大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)課件

第二章大氣的起源、成分和結(jié)構(gòu)授課：趙傳湖海洋環(huán)境學(xué)院408Email:

大氣科學(xué)導(dǎo)論大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)參考書徐玉貌，劉紅年，徐桂玉。大氣科學(xué)概論。南京：南京大學(xué)出版社，2000，219.黃榮輝。大氣科學(xué)概論。北京：氣象出版社，2005，212.C.DonaldAhrens.2008.MeteorologyToday:AnIntroductiontoWeather,Climate,andtheEnvironment,9thedition.大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)Atmosphere

Theenvelopeofgasessurroundingtheearthoranotherplanet.

－《牛津英漢雙解詞典》大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)大氣是人類賴以生存的最重要的資源

潔凈的空氣對(duì)生命來說，比任何東西都重要。一個(gè)成人每天呼吸大約有兩萬次，吸入的空氣量是10～15m3，大約是每天所需食物重量的10倍。生命的新陳代謝離不開空氣。一般而言，人若5周不吃飯，5天不飲水，尚能生存，但5分鐘不呼吸就會(huì)死亡。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)

從太空中看，地球是一顆明亮的藍(lán)色星球，美麗而多變。藍(lán)色是因?yàn)樗砻娴乃姆种歉采w著藍(lán)色的海洋，明亮是因?yàn)樗厦嬗性S多云層。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)亞馬遜河上空航拍的照片。貼近地球表面的地方（圓?。┖鼙〉?、淡藍(lán)色(why?)的一層，大致就是大氣的厚度，頂部大致就是“天”的高度了。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)圣人的洋蔥皮大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.1大氣的成分按濃度將大氣組成分成三類：主要成分：濃度>1%，氮(N2,占78.08%v)，氧(O2,占20.95%v)，氬(Ar,占0.93%v)。微量成分：濃度1ppm～1%，包括CO2,

CH4及He,Ne,Kr等及水汽。痕量成分：濃度<1ppm，主要有氫(H2),臭氧(O3),氙(Xe),一氧化氮(NO),二氧化氮(NO2),氨氣(NH3),二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO)等，還有一些人為產(chǎn)生的污染氣體。ppm：partpermillion百萬分之…ppb：partperbillion10億分之…ppt：partpertrillion萬億分之…大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)氧氣：一切生命所不可缺少的。是地表一切生命所必須的氣體。如動(dòng)、植物的呼吸，要在氧化作用中得到維持生命的熱能。一切有機(jī)物的燃燒、腐敗和分解都依賴于氧，氧氣被稱為“有生命的氣體”。即使能夠獲得燃料，生火也需要空氣中至少有12%的氧氣。§2.3大氣的成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)

大氣中的氧氣只需提高大約4%，就會(huì)引起世界性的火災(zāi)。氧氣現(xiàn)在濃度每增加1%，閃電造成森林大火的概率就增加70%。若氧氣成分達(dá)到25%，一旦著起火來，即使是潮濕的植被也會(huì)不斷地燃燒下去，閃電引發(fā)的森林大火將會(huì)烈焰沖天，直到所有的可燃物全部燒光。（LovelockJ，1979）大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)2.氮?dú)饫洗蟾纾?8.08%）：對(duì)氧起稀釋作用，使氧不致太濃、氧化作用不過于激烈；對(duì)植物而言，豆科植物的根瘤菌將大量的氮固定到土壤中，成為植物體內(nèi)不可缺少的養(yǎng)料。氮和氧是大氣的主要成分，對(duì)天氣現(xiàn)象影響很少。通過生物過程達(dá)到收支平衡。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)水汽：占大氣總質(zhì)量的0.25%：可變濃度隨高度迅速減少，觀測(cè)表明，在1.5～2km高度上，水汽含量已減少為地面的一半，到5km高度上，只有地面的1/10。大氣中水汽的含量還與地理緯度、海岸分布、地勢(shì)高低、季節(jié)以及天氣條件等密切相關(guān)。在溫暖潮濕的熱帶地區(qū)、低緯暖水洋面，低空水汽含量最大，體積混合比可達(dá)4%，而干燥的沙漠地帶和極地，水汽含量極少，僅為0.1~0.002%?！?.3大氣的成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)水的存在大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)水汽的相態(tài)變化液態(tài)固態(tài)氣態(tài)大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)水汽是大氣中的重要成分隨著大氣的垂直運(yùn)動(dòng)，空氣中的水汽會(huì)發(fā)生凝結(jié)或凝華，形成水滴或冰晶，進(jìn)而產(chǎn)生云和降水（雨、雪、冰雹等）；水汽發(fā)生相變時(shí)會(huì)吸收或釋放大量的熱量(潛熱)；水汽能強(qiáng)烈地吸收和放出長(zhǎng)波輻射，是一種重要的溫室氣體。水汽能直接影響地面和空氣的溫度，從而也影響大氣的垂直運(yùn)動(dòng)。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)通過水的相態(tài)變化，海洋、河流、江湖和土壤等的蒸發(fā)向大氣輸送水汽，大氣中的水汽通過凝結(jié)或凝華形成降水，又回到海洋、河流、土壤，使不同部分的水不斷發(fā)生更替，形成水循環(huán)。水汽在大氣中的平均停留時(shí)間為??天。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)水汽在大氣中的平均停留時(shí)間大氣中的水量是13個(gè)單位，每年全球的降水量是423個(gè)單位。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)CO2：占大氣體積(質(zhì)量)的0.035%(0.037%)。通過動(dòng)植物呼吸，有機(jī)物腐朽分解、火山噴發(fā)、化石燃料燃燒進(jìn)入大氣。它的消耗是植物光合作用(海洋)以及與地表的巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO2CO2+H2O+ν<CH2O+O2在大氣中的停留時(shí)間大約是15year?！?.3大氣的成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3大氣的成分

CO2對(duì)太陽(yáng)輻射吸收很少，但能強(qiáng)烈地吸收地面的長(zhǎng)波輻射，同時(shí)又向地面和周圍大氣放射長(zhǎng)波輻射，從而使地面和空氣不致因放射長(zhǎng)波輻射而失熱過多。也即，CO2起著使地面和空氣增溫的效應(yīng)，被稱為溫室氣體。法國(guó)著名數(shù)學(xué)家傅立葉(J.B.Fourier)，1827年認(rèn)識(shí)到大氣有如玻璃瓶，會(huì)把陽(yáng)光的熱能困在其中，這后來發(fā)展成“溫室效應(yīng)”觀念。溫室效應(yīng)大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)傅立葉被世人所推崇主要在于他在數(shù)學(xué)(傅立葉分析)和熱傳導(dǎo)上的卓越貢獻(xiàn)1768年3月21日生于歐塞爾，1830年5月16日卒于巴黎。9歲父母雙亡，被當(dāng)?shù)亟烫檬震B(yǎng)。12歲由一主教送入地方軍事學(xué)校讀書。17歲（1785）回鄉(xiāng)教數(shù)學(xué)，1794到巴黎，成為高等師范學(xué)校的首批學(xué)員，次年到巴黎綜合工科學(xué)校執(zhí)教。1798年隨拿破侖遠(yuǎn)征埃及時(shí)任軍中文書和埃及研究院秘書，1801年回國(guó)后任伊澤爾省地方長(zhǎng)官。1817年當(dāng)選為科學(xué)院院士，1822年任該院終身部長(zhǎng)，后又任法蘭西學(xué)院終身秘書和理工科大學(xué)校務(wù)委員會(huì)主席。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)臭氧（O3）：德國(guó)科學(xué)家麻魯(VanMarum)1786年在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，1839年德國(guó)化學(xué)家斯考賓(C.F.Schonbein)再次發(fā)現(xiàn)并命名為OZEIN，意思是發(fā)臭味的物質(zhì)。一般氣態(tài)的O3淺藍(lán)色無味，濃度達(dá)到10-6左右時(shí)，有特殊的刺鼻味道，在雷電天氣或有放電作業(yè)的場(chǎng)合中往往可以嗅到臭氧的味道?！?.3大氣的成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)O3的產(chǎn)生

大氣中的氧分子吸收一定波長(zhǎng)范圍的太陽(yáng)輻射，獲得足夠的能量使正常狀態(tài)的氧分子分解成氧原子，隨后，氧分子再和氧原子結(jié)合生成臭氧分子。其最基本的光化學(xué)過程可表示為大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)圖中藍(lán)色粒子代表氮原子，紅色粒子代表氧原子。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)圖中藍(lán)色粒子代表氮原子紅色粒子代表氧原子大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)垂直方向上O3的含量在低層大氣中，由于太陽(yáng)輻射能的減弱，氧分子的分解速度很小，沒有足夠的氧原子存在，因此不能形成足夠多的臭氧分子。在較高的大氣層中，雖然有足夠的太陽(yáng)輻射能，但是由于大氣密度隨高度迅速減小，氧分子濃度很小，因此也不能形成足夠多的臭氧分子。

大氣中的某一高度上應(yīng)該出現(xiàn)臭氧濃度的極大值。實(shí)際觀測(cè)也證明了這一點(diǎn)。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)

O3：含量極少(10-7～10-8v)，分布不均(10km以下為10-8

，以上開始增加，25km處最大達(dá)10-5

，再往上又減少，至50km則含量極少，10-50km稱臭氧層)。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)O3：臭氧是光化學(xué)煙霧的主要成分，對(duì)人體有害。臭氧對(duì)太陽(yáng)紫外輻射有很強(qiáng)的吸收作用，所獲得的能量對(duì)大氣高層熱狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)過程有著重要影響，對(duì)地面生命有保護(hù)作用。波段波長(zhǎng)對(duì)地球生靈的危害O3吸收紫外A>320nm幾乎無直接危害一小部分紫外B280~320nm殺死或嚴(yán)重?fù)p傷絕大部分紫外C200~280nm可殺死一切生靈全部大氣中臭氧的含量太多太少都不行大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)臭氧空洞某處臭氧層中臭氧含量的減少等于在屋頂上開了天窗，如果減少到正常值的50%以上，人們形象地說這是個(gè)臭氧洞。臭氧洞可以用一個(gè)三維的結(jié)構(gòu)來描述，即臭氧洞的面積、深度及延續(xù)時(shí)間。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)大氣中的臭氧每減少1%。照射到地面的紫外線就增加2%，人的皮膚癌就增加3%，還受到白內(nèi)障、免疫系統(tǒng)缺陷和發(fā)育停滯等疾病的襲擊。現(xiàn)在居住在南極洲較近的智利南端海倫娜岬角的居民，已嘗到苦頭，只要走出家門，就要在衣服遮不住的膚面，涂上防曬油，戴上太陽(yáng)眼鏡，否則半小時(shí)后，皮膚就曬成鮮艷的粉紅色，并伴有癢痛；羊群則多患白內(nèi)障，幾乎全盲。據(jù)說那里的兔子眼睛全瞎，獵人可以輕易地拎起兔子耳朵帶回家去，河里捕到的鮮魚也都是盲魚。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)

懸浮在大氣中的液態(tài)或固態(tài)微粒統(tǒng)稱為大氣氣溶膠粒子.來源包括：自然來源：被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)沙和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的顆粒、火山噴發(fā)的灰塵等；隨著人口增加和工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，大氣中的煙粒、煤粒塵大量增加。6.大氣顆粒物（氣溶膠）顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)大氣顆粒物對(duì)云霧、降水、輻射傳輸、大氣能見度、大氣光學(xué)以及大氣污染有很大影響?？勺鳛樗Y(jié)或凍結(jié)的核心，是成云、霧和降水的重要條件。吸收和散射太陽(yáng)輻射，改變地球的輻射平衡等。如果沒有塵埃，日落就會(huì)像涮鍋水般渾濁，燦爛的藍(lán)天會(huì)像墨水般黑暗和一成不變，而影子將變得一片漆黑，邊緣猶如剃刀般鋒利，在我們眼里好像水泥一樣不可穿透。

——（TimFlannery，2005）大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.1大氣的成分

干潔大氣：氣象上通常稱不含水汽和懸浮顆粒物的大氣為干潔大氣，簡(jiǎn)稱干空氣。

水汽和干空氣的混合氣體稱為濕空氣。80-90km以下，干空氣成分(除O3和一些污染氣體外)的比例基本不變，可視為單一成分，其平均分子量為28.966，不會(huì)發(fā)生相變。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)臭氧吸收太陽(yáng)紫外線使生物免受傷害地面輻射生物體的基本成分氮生命活動(dòng)（呼吸）離不開氧光合作用原料二氧化碳大氣逆輻射大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)小結(jié)一N2

土壤中的細(xì)菌，吸收大氣中的氮

植物、動(dòng)物的腐敗，產(chǎn)生氮送回大氣-----------------------------------------------------------------------------------------

植物、動(dòng)物的腐敗，吸收氧O2

氧化作用呼吸作用光合作用——產(chǎn)生氧-----------------------------------------------------------------------------------------

光合作用——消耗二氧化碳

CO2

海洋吸收植物腐敗、火山爆發(fā)、呼吸、人工燃燒

砍伐森林(deforestation)-----------------------------------------------------------------------------------------H2O

凝結(jié)(condensation)

蒸發(fā)(evaporation)-----------------------------------------------------------------------------------------O3

光化學(xué)過程+–+++–––大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)典故：李世民和魏征“夫，以銅為鏡，可以正衣冠；以史為鏡，可以知興替；以人為鏡，可以知得失。魏征沒，朕亡一鏡矣！”

——?jiǎng)d（xù）《舊唐書》年輕的時(shí)候，我們常常沖著鏡子做鬼臉，年老的時(shí)候，鏡子算是扯平了?，F(xiàn)代大氣的鏡子？玉匣盼開蓋，輕灰拭夜塵，光如一片水，影照兩邊人大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.2大氣圈的演化地球自從它形成以來，大約46億年。其大氣的演變可分為三個(gè)階段：原生大氣，次生大氣、現(xiàn)代大氣。原始大氣的形成和星系的形成過程密切相關(guān)。原始大氣出現(xiàn)約46億年，比原始人類出現(xiàn)（幾百萬年）早3個(gè)數(shù)量級(jí)，比人類有文字記載的歷史（數(shù)千年）早6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此只能在現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)加上推理來研究大氣演變?？茖W(xué)家們從不同的角度提出了不同大氣演化模式。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)太陽(yáng)系的形成上帝的七天奇跡：能力很強(qiáng)，效率很高，粉絲很多?？档潞屠绽梗禾?yáng)系起源的星云假說；災(zāi)變說；俘獲說；“星云說”的重生；宇宙大爆炸（BigBang）：大約150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高度集中在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。之后，物質(zhì)開始向外膨脹，先后誕生了星系團(tuán)、星系及我們的銀河系、恒星、太陽(yáng)系、行星、衛(wèi)星等。地球是由銀河系內(nèi)發(fā)生的一次大爆炸所產(chǎn)生的星云物質(zhì)碎片及塵埃，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間凝聚，在46億年前形成。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)一、原生大氣（天文大氣圈）原生大氣的成分是以氫和少量的氦為主（why？）。大氣伴隨著地球的誕生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所說的星云開始凝聚時(shí)，地球周圍就已經(jīng)包圍了大量的氣體了。原生大氣存在大約數(shù)千萬年。當(dāng)太陽(yáng)作為年輕恒星經(jīng)歷噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段，強(qiáng)大的太陽(yáng)風(fēng)把原始大氣從地球上吹走，刮向茫茫太空。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)二、次生大氣（地質(zhì)大氣圈）地球生成以后，由于溫度的下降，地球表面發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而地球內(nèi)部的高溫又促使火山頻繁活動(dòng)，火山爆發(fā)時(shí)所形成的揮發(fā)氣體，就逐漸代替了原始大氣，而成為次生大氣。生物的化學(xué)進(jìn)化：簡(jiǎn)單物質(zhì)=>有機(jī)化合物=>有機(jī)大分子=>團(tuán)聚體=>原核生物46-38億年前大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)次生大氣中沒有氧，即使有也不能保留。當(dāng)時(shí)地面溫度很高，地殼中有很多金屬鐵，氧將很快和金屬鐵反應(yīng)形成氧化鐵。

次生大氣主要來自地球內(nèi)部，由火山噴發(fā)產(chǎn)生。按現(xiàn)代火山噴發(fā)的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，一些氮和硫的化合物?；鹕綒怏w成分體積分?jǐn)?shù)/%水蒸氣79.31二氧化碳11.61二氧化硫6.48氮?dú)?.29氧氣0其他氣體0.73夏威夷火山氣體的成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)二、次生大氣次生大氣形成時(shí)，水汽大量排入大氣中，當(dāng)時(shí)地面溫度很高，大氣不穩(wěn)定對(duì)流的發(fā)展很旺盛，強(qiáng)烈的對(duì)流使水汽上升凝結(jié)形成液態(tài)水，出現(xiàn)江河湖海等水體，風(fēng)雨閃電交加。次生大氣籠罩的時(shí)間大約46億年前到20億年前。期間大量的CO2溶于原始海洋，最原始的生命在這個(gè)時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)（大約35億年前）。大氣圈成分

20億年前：H2OCO2N2SO2Ar

20億年后：N2O2ArH2OCO2

含氧大氣大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)三、現(xiàn)代大氣

由次生大氣轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代大氣，同生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。植物的出現(xiàn)和發(fā)展使大氣中氧出現(xiàn)并逐漸增多起來，動(dòng)物的出現(xiàn)借呼吸作用使大氣中的氧和二氧化碳的比例得到調(diào)節(jié)。大氣中的二氧化碳還通過地球的固相和液相成分同氣相成分間的平衡過程來調(diào)節(jié)。

大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)代（億年）生物圈大氣圈古原生代(25-18)原核細(xì)胞演化，真核生物出現(xiàn)含氧大氣出現(xiàn)中元古代(18-10)宏體生物的起源含氧量可能為現(xiàn)在的1-4%，臭氧層可能開始出現(xiàn)。新元古代(10-5.4)裸露動(dòng)物群大氣和海洋中CO2含量降低大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)古生代生物圈大氣圈早古生代5.3-4.05寒武紀(jì)初生命的大爆發(fā)，寒武紀(jì)早期動(dòng)物界的進(jìn)化只用了極短的地質(zhì)時(shí)間，并構(gòu)成了寒武紀(jì)以來的生物演化的基本框架。出現(xiàn)了生物地理分區(qū)，生態(tài)分異也非常明顯。大氣含氧量在進(jìn)一步增加，5.4億年為現(xiàn)在水平的10%，4億年接近現(xiàn)在的水平。晚古生代4.05-2.51海生無脊椎動(dòng)物的發(fā)展，脊椎動(dòng)物的登陸與演化，陸地森林的出現(xiàn)與植物分區(qū)。自4億始，大氣圈中氧的含量接近現(xiàn)代水平。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)次生大氣和現(xiàn)代大氣成分的比較大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)小結(jié)二約46億年來地球大氣的演變可分為三個(gè)階段：原生大氣，次生大氣，現(xiàn)代大氣?，F(xiàn)代大氣的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。自由氧的出現(xiàn)是現(xiàn)代大氣形成的重要標(biāo)志?，F(xiàn)代大氣的產(chǎn)生同生命現(xiàn)象的發(fā)展關(guān)系最為密切。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)內(nèi)容大氣結(jié)構(gòu)大氣演化大氣成分大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3大氣的垂直結(jié)構(gòu)地球大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)（溫度、成分、電荷、氣壓等）有顯著差異，依據(jù)這些特征可將大氣進(jìn)行不同類型的分層。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3主要?dú)庀笠?/p>

大氣的性狀及其現(xiàn)象用基本要素——?dú)鉁?、氣壓、濕度、風(fēng)、云況（云狀和云量）、能見度、降水情況（降水類型和降水量）、輻射、日照及各種天氣現(xiàn)象等來描述的，這些因子成為氣象要素。最常用的是溫、壓、濕、風(fēng)四個(gè)要素。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)氣溫表示空氣的冷熱程度的物理量。熱力學(xué)中，氣體溫度T（絕對(duì)溫度）是分子平均動(dòng)能的量度，也是分子運(yùn)動(dòng)快慢的量度。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)于個(gè)別分子來說，溫度是沒有意義的。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)氣溫量度溫度高低的尺子稱為溫標(biāo)，常用三種：攝氏溫標(biāo)：℃，用符號(hào)t表示。絕對(duì)溫標(biāo)：K。用T表示，T＝273.16＋t。華氏溫標(biāo)：℉。水的沸點(diǎn)為212℉，冰點(diǎn)為32℉，均分為180等分，一等分為1℉。

℉＝9/5℃＋32。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)濕度一定體積的空氣中含有水汽質(zhì)量mv克,干空氣的質(zhì)量md克。定義混合比r為水汽與干空氣的質(zhì)量比：

定義比濕q為水汽與濕空氣的質(zhì)量比：表示濕空氣中水汽含量的物理量稱為空氣濕度，一定體積濕空氣的水汽和干空氣的質(zhì)量。最基本的大氣濕度物理量是混合比r與比濕q，其他濕度參量是導(dǎo)出量。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)濕度水汽壓：空氣中所含水汽的分壓力飽和水汽壓：絕對(duì)濕度：?jiǎn)挝惑w積空氣中含水汽的質(zhì)量相對(duì)濕度：水汽壓與同溫度下飽和水汽壓的比值大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)濕度露點(diǎn)溫度：濕空氣在水汽含量不變的情況下，等壓降溫至對(duì)水面而言達(dá)到飽和時(shí)的溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。即空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度叫露點(diǎn)溫度。

露點(diǎn)溫度本是個(gè)溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因?yàn)?，?dāng)空氣中水汽已達(dá)到飽和時(shí)，氣溫與露點(diǎn)溫度相同；當(dāng)水汽未達(dá)到飽和時(shí)，氣溫一定高于露點(diǎn)溫度。所以露點(diǎn)與氣溫的差值可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)氣壓大氣壓強(qiáng)。靜止大氣某地的氣壓是該地單位面積上大氣柱的重量，空氣有垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣壓值與空氣柱的重量有一定差異。氣壓的單位hPa。氣象上規(guī)定，溫度為0℃，緯度為45的海平面氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，為101325Pa=1013．25hPa大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)風(fēng)：空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)：風(fēng)向和風(fēng)速。風(fēng)向：風(fēng)吹來的方向大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)風(fēng)向標(biāo)尾翼、指向桿、平衡錘、旋轉(zhuǎn)軸大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)風(fēng)速：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)空氣相對(duì)于地面移動(dòng)的水平距離

氣象臺(tái)站要求風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)速表同為10m高。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3大氣溫度的垂直變化大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度的垂直變化，分為：對(duì)流層、平流層、中層、熱層和外逸層等。我們平常關(guān)心的大氣層是對(duì)流層，0-10公里。大氣越往上越稀薄，最后融合到宇宙空間。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)為什么大氣的垂直溫度分布是這樣的？大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)對(duì)流層(Troposphere)特點(diǎn)：氣溫隨高度增加而降低，平均而言，減溫率平均為γ=0.65℃/100米。

原因：陽(yáng)光加熱地面，而地面又加熱它上面的空氣。包含了地球上我們熟悉的所有天氣。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)對(duì)流層(Troposphere)大氣密度和水汽隨高度迅速遞減。對(duì)流層幾乎集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4，和水汽的90%。有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。氣象要素的水平分布不均勻，受地表的影響大。海陸分布、地形起伏差異等。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)17~18千米高緯度低緯度高緯度對(duì)流層高度：低緯地區(qū)平均為17-18km，中緯地區(qū)10-12km，極地8-9km。季節(jié)變化：夏季高于冬季。10~12千米8~9千米10~12千米8~9千米大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)對(duì)流層上冷下熱，利于空氣對(duì)流溫度隨高度增加而遞減冷熱不均引起空氣對(duì)流熱冷天氣復(fù)雜多變大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)平流層(Stratosphere)特點(diǎn)（對(duì)流層頂?shù)?5km）：最初20km以下，氣溫隨高度不變；20-50km溫度上升很快。原因：①臭氧吸收紫外太陽(yáng)能加熱了大氣；②30km以上臭氧減少，但紫外輻射強(qiáng)烈，空氣稀薄，加熱很少的分子，即可達(dá)較高的溫度。層內(nèi)氣流平穩(wěn)、對(duì)流微弱，而且水汽極少，能見度很好。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)平流層大氣上冷下熱，不利于空氣對(duì)流，空氣以水平運(yùn)動(dòng)為主冷空氣高度平流層頂~50/55千米溫度隨著高度增加而遞增熱空氣天氣晴朗大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)中層(Mesosphere)55-85km，氣溫隨高度下降。1.幾乎沒有臭氧吸收太陽(yáng)輻射。2.氮和氧能直接吸收的太陽(yáng)輻射大部分被上層大氣吸收掉，大氣失去比得到能量多，結(jié)果能量損失冷卻。因此發(fā)現(xiàn)中層溫度隨高度一直降低到85km，在此處，大氣達(dá)到它的最低平均溫度-90℃。

大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)中層(Mesosphere)55-85km。有相當(dāng)強(qiáng)烈的垂直對(duì)流混合，又稱為高空對(duì)流層，但是由于水汽稀少，只是在高緯地區(qū)的黃昏時(shí)刻，該層頂部附近，有時(shí)會(huì)看到銀白色的夜光云。只有當(dāng)太陽(yáng)在地平線以下6°-12°時(shí)，低層大氣在地球陰影內(nèi)，高層大氣的夜光云被日光照射時(shí)，才能用肉眼直接觀察到。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)冰晶顆粒散射太陽(yáng)光的結(jié)果

呈淡藍(lán)色或銀灰色而透明的波狀云大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)溫度隨高度增加而遞減冷熱不均引起空氣對(duì)流熱冷原因：臭氧減少高度在平流層頂~85千米大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)熱層(Thermosphere)85-500km，氣溫隨高度增加。原因是氮和氧原子吸收了大量的太陽(yáng)短波輻射，加熱了大氣。因?yàn)樵跓釋觾H有相對(duì)較少的原子和分子，因此吸收相對(duì)少的太陽(yáng)能就可以導(dǎo)致溫度的巨大增加。這層溫度可達(dá)1000-2000K。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)高度85~500千米溫度隨高度增加而遞增原因：氮氧原子吸收紫外線大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)地球表面大約500km以上，分子運(yùn)動(dòng)10公里才可與另一個(gè)相碰撞，在這里許多分子可以擺脫地球引力的束縛。這個(gè)原子、分子可逃到外太空的區(qū)域叫外逸層，可以代表大氣上界(天的高度)。

氣溫很高，隨高度的增加很少變化。外逸層(Exosphere)大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)大氣上界通常有兩種方法：根據(jù)大氣中出現(xiàn)的某些物理現(xiàn)象，以極光出現(xiàn)的最大高度——1200km作為大氣上界。極光是太陽(yáng)發(fā)出的高速帶電粒子使稀薄空氣分子或原子激發(fā)出來的光，它只出現(xiàn)在大氣中，星際空間沒有這種現(xiàn)象。根據(jù)大氣密度隨高度增加而減少的規(guī)律，以大氣密度接近星際星體密度的高度定位大氣上界。根據(jù)衛(wèi)星資料計(jì)算結(jié)果，約為2000－3000km。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3按大氣組成的分層均勻?qū)雍头蔷鶆驅(qū)訌牡孛娴?0~100km，干潔大氣成分隨高度基本不變，稱為均勻?qū)印Ｔ颍和牧骰旌献饔脧?qiáng)。90km以上的稀薄空氣成分則不均勻，稱為不均勻?qū)?。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)§2.3按電荷分層

高空大氣中的氣體分子和原子在太陽(yáng)短波輻射（紫外輻射和X射線）和微粒輻射（質(zhì)子、電子等）作用下會(huì)電離而形成離子和自由電子。這種電離現(xiàn)象發(fā)生在地面以上50－1000km之間，電離的正離子和負(fù)電子密度在80－400km范圍達(dá)到最大，稱為電離層。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)小結(jié)三試畫一張大氣垂直結(jié)構(gòu)圖，以溫度和海拔為坐標(biāo)軸，內(nèi)容包括溫度曲線，臭氧含量，天氣現(xiàn)象，各種分層等。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)思考題地球大氣的主要成分及其演化歷史？按照氣溫的變化特征，在垂直方向上，地球大氣包括哪些層次？為什么會(huì)有這樣的變化特征？思考生命（包括人類）與大氣圈的關(guān)系。大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)次生大氣向現(xiàn)代大氣演變過程中的幾個(gè)重要問題氧氣的產(chǎn)生臭氧層的變化二氧化碳含量的變化大氣科學(xué)導(dǎo)論2-大氣成分與結(jié)構(gòu)1.氧氣的起源早期的大氣中沒有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通過兩種可能機(jī)制而產(chǎn)生：一是通過光解反應(yīng)從H2O和CO2分解而來；另一種是生物的光合作用。如果氧起源于第一種機(jī)制，我