地球科学概论 第二章 大气圈

等。
大气中的污染物质(Pollutant)

分类：
一次污染物： 直接从污染源排出来的物质。 二次污染物：
进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分
发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学 反应而产生的新的污染物。
火山灰
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智利南部普耶韦火山 2011年6月4日起开始喷发
2011年6月7日，阿根廷首都 布宜诺斯艾利斯被火山灰颗 粒形成的云雾笼罩。
2．相对湿度
（ 1 ）概念的引入：为了表示空气中水蒸气离饱 和状态的远近而引入相对湿度的概念． （ 2 ）相对湿度 B ：某温度时空气的绝对湿度 p 跟 同一温度下水的饱和汽压ps的百分比叫做这时空 气的相对湿度．
p B 100% ps
①不同温度下水的饱和汽压可以查表得到．
②在绝对湿度p不变而降低温度时，由于水的饱和 汽压减小而使空气的相对湿度增大． ③居室的相对湿度以60％～70％较适宜．
• 水汽
• 水汽在大气中含量很少，但变化很大，其变化范围在04％之间，水汽绝大部分集中在低层，有一半的水汽集中 在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，10-12 公里高度以下的水汽约占全部水汽总量的99％。 • 大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面、 植物叶面的蒸 发。由于大气温度远低于水面的沸点，因 而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中 变化很大， 是天气变化的主要角色，云、雾、雨、雪、霜、露等都是 水汽的各种形态。 水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐 射，也能放出长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能 吸收和 放出潜热，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大 气的运动和变化。
2、气压的空间分布
低气压和高气压
• 低压槽和高压脊
3、气压随时间的变化
• 日变化
白天地面气压下降，夜间升高
• 年变化
大陆冬季高压，夏季低压 海洋相反 全球气压分布，永久和半永久性活动中心
全球1月平均海平面气压
全球7月平均海平面气压
4、全球气压带
二、气 温
1、影响气温高低的因素
一、天气和天气系统
1、天气是指瞬时或一段时间内风、云 降水、温度等气象要素的综合状况。 2、天气系统是能显示大气中天气变化 及其空间分布的 独立系统。 不同的天气系统 有不同的天气特征。
3、天气过程(weather process)
天气系统随时间和空间的演变过程， 称为天气过程。 在天气过程的不同阶段，能形成不 同天气特征。
准 定 常 成 分 可 变 成 分
快变成分
一、大气圈的组成
对人类活动及天气变化有影响的大气成份为：
(1) 氧气：氧气占大气质量的23％，它是动植 物生存、繁殖的必要条件。氧的主要来源是植物 的光合作用。有机物的呼吸和腐烂，矿物燃料的 燃烧需要消耗氧而放出二氧化碳。 • (2)氮气：氮气占大气质量的76％，它的性质 很稳定，只有极少量的氮能被微生物固定在土壤 和海洋里变成有机化合物。闪电能把大气中的氮 氧化（变成二氧化氮），被雨水吸收落入土壤， 成为植物所需的肥料。

分布： 空间 垂直：主要集中在3km以下的低层大气中。 水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少；
时间：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。
大气中的污染物质(Pollutant)

来源： 自然过程形成 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。 人为过程造成 工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业 上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏
3、气温的空间分布
等温线 全球地表气温空间分布特征 1、北半球冬季纬向差异较大，南半球相反。 2、等温线在大陆上向赤道方向突出 3、热赤道
垂直分布 气温直减率
三、湿度
• 空气的湿度可通俗地理解为空气的潮湿 程度．它有绝对湿度和相对湿度之分．
1．绝对湿度：
空气中水蒸气的压强p叫做空气的绝对 湿度，也叫水汽压．
露 点
1．露点：使空气里的水蒸气刚好达到饱和时的温度 叫做露点． （1）露点温度时水的饱和汽压就是空气的绝对 湿度． （2）根据露点和气温的差值，可大致判断出相 对湿度大小，差值越大，相对湿度越小． 2．露点可以测定． 3．根据测定的露点可确定空气的相对湿度．从水的 饱和汽压表中查出露点时的饱和汽压（等于空气 在原来温度时的绝对湿度）再查出原来温度下饱 和汽压，就可求出． 4、露点相关的天气现象：露、霜、云、雾
大气中各种成分与万物的关系
二、大气圈的结构
• 大气质量在垂直方向的分布极不均匀，整 个大气圈内大气的成分、温度、密度等物 理性质都有明显的变化，这种变化称为大 气在垂直方向上的差异。
大气垂直分层 altitude（Km） 800
exosphere 1、气温随高度增加而增 加 2、气体分子呈电离状态 气温随高度增加而递 减（高空对流层） 1、空气以水平运动为主 2、几乎没有水蒸气，没有 气象现象，利于高空飞行 3、有20km左右臭氧层， 可吸收短波紫外线 1、气温随高度增加而递减 2、空气垂直对流运动显著 3、天气现象复杂多变 4、气象要素分布不均匀
引言
•Байду номын сангаас
空 ”，
伽利略的设想 “大自然厌恶真 水压机之谜。
• 托里拆利、维瓦尼实验 与气压计的诞生
引言
• 玻意耳、帕斯卡实验 玻意耳证明，气体体积减小 一半，压强就增大一倍。
帕斯卡发现了大气密度的 垂直方向的不均匀性。
大气层是如何形成的
大气中氧的来源
• (1)光解作用(photodissociation)： 2H2O + 紫外線 → 2H2 + O2 • (2)光合作用(photosynthesis)：
• (3) 二氧化碳：二氧化碳含量随地点、时间而异。 人烟稠密的工业区占大气质量的万分之五，农村 大为减少。同一地区冬季多夏季少，夜间多白天 少，阴天多晴天少。这是因为植物的光合作用需 要消耗二碳。 • (4) 臭氧：臭氧是分子氧吸收短于0.24微米的紫外 线辐射后重新结合的产物。臭氧 的产生必需有足 够的气体分子密度，同时有紫外辐射，因此臭氧 密度在22—35公里处为 最大。臭氧对太阳紫外辐 射有强烈的吸收作用，加热了所在高度（平流层） 的大气，对平流层温度场和流场起着决定作用， 同时臭氧层阻挡了强紫外幅射，保护了地球上的 生命。
•
干洁空气气体的主要成分及含量
空气中的含量/按体积％ 平均滞留期/ 年 分子量
主要气体成分
氮（N2） 氧（O2） 氩（Ar） 二氧化碳 臭氧（O3） 干洁空气
106 78.08 104 20.95 109 0.93 15 0.03（可变） ？ 0.000 001（可变） 100.00
28.02 32.00 39.94 44.00 48.00 28.96
• 2、依气体混合程度分层：
约在85公里下，因混合作用使气体成分 均匀分布，成为均匀层。85公里以上，空 气密度小，气体的分布由扩散运动主宰， 较重的气体在较下层，成为不均匀层。
• 3、依照不同的物理、化学特性
如臭氧层、光化层等。
§2.2 气象要素特征、变化和分布
一、气压
§2.2 气象要素特征、变化和分布
• 在80-100公里以下的低层大气中，气体成 为可分为两部分：
不可变气体成分：主要指氮、氧、氩三
种气体。这几种气体成分之间维持固定的 比例，基本上不随时间、空间而变化。
易变气体成分：以水汽、二氧化碳和臭
氧为主，其中变化最大的是水汽。
一、大气圈的组成
组成：

干洁大气（即干空气）Clean Air

thermosphere
100
80 60 40 20
Ozone layer
troposphere -100 -50 0 50 temperature（℃ ） 100 stratosphere
mesosphere
臭氧浓度随高度的分布
高度/km
臭氧层
1017
1018 臭氧浓度/m-3
1019
南极臭氧洞：南极地区上空大气臭氧总含 量大幅度异常下降的一种现象 。
层云
四、降水
降水量和降水强度 • 降水量
降水量是以雨、雪、冰雹(包括 雾、露、 霜)融化后，未经蒸 发、渗透、流失而聚积的深度， 单位是毫米。
• 降水强度
单位时间的降水量称为降水强 度，其时间以10min、1h 或1d 为单位。
对流降水
地形降水
• 降水
锋面降水
§2.3 天气和天气系统、 天气预报

水汽 Moisture
悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity
干洁大气成份
• 大气这种含有各种物质成分的混合物，可以大致分为干洁 空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。 • 干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整 个混合气体，简称干空气。它的主要成分是氮、氧、氩、 二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的99.99％以上。 其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。
• 主要因素
太阳辐射，地表性质
• 其他因素
海拔高度，海陆分布，洋流，空气湿度
2、气温随时间的变化
• 气温日变化
日较差及影响因子 最高温出现在下午2点前后 最低温出现在清晨日出前
气温年变化
年较差 气温最高月及最低月，陆地与海洋的差异 影响因子：纬度、下垫面、海拔、天气。
大气污染物
随着人类社会生产力的高度发展，各种污染物大量地 进入地球大气中，这就是人们所说的“大气污染”。 大气中污染物已经产生危害，受到人们注意的污染物 大致有一百种左右，主要污染物如表所示。
大气中的污染物质(Pollutant)

定义： 由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围 的大气成分发生对生物界有害的变化。
• 1、气压的定义
大气压强（ P ）是大气层中的物体受大气层自身重力产生 的作用于单位面积物体上的压力。 单位：mb（毫巴）、hPa(百帕） 大气的压强 1atm＝101326Pa＝1013.26mb=760mmHg 气压的形成是大气气体 分子受到地球的引力， 气压随高度升高按指 数率递减
2、气压的空间分布
• 杂质和微粒
大气中除了气体成分以外,还有很多的液体和固体杂质、 微粒。杂质是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的 颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后 而被蒸发的盐粒，还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。 它们多集中于大气的底层。 液体微粒，是指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰 晶等水汽凝结物。 大气中杂质、微粒，聚集在一起，直接影响大气的能见 度。但它能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的 过程；它能吸收部分太阳辐射，又能削弱太阳直接辐射和 阻挡地面长波辐射，对地面和大气的温度变化产生了一定 的影响。
• 皮耶克尼斯，V. 挪威气象学家、物理学家、近代天气学 和大气动力学主要创始人之一，气象学挪 威学派的创始人。
气 团
（一）、气团和锋(Air mass and front)
1、气团 （1）定义：气团是指一定范围内物理属性相 均匀的大块空气。 （2）气团的形成和变性：
气团形成的条件：
*大范围性质比较均匀的下垫面； *有利于空气停滞或缓行的环流条件。 气团源地：气团形成的地方
第二章 大气圈
主要内容
• • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 大气圈的组成及结构 气象要素特征、变化和分布 天气和天气系统、天气预报 地球上的气候带
引言
• 地球的外围包裹着一层有一定厚度的连续 气态物质，即大气圈。 大气圈与人类及地 球上的生物有着密切的关系。
• 亚里斯多德的猜想 土、水、气、火和以太五种原质构成壳层。
夜光云
其他分层方式
• 1、依电离状态区分层：
大约在50公里以上，大气的电离程度很高， 称为电离层；在50公里以下，只有少部分 空气呈电离状态，称为非电离层。电离层 若依电离程度区分有可分为D层（50～80 公里）、E层（80～150公里）及F层（150 公里以上），D层与E层可反射调幅无线电 波（AM），而波长较短的的无线电波则可 穿透至较高层而由F层反射。
6CO2 + 6H2O + 可見光 → C6H12O6 ＋ 6O2
氧气、臭氧浓度变化与生物演化史
§2.1 大气圈的组成及结构
一、大气圈的组成
• 过去人们认为地球大气是很简单的，直到十九世 纪末才知道地球上的大气是由多种气体组成的混 合体，并含有水汽和部分杂质。它的主要成分是 氮、氧、氩等。
一、大气圈的组成
气团变性：气团离开源地后，其物理属性 的改变。