第一章 大气概况

可变成分：寿命几年到几十年，在大气中所占比例随时间、地点而 变。例如，CO2、O3、CH4，H2等。 快变成分：短寿命（小于1年），变化很快，如一些碳、硫、氮的化 合物（H2O，CO，NO，NO2，HNO3，SO2，H2S和气溶胶），含量 虽然极微少，但由于人类活动的影响或特殊的自然条件，在某些局 部地区浓度可能很大，造成危害。
大约在4亿年前，伴随着地球生物的演化过程，才 逐渐形成现在地球大气的状态。
从火山喷发出来的氮，由于其化学惰性及其在水中 的低溶解度，大部分仍留在大气中，成为现代大气中的 主要气体成分。
大气演化小结
• 第一代大气：氢、氦、氖等气体组成，称为原始大气阶 段（Primordial Atmosphere）。
2. 大气污染与边界层物理
由于大气边界层是大气污染的主要源地，而大气边界层主要特点是 它的湍流性，因此，从20世纪60年代开始，关于边界层结构、特性的探 测和分析研究得到很大发展，并且应用到大气环境的研究，特别是开展 了大气边界层污染物扩散特性的研究；到了80－90年代，边界层大气污 染的区域输送及模拟，大气污染的预测和调控机理的研究得到很大发展。 因此，边界层物理学应用到大气环境的分析、模拟、预测和调控，这也 是20世纪大气科学的一个重要应用研究成就。
干空气的状态方程为：
（10）
Pd d RdT
（4）
• 摩尔数就是1摩尔物质中所含基本单元的个数等于阿伏伽 德罗常数。科学表明，在12克C12中所含有的碳原子数为 6.0221415 × 10^23，即1摩尔。
• 单位物质所具有的质量称摩尔质量(molar mass)，用符号M 表示。当物质的量以mol为单位时，摩尔质量的单位为 g/mol，在数上等于该物质的原子质量或分子质量
5）水汽密度
湿空气中水汽的质量与湿空气的体积之比 v mv V 单位：kg/m3
6）可降水量
• 单位面积空气柱里含有的水汽的总量称为可降水量。 • 它对应于单位底面积空气柱的水汽全部凝结成雨或雪降落 （把空气挤得一点水分都没有）所能形成的降水量。如某 地某时的可降水量为20mm ，即空气柱含有的水汽全部 “拧干”可以形成的水柱高为20mm。
3）相对湿度 r
一定温度和压强下，湿空气的水汽压和在相同状态下下的 饱和水汽压的比值，是水汽压和温度的函数。
4）露点Td
露点温度指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却 到饱和时的温度。
形象地说，就是空气中的水汽变为露珠时候的温度叫露点温 度。 这就是为什么白天不会出现露水而夜间出现露水
露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？ 这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相 同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露 点与气温的差值（即温度露点差=T-Td）可以表示空气中 的水汽距离饱和的程度。气温降到露点是水汽凝结的必要条 件。
第一章 大气概述
0.1 大气物理的定义 主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。
大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、 热现象、相变过程、辐射过程。
0.2 分支 大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、 云降水学、大气辐射学
0.3 大气物理学发展简史
① 近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶~20世纪中叶）
1.1 行星大气和地球大气的演化
50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是 个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉 到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面， 冷却后形成地壳。
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地球大气
生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。 约20~30亿年前，原始植物开始通过光合作用释放 少量的O2，随着O2的大量增加，导致高空大气形成O3层， 从而过滤了太阳的紫外辐射，这样使得大量植物从海洋 深处逐渐向陆地推进，最后形成愈来愈多的O 愈来 愈少的辐射 接受更多的可见光 更加丰富的植 物 释放更多的O2。
对以上n个式子求和，有
mi V P i R T Mi

（2）
考虑到
P P
i
m m
i
并令
M
m mi M i
即为干空气的平均摩尔质量
86km以下，
M 28.966 g / mol
m V P RT M
*
（3）
令
R 8.31 1 1 Rd 287 J kg K M 28.966 103
Rd
1.608
（5）
1、方程推导
干空气和水汽状态方程分别为
Pd d RdT
e v RvT
（4）
（6）
把（5）代入上式（6），有
e v 1.608RdT
（7）
（4）+（7）得湿空气的状态方程
Pd e ( d 1.608v )RdT
即：
P ( 0.608v ) RdT v （ 1 0.608 ) Rd T
Max Karl Ernst Ludwig Planck
（1858～1947）
G.R. Kirchhoff
（1824～1887）
德国物理学家量子力学的开创人
德国物理学家
②大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）
具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。 1. 云物理学
1946年，美国物理学家ngmuir, V.J.Schaefer发现干冰可以催 化云产生降水。B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核大大激励了科学 家们进行人工影响云雨的勇气与信心，促使云降水物理学获得了重大发 展。到了90年代，由于云和降水的物理过程和化学过程研究的掀起，云 物理学增添了不少研究新内容，因此，云物理学也称为云降水物理学。 由于旱涝灾害和雹灾等气候和天气灾害的严重性，人工增雨、消雹作业 在许多地区的开展，使得云降水物理学获得新的发展，特别是人工影响 天气试验的成功，说明在局部地区，人类可以在某种程度上控制天气的 变化。因此，云降水物理学的建立以及人工影响天气的试验的成功也是 20世纪大气科学的重大研究进展之一。
其中pi为第i种成分的分压强，m， μ和n分别为气体的质量、摩尔质量和 摩尔数,R*是普适气体常数
设体积为V、温度为T的干空气中，含有 n种气体成 分，其中第i种 成分的状态方程为：
mi PV R T , i 1, n i Mi
（） 1
mi为第i种气体的质量，Mi为第i种气体的摩尔质量
ppmv：parts per million by volume 1ppmv=10-6
1.2.3水汽量
• 大气中表示水汽量的物理量总称为空气湿度， 它是表示湿空气中水汽含量的多少或空气干湿 程度的物理量。 • 地表蒸发率和大气中形成云雾的凝结过程等， 调节着空气湿度的大小。 • 空气湿度可以用不同的物理量表示，包括水汽 压、水汽密度、混合比、比湿、相对湿度和露 点等。
意大利天文学家 伽利略(16世纪)： 温度计 意大利数学及物理学家 托里拆利(17世纪)： 水银气压计
法国数学及哲学家 帕斯卡和笛卡尔(17世纪)： 气压随高度变化
英国科学家 霍克(17世纪)： 风速计 德国物理学家 华氏(18世纪)： 定华氏温标 法国化学家 查尔斯(18世纪)： 温度与固定体积空气的关系 瑞典天文学家 摄氏(18世纪)： 定摄氏温标 美国科学家 富兰克林(18世纪)： 放风筝入雷暴证明闪电来源 瑞士地质及气象学家 笛绍高斯(18世纪)： 毛发湿度计
雾君和霾君都会影响能见度， 其分界主要取决于空气湿度
1）水汽压e ：大气中水汽产生的压强，即水汽分压(hPa)
•空气中的水汽压不能无限制地增加，在一定的温度下，如果 水汽压增大到某一个极限值，空气中水汽就达到饱和，如果 超过这个极限值，将会有一部分水汽凝结成液体水，这一极 限值称为该温度下的饱和水汽压。 •饱和水汽压es仅是温度的函数，随温度升高而增大；
Rd 称为干空气比气体常数
（3）式可化为：
Pd d RdT
（4）
此即为干空气的状态方程
比气体常数
R 1 1 Rd 287 J kg K M
*
R* 8.31 1 1 Rv 461 J kg K 3 M v 18 10
分别是干空气和水汽的摩尔质量
Rv
•相对于纯水（冰）平面的饱和水汽压es（ esi）；
2）水汽混合比：某一体积湿空气中水汽质量 质量 的比值，单位是kg/kg
和干空气
mv v w md d
比湿 q ：水汽与湿空气的质量比
v mv w q m v m d v d 1 w
在地球大气中，这两个量都小于0.04 kg/kg ，因此可近 似认为w≈q
2）按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：
主要成分：浓度在300ppmv，包括N2、O2、Ar、 CO2，其中前 三种就占了空气体积的99.996%； 微量气体：浓度约1ppmv，包括CH4、Ne（氖）、 He（氦）、 Kr（氪）、水汽； 痕量气体：浓度小于1ppmv，包括O3、H2、氮氧化合物、硫化 物及人为污染物氟氯烃类化合物；
• 第二代大气：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽，称为次 生大气阶段（Secondary Primitive Atmosphere）。 • 现代大气：氮和氧气为主，称为现代大气阶段（Current Atmosphere）。
1）按大气成分在大气中的停留时间可分为：
定常成分：浓度的时空变化不明显的气体成分，主要包括N2、O2、 惰性气体（Ar等）。
3. 大气辐射学
第二次世界大战以后，随着分子光谱学和光谱分析技术的发展，大 气各种成分的辐射特性及其在大气中的传输研究在20世纪5O～60年代掀 起高潮，并且，这些研究广泛应用于气象卫星对地球和大气的天基遥感。 这不仅使其它大气科学分支学科大大发展，也使得大气物理学本身得到 发展。到了20世纪9O年代，大气辐射的测量已成为大气和地球系统天基 遥感的重要手段，这是20世纪大气科学应用研究的重要进展之一。