大氣科學導論ch13 lecture

期末考試時間：2015年12月31日下午1-3點，地點：2教307嚴格遵守考場紀律考題類型：簡答題、判斷和說明理由、問答題（有可能有計算、推導、畫圖）Ch12.行星大氣行星大氣成分和垂直層結(jié)固體星球的歷史氣候演變行星大氣環(huán)流的特征氣體星球的超級旋轉(zhuǎn)和長生命力渦旋系外行星行星及其大氣成分

太陽系行星體積和自轉(zhuǎn)方向的比較行星的主要物理參數(shù)行星不同的性質(zhì)內(nèi)圍星球是固體的，而外圍星球是氣體的。內(nèi)圍星球：水星、金星、地球、火星。這些星球是固體的，其大氣有一個固體的下墊面外圍星球：木星、土星、天王星和海王星。這些星球具有固態(tài)或液態(tài)的核心，但很難定義其大氣從何開始，因為沒有一個明確的下墊面。行星大氣的成分固體行星和氣體行星太陽系的行星大體可以分為兩大類：固體行星(terrestrialplanets)：行星本身是固態(tài)的，如金星、地球、火星，這些行星的體積相對較小，被較重的大氣（N2，O2和CO2）包圍(水星幾乎沒有大氣)；氣體行星(gasplanets)：沒有明顯的固體核心或“地表”，如木星、土星、天王星、海王星，它們的大氣由較輕氣體分子組成(H2，He)；土衛(wèi)六(Titan)是土星的一個衛(wèi)星，它像一個較冷的固體行星，其星體具有中等密度，它是太陽系除地球之外最有可能有生命存在的星球；金星、地球、火星的垂直溫度廓線金星地球火星木星的垂直溫度廓線固體星球：金星、地球、火星金星Venus地球Earth火星Mars地球和四個氣態(tài)星球的體積比2.固體星球的歷史氣候演變我們知道金星、地球和火星現(xiàn)在的氣候狀態(tài)完全不同，這基本可以根據(jù)它們與太陽的距離來解釋。因為這些固體星球的能量主要來源于太陽輻射，它們的地熱基本可以忽略。但是，有證據(jù)表明在幾十億年前(在這些星球形成之初(太陽年輕的時候,faintyoungSun))，它們都有液態(tài)水存在。什么原因?qū)е铝怂鼈兊臍夂颦h(huán)境朝著截然不同的方向演化？為什么地球氣候系統(tǒng)是一個充滿活力的系統(tǒng)？行星大氣的溫室效應在沒有溫室效應的情況下：金星：T=225K（-48℃）火星：T=216K（-57℃

）金星表面的實際平均溫度為480℃

，溫室效應造成的升溫為528℃?；鹦潜砻娴膶嶋H平均溫度大約是-60℃

，所以，溫室效應造成的溫差為3℃

（盡管火星大氣超過95%是CO2，但大氣非常稀薄，其表面氣壓僅6mb，地球大氣壓為1013mb，溫室效應很弱）。

溫室逃逸太陽輻射太強，水汽完全蒸發(fā)；太弱，完全冰封，虛線是飽和水汽壓隨溫度的變化曲線；三根實線分別代表金星、地球和火星在輻射平衡時水汽壓隨溫度的變化曲線。它是由大氣的溫室效應決定的。冰水汽金星由于金星的太陽常數(shù)很大(SV=2658Wm-2),其輻射平衡曲線落在氣（汽）態(tài)區(qū)域。這意味著無論金星上有多少液態(tài)水或冰，它都將完全被蒸發(fā)掉。一般認為，金星在其早期（最初的幾億年）曾存在液態(tài)水。那時太陽的輻射強度只有現(xiàn)在的70%。但是當太陽的輻射強度增強之后，發(fā)生了溫室氣體逃逸，液態(tài)水全部被蒸發(fā)，光解，并逃逸向太空。冰水汽金星早期的水完全蒸發(fā)并逃逸掉。由于沒有水循環(huán)的沖刷，火山噴發(fā)的CO2不斷地積累在大氣中，所以，金星大氣的溫室效應非常強。另一方面，SO2等氣溶膠也留在大氣中，金星大氣非?；鞚?。金星大氣金星被厚重和渾濁的大氣所包圍，它的大氣壓力是地球的95倍。由于沒有水循環(huán)的沖刷，金星大氣非常渾濁。又由于幾乎完全被云和氣溶膠所籠罩，只有大約4%的太陽光可以透過金星大氣到達金星地面。地球地球的太陽常數(shù)介于金星和火星之間(SE=1376Wm-2)，其輻射平衡曲線穿越了液態(tài)和氣態(tài)區(qū)域（實際上，在地球上H2O是三態(tài)共存）。地球大氣的輻射平衡曲線與飽和水汽壓曲線有兩個交叉點。使用方程（4）和（6），我們可以得到A點大致對應于288K(15℃)，C點對應于314K(41℃)。冰水汽AC地球就全球平均溫度來說，一般的外界強迫產(chǎn)生的溫度擾動，并不足以造成溫室氣體逃逸的現(xiàn)象。但地球上的局地溫度是可以超過41℃的，是否存在溫室氣體逃逸的現(xiàn)象，還需要證明。如果地球大氣中CO2足夠多（水汽的含量也足夠多），達到第2個交叉點和發(fā)生溫室氣體逃逸的現(xiàn)象也是有可能的。AC火星由于火星的太陽常數(shù)很小(SM=596Wm-2)，其輻射平衡曲線落在固態(tài)區(qū)域。這意味著無論火星上的水分幾乎完全以固態(tài)形式（冰）存在（實際上，火星上的CO2也大部分凝固成干冰）?；鹦堑妮椛淦胶馇€也應與飽和水汽壓曲線存在2個交叉點，但要讓其達到第2個交叉點的幾乎是不可能的。冰水汽兩極的白色是固態(tài)CO2—干冰云和地面冰蓋因為溫度太低，火星上即使有水，也完全被冰凍，所以，不存在水循環(huán)。但卻存在CO2循環(huán)。在冬半球，CO2凝固形成干冰并沉降到地面；在夏半球，干冰升華形成CO2上升到大氣中。由于沒有化學反應來消耗和存儲CO2，這種循環(huán)并不能降低金星大氣中的CO2含量?；鹦潜砻娴纳硥m暴火星上的旋轉(zhuǎn)風早期的火星曾有液態(tài)水？很多人相信火星曾有液態(tài)水存在，這些液態(tài)水為當時生命的出現(xiàn)提供了條件。但火星現(xiàn)在沒有液態(tài)水。一些人相信火星的液態(tài)水滲透到地下并完全凍結(jié)成冰。水沖刷過的痕跡火星表面的水哪里去了？水流過并在沙漠中滲透的痕跡水滲透到地下的痕跡

火星的“河流”？火星表面水的痕跡火星表面冰和水的痕跡火星生命的“證據(jù)”？火星生命的“證據(jù)”？火星日出勇氣號火星探測車鳳凰號探測車發(fā)回的照片火星上的沙丘和玄武巖第三代火星車:好奇號第三代火星車:好奇號火星人的抗議3.行星大氣的環(huán)流特征

3.1金星大氣的環(huán)流特征右圖所示的金星赤道升起的暗色云團向極地運動，表明自赤道向極地的直接環(huán)流。與地球大氣的三圈環(huán)流不同的是，它只有一個自赤道向極地的單圈環(huán)流。這與金星較慢的自轉(zhuǎn)速度有關(guān)。3.2地球大氣的環(huán)流特征右圖所示的地球大氣的環(huán)流特征：熱帶的ITCZ云系，對應哈德雷環(huán)流；中高緯度的渦旋狀云系對應氣旋風暴。地球大氣中的渦旋（無論氣旋或是反氣旋），其最大生命期一般不超過2周。3.3火星大氣的環(huán)流特征火星大氣很希薄，只有6hpa。所以，我們可以直接看到金星的地表。它之所以看起來呈紅色是因為土壤中含有高氧化鐵的緣故。溫度、緯向風、和哈德雷環(huán)流3.4木星大氣的環(huán)流特征木星大氣的環(huán)流特征是5-6個交替的西風帶和東風帶。高速的東—西風帶之間的風切變不穩(wěn)定形成渦旋。白色的云層較高，按色的云層較低。高速帶狀流動和強風切變不穩(wěn)定形成的渦旋大氣紅斑是氣旋或是反氣旋？木星大氣的緯向風

大紅斑特寫3.5土星大氣的環(huán)流特征帶狀氣流和渦旋

是土星大氣的基本環(huán)流特征隨緯度分布的帶狀氣流土星大氣風速隨緯度的分布土星的超級風暴每20-30年出現(xiàn)一次，只存在北半球北極正六邊形渦旋南極也有渦旋，但不是正六邊形3.6天王星(Uranus)大氣的環(huán)流特征帶狀氣流是天王星大氣環(huán)流的基本特征3.7海王星的環(huán)流特征海王星的大黑斑

TheGreatDarkSpotoverNeptune大黑斑在海王星的位置與大紅斑在木星的位置大致相同（南緯20多度）。相對于它們所處的星球，大黑斑和大紅斑的大小也差不多。但大黑斑的形狀會在園和橢圓之間變動，在垂直方向上會壓縮和拉伸。變化的大黑斑5.氣體星球的超級旋轉(zhuǎn)和狹窄哈德雷流行星的自轉(zhuǎn)速度是導致各行星大氣環(huán)流差別的一個重要因素，高自轉(zhuǎn)速度造成赤道附近的超級旋轉(zhuǎn)急流、狹窄的哈德雷環(huán)流。超級旋轉(zhuǎn)是由于大氣波動提供能量使得行星大氣的運動比星星本身的自轉(zhuǎn)速度快。數(shù)值模擬的不同自轉(zhuǎn)速度下的緯向風

自轉(zhuǎn)速度越快，急流與靠近赤道，反之，偏向極地。極地赤道極地赤道圖中的自傳速度是與地球自轉(zhuǎn)的比值。自轉(zhuǎn)速度對大氣環(huán)流的影響上圖表明自轉(zhuǎn)速度較大時，哈德雷環(huán)流和緯向風急流被壓縮在赤道附近，這可以部分地解釋木星和土星赤道附近的狹窄急流和哈德雷環(huán)流。當自轉(zhuǎn)速度減小時，哈德雷環(huán)流逐漸地自熱帶向高緯度擴展，急流從熱帶向極地移動，這大致可以解釋金星、地球和火星較寬廣的哈德雷環(huán)流，尤其是金星的自轉(zhuǎn)速度較慢，哈德雷環(huán)流較其它行星寬廣。當自轉(zhuǎn)速度等于零時，基本沒有急流，哈德雷環(huán)流變?yōu)閱稳Νh(huán)流。長生命力的渦旋的維持到目前為止，我們還沒有很好地解釋巨型氣體星球大氣中的帶狀分布的急流和長生命力的渦旋的維持。這些環(huán)流特征是巨型氣體星球與固體星球的根本區(qū)別。這些帶狀急流和長生命力渦旋都是由于高速自轉(zhuǎn)造成的。高速自轉(zhuǎn)產(chǎn)生急流，急流不穩(wěn)定產(chǎn)生小渦旋，小渦旋匯集成大渦旋，并不斷為大渦旋提供能量，維持期穩(wěn)定。數(shù)值模擬的快速自轉(zhuǎn)星球的帶狀氣流數(shù)值模擬的快速自轉(zhuǎn)星球的帶狀流動數(shù)值模擬的大紅斑(大黑斑)的形成5、系外行星70Arewealone?Aretheythere?71Arewealone?Aretheythere?72Arewealone?Aretheythere?ByDec.9,2014,1854exoplanetshavebeendiscovered.20ofthe1854exoplanetsarepotentiallyhabitableTheGl581systemandhabitablezone已發(fā)現(xiàn)的系外行星質(zhì)量和距其母星距離的分布行星的多樣性Insofar,most

of

thesediscoveredexoplanets

are

tidal-locking

planets,duetostronggravitationalgradientthatmakesonesideoftheplanetsalwaysfacestheirparentstars,causingsynchronousrotation,justlikeMoon.HabitableexoplanetsMostofthesediscoveredexoplanetsaregiantgasplanets,andaminorpartsofthemareterrestrialplanetsorsuper-Earths.Thelikelyhabitableplanetsare:Gliese581dandHD85512b,whileGliese581ghasnotbeenconfirmed.WeshallfocusonGl581ginthistalk.Gl581gwasdiscoveredinSept.29,2010

(Vogt

etal.,2010)ThehabitablezoneofGliese581Itisabout20light-yearaway,37-dayrotatingperiod,M≈3.5ME,substellarTe≈330Kfor0.2albedo.M-dwarfGliese

581（想象圖）

輻射溫度：3200

K，輻射峰值波長：0.9μm,靠近紅光，

所以，呈紅色Gliese

581星系（想象圖）想象的Gl

581c日出和水世界想象的Gl

581c日出和水世界想象的Gl

581d日出和湖泊想象的Gl

581c上的生命想象的Gl

581生命地球和Gl

581d相比較（想象圖）Whyassuminganaqua-planet?Lissauer(1999)Comparisonofsea-icecoverageandSAT(AGCMvs.AOGCM)

Roleofoceanheattransportinclimateandhabitabilityoftidal-lockingexoplanetsaroundM-Dwarfs(HuandYang,2013,PNAS)AGCMwithslaboceanAOGCM海冰覆蓋率表面氣溫Canwaterbecompletelytrappedonthenightside?Menou(2013)ThreeconfigurationsoficeOceanheattransportisveryefficienttomeltingicefromthebottomIcethickness,max:4mGlacierthicknessisabout2km參考文獻：IntroductiontoCirculatingAtmosphere,IanN.James,CambridgeUniversityPress,1994,Chapter10.Ingersoll,A.P.,1990,Atmosphericdynamicsoftheouterplanets.Science,248,308-315.Beatty,J.K.,andA.Chaikin,1990:TheNewSolarSystem(3rded).CambridgeUniversitryPress,326pp.Schubert,G.,ETAL.,1980:StructureandcirculationoftheVenusatmosphere.J.Geophys.Res.