大氣物理學(xué)大氣化學(xué)

參考書(shū)目：1.[美]J、M華萊士，P.V.霍布斯著.大氣科學(xué)概觀.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，19812.許紹祖主編.大氣物理學(xué)基礎(chǔ).氣象出版社,19913.周秀驥等編著.高等大氣物理學(xué).氣象出版社,19914.盛裴軒,毛節(jié)泰等.大氣物理學(xué),北大出版社,2003一、定義主要研究地球大氣現(xiàn)象與過(guò)程的物理機(jī)制和規(guī)律。大氣現(xiàn)象與過(guò)程：大氣中流體運(yùn)動(dòng)、光象、電象、熱現(xiàn)象、相變過(guò)程、輻射過(guò)程。二、分支大氣動(dòng)力學(xué)、大氣光學(xué)、大氣電學(xué)、大氣熱力學(xué)、云降水學(xué)、大氣輻射學(xué)三、學(xué)科位置按研究范疇大體可劃分為：

自然科學(xué)：數(shù)、理、化、天、地、生、工程與材料科學(xué)、信息科學(xué)、管理科學(xué)

社會(huì)科學(xué)地球科學(xué)包括大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)等大氣科學(xué)

基礎(chǔ)學(xué)科：大氣物理學(xué)、大氣化學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)、天氣學(xué)、氣候?qū)W、大氣探測(cè)學(xué)

應(yīng)用學(xué)科：農(nóng)業(yè)氣象學(xué)、水文氣象、醫(yī)療氣象、污染氣象、人工影響天氣等1）近代大氣物理學(xué)起始階段（18世紀(jì)中葉~20世紀(jì)中葉）四、大氣物理學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史1752，美國(guó)Franklin第一次用風(fēng)箏探明雷擊的本質(zhì)就是電。1871，英國(guó)物理學(xué)家Rayleigh解釋了天空蘭色的現(xiàn)象1908，德國(guó)物理學(xué)家G.Mie解決了球形粒子的散射問(wèn)題1859-1901，這兩位德國(guó)物理學(xué)家開(kāi)創(chuàng)了輻射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德國(guó)物理學(xué)家，量子力學(xué)的開(kāi)創(chuàng)人G.R.Kirchhoff（1824-1887）德國(guó)物理學(xué)家1880-1881，英國(guó)物理學(xué)家J.Aitken等指出了凝結(jié)核在霧滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson發(fā)明云室，因此獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。——〉是云霧物理的基礎(chǔ)和開(kāi)端。2）大氣物理學(xué)高速發(fā)展階段（20世紀(jì)中葉以來(lái)）具有重大實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的需要大大加速了大氣物理學(xué)的發(fā)展。1）1946年，美國(guó)物理學(xué)家I.Langmuir,V.J.Schaefer發(fā)現(xiàn)干冰可以催化云產(chǎn)生降水后來(lái)，B.Vonnegut發(fā)現(xiàn)碘化銀可作為人工冰核大大激勵(lì)了科學(xué)家們進(jìn)行人工影響云雨的勇氣與信心，促使云降水物理學(xué)獲得了重大發(fā)展。2）需要掌握大氣環(huán)境演變規(guī)律，促使大氣邊界層與大氣湍流學(xué)科的發(fā)展3）衛(wèi)星、雷達(dá)等遙感技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了大氣輻射學(xué)的研究第一節(jié)宇宙、地球、大氣的起源和演化

一、宇宙的起源大爆炸學(xué)說(shuō)按照Friedmann等人的理論，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow

和他的學(xué)生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）認(rèn)為過(guò)去必定存在一個(gè)有限的時(shí)刻，那時(shí)宇宙中的物質(zhì)被壓縮為極高密度的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)刻被稱為“大爆炸”，也就是宇宙起源的時(shí)刻。他們的計(jì)算結(jié)論是：作為“大爆炸”過(guò)程的遺跡，目前宇宙中應(yīng)普遍存在溫度約5K的背景黑體輻射。1989年，美國(guó)宇航局專門為此發(fā)射了宇宙背景探測(cè)者衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，該輻射的譜分布與2．735K的黑體輻射完全相合，天空不同方向的相對(duì)溫差小于十萬(wàn)分之一。這就證明了背景輻射的黑體性和普適性。這種“背景輻射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的證據(jù)之一。通過(guò)現(xiàn)代物理學(xué)理論，可以模擬宇宙在大爆炸后110-43秒的狀態(tài)，但對(duì)于此時(shí)刻之前還沒(méi)有新的理論將萬(wàn)有引力和廣義相對(duì)論二者之間結(jié)合起來(lái)。膨脹理論上世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文學(xué)家AndreasLinde提出從大爆炸后110-35秒開(kāi)始的110-32秒內(nèi)宇宙極速膨脹為原來(lái)的11050倍，然后減緩為近乎常速。認(rèn)為宇宙處于開(kāi)放與封閉系統(tǒng)的邊緣狀態(tài)?？山忉尨蟊▽W(xué)說(shuō)不能解釋的宇宙常速膨脹和宇宙的均勻性等問(wèn)題，被廣大理論天文學(xué)家認(rèn)同。上世紀(jì)90年代以來(lái)，觀測(cè)天文學(xué)家對(duì)該理論有不同看法，認(rèn)為宇宙應(yīng)該是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)。膨脹理論圖示：白點(diǎn)代表星系，膨脹后相互遠(yuǎn)離宇宙無(wú)限論：有限無(wú)界論：在17世紀(jì)，Galilei、Newton在經(jīng)典力學(xué)體系的基礎(chǔ)上，建立了宇宙無(wú)限無(wú)邊的理論，即宇宙的體積是無(wú)限的，沒(méi)有空間邊界，無(wú)限的天體分布在無(wú)限的空間之中。1917年，AlbertEinstein在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，提出了有限無(wú)界的靜態(tài)宇宙模型。認(rèn)為宇宙是有限無(wú)邊的，即宇宙空間的體積是有限，是一個(gè)彎曲的封閉體，這個(gè)彎曲的封閉體沒(méi)有邊界，類似一個(gè)球面，面積有限，但沿著球面運(yùn)動(dòng)總是遇不到“邊”。該理論拉開(kāi)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的序幕。二、地球與宇宙銀河系中心銀河系與河外星系太陽(yáng)系地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個(gè)火球。隨著地球逐步冷卻，較重的物質(zhì)沉到中心，形成地核；較輕的物質(zhì)浮在上面，冷卻后形成地殼。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖地球構(gòu)造圖三、大氣演化1、原始地球上無(wú)大氣、無(wú)海洋；火山爆發(fā)頻繁發(fā)生2、火山噴發(fā)形成原始大氣，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。沒(méi)有氧氣。大量水汽造成長(zhǎng)時(shí)間降雨，持續(xù)了幾千年（推測(cè)），形成原始海洋，生命就在原始海洋的湯液中形成。3、生命的光合作用使大氣圈中出現(xiàn)了氧氣。

從火山噴發(fā)出來(lái)的氮，由于其化學(xué)惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大氣中，成為現(xiàn)代大氣中的主要?dú)怏w成分；大氣中的氬，是地球固體部分放射性物質(zhì)40K衰變時(shí)的副產(chǎn)品。第二節(jié)大氣組成一、氣體成分地球大氣是由多種氣體以及漂浮于其中的固態(tài)、液態(tài)等顆粒物質(zhì)組成的。90km以下干潔大氣均勻混合，稱為均勻?qū)?、90km以下大氣的氣體成分1）按濃度時(shí)空變化是否明顯來(lái)分，分為：定常成分：濃度的時(shí)空變化不明顯的氣體成分。主要包括N2、O2、惰性氣體可變成分：定義略。例如，水汽、CO2、O3、CH4等

2）按濃度（單位為體積混合比）來(lái)分，分為：主要?dú)怏w：濃度≥1%，包括N2、O2、Ar微量氣體：1ppm—1%，包括CO2、CH4、Ne

、He、

Kr、水汽（2ppm—4%痕量氣體：＜1ppm，包括（見(jiàn)表）大氣的組成餅圖2、90km以上大氣3、有關(guān)概念及其它特征1）空氣分子大部分都發(fā)生離解；2）空氣成分隨高度的分布逐漸變成按分子量（或原子量）大小排列。從低層到高層依次為N2、O、He、H1）干潔大氣：不含水汽和懸浮顆粒物的大氣稱為干潔大氣2）相變特征：在地球大氣溫、壓條件下，水汽是唯一能發(fā)生相變的氣體成分3）平均分子量90km以下，空氣平均分子量為28.966，不隨高度變化；90km以上，隨高度遞減。具體如下圖4）空氣密度標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空氣密度為1.29kg/m34、重要?dú)怏w成分的作用1）主要?dú)怏w—氮、氧對(duì)生命活動(dòng)有重要意義，但對(duì)天氣、百萬(wàn)年尺度的氣候變化沒(méi)有什么作用。2）微量、痕量氣體—水汽、CO2、O3a)水汽是云和降水的源泉；

在全球能量平衡中起重要作用，影響地面和空氣溫度；是地球系統(tǒng)的水循環(huán)中起重要角色。地表上的水–全球年水量平衡b)

CO2c)

O3

寫(xiě)兩篇讀書(shū)報(bào)告，題目分別為“CO2及全球變暖”、“O3和O3洞”二、大氣氣溶膠粒子1、定義：尺度范圍：1nm-100μm

大氣中分散、懸浮有液體或固體微粒時(shí)的氣體和懸浮物的總體系稱為大氣氣溶膠。而其中的懸浮物就稱為氣溶膠粒子。2、分類1）云降水學(xué)分類（按半徑分類）

2）大氣環(huán)境學(xué)分類

愛(ài)根核：半徑在0.01到0.1微米之間。大核：半徑在0.1到1微米之間。巨核：半徑大于1微米。TSP、降塵、PM10、PM2.5、塵粒、粉塵、灰、等。3、大氣氣溶膠粒子的源和匯1）源

據(jù)估計(jì)，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來(lái)源僅為自然來(lái)源的五分之一。包括海水飛沫（見(jiàn)下圖）、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)揚(yáng)沙塵、火山爆發(fā)2）匯即氣溶膠粒子被移出大氣的過(guò)程。按是否有水質(zhì)粒參與，分為干移出、濕移出干移出過(guò)程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過(guò)程。包括重力下沉、附粘移出。濕移出過(guò)程：指質(zhì)粒受雨雪或云霧滴等影響而下沉到下墊面移出大氣的過(guò)程。包括凝長(zhǎng)下沉、碰并下沉。4、大氣氣溶膠粒子在大氣過(guò)程中的作用

1）在云霧降水中的作用；可作為水汽凝結(jié)和凝華以及水滴凍結(jié)的核心，即部分大氣氣溶膠粒子可作為CCN（cloudcondensationnuclei)或IN(icenuclei)2）對(duì)大氣輻射過(guò)程的影響；吸收和散射太陽(yáng)輻射，影響大氣溫度的垂直分布。

3）對(duì)大氣光學(xué)特性的影響；對(duì)太陽(yáng)光的散射和吸收，會(huì)影響大氣能見(jiàn)度，還會(huì)影響天空顏色。一些光學(xué)現(xiàn)象的出現(xiàn)，也與它們的作用有關(guān)。虹和霓

含七種色光的太陽(yáng)光線，射入大氣中的水滴(雨滴或霧滴)，各種色光經(jīng)歷折射和反射后，可在雨幕或霧幕上形成彩色光弧環(huán)。當(dāng)光弧環(huán)對(duì)觀測(cè)者所張的角半徑約42度，光環(huán)的彩色排序是內(nèi)紫外紅時(shí)，稱為虹。

在虹的外面，有時(shí)還出現(xiàn)較虹弱的彩色光環(huán)，光環(huán)對(duì)觀測(cè)者所張的角半徑約為52度，彩色環(huán)的排序與虹相反即內(nèi)紅外紫，稱為霓或副虹。

虹和霓都要背對(duì)太陽(yáng)而立才能觀察到。在夏日的傍晚，西方放晴而東方天空有云雨時(shí)，最易看到虹和霓。

折射和反射內(nèi)紅外紫的暈是陽(yáng)光或月光透過(guò)云中的冰晶時(shí)發(fā)生折射和反射形成均勻云滴(水滴或冰晶)的衍射，結(jié)果會(huì)在月亮或太陽(yáng)周圍緊貼月盤(pán)或日盤(pán)形成內(nèi)紫外紅