大氣物理學(xué)大氣化學(xué)

參考書目：1.[美]J、M華萊士，P.V.霍布斯著.大氣科學(xué)概觀.上海科學(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)象與過程的物理機制和規(guī)律。大氣現(xiàn)象與過程：大氣中流體運動、光象、電象、熱現(xiàn)象、相變過程、輻射過程。二、分支大氣動力學(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)、大氣動力學(xué)、天氣學(xué)、氣候?qū)W、大氣探測學(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世紀中葉~20世紀中葉）四、大氣物理學(xué)發(fā)展簡史1752，美國Franklin第一次用風(fēng)箏探明雷擊的本質(zhì)就是電。1871，英國物理學(xué)家Rayleigh解釋了天空蘭色的現(xiàn)象1908，德國物理學(xué)家G.Mie解決了球形粒子的散射問題1859-1901，這兩位德國物理學(xué)家開創(chuàng)了輻射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德國物理學(xué)家，量子力學(xué)的開創(chuàng)人G.R.Kirchhoff（1824-1887）德國物理學(xué)家1880-1881，英國物理學(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?！凳窃旗F物理的基礎(chǔ)和開端。2）大氣物理學(xué)高速發(fā)展階段（20世紀中葉以來）具有重大實際應(yīng)用問題的需要大大加速了大氣物理學(xué)的發(fā)展。1）1946年，美國物理學(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，B.Vonnegut發(fā)現(xiàn)碘化銀可作為人工冰核大大激勵了科學(xué)家們進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、雷達等遙感技術(shù)的發(fā)展，推動了大氣輻射學(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)說按照Friedmann等人的理論，RussianAmericanphysicistGeorgeGamow

和他的學(xué)生AmericanphysicistsRalphAlpherandRobertHerman（1940s）認為過去必定存在一個有限的時刻，那時宇宙中的物質(zhì)被壓縮為極高密度的狀態(tài)，這個時刻被稱為“大爆炸”，也就是宇宙起源的時刻。他們的計算結(jié)論是：作為“大爆炸”過程的遺跡，目前宇宙中應(yīng)普遍存在溫度約5K的背景黑體輻射。1989年，美國宇航局專門為此發(fā)射了宇宙背景探測者衛(wèi)星觀測數(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溫差小于十萬分之一。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)，但對于此時刻之前還沒有新的理論將萬有引力和廣義相對論二者之間結(jié)合起來。膨脹理論上世紀70年代，美國科學(xué)家AlanGuth、PaulSteinhardt和美籍俄裔天文學(xué)家AndreasLinde提出從大爆炸后110-35秒開始的110-32秒內(nèi)宇宙極速膨脹為原來的11050倍，然后減緩為近乎常速。認為宇宙處于開放與封閉系統(tǒng)的邊緣狀態(tài)。可解釋大爆炸學(xué)說不能解釋的宇宙常速膨脹和宇宙的均勻性等問題，被廣大理論天文學(xué)家認同。上世紀90年代以來，觀測天文學(xué)家對該理論有不同看法，認為宇宙應(yīng)該是一個開放系統(tǒng)。膨脹理論圖示：白點代表星系，膨脹后相互遠離宇宙無限論：有限無界論：在17世紀，Galilei、Newton在經(jīng)典力學(xué)體系的基礎(chǔ)上，建立了宇宙無限無邊的理論，即宇宙的體積是無限的，沒有空間邊界，無限的天體分布在無限的空間之中。1917年，AlbertEinstein在廣義相對論的基礎(chǔ)上，提出了有限無界的靜態(tài)宇宙模型。認為宇宙是有限無邊的，即宇宙空間的體積是有限，是一個彎曲的封閉體，這個彎曲的封閉體沒有邊界，類似一個球面，面積有限，但沿著球面運動總是遇不到“邊”。該理論拉開了現(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系地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個火球。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)見下圖地球構(gòu)造圖三、大氣演化1、原始地球上無大氣、無海洋；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。沒有氧氣。大量水汽造成長時間降雨，持續(xù)了幾千年（推測），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)代大氣中的主要氣體成分；大氣中的氬，是地球固體部分放射性物質(zhì)40K衰變時的副產(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）按濃度時空變化是否明顯來分，分為：定常成分：濃度的時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）來分，分為：主要氣體：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)準狀態(tài)（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空氣密度為1.29kg/m34、重要氣體成分的作用1）主要氣體—氮、氧對生命活動有重要意義，但對天氣、百萬年尺度的氣候變化沒有什么作用。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

寫兩篇讀書報告，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，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來源僅為自然來源的五分之一。包括海水飛沫（見下圖）、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)揚沙塵、火山爆發(fā)2）匯即氣溶膠粒子被移出大氣的過程。按是否有水質(zhì)粒參與，分為干移出、濕移出干移出過程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過程。包括重力下沉、附粘移出。濕移出過程：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程。包括凝長下沉、碰并下沉。4、大氣氣溶膠粒子在大氣過程中的作用

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）對大氣輻射過程的影響；吸收和散射太陽輻射，影響大氣溫度的垂直分布。

3）對大氣光學(xué)特性的影響；對太陽光的散射和吸收，會影響大氣能見度，還會影響天空顏色。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)對觀測者所張的角半徑約42度，光環(huán)的彩色排序是內(nèi)紫外紅時，稱為虹。

在虹的外面，有時還出現(xiàn)較虹弱的彩色光環(huán)，光環(huán)對觀測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。

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

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