第一章大气的气体成分03

与左邻右舍进行对比
金星的大气成分主要是 碳酸气，还有少量的氧、 氮、碳、氖、氦、水汽，上 部有原子状态的氧。火星的 大气成分主要是二氧化碳， 另外还有些氨(NH3)、氢、 氧、水汽等物质。
地球大气的演化
第一，现在的大气成分是地球长期演化 的结果，是和水圈、生物圈、岩石圈进行 充分的物质循环的结果。可以说，这几个 圈层是相互联系，互相渗透的一个整体。 第二，现在的大气成分还在不断的进行 着循环过程之中，而且这个过程基本是平 衡的，稳定的，在短时期内不是会有明显 变化的。
二、大气中的水汽的源
液态水体（江河、湖、海）的蒸发、土 壤水分的蒸发和陆地植物叶子的蒸腾。
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在阿拉伯半岛的沙加海滨水汽混合比可 高达35克/千克（湿空气中水汽质量和干空 气质量之比），这是湿度最大值。而在南 极的苏联东方站，相应的水汽混合比为10-4 克/千克与最大值相差5个量级。我国新疆 的吐鲁番年降水量仅16mm，也是非常干旱 的地区。
南极臭氧洞
南 极 South ploe 站观测的臭 氧廓线
四、O3研究国际上新的重要事实
1、自20世纪70年代中期以来，南极大 陆上空O3 总量在每年春季急剧减少50％以 上 ， 形 成 南 极 O3 空 洞 ， 并 持 续 发 展 到 现 在。 2、全球高纬度地区大气O3 总量平均每 十年以3％的速率减少，地面紫外辐射不断 增强。 3、欧洲地区，对流层大气O3 平均以每 年1％~2%的速率增长。 4、随着NOX,CO,CH3 等微量气体的增 多，地面附近O3浓度在增加.
五、中国近十多年O3总量变化 的主要特征
1、大气O3不断在减少，平均年递减率 随纬度增加而增大，在海口地区为0.077%/ 年 ， 在 漠 河 地 区 为 0.75%/ 年 ， 相 差 近 10 倍。 2、青藏高原夏季（6～9月）形成大气 O3总量异常低值中心。
§1.4 水汽
一、大气中的水汽含量 二、大气中的水汽的源 三、大气中的水汽随着温度、气压有剧 烈的变化 四、水汽的空间分布
图 1.5.1 全 球 F-11 与 F-12 的 年 排 放量的年际 变化
2.氮氧混合物(N2O,NO2,NO)
1. 大气中氮的混合物有十几种，通 常把除了NH3和N2O以外的氮氧混合物统 称为奇氮。其中浓度最高，在大气化学中 最 重 要 的 是 NO 和 NO2 ， 经 常 被 统 写 为 NOx。 2. 它们具有温室效应，对大气臭氧 变化有重要影响，也是光化学烟雾的前提 物，容易形成酸沉降。
§1．1
干洁大气
不包含水汽与气溶胶等粒子的大气称为 干洁大气。 干洁气体的分类（按含量分） ： 主要成分(≤10-2），N2，O2和Ar； 微量成分(1～10000ppmv）CO2, CH4, He, Ne,Kr，H2O等； 痕量成分，(<1ppmv),H2, O3, Xe, N2O, NO, NO2,NH3,SO2,CO等。
CO2的时空变化
图 1.2.5 20 世 纪 内 人 类活动引起 的二氧化碳 年排放量
CO2的时空变化
图 1.2.6 大气中 CO2 含 量预测
CO2的时空变化
南京 市 区 2005 年 7 月 20 日， 10 分钟的 平均值
680
670
CO2 密度 mg/m3
660
650
640
630
0
6
12
2、O3浓度的表示方法
ppmv（一百万分之一）， ppmbv（十亿分之一）； μg/g， μg /m3， D. U.， 分压力， Pa等。
3、O3的产生破坏和平衡
O2的光致离解； O3的破坏：N2O，OH基，CFCs。 O3的平衡是由上述反应和大气环流共 同实现的。
二、O3的地区变化，垂直结 构，季节变化
§1．1
干洁大气
干洁气体的分类（可以按寿命分）： 常定成分，O2,N2和惰性气体； 可变成分，寿命等于几年到几十年，有 CO2,CH4,O3,N2O,H2,； 变化很快的成分，其寿命小于1年，有 H2O,CO,NO,NO2,NH3,SO2,H2S等。
§1．1
干洁大气
N2的来源：腐烂的动植物，火山爆发和 闪电等。 O2的来源：水的分解和植物的呼吸。 干洁大气中各种气体成分的临界温度都 很低。
温室效应
自然界的温室气体使地球保持适当的温 度 （ 平 均 ～ 15℃ ） ， 适 于 人 类 和 生 物 生 存。但是当他们的浓度增加，将会使地球 温度升高，改变气候及其他气象要素，特 别是降水。 温室气体浓度增加，使全球平均地表温 度升高，严格地说，这是在自然温室气体 浓度之上增加的“增强温室效应”，人们经 常把”增强”二字省略，但不应忘记。
温室效应
温室效应 有大气时，
太阳射向地球 的是平行光，若以 S0＝1367W/m2 表示 太阳常数（太阳常 数：日地平均距离 处，大气上界与太 阳光垂直面上的辐 照度），
温室效应
对于地面来说，平衡方程为
4επ r0 σTa + π r0 (1 − A) S 0 = 4π r0 σTe
2 4 2 2 4
1、 2、 3、 4、 大气总量O3有明显的地区变化 大气O3总量有明显的季节变化 大气O3的垂直结构 近年来O3的变化
1、大气O3总量有明显的地区变化
图1.31(a) O3总量年平均值的全球分布1958～1980年地面观测结果
1、大气O3总量有明显的地区变化
图1.31(b) O3总量年平均值的全球分布1970～1977年卫星观测结果
三、大气中的水汽随着温度、 气压有剧烈的变化
四、水汽的空间分布
水汽绝大部分集中在对流层下半部，随 高度增加而急剧减少，水汽实际上随地区 和季节的差异有很大的变化。
§1.5 其他大气痕量气体
本节将介绍几种对天气气候变化与大气 环流有重要影响的痕量气体 1.氟氯烃（CFCs） 2.氮氧混合物（N2O，NO2，NO） 3.甲烷（CH4） 4.一氧化碳（CO） 5.二氧化硫（SO2）
§1．2
二氧化碳CO2
介绍温室效应的概念。无大气时：
太 阳 投 射 到 地 球 的 辐(1-A)S 0 2, 射通量 S0πr0 地球吸收的太阳辐射 总通量为 S0πr02(1-A), 地球向空间发射的长 波 辐 射 总 量 4πr02(1A)εeσTe4，得到
4ε eσTe
4
Te4＝－19℃
计算地球平均温度:
1.氟氯烃（CFCs）
在20世纪70年代初，关于CFCs对平流 层O3的可能冲击曾经引起人们极大的关 注。 工业革命以前，这两种气体的浓度为 零，20世纪80年代，大气中的浓度，F－11 为300pptv，F－12为400pptv。 F－11和F－12有明显的温室效应，他们 在对流层中非常稳定。
1.氟氯烃（CFCs）
2.氮氧混合物(N2O,NO2,NO)
3. N2O主要由氮肥以及含氮由机物 腐烂后被土壤内的细菌分解而产生的。 NOx浓度和变化比较复杂，主要由N2O在 平流层中光化分解，煤、石油与天然气的 提炼与燃烧过程；种有农作物的土壤中 HNO2的分解并被微生物氧化以及闪电等 产生的。
3.甲烷（CH4）
甲烷是大气中重要的温室气体。 甲烷的时间变化：自工业革命后甲烷具 有明显的逐步增长趋势，1992年大气中的 甲烷增长率异常下降。 甲烷的空间变化：北半球的含量比南半 球大。 甲烷的源和汇：主要来源于稻田、天然 气、工业废水以及沼气。大气哦甲烷的汇 是在大气中的氧化转化和地面土壤的吸 收。
结
论
1.赤道地区上空极小值 2.北半球65～70度和南半球60～65度极大值 3.北半球O3总量大于南半球O3总量
2、大气O3总量有明显的季节变化
地面观测结果（1958－1980）
2、大气O3总量有明显的季节变化
卫星观测结果（1970－1977）
结论
1. 赤道两旁25度纬度范围内季节变化不太 明显 2. 春季在高纬度地区达极大值 3. 南半球季节变化幅度小于北半球。
4、近年来O3的变化
全球O3总量的变化比较复杂，总的说 来有下降趋势。 (60oN~60oSd的平均值）
三、关于南极臭氧洞
所谓南极臭氧洞是指在南极的春天（每 年10月），南极大陆上空空气柱O3 总量急 剧下降，形成一个面积与南极极地涡旋相 当的气柱O3总量很低的地区。
南极臭氧洞
Hally Bay 站 十 月 臭氧总量月 平均的逐年 变化
地球大气分层
外逸层 热层 中层 平流层 对流层
大气边界层
温 度 分布图1.1
大气物理学的研究内容
大气物理学注意研究对流层与中层非电 离层的大气层。
第一章 大气的气体成分
主要介绍大气中的气体成分 §1．1 干洁大气 §1．2 二氧化碳CO2 §1．3 臭氧O3 §1．4 水汽H2O §1．5 其它大气痕量气体
对于大气来说，平衡方程为
8π r0 εσTa + 4(1 − ε )π r0 σTe = 4π r0 σTe
2 4 2 4 2 4
温室效应
地球表面的大气使得实际观测到的地球表面 温度约为15℃。远高于无大气时辐射平衡温度， 这主要是由于大气的存在使地球表面的平衡的温 度升高了。大气对太阳的短波辐射是透明的，而 对地球表面的长波辐射不太透明，其性质如同温 室的玻璃一样。所以，一般把大气的这种保温作 用又称为“温室效应”。把具有温室效应的气体统 称为“温室气体”。大气中的主要温室气体包括水 汽，CO2，CH4，N2O，CFCs，他们不是大气的主要 成分。
低纬热带地区(a)和中纬温带地区(b)
3、 大气O3的垂直结构
高纬极地地区(c)和混合型分布(d)
3、 大气O3的垂直结构
两极间臭氧垂直分布图
3、 大气O3的垂直结构
两极间臭氧垂直分布图
3、 大气O3的垂直结构
结论
a）低纬度热带地区，O3 含量峰值位置 在24～29km，含量不大，约260D.U. b ） 中 纬 度 温 带 地 区 ， O3 含 量 峰 值 在 19～21km，含量最高为340 D.U. c ） 高 纬 度 温 带 地 区 ， O3 含 量 峰 值 在 13～15km，含量最高为400 D.U. d）混合型分布：第一峰值位置在19～ 21km，第二峰值位置在11～14km（有时 到17km），第二峰值可达660 D.U.，这种 混合型往往在极地出现。
第一篇 大气的组成与物理特性
概述 ： 大气的起源 大气的分层
大气的起源
第一代大气：氢、氦、氖等气体组成。 称为原始大气阶段。 第二代大气：氮、二氧化碳、甲烷、氨 和水汽。称为次生大气阶段。 现代大气：氮和氧气为主。称为今日大 气阶段。 今天的大气成分为什么是这样？
地球大气的演化
地球大气是怎样长期演化来的，目前主 要有两种看法。 一种看法认为今天的大气就是从地球原 始大气演化而来的。 另一种看法则认为，原始大气已经不存 在了，现在的大气是由于地球内部火山活 动所喷发出的物质演化成的。
一、大气中的水汽含量
有人做过估计：
全球有140万 万亿吨的水 淡水占3％ 海水（咸水 ）占97％
冰雪占 2％
地下水占98.8％
其 它 占 表面水占1％ 1％
空 中 水 占 0.2 ％ （ 约28万亿吨）
水汽占95％ 云雨占5％
大气中的水汽约为28万亿吨×95％～26.6万亿 吨。全球平均气柱内的水汽总量为27kg/m2
CO2的时空变化
图1．2．1 由冰川取样分析得出的大气 二氧化碳变化(取自Neftel A.等，1985)
CO2的时空变化
图1.2.2大气二氧化碳本底浓度变化（取 自Mauna Loa观测站）
CO2的时空变化
CO2的时空变化
图1.2.4 二 氧化碳含量季 节变化幅度与 纬度的关系 ( 取 自 Komhyr 等，1985)
18
24
Time /h
§1．3 臭氧O3
一、概况 二、O3的地区变化，垂直结构，季节变化 三、关于南极臭氧洞 四、O3研究国际上新的重要事实 五、中国近十多年O3总量变化的主要特征
一、概况
1. 2. 3. O3的作用 O3浓度的表示方法 O3的产生破坏和O3的平衡
1. O3的作用
O3对人类和地球环境有害又有益，这取 决于它再大气中存在的位置。 接近地表处的O3，对农作物和呼吸系统 有严重的破坏作用； 对流层O3是一种重要的温室气体； 平流层的O3起着有益的温室气体作用 对大气环流和地球气候的形成起着重要的 作用。另外，紫外线再高空被O3 阻挡，使 地球上的生物免受过多紫外线伤害。