第二章 地球大氣

第二章地球大氣本章內(nèi)容

大氣的組成

大氣的鉛直結(jié)構(gòu)

大氣的物理性質(zhì)第一節(jié)大氣的組成

干潔大氣（即干空氣）水汽懸浮在大氣中的固液態(tài)雜質(zhì)一、干潔大氣地球大氣由三個(gè)部分組成:干潔大氣的定義及其成分變化：定義：除去水汽及其他懸浮在大氣中的固、液體質(zhì)粒以外的整個(gè)混合氣體。成分變化：

0~90km，主要成分和含量比例基本保持不變。

90km以上，氮稍有減少,氧稍有增多,氬和二氧化碳明顯減少,其中氧分子和氮分子開始離解

。各種成分介紹：各成分總體狀況：表2-1干潔大氣的成分（高度25km以下）氣體成分所占體積（%）臨界溫度（℃）臨界壓強(qiáng)（大氣壓）氮78.08-147.233.5氧20.95-118.940.7氬0.93-122.048.0二氧化碳0.03231.073.0臭氧0.00006-5.092.3干潔大氣100-140.737.2氮?dú)猓∟2）：存在方式：以蛋白質(zhì)的形式存在于有機(jī)體中。

作用：是有機(jī)體的基本組成部分，也是合成氮肥的基本原料。自然條件下,氮?dú)庵荒芡ㄟ^閃電雷暴作用形成,通過降水過程被植物和土壤吸收利用。氧氣（O2）：作用：

是人類和動(dòng)植物維持生命活動(dòng)的極為重要的氣體；積極參與大氣中的許多化學(xué)過程；對(duì)有機(jī)物質(zhì)的燃燒、腐敗和分解起著重要的作用。

臭氧（O3）：時(shí)空變化：時(shí)間變化：最大值出現(xiàn)在春季，最小值出現(xiàn)在夏季?？臻g變化：水平：由赤道向兩極增加。垂直：

55～60km，含量極少。20～25km，達(dá)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；這幅地圖顯示的是臭氧空洞。1986年，南極的臭氧量?jī)H是30年前的一半。1988年，探測(cè)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大幅增加。作用：對(duì)紫外線有著極其重要的調(diào)控作用。對(duì)高層大氣有明顯的增溫作用。二氧化碳（CO2）：來源：

生物的呼吸、化石燃料的燃燒、有機(jī)物質(zhì)的燃燒和分解、火山噴發(fā)作用等。時(shí)空變化：時(shí)間變化：

a)白天、晴天、夏季時(shí)的二氧化碳濃度小于黑夜、陰天、冬季。

b)工業(yè)革命前小于工業(yè)革命后?？臻g變化：水平：城市大于農(nóng)村；垂直：0～20km，含量最高；20km以上，含量顯著減少。作用：綠色植物進(jìn)行光合作用不可缺少的原料。強(qiáng)烈吸收長(zhǎng)波輻射（地面輻射、大氣輻射），使地面保持較高的溫度，產(chǎn)生“溫室效應(yīng)”。溫室效應(yīng)模式圖二、水汽來源：

主要來自江、河、湖、海、潮濕陸面的水分蒸發(fā)以及植物表面的蒸騰。時(shí)間：夏季多于冬季空間：一般低緯多于高緯，下層多于上層。

時(shí)空變化：作用：在天氣氣候變化中扮演了重要角色。

能強(qiáng)烈吸收地面放射的長(zhǎng)波輻射并向地面和周圍大氣放出長(zhǎng)波輻射，對(duì)大氣起著“溫室效應(yīng)”。

大氣中懸浮著的各種固體和液體微粒（包括氣溶膠粒子和大氣污染物質(zhì)兩大部分）。三、大氣中的雜質(zhì)

氣溶膠粒子：定義：分類：液體質(zhì)粒、固體質(zhì)粒固體質(zhì)粒的來源：

有機(jī)質(zhì)數(shù)量較少，大多為植物花粉、微生物和細(xì)菌等；大氣中沉降速率極小、尺度在10-4μm到100μm之間的固態(tài)和液態(tài)微粒。

無(wú)機(jī)質(zhì)數(shù)量較多，主要來源于：塵粒、煙粒、海洋中浪花飛濺的鹽粒，流星飛逝后留下的灰燼，火山塵埃等。作用：

吸收太陽(yáng)輻射，使空氣溫度增高，但也削弱了到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射；

緩沖地面輻射冷卻，部分補(bǔ)償?shù)孛嬉蜷L(zhǎng)波有效輻射而失去的熱量；降低大氣透明度，影響大氣能見度；充當(dāng)水汽凝結(jié)核，對(duì)云、霧及降水形成有重要意義。

大氣中的污染物質(zhì)：定義：由于人類活動(dòng)或自然過程，使局部、甚至全球范圍的大氣成分發(fā)生對(duì)生物界有害的變化。分布：空間上垂直：主要集中在3km以下的低層大氣中；水平：城市多，農(nóng)村少；陸地多，海洋少。時(shí)間上：冬季多，夏季少；清晨和夜間多，午后少。火山爆發(fā)、風(fēng)吹揚(yáng)沙和沙塵暴、雷擊森林失火等。來源：

自然過程形成。

人為過程造成。工業(yè)和交通上煤炭、石油、天然氣的使用，農(nóng)業(yè)上化肥、農(nóng)藥的噴施，生活上制冷采暖的排放與泄漏等。二次污染物：分類：一次污染物：直接從污染源排出來的物質(zhì)。進(jìn)入大氣的一次污染物互相作用或與大氣正常組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以及在太陽(yáng)輻射線的參與下引起光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新的污染物。

大氣污染的危害第二節(jié)大氣的鉛直結(jié)構(gòu)一、大氣的鉛直分層對(duì)流層平流層中間層熱成層散逸層電離層對(duì)流層：厚度變化空間：隨緯度增加，厚度降低。低緯地區(qū)：平均厚度為17～18km；中緯地區(qū)：平均為10～12km；高緯地區(qū)：平均為8～9km；時(shí)間：夏季大于冬季。特點(diǎn)：主要天氣現(xiàn)象均發(fā)生在此層。

溫度隨高度升高而降低。（平均高度每升高100m，氣溫下降0.65℃。）空氣具有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則的亂流運(yùn)動(dòng)。氣象要素的水平分布不均勻。分層：下層、中層、上層、對(duì)流層頂。下層（摩擦層或行星邊界層）：0-2km摩擦作用、對(duì)流運(yùn)動(dòng)和亂流運(yùn)動(dòng)最強(qiáng)烈；在接近地面約30～50m高度以下的氣層稱為近地氣層，常有霧形成。中層：2-6km

空氣運(yùn)動(dòng)以對(duì)流為主；有中云和直展云出現(xiàn)，由云滴增大成雨滴的過程多在此層進(jìn)行，因而是形成降水的重要?dú)鈱?。上層?km至對(duì)流層頂

受地面影響更小，氣溫常在0℃以下，水汽含量少，各種云均由冰晶或過冷卻水滴組成。飛機(jī)飛行在此氣層常出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。在中、低緯度地帶，常出現(xiàn)風(fēng)速等于或大于30m·s-1

的強(qiáng)風(fēng)帶，即所謂高空急流。

對(duì)流層頂：對(duì)流層與平流層之間1-2km的過渡層氣溫隨高度變化很小，甚至成為等溫狀態(tài)。由低層上升而至的水汽和塵埃等多聚集在這里，使能見度惡化。平流層：對(duì)流層頂～55km

25km以下，氣溫保持不變；25km以上，氣溫隨高度增加而顯著升高?？諝膺\(yùn)動(dòng)以水平運(yùn)動(dòng)為主，無(wú)明顯的垂直運(yùn)動(dòng)。水汽和塵埃含量極少，晴朗少云，大氣透明度好，氣流比較平穩(wěn)，適宜于飛機(jī)航行。中間層：平流層頂～85km

氣溫隨高度增加迅速下降，頂部氣溫可降至-83℃以下。

空氣有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，故又稱之為“高空對(duì)流層”。

熱成層(熱層、暖層、電離層)：中間層頂～800km氣溫隨高度增加迅速上升。空氣質(zhì)點(diǎn)在太陽(yáng)紫外輻射和宇宙高能粒子作用下，產(chǎn)生電離現(xiàn)象。散逸層：這一層中的大氣物質(zhì)具有向星際空間散逸的特性，是大氣圈與星際空間的過渡地帶。二、大氣上界

根據(jù)大氣中極光出現(xiàn)的最大高度，大氣上界的高度為1,000～1,200km。

另一種是以大氣密度接近星際氣體密度的高度作為標(biāo)準(zhǔn)，大氣上界約在2,000～3,000km高度處。

第三節(jié)大氣的物理性質(zhì)一、大氣的質(zhì)量

假定大氣是均質(zhì)的，以氣溫0℃時(shí)、45°N（或45°S）處、海平面上的大氣密度ρ0為標(biāo)準(zhǔn)（ρ0=1.293kg.m-3），則此時(shí)大氣厚度（Z0）經(jīng)理論計(jì)算約為8,000m。于是單位截面積的大氣柱中空氣的質(zhì)量為：m0=ρ0·Zo=1.293×8000=10344kg.m-2假定條件下的大氣質(zhì)量：據(jù)此推算，地球表面大氣的總質(zhì)量大約有5×1015t。

ρz為Z高度處的大氣密度；ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣密度；Z0為均質(zhì)大氣的高度，Z為對(duì)應(yīng)于要計(jì)算ρz的高度。

大氣密度的計(jì)算公式：（2-1）

二、氣象要素定義：表示大氣狀態(tài)和特征的物理量和物理現(xiàn)象。內(nèi)容：

日射、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、云、降水、蒸發(fā)、能見度和天氣現(xiàn)象等。天氣現(xiàn)象：在大氣中或地面上產(chǎn)生的降水、水汽凝結(jié)物（云除外）、凍結(jié)物、干質(zhì)懸浮物和光、電學(xué)現(xiàn)象，也包括一些風(fēng)的特征。

大風(fēng)、颮常見天氣現(xiàn)象：

雨、陣雨、毛毛雨雪、陣雪、雨夾雪、陣性雨夾雪、霰、米雪、冰粒、冰雹、冰針霧、輕霧、露、霜、雨淞、霧淞吹雪、雪暴、龍卷、積雪、結(jié)冰

沙塵暴、揚(yáng)沙、浮塵、煙幕、霾、塵卷風(fēng)

雷暴、閃電、極光第四節(jié)地球大氣中的光、電、聲現(xiàn)象一、大氣中的光學(xué)現(xiàn)象（一）大氣中光的散射現(xiàn)象1.蔚藍(lán)天空2.霞光3.曙暮光（二）大氣中光的折射現(xiàn)象1.蒙氣差2.海市蜃樓

3.彩虹4.暈

（三）大氣中光的衍射現(xiàn)象

1.華2.寶光環(huán)（四）大氣中的其它光學(xué)現(xiàn)象

夜天光、氣輝、極光、地光等等

二、大氣中的電學(xué)現(xiàn)象（一）大氣電場(chǎng)1.晴天電場(chǎng)2.擾動(dòng)天氣電場(chǎng)

（二）天電天電是指大氣中放電過程所引起的脈沖電磁輻射，最常見的現(xiàn)象就是閃電，此外還有雷暴放電、塵暴放電和電暈放電等，有時(shí)也將某些人工放電過程如核爆炸引起的大氣放電等也包括在內(nèi)。

閃電是積雨云云中、云間或云地之間發(fā)生放電時(shí)激發(fā)空氣強(qiáng)烈閃光，并伴有雷聲的物理過程。云內(nèi)放電和云際放電形成云閃，云地間放電形成地閃。閃電按形狀分為線狀閃電、帶狀閃電、片狀閃電、聯(lián)珠狀閃電和球狀閃電，其中最常見的是線狀閃電。地球表面每時(shí)每刻都有閃電發(fā)生，全球每秒有100—300次閃電發(fā)生，其中約有20%是地閃。閃電多出現(xiàn)在低緯度地區(qū)，但在兩極地區(qū)有時(shí)也能觀測(cè)到，陸地閃電的次數(shù)比海洋多一個(gè)數(shù)量級(jí)，白天閃電多于夜晚，夏季閃電多于冬季。閃電的破壞作用主要有熱效應(yīng)、電化效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。熱效應(yīng)使物體急劇升溫，出現(xiàn)熔化、燃燒和汽化，電化效應(yīng)使生物組織的某些部分發(fā)生電解，機(jī)械效應(yīng)則形成電擊穿。除被閃電直接擊中外，人體還會(huì)受到跨步電流和回閃震擊的損害。由于地面孤立物、尖端或電阻率小電導(dǎo)率大的地方是最易受閃電打擊，因此在雷雨發(fā)生時(shí)，應(yīng)盡可能避免處于易受雷擊的狀態(tài)，不能在山頂、大樹和旗桿等孤立或尖端物體附近避雨，不要攜帶金屬制品，不要在雷雨中快跑，并避開潮濕、高溫和原來已通電的地方。三、大氣中的聲學(xué)現(xiàn)象頻率在15—20000Hz之間的聲波，頻率低于15Hz的聲波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的聲波稱為超聲波（。大氣中聲波的聲源可分為人工聲源和自然聲源兩類。人工聲源包括人工爆炸聲、各種機(jī)器及交通工具發(fā)出的聲音和人類活動(dòng)的種種吵雜聲等。自然聲源包括火山爆發(fā)、流星穿入大氣、海浪和地震激發(fā)的大氣聲波、鳥獸等動(dòng)物的聲音、風(fēng)和地表的摩擦發(fā)聲、強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)中大氣運(yùn)動(dòng)引起的湍流和對(duì)流發(fā)聲、雷聲以及極光發(fā)聲等等。大氣中自然聲源發(fā)出的聲波具有極寬的頻譜，高頻端可達(dá)102—103Hz的頻率，低頻端可達(dá)幾分鐘至幾十分鐘的周期。大部分自然聲源主要產(chǎn)生的是大氣次聲波。（一）大氣中聲波的傳播1.聲波衰減

2.聲波折射

3.聲波頻散

（二）大氣中的次聲波

大氣次聲波是指大氣中頻率低于15Hz的不可聞聲波，又稱聲重力波，其傳播由空氣壓縮力和重力共同參與作用。大部分自然聲源主要產(chǎn)生的是大氣次聲波，火山爆發(fā)、大流星墜落、強(qiáng)風(fēng)暴、地震、海浪、極光等均可激發(fā)大氣次聲波，人工次聲波源主要有大量