第2章 地球大气的成分及分布

2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.2 地球大气的演化
地球形成有46亿年的历史,过程漫长,只能依据地 层的化石结构和行星大气资料推算其不同时期的成分.
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.2 地球大气的演化（★）
根据地层的化石结构和行星的大气资料来推断地
球大气的演化,三阶段：
原始大气 次生大气（还原大气） 现代大气（氧化大气）
2.2.5
硫的化合物
氮(nitrogen)的化合物
2.2.3
臭氧（O3）
什么是臭氧？
臭氧（O3），是氧气（O2） 的同素异形体； 在常温下，臭氧是一种有特 殊臭味的蓝色气体。 臭氧吸收太阳紫外辐射
（0.2-0.29um），防止其到
达地球。
2.2 干洁大气
2.2.3 臭氧（O3）（★）
1、分 布: 主要集中在10~50km的平流层大气中，极大值在 20~30km之间。 2、特 点： 臭氧对太阳紫外辐射（0.2~0.29μm)有强烈的吸收 作用．是最重要的微量成分之一。 3、作 用 一方面臭氧阻挡太阳紫外辐射到达地面，保护地球上 的生命．（生态学） 一方面臭氧吸收太阳紫外辐射使平流层大气增温，对 平流层的温度场和大气环流起着决定性作用．同时引 起对流层温度降低。如使地面平均温度降低１－２度。 （气象学）
1、除水星外的几大行星都被一层大气所包围； 2、类地行星和类木行星的大气表现出2种不同的类型； 在宇宙空间里，物质世界的化学元素丰度随元素原子量
的增加而减少，这样通过演化形成各不相同的行星大气。
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.1 行星大气
综合表现：距离太阳近，由于温度高（地球除外)及太 阳风的作用行星原始大气消失较快；而距离太阳远，温度低， 行星原始大气消失缓慢。
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.2 地球大气的演化 ３、现代大气
① 、水汽离解产生的氧和氧原子对同一波段的太阳紫外 辐射(<0.195微米)有很强的吸收,因此会降低光解的速度, 最终达到一个平衡浓度。 ② 、地球上氧气主要靠植物的光合作用产生，即生物圈作 用导致地球大气的进一步演化； ③ 、 生命的出现和生物圈的形成在大气的演变中起了重 要作用，与适宜的日地距离有关的。由于适宜的日地距离 使地球表面有合适的温度条件，即使水能在水汽、液态水、 冰之间循环。
第二章
地球大气的成分及分布
2.1 行星大气和地球大气的演化 2.2 干洁大气 2.3 大气中的水(气、固、液三态) 4.4 大气气溶胶
2.1行星大气和地球大气的演化
行星新定义
一 二 三
必须是围绕恒星（如太阳）运转的天体
质量足够大，能依靠自身引力使天体呈圆球状
其轨道附近没有其他物体
2.1 行星大气和地球大气的演化
3、浓度变化趋势估计
工业革命之前，大气中CO2含量是相当稳定的，
一直稳定在280*10-6左右。


工业革命以后，从1800－1900年这一百年中，
含量呈增加趋势，致使浓度增加。 从1900年到2000年，浓度增加了65*10-6，即约
增加了22%左右。 特别是上世纪50年代以后，每年大约以1.8*10-6
d pd Rd T
pe Rd T
1 0 3 0 3 0 1 0 0 2 8 7.0 5 3 0 2 7 3.1 5
1.1 4 kg / m 3


2.2 干洁大气
2.2.2 碳的化合物
大气中含碳的化合物主要有：CO2 、 CH4 （甲烷）、CFC（氟氯烃化合物） 等 气体和含碳的气溶胶粒子。
2.2 干洁大气 2.2.1 二氧化碳CO2
1、来源:地球表面
人工源：矿物燃料燃烧、工业活动；自然源：生物体的腐 烂和呼吸作用排出CO2 。 而植物光合作用又使CO2还原。通过 光合作用和呼吸作用循环如下：
光合作用：nCO2+nH2O 呼吸作用: [CH2O]n+nO2
[CH2O]n+nO2 nCO2+nH2O
第一章
地球大气的成分及分布
2.1 行星大气和地球大气的演化 2.2 干洁大气 2.3 大气中的水汽 2.4 大气气溶胶
2.2 干洁大气
分类：按浓度、平均停留时间分类
（１）浓度：相对量、绝对量 绝对量：如体积、质量（单位mg/m3,μg/m3）
相对浓度：ppm(10-6)百万分之一 ppb(10-9 )十亿分之一 ppt(10-12)一万亿分之一
体，又在大气中容易被氧化而生成一系列氢氧化合物。 大气CH4中浓度的增加所致的温室效应是不能忽视的。
2.2 干洁大气
2.2.2 碳的化合物 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 二氧化碳CO2 甲烷2.2.3 氟氯烃化合物（CFC）
① 这类大气中原不存在的有机化合物由氟、氯和碳原子 组成CFCs； ② CFCs性质稳定且无毒，作为制冷剂、喷雾发射剂和发
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.2 地球大气的演化
1、原始大气
成分：由地球中最丰富的轻物质氢气（H2）、 氦气（He）和一氧化碳（CO）组成。由于太阳风 和地球的升温的作用，使原始大气逐渐向宇宙空间 膨胀并逃逸散失。 时间：估计在45亿年前或晚些时候，地球没有 大气。
2.1 行星大气和地球大气的演化
泡剂得到广泛使用，可存在几十到几百年，所以在大
气中浓度逐年累积； ③ CFCs长期积累送到平流层，能分解产生氯原子，起到 破坏臭氧层的作用， ④ CFCs是一种温室气体，在地气系统辐射收支中的作用
不容忽视
2.2 干洁大气
2.2.1 2.2.2 2.2.3
干空气状态方程 碳的化合物 臭氧（O3）
2.2.4
1~20ppmv
1ppmv以下
2.2 干洁大气
大气微量成分和痕量成分一般也是短寿命
的成分（除惰性气体）：
１、有化学活性。参与大气中的化学过程，酸雨、 光化学污染（氮氧化物）。 ２、大多是温室气体。含量影响地球的辐射平衡， 全球气候变化。
2.2 干洁大气
按平均停留时间分为三类： 基本不变或准定 常成分 可变成分 平均寿命短于１ 年成分 N2、O2、Ar、 惰性气体 CO2 、CH4 、 H2 炭、硫、氮化合 物 １０００a（年） 几年到几十年 短于１年成分
2.1.2 地球大气的演化
2、次生大气
原因：由于造山运动、火山爆发和从地幔中
释放出地壳内原来吸附的气体，形成了次生大气。
成分：CO2,CH4,NH3,H2O，少量水汽。大部 分水汽形成了云雾和降水，成为地表水----海洋和 湖泊。 时间： 45-20亿年前
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.2 地球大气的演化 ３、现代大气
对于实际大气：垂直方向90公里（km）以下的匀和层，特 别是对流层大气（10-12km）内空气的成分，见表1.3（P15）可 见，氮、氧、氩三种气体就占据了空气容积的99.966%。
2.2 干洁大气
2.2.1 2.2.2 2.2.3
干空气状态方程(★) 碳的化合物 臭氧（O3）(★)
2.2.4
2.2.5
加尾缀m、v表示质量、体积，用ppmm、ppmv等表示； 例如：400ppmmN2表示1g空气中含有400×10-6g的N2
2.2 干洁大气
分类：按浓度、平均停留时间分类
（２）平均停留时间 即该种成分的所有分子更新一次所需的时间 t=M/F=M/R M分子的总质量，F向大气的输入速率，R消失速率 浓度与平均停留时间的关系：
2.2 干洁大气
2.2.2.2 甲烷CH4 (沼气)
2、 平均浓度及特性
浓度：3000多年前直到150年以前，CH4浓度一直保持
在0.6-0.8ppmv，而在1984年全球地表大气甲烷平均浓度
为1.625ppmv，可见其在近100-200年浓度有了显著增加；
特性：不但是一种温室气体，又是一种化学活性气
3、浓度变化趋势估计
假定到2100年世界人口比现在增加一倍，按照现在
的情况排放，届时CO2浓度将会增加近一倍。
CO2有强烈的“温室效应”，浓度的增加会大大改变 大气的热量平衡，导致:大气低层和地面的平均温度上 升。全球气候的变化将直接影响到人类的生存环境。
2.2 干洁大气
2.2.2 碳的化合物 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 二氧化碳CO2 甲烷CH4 (沼气) 氟氯化碳化合物
2.2 干洁大气
2.2.2.2
1、来 源 自然源：湖泊、沼泽里的生物体腐败后被细菌分解而生成的。
（地表生物源占80%）
甲烷CH4 (沼气)
人为源：天然气、工业废水和污水产生甲烷。具体如下：
全世界稻田可释放出大约20*106－150*106t 动物的废物可释放出20*106－30*106t 家用污水处理掩埋垃圾废物将分解出大约25*106t 木材和煤的燃烧等可释放出30*106t
干空气气压，单位Pa 密度，单位kg／m3 温度，单位K
Rd=287.05J/kg.k 则干空气的状态方程: pd=ρdRdT cpd=1004J/(kg.K)
cvd=717J/(kg.K)
• 若湿空气块的压强为1030hpa，气温为 30℃，水汽压为30hpa，求干空气的密度。 • 解： p d d Rd T
的速率增加。
2.2 干洁大气
南极Law Dome冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度
360
340
CO2 浓 度 (ppmv)
320
300
280 1000 1200 1400 1600 1800 2000 年
工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。
2.2 干洁大气 2.2.1 二氧化碳CO2
第二章 地球大气的成分及分布
从人造卫星上观测大气，它好像是地球的一层薄壳，呈美丽
的浅蓝色而且透明。这薄薄的一层大气是地球赖以生存的保障。
大气质量:50%的集中在6km以下的低空；99.9%是在地面50km高度的空间中，这不到地球半径（6300Km）的百分之一 然而：地球大气没有明显的上界；因为大气密度随着高度的 增加呈指数减小逐渐过渡到星际空间
2.2 干洁大气 2.2.1 二氧化碳CO2
2、分布 海洋能吸收大量二氧化碳，好比一个巨大的 储存库。 高纬地区的洋面主要起到汇作用，吸收 热带和低纬地区的洋面是源的作用，放出 总体来看，大气向海洋输送二氧化碳。海洋 是二氧化碳而言就是一个巨大的存储库。
2.2 干洁大气 2.2.1 二氧化碳CO2
一般寿命长的成分其浓度也比较大
2.2 干洁大气（★）
干洁大气（干空气）：除水汽以外的纯净大气。干
洁大气由多种气体混合组成，按浓度分为三部分；按
平均滞留时间亦可分为三类。
按浓度分可为主要成分、微量成分、痕量成分
主要成分
N2、O2、Ar、CO2
300ppmv 以 上
微量成分
痕量成分
CH4 O3、H2、氮氧化合物、 硫化物及氟氯烃
碳水化合物， 即糖类
2.2 干洁大气 2.2.1
时间分布：
[CH2O]n称为碳水化合物，即糖类，糖类将转化成以淀粉 为主的有机物，构成植物。因此生物圈对CO2含量影响最大的
二氧化碳CO2
2、分布
是森林和绿地，其浓度有明显的季节性变化。冬季、夜晚、
阴天>夏季、白天、晴天
空间分布：
垂直方向上，高度小于20千米为0.03%，大于20千米以上 它的含量显著减少；水平方向上：城市>农村，陆地>海洋
成分： 现代地球大气以氮（N2）、氧（O2）为主。在地球上出 现生物以前，大气中的游离氧极少，这少量的氧气是水汽被太阳紫 外辐射离解产生： H2O+hν H2O+hν O+O+M H+OH H2+O O2+M
0.195um 0.195um
光解过程生成原子氧，可在有第三者(M)存在的条件下结合成分子氧:
九大行星
八大行星
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.1 行星大气
水、金、地球、火星 1、类地行星：
质量、体积都比较小，有固体表面 化学物质以重物质为主
木、土、天王、海王星 2、类木行星：
没有固体表面 化学物质以轻物质为主 ，氢、氦、氖、甲烷
2.1 行星大气和地球大气的演化
2.1.1 行星大气
硫的化合物
氮(nitrogen)的化合物
2.2 干洁大气
2.2.1 干空气状态方程（★）
（道尔顿分压定律） （混合理想气体状态方程）
P=P1+P2+P3+…=∑Pi
m Pv=nR*T = R T =mRT M
n是混合气体摩尔数
M 是平均摩尔质量；R是混合理想气体比气体常数
干空气的比气体常数是: