数学物理方法2

随着19世纪初工业的发展及世界人口的增长，全球
大气中的CO2含量在逐年增加。
图2.1为过去一千年来CO2的含辐射很少，却能强烈地吸收地 面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而 失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。 （温室效应）
这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，导 致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接 影响人类的生存环境。
造成这一现象的原因：
由于在大气的上层中，太阳短波的强度很大， 使得氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇 的机会很少，即使臭氧在此处形成，由于它吸收 一定波长的紫外线，又引起自身的分解，因此在 大气上层臭氧的含量不多。 在20—30km高度这一层中，既有足够的氧分子， 又有足够的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜 条件，故这一层又称臭氧层。
臭氧最大浓度在北极和南极的60o左右。
臭氧总量不仅和光化学反应有关，还和大气运
动有关。臭氧主要在赤道生成，通过大气环流向 高纬输送，这种极向环流冬春季最大,并在极地 变成下沉气流，形成臭氧高浓度层。 影响臭氧浓度的因素，大气高层以光化学作用为主； 低层大气以动力输送为主。所以低层大气的臭氧含量和 天气系统发生了联系。
快变成分：（<1年）
碳、硫、氮的化合物
微量成分和痕量成分一般也是寿命短的成分，它们至少有两个特点： 有化学活性，多为温室气体。
由于大气中存在着空气的垂直运动、水平 运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不 同地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面 开始向上直到90km处，空气主要成分（除水汽臭 氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。
2、水平分布：
用臭氧厚度表示 总臭氧含量，单位 是多普森单位DU, 即1DU=10-3大气厘米 见图
◇北半球，大部分地区臭氧层的厚度春季
变大，秋季变小。高纬的季节更明显，最大 臭氧带靠近极地。 ◇南半球，各纬度的季节变化比较小。最大 臭氧带在春季的中高纬地区。
若按光化学平衡理论，气柱臭氧的极大 值应出现在太阳辐射强烈的夏季赤道区域， 但实际观测并非如此。见图：
2.2.2 臭氧
虽然臭氧在大气中所占的比例极小，但因 它对太阳紫外辐射（0.2—0.29μm)有强烈的 吸收作用，所以臭氧是大气中最重要的微量成 份之一。
1995.9.16联合国大会作出决定，把每年的9.16作为
国际保护臭氧层日。
一、臭氧的作用：
1、臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面,是 地面上生命的保护伞。
二、臭氧的产生：
氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解， 光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主源。 O2+hγ→O+O O+O2+M→O3+M O+O+M→O2+M
M为第三种分子（如N2），作用是维持反应过程的动量和能量守恒；太阳紫外辐 射主要指波长短于0.24μm的紫外辐射，h为普朗克常数，γ为频率。
强紫外辐射有足够的能量使包括DNA在内的重要生 物分子分解，增高患皮肤癌、白内障和免疫缺损症 的发生率，并能危害农作物和水生生态系统。少量 的紫外线对地面上的生命有杀菌作用，对人类生存 起保护作用。
2、臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量 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的作用。
如果平流层的臭氧浓度下降，将引起平流层上部 的温度下降，平流层下部和对流层的温度上升。 因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气 的辐射平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射 能，估计使地面的平均温度降低1—2oC。
地球上的生命是何时才有的？
原始和次生大气均没有O2。30亿年前O2很少，或只有 由水汽光解作用产生极少量的氧气。在无氧的条件下产 生的原始生命，既要躲避太阳辐射，又需光合作用，因此 最初的生命是在10米下的海洋表面，一些厌氧生物产生O2。
６亿年前，大气O2浓度达到现在的1％，（生物史上第一 关键浓度），高空臭氧层增加，削弱了紫外线，生命到达水面。 ４亿年前，大气浓度达到现在的十分之一，植物茂盛生长，生 命由海洋到陆地, O2更多。 同时动植物的呼吸和死亡又会消耗O2产生CO2 ，这个演变过程 逐渐达到了一种平衡。CO2从３亿年前的3000ppm下降到280ppm， 生物也从海洋到陆地，从低级到高级不断发展繁衍下去。
对臭氧洞成因的研究，目前主要在两个方面：
1、大气动力原因： 南极冬季环极涡旋作用 2、大气化学原因： 氟氯烃等化合物的破坏作用。
南极臭氧洞的成因很复杂至今仍未完全清楚！
1995年，中科院周秀骥等根据卫星资料，在青藏高 原夏秋季节又发现一臭氧低值区！
思考题： 1、大气由哪些成分组成？ 2、什么是干洁大气？主要成分、微量成分、 痕量成分有哪些？ 3、对气象影响较大的干洁大气有哪些？
第二章
地球大气的成分及分布
地球大气是迄今为止以发现的天体 大气中唯一以氮、氧为主，水可以以气体、 液体、固体三态出现的大气。
地球大气的演变简述如下： 地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气 的。地球大气的演变可分为原始大气，次生大气 和现代大气三个阶段。
原始大气：（46亿年前） 由于太阳风和地球升温的作用，原始大 气是一些轻物质：H2，He、CO… 次生大气：（45—20亿年前） 由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和 从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成次 生大气（CO2，CH4，NH3，H2O）… 现代大气：（6亿年前） 以N2、O2为主
人工源：地面燃烧、工业活动，生物体的呼吸和 生物尸体腐化都排出CO2。 呼吸作用：[CH2O]n+nO2=nCO2+nH2O
(包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使CO2还原）
自然源：CO2分压大于大气CO2分压的海水。
（如热带和低纬地区的海洋是大气的源，放出CO2）
人工汇：植物的光合作用减少CO2 光合作用：nCO2+nH2O=[CH2O]n+nO2 自然汇：CO2分压小于大气 CO2分压的海水。
CO2增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面 升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度， 温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的河 流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。
二、 CH4：（甲烷）
甲烷分子式CH4，最简单的有机化合物。 甲烷是无色无味，极难溶于水的可燃性气体。甲烷 在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气 的主要成分之一。 CH4主要是由湖泊、沼泽里的生物体腐败后被细菌 分解而成。大气中CH4的80%来自地表生物源，是在严 格无氧环境中产生的。
2.1大气成分的组成和分类
2.1.1 大气成分的组成： 大气是由多种气体组成的混合气体， 包括N2、O2、Ar、 CO2、CH4、O3、H2… 水汽、大气气溶胶。
2.1.2 大气成分的组成和分类
2.1.2.1 按浓度分类： 主要成分： N2 、 O2、 Ar、CO2 微量成分： CH4等（1--20ppmv) 痕量成分： O3 、 H2 、氮氧化合物 、
CH4不仅是温室气体，又是一种化学活性 气体，在大气中容易被氧化而产生一系列 氢氧化物和碳氢氧化合物。
CH4的浓度近一两百年来有明显的增加， 值得重视。
三、氟氯化碳化合物
氟氯化碳化合物由氯、氟、碳原子组成， 这是一类大气中根本不存在的有机化合物。
其中氟里昂-11（CFCl３）、氟里昂-12（CF２Cl２），
近几十年根据卫星观测资料发现，全球
臭氧浓度及气柱总量有缓慢下降的趋势。
全球臭氧总量变化范围200—450DU,平均
300DU,而南极春季少至100DU！Why?
五、臭氧洞：
1985年，英国南极站的大气科学家有了一个
惊人的发现：臭氧洞！ 臭氧洞的含义： ◇臭氧总量在60oS附近地区的环极涡旋形成低值区； ◇从时间序列上在9－10月臭氧总量突然大幅下降形 成低谷。
三、臭氧的消失：
O3+hγ→ O2+O O3+O→2 O2 可见，影响O3生成的两大因素：太阳紫外线、O2的含量
四、臭氧的空间分布： 1、垂直分布：
测量臭氧垂直分布 的方法很多，可在 地面或卫星上遥测， 也可用气 球或火箭 直接收集资料。
◇在近地面层臭氧 含量很少 ◇从10km高度开始 逐渐增加
◇在12-15km以上含量增加得特别显著， 在20-30km高度处达最大值， ◇再往上则逐渐减少，到55km高度上就极少 了。 why?
由于性质非常稳定无毒，被人们作为制冷剂、喷雾发 射剂和发泡剂、电子元件清洗剂长期使用，在对流层 中浓度逐年积累，能做长距离输送并向上进入平流层。
CFCS在平流层能光化学分解成Cl,起到破 坏臭氧层的作用，同时还是温室气体，在地气 系统辐射收支中的作用不容忽视。
其中，氟氯烃化合物减少臭氧的反应： 当CFCS在平流层被光化学分解成Cl， Cl+O3→ ClO+O2 ClO+O→ Cl+O2 O3+O→２O2 ClO和 Cl未减少，只起催化作用。
硫化物及氟氯化烃（<1ppmv)
（>300ppmv)
2.1.2.2 按平均停留时间分类： 不变成分： （>1000年）
N2 、 O 2 、 Ar 、 Ne、He 、 Kr 、 Xe等
可变成分： （几—十几年)
CO2 、H 2、CH4、N2O 、 CO 、 O3、NH3、NO2、 SO2、H2S…水汽、大气气溶胶
因此，在90km以下可以把干洁空气当成分子 量为28.97的“单一成分”来处理。
2.2 干洁大气
干洁大气的定义： 通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大 气称为干洁大气，简称干空气。
下面介绍对气象影响较大的干洁大气
2.2.1 碳的化合物(CO 、CH 以及氟氯烃化合物）
2 4
一、CO2： 1、来源：
（如高寒冷地区的海洋是大气的汇，吸收大气中的CO2 ）