大气物理第一章.ppt
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1、Ch1 大气概貌,1.1 地球大气的演化1.2 现代大气的组成1.3 空气状态方程1.4 物理量的垂直分布,The Three Atmospheres of Earth,First atmosphere:Composed of gases from the generating nebulaprincipally H2,He Second atmosphere:First atmosphere minus gases boiled away to spaceplus gases emitted from volcanoes plus gases arriving from comets etc
2、.Modern atmosphere:Resulting from the effects of life and the addition of oxygen,Setting the Composition of the 2nd Atmosphere-Volcanoes,Gases were expelled from the interior(same as today),CO2(10%)CO SO2 H2S(a few percent)Cl2 N2(a few percent)H2O(85%)H2 NH3 CH4,No oxygen!,1.1 地球大气的演化,地球形成初期的原始大气是以宇
3、宙中最丰富的轻物质H2,He为主。,火山喷发形成次生大气,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。,1、原始大气,后来原始大气逐渐逃逸。估计在45亿年前或晚些时候,地球上无大气。,2、次生大气,生命的光合作用使大气圈中出现了氧气。,3、氧化大气,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。,Ch1 大气概貌,1.1 地球大气的演化1.2 现代大气的组成1.3 空气状态方程1.4
4、 物理量的垂直分布,1.2 现代大气组成,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(大气气溶胶粒子)组成的。,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。水汽的相变不但造成云雾降水,而且在地球的生态系统中起着重要作用。,(1)干洁大气:不含水汽和悬浮颗粒物的 大气称为干洁大气,有关概念,(2)浓度:表示浓度有绝对量和相对量。绝对量如体积质量mg/m3,g/m3等。相对量如ppm(10-6),ppb(10-9)和ppt(10-12)等,可分别加尾缀m或v表示质量和体积,例如ppmm和ppmv。,(3)平均停留时间:即该种成分的所有分子更新一次所需要的时间,亦
5、即“平均寿命”。在准平衡条件下,一种大气成分的分子在大气中的平均滞留时间定义为 其中M为这种成分的总质量,F是向大气的输入速率(包括源和化学转化),R是消失速率(因沉降、化学转化和逃逸)。,一、干洁大气的组成,这里主要关注100km以下的均匀混合层,特别是对流层内空气的成分,1、按浓度(单位为体积混合比)来分,分为:,主要气体:浓度300ppmv,包括N2、O2、Ar、CO2,微量气体:1ppmv20ppmv,如CH4等,痕量气体:1ppmv,重要的有O3、H2、氮氧化物、硫化物等,大气的组成饼图,2、按平均停留时间来分,即该种成分的所有 分子更新一次所需要的时间,亦即“平均寿 命”,分为:,
6、准定常成分:平均寿命大于1000年。主要包括N2、O2、惰性气体,可变成分:平均寿命为几年到十几年。例如,CO2、O3、CH4等,短寿命成分:平均寿命短于1年。例如,碳、硫、氮的化合物,二、大气中的水汽,在天气、气候、地球水循环中起重要作用,这些作用取决于大气湿度,1.大气湿度定义:表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。,2.相对于纯水(冰)平面的饱和水汽压():由水汽和平面纯水(或纯冰)组成的系统,在某温度下达到两相平衡时,水汽所具有的分压强称为相对于纯水(冰)平面的饱和水汽压。,仅是温度的函数,随温度升高而增大在同一温度下,es(T)esi(T)(见下页表格及图),饱和水汽压计算公式(
7、后面),3.湿空气的饱和水汽压:严格地说,不等于纯水汽的饱和水汽压.但由于二者的差别不大,所以在研究大气时,常忽略二者的差异,用纯水汽的饱和水汽压代替湿空气的饱和水汽压.(见22页第二自然段),对平液面,49.9100范围内,对平冰面,100 0.0范围内,以上两式中T是热力学温度(K),T00=273.16K是水的三相点温度。,(2.2.10)式中t是摄氏温度,a和b是常数,,Tetens经验公式,1)水汽混合比r,单位:kg/kg 或 g/kg,4、湿度参量,有很多个,相对于纯水(冰)平面的饱和混合比rs(rsi):,3)绝对湿度(水汽密度),单位:kg/m3或 g/m3,V为湿空气体积,
8、2)比湿 q,q于r的关系:,单位:kg/kg 或 g/kg,qs(qsi):,4)水汽压e:湿空气中水汽的分压强。单位 为hPa,湿空气在水汽含量不变的情况下,等压降温至相对于纯水平面达饱和时的温度,称为露点;等压降温至相对于纯冰平面达饱和时的温度称为霜点。,6)露点 Td、霜点 Tf(见下页图),5)相对湿度 UW(Ui),5.湿度参量小节(见下页)注意:涉及到水汽饱和时若不加以特别说明,通常指相对于纯水平面饱和,a.,b.,6.湿度参量间的关系,c.,d.,e.,实际大气中可认为,思考题1、某气块等压降温时,下列湿度参量中随之增大的是()。A、露点温度;B、相对湿度;C、混合比2、两块气
9、团的相对湿度分别为36%和78%,其中含有较多水汽的是()。A、相对湿度为36%的气团;B、相对湿度为78%的气团;C、条件不足,无法确定,3、如果我们向一个密闭盒子里增加水汽分子,而温度保持不变,那么下列哪些物理量会增加。A、相对湿度 B、水汽压 C、露点 D、以上所有物理量 E、以上物理量中没有增加的。,三、大气气溶胶,1、气溶胶与气溶胶质粒定义指在气体中悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系。其中的悬浮物就称为气溶胶质粒(颗粒、粒子)。大气中含有悬浮着的各种固体和液体粒子,例如尘埃、烟粒、微生物、植物的孢子和花粉,以及由水和冰组成的云雾滴、冰晶和雨雪等粒子,所以可以把大气看成是一种
10、气溶胶。大气气溶胶质粒的直径范围:10-3m到100m注意:我们有时常用气溶胶作为悬浮质粒的同义词,而且习惯上不包括水汽凝结体(指云、雨滴和冰粒)。,2、气溶胶粒子分类,按大小分为三类:爱根核:半径在0.01到0.1微米之间。起凝结核作用明显。其中具有吸湿性的尘粒只要过饱和度达0.5%到2.0%,就可使水汽凝为液水;大核:半径在0.1到1微米之间。一般只要过饱和度不到0.5,就可使水汽凝结。如果这些核是吸湿性的,那末即使大气尚未达水汽饱和,液水也能凝结于其上。巨核:半径大于1微米。它们在吸收大气中的水汽,使之转化为液水方面,有很大作用。,按核化方式可分为:凝结核:能使空中水汽依附而成为液态水滴
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