第一部分大气的组成及热力状况

固体杂质
二 、大气的垂直分层
思考下列问题
1、地球大气共分哪几层? 2、在不同纬度，对流层 高度是否一样?为什么? 3、对流层和平流层的气 温如何随高度而变化?原 因是什么? 4、对流层和平流层中， 大气运动的特点是什么? 5、对流层和平流层大 气与人类有何关系? 6、读图，说明电离层 与人类的关系。
大气的垂直分层
电 离 层
高 层 大 气
散逸层 暖层 上冷下热 高空对流
电离层能反射 无线电波，对 无线电通讯有 重要作用 气温初稳后升热 只因层中臭氧多 水平流动天气好 高空飞行很适合 对流旺盛近地面， 纬度不同厚度变； 高度增加温度减， 只因热源是地面； 天气复杂且多变， 风云雨雪较常见
中间层
平流层 对流层
云量少 厚度小
低纬 夏季
高度 角大
削弱少
强 度 大
四、 大气的保温效应
• 1、地面辐射 • 是大气的主要热源，地面辐射绝大部分 （约有75~95%）被大气中的云、雾、水 汽和二氧化碳等吸收，只有波长为 8.4~12um的部分，可穿过大气层进入宇 宙空间，故称此波段为“大气窗”。
• 2、大气辐射
• （1）大气靠吸收（其吸收具有选择性）地面长波 辐射而增温。 • 1）水汽：对地面长波辐射的吸收最明显，可吸收 5~8.5um,18um~红外区范围的太阳光； • 2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是 在14.7um为中心的吸收带范围很广；
• （2）有关辐射的基本规律 • 辐射能力强的物体，其吸收能力也强，黑体 的吸收率最大，故它是最好的放射体； 对于 同一物体，如果在温度为T时，它放射某一 波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收 同样波长的辐射； 任何物体在向四周放射能 量的同时，也吸收能量； 高温物体在单位面 积上放射的能量比低温物体多。斯蒂芬—波 尔斯曼定律：E=δ.T4 .δ=5.67×10-8W （m2.K4） 、大气上界太阳辐射：（可看作 黑体辐射） 太阳表面温度高达6000K左右， 是炽热的气态球体。
10
• • • •
3、平流层的特征 （1）气温随高度升高的分布 下层：其上界离地面约35~40km，为同温层 上层：其上界离地面约50~60km，为逆温层， 即气温随高度的升高而降低。因为平流层上层 含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太阳紫处线 而增温； • （2）气流以水平运动为主，逆温的存在，对流 不易产生。 • （3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。
三、大气对太阳辐射的削弱作用
1、吸收作用
2、反射作用
云层、尘埃 特点：无选择性
O3吸收紫外线 CO2、水汽吸收红外线
和微小尘埃：具有选择性
大颗粒的尘埃及水滴：则无选择性
★散射类型
• 1）分子散射：太阳辐射遇到比其波长小的空气分子 时发生的散射，辐射击的波长愈短，散射得愈强。 因此当太阳辐射通过大气时，由于分子散射的结果， 波长较短的光被散射得较多，雨后天晴，天空呈青 蓝色，就是因为太阳辐射中青蓝色光波长较短，容 易被大气散的缘故。分子散射的另一特点是：质点 散射对于其光学特性来说是对称的球形。 • 2）粗粒散射：太阳辐射遇到悬浮在空气中的尘埃、 烟尘、水滴等比光的波长尺度大的粗粒时，散辐就 失去了对称的形式，粗粒散射是没有选择性的，即 辐射的各种波长都同样地散射。
（四）大气组成的变化
1、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，人类社 会每年排放的二氧化碳总量在过去三十年里增加了一 倍，再加上大量砍伐森林，减少了绿色植物通过光合 作用吸收二氧化碳的能力，大气中二氧化碳的浓度在 过去三十年里增长了12％。
2、氯氟烃是一种人工合成的化合物，主要用于制冷 剂、火箭推进剂等，到了 80 年代中期为止，全球氯氟 烃的年消费量已达到100万吨。
第一部分 大气的组成和垂直分层
大气的组成和垂直分层
• 一、 大气的组成 • （一）干洁空气：大气中除固体杂质和水汽之外 的全部混合气体，称为干洁空气。 其中，氮和氧容积占99.04％，加上氩，三者合 占99.97％，其他气体仅占0.03%。干洁空气中大 多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能 出现的最低温度，CO2 的临界温度虽然不高（每 种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上， 无论怎样增大压强，气态物质不会液化，这个温 度就是临界温度。 CO2 的临界温度31.1℃ ） ， 但它所对应的压力却大大超过其实际分压力。因 此，干洁空气中的所有成分都呈气体状态。
太阳辐射——短波辐射
地面辐射——长波辐射
大气的热力作用
1、大气对太阳辐射的削弱作用 2、大气的保温效应
太阳辐射光谱——太 阳辐射中辐射按波长 的分布，称为太阳辐 射光谱。 从太阳辐射光谱图中 得出什么规律？
• 2 太阳辐射 太阳辐射光谱和太阳常数 （1）波长过短或过长所负荷的辐射能量都很少； （2）大气上界太阳辐射光谱在0.1~5um的范围； 太阳辐射中99%的能量在0.15~4um的范围，其中 0.4~0.76um为可见光区，＞0.76um的为红外区， ＜0.4um为紫外区。 （3） 太阳辐射能主要分布在可见光区和红外光区， 其中，可见光占太阳辐射总能量的50%，并以 0.47um附近最强，红外区占43%；紫外区的太阳 辐射能很少，只占7%。 太阳常数——在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2 面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称为太阳 常数。1370W/m2。
• 从大气与地表自然环境之间关系来说， 对流层具有特别重要的意义。下面将主 要讨论对流层范围内的基本情况。
三 、大气的热力状况
地球表面处于大气圈、水圈和岩石圈的交 互作用之中，进行着各种形式的运动过程， 包括简单的机械运动和复杂的生命过程， 其中大多数过程的能量直接或间接来自太 阳辐射。太阳辐射透过地球的大气“外衣” 到达地表，经过一系列能量转换之后，形 成对地球生命有深刻影响的大气热力状况。 地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化 的重要条件，也是决定地球上能量和物质 输送、转化的重要因素。气温的空间变化 是各地理要素地域分异的根本原因之一。
• （二）水汽
水汽主要来源于海洋、江河湖泊和土壤， 以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。大 气中的水汽含量极不固定，随时间、地点、 条件而不同。其所占容积变化范围为0—4％。 观测结果表明，在1.5—2km 高度，水汽含量 只及地面的1/2；在5km 高度，只相当于地面 的1/10，再往上更少。 水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范 围内可以发生汽态、液态和固态三相转化， 人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都 是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收 和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温 度。
太阳 地面 大气
大气逆辐射
• 地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本 身的温度向外辐射。由于地面和大气的 温度比太阳低得多，因而地面和大气辐 射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其 能量集中在3—120 微米的红外范围内。 故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面 和大气辐射为长波辐射。
• 据估计，约有75—95％的地面长波辐射 被大气吸收，用于大气增温，只有极少 部分穿透大气散失到宇宙空间。由此可 见，地面是大气第二热源。气温变化必 然受到地面性质的影响。地面长波辐射 几乎全被近地面40—50 米厚的大气层所 吸收。低层空气吸收的热量又以辐射、 对流等方式传递到较高一层。这是对流 层气温随高度增加而降低的重要原因。
太阳
大气和地面反 射、散射34%
大气上界 大气吸收19%
地面吸收47%
到达地面的太阳辐射
Q
L2 L1
Q
Q2
S1
Q1
S2 地球
大气的削弱作用
Q2<Q L1<L2
直射 Q1
S1
>
Q2 S2
Q1<Q Q1>Q2 S1<S2 斜射
影响 太阳 辐射 强度 因素
太 阳 高度角
大气 状况
随纬度变化 随季节变化
大气对地面的保温作用
射向宇宙空 间 射向宇宙空 间
地 面 吸 收
10
• 4、中间层的特征 • 高度：平流层顶至85km处。 • （1）温度随高度的升高而迅速下降。因为 臭氧的含量下降。 • （2）空气以垂直运动为主。但由于空气稀 薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。 • （3）在80km处白天出现一个电离层。
5、暖层的特征 • 高度：中间层至800km处 • 特征： • （1） 空气质量小，空气稀薄，空气密度只角空气总 质量的0.5%，在120km高空，空气密度小至声音都 难于传播。 • （2） 温度随高度升高而升高。因为所有波长小于 0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收，顶层 温度可达1000度。 • （3） 空气处于高度电离状态。 • （4） 能反射无线电波 • （5） 出现极光现象。
3 、由于煤、石油等矿物燃料的使用越来越多，排入 空气中的硫、氮等氧化物不断增加。
大气组成的这种变化，会产生什么影响?
大气各成分的作用
大气组成 干 主要 N2 洁 成分 O2 空 CO2 气 次要 成分 O3
水 汽 主 要 作 用 生物体的基本成分 维持生物活动的必要物质 植物光合作用的原料；对地面保温 吸收紫外线，使地球上的生 物免遭过量紫外线的伤害 成云致雨的必要条件；对地面保温 成云致雨的必要条件
• 1、辐射的基本知识 • （1）物体对辐射的吸收、反射和透射 假设投射到物体上 的总辐射为Qo，被 吸收的为 Qa，被反 射的为Qr，透过的 为Qd，则根据能量守 恒 原理：Qa+Qr+Qd=Qo 两边同除以Qo得： Qa/ Qo +Qr/ Qo +Qd/Qo =1 即；a+r+d=1。 物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波 长和物体的性质而改变。 黑体——能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即 a=1。
• （三）固体杂质 悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒 等，它们的半径一般为10-2—10-8cm，多集中于低层 大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘 埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以 及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒 则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形 成的，固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空，城市 多于乡村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面 愈多。 固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部 分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和 地表 温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能 见度的好坏。