大气科学导论2-大气成分与结构.ppt

第二章 大气的起源、成分和结构,授课：赵传湖海洋环境学院408Email:,大气科学导论,参考书,徐玉貌，刘红年，徐桂玉。大气科学概论。南京：南京大学出版社，2000，219.黄荣辉。大气科学概论。北京：气象出版社，2005，212.C.Donald Ahrens.2008.Meteorology Today:An Introduction to Weather,Climate,and the Environment,9th edition.,Atmosphere,The envelope of gases surrounding the earth or another planet.牛津英汉双解词典,大气是人类赖以生存的最重要的资源,洁净的空气对生命来说，比任何东西都重要。一个成人每天呼吸大约有两万次，吸入的空气量是1015m3，大约是每天所需食物重量的10倍。生命的新陈代谢离不开空气。一般而言，人若5周不吃饭，5天不饮水，尚能生存，但5分钟不呼吸就会死亡。,从太空中看，地球是一颗明亮的蓝色星球，美丽而多变。蓝色是因为它表面的四分之三是覆盖着蓝色的海洋，明亮是因为它上面有许多云层。,亚马逊河上空航拍的照片。贴近地球表面的地方（圆弧）很薄的、淡蓝色(why?)的一层，大致就是大气的厚度，顶部大致就是“天”的高度了。,圣人的洋葱皮,内容,大气结构,大气演化,大气成分,2.1 大气的成分,按浓度将大气组成分成三类：主要成分：浓度1%，氮(N2,占78.08%v)，氧(O2,占20.95%v)，氩(Ar,占0.93%v)。微量成分：浓度1ppm1%，包括CO2,CH4 及He,Ne,Kr等及水汽。痕量成分：浓度1ppm，主要有氢(H2),臭氧(O3),氙(Xe),一氧化氮(NO),二氧化氮(NO2),氨气(NH3),二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO)等，还有一些人为产生的污染气体。,氧气：一切生命所不可缺少的。是地表一切生命所必须的气体。如动、植 物的呼吸，要在氧化作用中得到维持生命的热能。一切有机物的燃烧、腐败和分解都依赖于氧，氧气被称为“有生命的气体”。即使能够获得燃料，生火也需要空气中至少有12%的氧气。,2.3 大气的成分,大气中的氧气只需提高大约4%，就会引起世界性的火灾。氧气现在浓度每增加1%，闪电造成森林大火的概率就增加70%。若氧气成分达到25%，一旦着起火来，即使是潮湿的植被也会不断地燃烧下去，闪电引发的森林大火将会烈焰冲天，直到所有的可燃物全部烧光。（Lovelock J，1979）,2.氮气,老大哥（78.08%）：对氧起稀释作用，使氧不致太浓、氧化作用不过于激烈；对植物而言，豆科植物的根瘤菌将大量的氮固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料。,氮和氧是大气的主要成分，对天气现象影响很少。通过生物过程达到收支平衡。,水汽：占大气总质量的0.25%：可变浓度随高度迅速减少，观测表明，在1.52km高度上，水汽含量已减少为地面的一半，到5km高度上，只有地面的1/10。大气中水汽的含量还与地理纬度、海岸分布、地势高低、季节以及天气条件等密切相关。在温暖潮湿的热带地区、低纬暖水洋面，低空水汽含量最大，体积混合比可达4%，而干燥的沙漠地带和极地，水汽含量极少，仅为0.10.002%。,2.3 大气的成分,水的存在,水汽的相态变化,液态,固态,气态,水汽是大气中的重要成分随着大气的垂直运动，空气中的水汽会发生凝结或凝华，形成水滴或冰晶，进而产生云和降水（雨、雪、冰雹等）；水汽发生相变时会吸收或释放大量的热量(潜热)；水汽能强烈地吸收和放出长波辐射，是一种重要的温室气体。,水汽能直接影响地面和空气的温度，从而也影响大气的垂直运动。,通过水的相态变化，海洋、河流、江湖和土壤等的蒸发向大气输送水汽，大气中的水汽通过凝结或凝华形成降水，又回到海洋、河流、土壤，使不同部分的水不断发生更替，形成水循环。水汽在大气中的平均停留时间为?天。,水汽在大气中的平均停留时间,大气中的水量是13个单位，每年全球的降水量是423个单位。,CO2：占大气体积(质量)的0.035%(0.037%)。通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。它的消耗是植物光合作用(海洋)以及与地表的岩石发生化学反应。CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2 CO2+H2O+CH2O+O2在大气中的停留时间大约是15 year。,2.3 大气的成分,2.3 大气的成分,CO2对太阳辐射吸收很少，但能强烈地吸收地面的长波辐射，同时又向地面和周围大气放射长波辐射，从而使地面和空气不致因放射长波辐射而失热过多。也即，CO2起着使地面和空气增温的效应，被称为温室气体。,法国著名数学家傅立叶(J.B.Fourier)，1827年认识到大气有如玻璃瓶，会把阳光的热能困在其中，这后来发展成“温室效应”观念。,温室效应,傅立叶被世人所推崇主要在于他在数学(傅立叶分析)和热传导上的卓越贡献,1768年3月21日生于欧塞尔，1830年5月16日卒于巴黎。9岁父母双亡，被当地教堂收养。12岁由一主教送入地方军事学校读书。17岁（1785）回乡教数学，1794到巴黎，成为高等师范学校的首批学员，次年到巴黎综合工科学校执教。1798年随拿破仑远征埃及时任军中文书和埃及研究院秘书，1801年回国后任伊泽尔省地方长官。1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身部长，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。,臭氧（O3）：德国科学家麻鲁(Van Marum)1786年在实验室中发现，1839年德国化学家斯考宾(C.F.Schonbein)再次发现并命名为OZEIN，意思是发臭味的物质。一般气态的O3浅蓝色无味，浓度达到10-6左右时，有特殊的刺鼻味道，在雷电天气或有放电作业的场合中往往可以嗅到臭氧的味道。,2.3 大气的成分,O3的产生,大气中的氧分子吸收一定波长范围的太阳辐射，获得足够的能量使正常状态的氧分子分解成氧原子，随后，氧分子再和氧原子结合生成臭氧分子。其最基本的光化学过程可表示为,图中蓝色粒子代表氮原子，红色粒子代表氧原子。,图中蓝色粒子代表氮原子红色粒子代表氧原子,垂直方向上O3的含量,在低层大气中，由于太阳辐射能的减弱，氧分子的分解速度很小，没有足够的氧原子存在，因此不能形成足够多的臭氧分子。在较高的大气层中，虽然有足够的太阳辐射能，但是由于大气密度随高度迅速减小，氧分子浓度很小，因此也不能形成足够多的臭氧分子。,大气中的某一高度上应该出现臭氧浓度的极大值。实际观测也证明了这一点。,O3：含量极少(10-710-8v)，分布不均(10km以下为10-8，以上开始增加，25km处最大达10-5，再往上又减少，至50km则含量极少，10-50km称臭氧层)。,O3：,臭氧是光化学烟雾的主要成分，对人体有害。臭氧对太阳紫外辐射有很强的吸收作用，所获得的能量对大气高层热状态和动力学过程有着重要影响，对地面生命有保护作用。,大气中臭氧的含量太多太少都不行,臭氧空洞,某处臭氧层中臭氧含量的减少等于在屋顶上开了天窗，如果减少到正常值的50%以上，人们形象地说这是个臭氧洞。臭氧洞可以用一个三维的结构来描述，即臭氧洞的面积、深度及延续时间。,大气中的臭氧每减少1%。照射到地面的紫外线就增加2%，人的皮肤癌就增加3%，还受到白内障、免疫系统缺陷和发育停滞等疾病的袭击。现在居住在南极洲较近的智利南端海伦娜岬角的居民，已尝到苦头，只要走出家门，就要在衣服遮不住的肤面，涂上防晒油，戴上太阳眼镜，否则半小时后，皮肤就晒成鲜艳的粉红色，并伴有痒痛；羊群则多患白内障，几乎全盲。据说那里的兔子眼睛全瞎，猎人可以轻易地拎起兔子耳朵带回家去，河里捕到的鲜鱼也都是盲鱼。,悬浮在大气中的液态或固态微粒统称为大气气溶胶粒子.来源包括：自然来源：被风扬起的细沙和微尘、海水溅沫蒸发而成的颗粒、火山喷发的灰尘等；随着人口增加和工业、交通运输的发展，大气中的烟粒、煤粒尘大量增加。,6.大气颗粒物（气溶胶）,显微镜下的气溶胶颗粒图像,大气颗粒物,对云雾、降水、辐射传输、大气能见度、大气光学以及大气污染有很大影响。可作为水汽凝结或冻结的核心，是成云、雾和降水的重要条件。吸收和散射太阳辐射，改变地球的辐射平衡等。如果没有尘埃，日落就会像涮锅水般浑浊，灿烂的蓝天会像墨水般黑暗和一成不变，而影子将变得一片漆黑，边缘犹如剃刀般锋利，在我们眼里好像水泥一样不可穿透。（Tim Flannery，2005）,2.1 大气的成分,干洁大气：气象上通常称不含水汽和悬浮颗粒物的大气为干洁大气，简称干空气。水汽和干空气的混合气体称为湿空气。,80-90km以下，干空气成分(除O3和一些污染气体外)的比例基本不变，可视为单一成分，其平均分子量为28.966，不会发生相变。,臭氧吸收太阳紫外线使生物免受伤害,地 面 辐 射,生物体的基本成分 氮,生命活动（呼吸）离不开 氧,光合作用原料 二氧化碳,大气逆辐射,小结一,N2 土壤中的细菌，吸收大气中的氮 植物、动物的腐败，产生氮送回大气-植物、动物的腐败，吸收氧O2 氧化作用 呼吸作用 光合作用产生氧-光合作用消耗二氧化碳 CO2 海洋吸收 植物腐败、火山爆发、呼吸、人工燃烧 砍伐森林(deforestation)-H2O 凝结(condensation)蒸发(evaporation)-O3 光化学过程,+,内容,大气结构,大气演化,大气成分,典故：李世民和魏征“夫，以铜为镜，可以正衣冠；以史为镜，可以知兴替；以人为镜，可以知得失。魏征没，朕亡一镜矣！”刘昫（x）旧唐书,年轻的时候，我们常常冲着镜子做鬼脸，年老的时候，镜子算是扯平了。,现代大气的镜子？,玉匣盼开盖，轻灰拭夜尘，光如一片水，影照两边人,2.2 大气圈的演化,地球自从它形成以来，大约46亿年。其大气的演变可分为三个阶段：原生大气，次生大气、现代大气。原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约46亿年，比原始人类出现（几百万年）早3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早6个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。,太阳系的形成,上帝的七天奇迹：能力很强，效率很高，粉丝很多。康德和拉普拉斯：太阳系起源的星云假说；灾变说；俘获说；“星云说”的重生；宇宙大爆炸（Big Bang）：大约150亿年前，宇宙所有的物质都高度集中在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。之后，物质开始向外膨胀，先后诞生了星系团、星系及我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。地球是由银河系内发生的一次大爆炸所产生的星云物质碎片及尘埃，经过长时间凝聚，在46亿年前形成。,一、原生大气（天文大气圈）,原生大气的成分是以氢和少量的氦为主（why？）。大气伴随着地球的诞生就神秘地“出世”了。也就是拉普拉斯所说的星云开始凝聚时，地球周围就已经包围了大量的气体了。原生大气存在大约数千万年。当太阳作为年轻恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。,二、次生大气（地质大气圈）,地球生成以后，由于温度的下降，地球表面发生冷凝现象，而地球内部的高温又促使火山频繁活动，火山爆发时所形成的挥发气体，就逐渐代替了原始大气，而成为次生大气。,生物的化学进化：简单物质=有机化合物=有机大分子=团聚体=原核生物,46-38亿年前,次生大气中没有氧，即使有也不能保留。当时地面温度很高，地壳中有很多金属铁，氧将很快和金属铁反应形成氧化铁。,次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，一些氮和硫的化合物。,夏威夷火山气体的成分,二、次生大气,次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，风雨闪电交加。次生大气笼罩的时间大约46亿年前到20亿年前。期间大量的CO2溶于原始海洋，最原始的生命在这个时期已经出现（大约35亿年前）。大气圈 成分 20亿年前：H2O CO2 N2 SO2 Ar 20亿年后：N2 O2 Ar H2O CO2 含氧大气,三、现代大气,由次生大气转化为现代大气，同生命现象的发展关系最为密切。植物的出现和发展使大气中氧出现并逐渐增多起来，动物的出现借呼吸作用使大气中的氧和二氧化碳的比例得到调节。大气中的二氧化碳还通过地球的固相和液相成分同气相成分间的平衡过程来调节。,次生大气和现代大气成分的比较,小结二,约46亿年来地球大气的演变可分为三个阶段：原生大气，次生大气，现代大气。现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。现代大气的产生同生命现象的发展关系最为密切。,内容,大气结构,大气演化,大气成分,2.3 大气的垂直结构,地球大气在垂直方向上的物理性质（温度、成分、电荷、气压等）有显著差异，依据这些特征可将大气进行不同类型的分层。,2.3 主要气象要素,大气的性状及其现象用基本要素气温、气压、湿度、风、云况（云状和云量）、能见度、降水情况（降水类型和降水量）、辐射、日照及各种天气现象等来描述的，这些因子成为气象要素。最常用的是温、压、湿、风四个要素。,气温,表示空气的冷热程度的物理量。热力学中，气体温度T（绝对温度）是分子平均动能的量度，也是分子运动快慢的量度。温度是大量分子热运动的集体表现，含有统计意义。对于个别分子来说，温度是没有意义的。,气温,量度温度高低的尺子称为温标，常用三种：摄氏温标：，用符号t表示。绝对温标：K。用T表示，T273.16t。华氏温标：。水的沸点为212，冰点为32，均分为180等分，一等分为1。9/532。,湿度,一定体积的空气中含有水汽质量mv克,干空气的质量md克。定义混合比r为水汽与干空气的质量比：定义比湿q为水汽与湿空气的质量比：,表示湿空气中水汽含量的物理量称为空气湿度，一定体积湿空气的水汽和干空气的质量。最基本的大气湿度物理量是混合比r与比湿q，其他湿度参量是导出量。,湿度,水汽压：空气中所含水汽的分压力饱和水汽压：绝对湿度：单位体积空气中含水汽的质量相对湿度：水汽压与同温度下饱和水汽压的比值,湿度,露点温度：湿空气在水汽含量不变的情况下，等压降温至对水面而言达到饱和时的温度，简称露点。即空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点温度。,露点温度本是个温度值，可为什么用它来表示湿度呢？这是因为，当空气中水汽已达到饱和时，气温与露点温度相同；当水汽未达到饱和时，气温一定高于露点温度。所以露点与气温的差值可以表示空气中的水汽距离饱和的程度。,气压,大气压强。静止大气某地的气压是该地单位面积上大气柱的重量，空气有垂直运动时，气压值与空气柱的重量有一定差异。气压的单位hPa。气象上规定，温度为0，纬度为45的海平面气压为一个标准大气压，为 101325Pa=101325hPa,风：空气相对于地面的运动：风向和风速。,风向：风吹来的方向,风向标,尾翼、指向杆、平衡锤、旋转轴,风速：单位时间内空气相对于地面移动的水平距离,气象台站要求风向标与风速表同为10m高。,2.3 大气温度的垂直变化,根据温度的垂直变化，分为：对流层、平流层、中层、热层和外逸层等。我们平常关心的大气层是对流层，0-10公里。大气越往上越稀薄，最后融合到宇宙空间。,为什么大气的垂直温度分布是这样的？,对流层(Troposphere),特点：气温随高度增加而降低，平均而言，减温率平均为=0.65/100米。原因：阳光加热地面，而地面又加热它上面的空气。包含了地球上我们熟悉的所有天气。,对流层(Troposphere),大气密度和水汽随高度迅速递减。对流层几乎集中了整个大气质量的3/4，和水汽的90%。有强烈的垂直运动。气象要素的水平分布不均匀，受地表的影响大。海陆分布、地形起伏差异等。,1718千米,高纬度 低纬度 高纬度,对流层高度：低纬地区平均为17-18km，中纬地区10-12km，极地8-9km。季节变化：夏季高于冬季。,1012千米,89千米,1012千米,89千米,对流层上冷下热，利于空气对流,温度随高度增加而递减,平流层(Stratosphere),特点（对流层顶到55km）：最初20km以下，气温随高度不变；20-50km温度上升很快。原因：臭氧吸收紫外太阳能加热了大气；30km以上臭氧减少，但紫外辐射强烈，空气稀薄，加热很少的分子，即可达较高的温度。层内气流平稳、对流微弱，而且水汽极少，能见度很好。,平流层大气上冷下热，不利于空气对流，空气以水平运动为主,冷空气,高度 平流层顶50/55千米,温度随着高度增加而递增,热空气,天气晴朗,中层(Mesosphere),55-85km，气温随高度下降。1.几乎没有臭氧吸收太阳辐射。2.氮和氧能直接吸收的太阳辐射大部分被上层大气吸收掉，大气失去比得到能量多，结果能量损失冷却。因此发现中层温度随高度一直降低到85km，在此处，大气达到它的最低平均温度-90。,中层(Mesosphere),55-85km。有相当强烈的垂直对流混合，又称为高空对流层，但是由于水汽稀少，只是在高纬地区的黄昏时刻，该层顶部附近，有时会看到银白色的夜光云。只有当太阳在地平线以下6-12时，低层大气在地球阴影内，高层大气的夜光云被日光照射时，才能用肉眼直接观察到。,冰晶颗粒散射太阳光的结果,呈淡蓝色或银灰色而透明的波状云,温度随高度增加而递减,原因：臭氧减少,高度在平流层顶85千米,热层(Thermosphere),85-500km，气温随高度增加。原因是氮和氧原子吸收了大量的太阳短波辐射，加热了大气。因为在热层仅有相对较少的原子和分子，因此吸收相对少的太阳能就可以导致温度的巨大增加。这层温度可达1000-2000K。,高度 85500千米,温度随高度增加而递增,原因：氮氧原子吸收紫外线,地球表面大约500km以上，分子运动10公里才可与另一个相碰撞，在这里许多分子可以摆脱地球引力的束缚。这个原子、分子可逃到外太空的区域叫外逸层，可以代表大气上界(天的高度)。气温很高，随高度的增加很少变化。,外逸层(Exosphere),大气上界,通常有两种方法：根据大气中出现的某些物理现象，以极光出现的最大高度1200km作为大气上界。极光是太阳发出的高速带电粒子使稀薄空气分子或原子激发出来的光，它只出现在大气中，星际空间没有这种现象。根据大气密度随高度增加而减少的规律，以大气密度接近星际星体密度的高度定位大气上界。根据卫星资料计算结果，约为20003000km。,2.3 按大气组成的分层,均匀层和非均匀层从地面到80100km，干洁大气成分随高度基本不变，称为均匀层。原因：湍流混合作用强。90km以上的稀薄空气成分则不均匀，称为不均匀层。,2.3 按电荷分层,高空大气中的气体分子和原子在太阳短波辐射（紫外辐射和X射线）和微粒辐射（质子、电子等）作用下会电离而形成离子和自由电子。这种电离现象发生在地面以上501000km之间，电离的正离子和负电子密度在80400km范围达到最大，称为电离层。,小结三,试画一张大气垂直结构图，以温度和海拔为坐标轴，内容包括温度曲线，臭氧含量，天气现象，各种分层等。,思考题,地球大气的主要成分及其演化历史？按照气温的变化特征，在垂直方向上，地球大气包括哪些层次？为什么会有这样的变化特征？思考生命（包括人类）与大气圈的关系。,次生大气向现代大气演变过程中的几个重要问题,氧气的产生臭氧层的变化二氧化碳含量的变化,1.氧气的起源,早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从H2O和CO2分解而来；另一种是生物的光合作用。如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。,生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把H2O和CO2转化为O2，碳则存储在生（植）物中。可是，生命本身需要样来维持，问题是生命的起源在先还是氧的起源在先。nCO2+nH2O+(CH2O)n+nO2,问题：生命和氧的起源？,氧气的起源,最初的生命来自哪里无定论。在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，制造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大分子。它们都可能是生命的来源。,氧气的起源,最初的生物生存环境是非常残酷的，因为当时大气中没有臭氧层臭氧，太阳紫外线可以直射到水下10米，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通过光合作用产生氧气。到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积也加快。生物发展也更多样化。,2.臭氧层,氧气累计造成大气中臭氧量的增加臭氧层出现，对致命的紫外线产生屏障作用，使得生物能够脱离对海洋的依赖而在陆地上生存与演化。生物群族大量繁衍，大气中氧气浓度达到高峰，二氧化碳的含量也更少了。随着植物的大量繁衍，氧气和臭氧的浓度逐渐升高，约在石炭纪达到接近目前的浓度。,Graedel，T.E.，and Paul J.Grutzen著，陈正平译，1997：变色的天空大气与气候变迁的故事，远哲科学教育基金会，P67，Fig.4.30。,3.CO2含量变化：,CO2：现代大气发展的前期，地球温度尚高时，水汽和二氧化碳往往从固相岩石中被释放到大气中，使大气中水汽和二氧化碳增多。另外大气中甲烷和氧化合时，也能放出二氧化碳。但当现在大气发展的后期，地球温度降低，大气中的二氧化碳和水汽就可能结合到岩石中去。这种使很大一部分二氧化碳被锢禁到岩石中去的过程，是现在大气形成后期大气中二氧化碳含量减少的原因。再则，一般温度愈低，水中溶解的二氧化碳量就愈多，这又是现在大气形成后期二氧化碳含量比前期大为减少的原因之一。因为现在大气的温度比早期为低。,4.氮气,氮：从原始大气中或火山喷发气中来看，氮的成分是很少的，只有百分之几。在动植物繁茂后，动植物排泄物和腐烂遗体能直接分解或间接地通过细菌分解为气体氮。氧虽是一种活泼的元素，但是氮是一种惰性气体，所以在常温下它们不易化合。这就是为什么氮能积集成大气中含量最多的成分，且能与次多成分氧相互并存于大气中的原因。,