大气物理学 第一篇大气概论

二、地球与宇宙
银河系与河外星系
银 河 系 中 心
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太阳系
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2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU 大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。 国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。 冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳 系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。
1）主要气体—氮、氧
对生命活动有重要意义，但对天气、 百万年尺度的气候变化没有什么作用。
2）微量、痕量气体—水汽、CO2 、O3 a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。 31
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地表上的水 – 全球年水量平衡
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b) CO2 c) O3
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地球形成 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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三、大气演化
1、原始地球上无大气、无海洋；
火山爆发频繁发生
2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、 CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。 大量水汽造成长时间降雨，持续了几千 年（推测），形成原始海洋，生命就在原 始海洋的汤液中形成。
有限无界论：
•1917年，Albert Einstein在广义相对论的基 础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为 宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体积是有限， 是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有 边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面 运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇 宙学研究的序幕。 15
3. 周秀骥等编著. 高等大气物理学.气象出版社,1991
4. 盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2003
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第一章 大气概述 一、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。
二、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
Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开 创人
G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家
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1880-1881，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结 核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson 发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。——〉 是云雾物理的基础和开端。
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3、生命的光合作用使大气圈中出现了氧 气。
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； 大气中的氩，是地球固体部分放射 性物质 40K衰变时的副产品。
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第二节 大气组成
地球大气是由多种气体以及漂浮于其中 的固态、液态等颗粒物质组成的。
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36 Fig. 1-4, p. 7
37 Fig. 1-3, p. 6
Increase in catastrophic flood events
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Global average sea level has risen and ocean heat content has increased
主要气体：浓度≥1%，包括N2、O2、Ar
微量气体：1ppm—1%，包括CO2、 CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（2 ppm— 4%
痕量气体：＜ 1ppm，包括（见表）
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Table 1.1
U.S. Standard Atmosphere.
Content (% by volume) 78.084 20.948 0.934 0.333 18.18× 10-4 5.24× 10-4 1.5× 10-4 1.14× 10-4 0.5× 10-4 0.27× 10-4 0.19× 10-4 0-12× 10-4 0.089× 10-4 0.004× 10-4 0.001× 10-4 0.001× 10-4 0-0.04× 10-4 0.0005× 10-4 0.00005× 10-4 Traces

上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有 不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。

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膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离
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宇宙无限论：
•在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学 体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论， 即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无 限的天体分布在无限的空间之中。
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Constituent gas Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Argon (Ar) Carbon dioxide (CO 2) Neon (Ne) Helium (He) Methane (CH 4) Krypton (Kr) Hydrogen (H2) Nitrous oxide b (N2O) Carbon monoxideb (CO) Ozone (O3) Xenon (Xe) Ammoniab (NH3) Sulfur dioxide b (SO2) Nitrogen dioxide b (NO2) Water vaporb (H2O) Nitric Oxideb (NO) Hydrogen Sulfideb (H2S) Nitric acid vapor
1）在云雾降水中的作用； 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei) 2）对大气辐射过程的影响； 吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂 直分布。
4Leabharlann Baidu
三、学科位置
按研究范畴大体可划分为： 自然科学：数、理、化、天、 地 、生、工 程 与材料科学、 信息科学、管理科学
社会科学
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地球科学
包括 大气科学 、海洋科学、地理学、地 质学等
大气科学
基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天 气学、气候学、大气探测学
应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染 气象、人工影响天气等
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2）相变特征：在地球大气温、压条件下， 水汽是唯一能发生相变的气体成分 3）平均分子量
90km以下，空气平均分子量为28.966， 不随高度变化；90km以上，随高度递减。 具体如下图
4）空气密度
标准状态（p=1013.25hPa, t=0℃）下，干 空气密度为1.29kg/m3
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4、重要气体成分的作用
尺度范围：1nm-100μ m
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2、分类 1）云降水学分类（按半径分类）
爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。 大核：半径在0.1到1微米之间。 巨核：半径大于1微米。
2）大气环境学分类
TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、 灰霾、等。
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3、大气气溶胶粒子的源和汇
1）源
据估计，全球气溶胶质粒主要是自 然界产生的，人工来源仅为自然来源的 五分之一。 包括海水飞沫（见下图）、气粒转 换、风扬沙尘、火山爆发
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2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界 层与大气湍流学科的发展
3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大 气辐射学的研究
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第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化 一、宇宙的起源 大爆炸学说
•按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的 学生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定 存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被 压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为 “大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。
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）1946年，美国物理学家I.Langmuir, V.J.Schaefer发 现干冰可以催化云产生降水 后来，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。

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膨胀理论
上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde 提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙 极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常 速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。

可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和 宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。
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四、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）
1752，美国Franklin第一 次用风筝探明雷击的本质 就是电。
1871，英国物理学家 Rayleigh解释了天空 兰色的 现象
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1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题
1859-1901，这两 位德国物理学家 开创了辐射定律
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Increase in frequency and intensity of droughts
Source: 40 OSTP
Snow cover and ice extent have decreased
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二、大气气溶胶粒子
1、定义：
大气中分散、悬浮有液体或固体微粒 时的气体和悬浮物的总体系称为大气气 溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒 子。
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The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%. This increase is primarily due to the burning of fossil fuels (also some loss of biomass)
b
Concentration near the earth's surface.
大气的组成饼图
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2、90km以上大气
1）空气分子大部分都发生离解；
2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量 （或原子量）大小排列。 从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H 3、有关概念及其它特征
1）干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的 大气称为干洁大气
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•他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹， 目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。 •1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探 测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与 2．735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相 对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的 黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是 “大爆炸”模型最令人信服的证据之一。 通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后 110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的 理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。
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2）汇
即气溶胶粒子被移出大气的过
程。
按是否有水质粒参与，分为干移出、 湿移出。
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干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气
的过程。包括重力下沉、附粘移出。
湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响
而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长 下沉、碰并下沉。
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4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用
一、气体成分
90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀 层
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1、90km以下大气的气体成分 1）按浓度时空变化是否明显来分， 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 可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、O3、CH4等
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2）按浓度（单位为体积混合比） 来分，分为：
大气物理学
张泽锋 zhangzf01@vip.163.com 气象楼1223
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Grading
期末考试: 50%; 期中考试: 30%; 平时成绩: 20%.
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参考书目：
1.[美] J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观. 上海科学技术出版社，1981 2. 许绍祖主编. 大气物理学基础. 气象出版社, 1991