大气物理学第二章第一节

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•
• • • • •
Recent trend and seasonal variation of atmospheric CO2
来自：Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)报告
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2、甲烷（Methane ）
• 甲烷(CH4)，现在含量是1700ppbv,也由于人类的 活动而含量在增加。 (Prather et al., 1995，IPCC).
第 一 篇
大 气 概 论
1
第二章
地球大气的成分及分布
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大气成分, 可以按照其浓度和平均停留时间来 分类. 1) 浓度: 比如某种成分的体积分数(体积百分比, ppmv, ppbv), 质量分数(质量百分比, ppmm, ppbm) 2)平均停留时间: 准平衡状态下, 等于大气中某种成分的总质 量/向大气的输入速率 = 总质量/移除速率
混合气体如果是湿空气:
混合气体中任一组分的状态方程: * mi * m R i PiV RT P T i RiT 或 i Mi V Mi
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3、干空气状态方程:
干空气：混合均匀，平均分子量为28.96.
状态方程为
*
P d RdT
R 8.31J /( mol K ) Rd 287 J /( kg K ) Md 28.96( g / mol)
降水 蒸发
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取 自 《 中 国 气 候 总 论 》
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准定常成分
其中红色为主要成分
annum (拉丁语) 年
气体成分 氮 (N2) 氧 (O2) 氩 (Ar) 氖 (Ne) 氦 (He) 氪 (Kr) 氙 (Xe)
体积百分比 78.084 20.948 0.934 0.001818 0.000524 0.000114 0.0000087
下，它单独占据同样容积时所具有的压强。
m 其中M n
m

i 1
n
ni
m

i 1
n
1 n mi mi 1 Mi i 1 m M i
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混合气体的状态方程:
m * m R* P V nR T RTP T P RT M V M
*
混合气体如果是干空气:
Pd d Rd T Pw w RwT
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Increase in atmospheric nitrous oxide since 1750
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4、臭氧（ozone ）
• 大气中的臭氧含量，与其他痕量气体不一样，分 布是不均匀的，随高度变化。 90%臭氧位于15 35 km 高度，这里最有利于臭氧的形成。（图）
(Chapmen, 1930，Quaterly Journal of Royal Meteorological Society)
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• 当前大气中增加臭氧破坏率的物质（Cl）在增加。 • 作用：Ozone (O3) 在平流层中，强烈吸收来自太 阳的紫外辐射. • 含量在减少: 南极臭氧洞(Farman et al., 1985; Hofmann et al., 1992), 在北极地区也发现 (Hofmann et al., 1991).
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Figure
The Global Carbon Cycle
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Table.
Gt : Giga-ton
Sources and sinks of atmospheric CO2
Net Atmospheric CO2 Sources
Source
Fossil fuel/cements (I) Land-use change (Dn) Total
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返回
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1、二氧化碳(Carbon dioxide )
• 当前含量是359ppmv。 • 源：化石燃料的燃烧和水泥生产， 动物呼吸， 海洋蒸发, 地面使用(指人类对自然环境的改变,主要是森林砍伐、城市 扩张)， 火山喷发 。 • 汇：溶于海洋, 植物光合作用。 • 作用：温室气体。影响能量收支, 辐射平衡.
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二、均匀层中大气的主要成分、次要成分
• 90km以下的大气, 按各成分的浓度 , 可以将大气成 分分为两类：
主要成分：体积百分比在300ppmv以上. 氮 (N2), 氧 (O2), 氩 (Ar), 二氧化碳 (CO2) 次要成分：体积百分比在300ppmv以下.
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三、均匀层中大气的准定常成分、可变成分
• 广延量：其值与体系的大小及体系包含的物质的量有关。如体积、质 量、能量等。 • 强度量：其值不决定于体系的大小，在体系中任何一点都有确定的值。 如压强、温度，比特性量等。
• 状态方程：表示状态参量之间关系的方程。
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c、理想气体状态方程 • 一切气体在压强不太大（低于20个大气压），温度不太 低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和 体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即
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Increase in atmospheric methane since 1750
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3、一氧化氮（ Nitrous oxide ）
• 一氧化氮(N2O) 的产生：海洋和土壤中的生物机 制（主要在热带的森林地区），工业燃烧，车辆 尾气， 生物燃烧，化学肥料。 • 破坏：在平流层中的光化学反应。 (Prather et al., 1995). • 目前各个源和汇的量值还没有很好的估计。
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气体成分
四、大气成分随高度的变化
1)大气 90km 以下是均匀层（匀和层）， 主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳 。
大气 90km 以上是非均匀层。 主要成分是氧、氦、氢原子。
2) 90km以下各成分的比例基本上保持不变， 可视为单一成分，平均分子量28.966。
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1) 均匀层与非均匀层的形成：
其中：
*
R* R M
, 气体的比气体常数
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2、道尔顿分压定律：
实验事实表明，混合气体的总压强，等于各种 组分 的分压强之和，即 P P 1P 2 P n
Pi : 第 i (i=1,n) 种组分 的分压强: 在同一温度
mi * PiV RT Mi
P V nR *T m * RT M
• 按平均停留时间（平均寿命），大气成分为两类：
准定常成分：平均寿命大于1000a. 可变成分：平均寿命较短。 • 平均停留时间: 准平衡状态下, 等于大气中某种成分的总质 量/向大气的输入速率 = 总质量/移除速率
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“停留时间”的计算举 例：
• 如果某时刻大气中含有的水汽全部凝结成 水，液态水的厚度大约是 2.5cm。 • 全球年平均降水量是1000mm，所以水的更 新是非常快的，水汽在大气中平均停留时 间是 9 天。
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• 分体积定律: 混合气体的总体积等于不同成 分的分体积之和.
V V1 V2 Vn
某种成分的体积分数: Vi / V
• 分体积？
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第一节
干洁大气
一、湿空气与干空气：
干空气（干洁大气）：不含水汽和液、固 体杂质的大气。 湿空气：含水汽的大气。
这样划分的意义？ 雨、雪、台风等天气现象都与大气中的水汽有关
mi
ni
Mi :
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混合气体中每种成分的质量、摩尔数、分子量
用体积百分比算
混合气体的平均分子量(摩尔质量) M (用体积百分比算):
同温同压下，气体的体积比等于物质的量比。 V1/V2=n1/n2
m M n

i 1
n
ni M i n

i 1
n
n ni Vi Mi Mi n i 1 V
• • • •
O2+hv O+O O2 + O + M O3 + M O3+hv O2+O O3+O 2O2 (OH、 NOx、 Cl, ClO根的催 化作用) • M ：由第三个原子或分子（比如氮氧化物NOx） 提供的能量和动量平衡。
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臭氧随时间和空间分布的特点:
• 从低纬到高纬, 臭氧峰值的高度逐渐降低.。 • 春季臭氧含量高，秋季含量低。
• 分子扩散: 使气体中各成分均匀分布在空间中.
• 分子扩散与重力作用： 较轻气体向上扩散快，较重气体向上扩散慢。 高度越低, 混合气体中重的成分的质量百分比或体积百分比 越大. 混合气体平均分子量随高度减小。
• 再考虑湍流混合：使90km以下大气组成与高度无关,混合 气体中各成分的质量百分比不变。混合气体 的平均分子量随高度不变。
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2) 90km以下各成分的比例基本上保持不变， 可视为单一成分，平均分子量28.966。
混合气体的平均分子量(摩尔质量) M (用质量百分比算):
m M n
m

i 1
n
ni
m

i 1
n
1 n mi mi 1 Mi i 1 m M i
m：混合气体的质量 n： 混合气体的摩尔数
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五、干空气状态方程:
1、理想气体状态方程 2、道尔顿分压定律 3、干空气状态Leabharlann Baidu程
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1、理想气体状态方程
a、系统：世界上一切物体是相互作用的，从这一相互作用的 整体中划分出要研究的对象，称为热力学体系或系统。 而与体系相互作用的其余部分称为环境或外界。
b、状态参量： 描述体系状态的一组宏观参量，叫状态参量,又称热力学坐 标，热静态参数。状态参量描述体系的整体状态。
Sources (Gt/a)
5.5
Uncertainty range (Gt/a)
± 0.5
1.6
7.1
± 1.0
± 1.1
Net Atmospheric CO2 Sinks Sink Oceanic uptake (F) Land biomass (X) Total Uptake (Gt/a) 2.0 1.9 3.9 Uncertainty range (Gt/a) ± 0.8 ± 1.6 ± 1.8
为干空气的比气体常数 状态方程还可写为
P Rd T
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1

比容：单位质量的体积
六、几种气体的源和汇
• • • • • • • 1、二氧化碳 2、甲烷 3、一氧化氮 4、臭氧 5、卤化碳 6、水汽 7、气溶胶
温室气体
以后细讲
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地球温室效应的本质：
• 假设地球外围不存在一个大气圈，或者假设这个人气圈对 各种波长辐射都是完全透明的，没有任何吸收，那么，地 球表面能量平衡的结果，将使地表温度白天极高、晚上极 低，冬、夏之差也很大，同时赤道附近也比两极地区要高 得多，全球的地表年平均温度将只有 18 C 。 • 由于有了大气，全球地表平均温度实际上是 14 C ，即 比以上假设条件下的地表温度要高 32 C ，面且日变化和 季节变化幅度大为减小，随纬度的变化也比较平缓。 • 在讨论大气成分对气候的影响时，人们通常把大气成分比 作温室的玻璃，把那些对地气系统辐射收支有影响的大气 成分叫做“温室效应”气体。 • 自然温室气体（natural greenhouse gases）包括水汽、 二氧化碳、甲烷、一氧化氮、臭氧。
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二氧化碳的净增长:
d(δM)/dt = I + Dn - F - X =3.2Gt/a δM = M - M0 (工业革命前二氧化碳的含量 M0, 现 在二氧化碳的含量 M); t= 时间(年) I = 化石燃料燃烧和水泥生产导致的增加量 源 Dn = 地表改造导致的CO2增加量 F = 进入海洋的 CO2 的净减少 汇 X = 地面生物导致的 CO2的净减少
停留时间(a)
106 5 10 7 10 7 10 7 10 107 107
3
10
可变成分
其中红色为主要成分
体积百分比 停留时间(a) （ppmv） 330 5~6 二氧化碳 (CO2) 0.4~1.0 6~8 氢 (H2) 1.2~1.5 10 甲烷 (CH4) 一氧化氮 (N2O) 0.25~0.6 0.2~0.5 一氧化碳 (CO) 0.01~0.20 0.001~0.01 臭氧 (O3) 10 d 水汽 (H2O)
• 源: 在湿地和海洋中产生, 采矿和化石燃料燃烧, 稻谷的栽培, 反刍动物的消化, 垃圾填埋产生; • 汇: 主要是在对流层中和自由羟基(OH)反应而被 破坏: CH4 + OH CH3 + H2O 在上层土壤中被微生物分解占小部分. • 作用：也是温室气体。温室效应比二氧化碳强? 西伯利亚地区的甲烷?
PV Const T
理想气体状态方程
• 通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气 都十分接近于理想气体。
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m * PV RT M
• m : 气体质量， M ： 气体摩尔质量 • R * ：普适气体常数， R* 8.31J /( mol K )
mR P T RT V M