(fēng)暴雨天氣。按國際熱帶氣旋名稱和等級標(biāo)準(zhǔn)，分為熱帶低壓（中心附近最大風(fēng)力6~7級）、熱帶風(fēng)暴（8~9級）、強熱帶風(fēng)暴（10~11級）、臺風(fēng)（≥12級）。反氣旋：中心氣壓高，周圍氣壓低，氣流從中心呈順時針方向（北半球）向四周渦旋式流散的天氣系統(tǒng)，稱為反氣旋（又稱高氣壓）。主要因地面受熱不均，引起氣壓差別所造成。多屬晴朗穩(wěn)定的天氣。北半球氣旋與反氣旋示意圖第五節(jié)氣候及其變化的原因一氣候及氣候帶氣候：對一個地區(qū)多年天氣狀況的綜合統(tǒng)計特征。30年的時間長度作為描述氣候狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)時段。地球上的氣候有著十分顯著的空間分布。氣候分類一般包括兩級，第一級是氣候帶?？刂茪夂虻淖钪饕蛩貫樘栞椛浜痛髿猸h(huán)流，因而氣候帶是沿緯度帶分布的。第二級是氣候型，不同的氣候型主要由空間尺度較小的因子如海陸分布、地形等所致。全球氣候包括若干氣候帶，每個氣候帶又可分成若干氣候型。全球劃分為四類七個氣候帶：熱帶（南北回歸線之間）、亞熱帶（南、北緯25°~35°）、溫帶（南、北緯35°~60°）、寒帶（南、北緯60°到極區(qū)）。赤道地區(qū)垂直氣候分帶在山區(qū)，氣候也隨高度而變化，形成垂直氣候帶。二、氣候變化氣候在地球演化的歷史過程中的不斷變化。目前《聯(lián)合國氣候變化框架公約》中氣候變化的定義：經(jīng)過相當(dāng)一段時間的觀察，在自然氣候變化之外由人類活動直接或間接地改變?nèi)虼髿饨M成所導(dǎo)致的氣候改變。氣候變化主要表現(xiàn)為三方面：全球氣候變暖（GlobalWarming）、酸雨（AcidDeposition）、臭氧層破壞（OzoneDepletion），其中全球氣候變暖是人類目前最迫切的問題，關(guān)乎到人類的未來。度量氣候變化通常用相對于氣候平均狀態(tài)的變幅，變幅可正可負(fù)，可大可小，有些為周期性，有些為非周期性變化。對于氣候變化，由于時間尺度的不同、研究的方法不同，又分為地質(zhì)時期氣候變化、歷史時期氣候變化和近代氣候變化。歷史時期氣候變化：是指有人類文明以來的氣候變化。近代氣候變化：是指有氣象觀測記錄以來的氣候變化。地質(zhì)時期氣候變化：是長時間尺度的，主要根據(jù)地球的地質(zhì)演變、古生物化石、地貌演變、地球化學(xué)等方面來推斷。以氣溫高低作為標(biāo)志，在地球演化歷史上，全球氣溫有過大幅度升降。存在大冰期和大間冰期。三、氣候變化的影響因子觀點：1太陽輻射量的變化；2地球旋轉(zhuǎn)軸傾斜度變化；3太陽系繞銀河系旋轉(zhuǎn)到一定區(qū)域時，太陽輻射受星際塵埃阻擋；4外來隕石撞擊地球，形成大量塵埃阻擋太陽輻射。從1970年代起，人們從整個行星地球去研究氣候的形成及其變化的原因，即從“氣候系統(tǒng)”的概念來認(rèn)識氣候的形成和變化。氣候受制于地球各個圈層的相互作用，除受太陽輻射影響外，還與?！獨庀嗷プ饔谩⑺斔?、海陸分布、大陸地形、冰雪覆蓋、植被分布、人類活動等因素有關(guān)。補充知識：一、溫室效應(yīng)（花房效應(yīng)）：1概念：是大氣保溫效應(yīng)的俗稱。是指大氣通過對輻射的