大气物理学第一次课副本.ppt
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1、大气物理学,主讲教师:杨素英,1、大气物理学课程简介,主要内容,课程性质与任务学科发展简史主要参考书,课程性质与任务,定义 主要研究地球大气各种物理现象和过程。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。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,课程性质与任务,研究方法 通过观测或者实验获取大气状态和过程的资料,应用物理学、化学和大气科学本身的理论分析这些资料,总结大气过程规律性,并指导实践。课程学习目的 了解和掌握大气物理学的基础知识和基础理论,为学习后行课、专业课打下坚实的基础。,课程性质与任务,学习内容 大气成分和结构特征 大气静
2、力学 大气辐射学 大气热力学,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,学科发展简史,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,Max Karl Ernst Ludwig Planck(1858-1947)德国物理学家,量子力学的开创人,(1824-1887)德国物理学家,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,.发明云室,因此
3、获1927年诺贝尔物理学奖。是云雾物理的基础和开端。,2)大气物理学高速发展阶段(20世纪中叶以来),1)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。,1946年,美国物理学家I.Langmuir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,促使云降水物理学获得了重大发展。,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,参考书目:,1.盛裴轩,毛节泰等.大气物理学,北大出版社,2003 2.许绍祖主编.大气物理学基础.气象出版社,19913.周秀骥等编著.高等大气物理学.气象
4、出版社,19914.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、地球大气的演化,2、地球大气的演化,地球大气以氮、氧为主。这在迄今为止所有已发现的天体大气中是唯一的。地球已经有46亿年的历史,在漫长而曲折的演化过程中,今天地球大气成分和结构已经发生了很大的变化。本次课所要讲授的内容 地球大气是怎样起源的呢?怎样从原始大气状态演变为现代大气的呢?,2、地球大气的演化,银河系中心,银河系与河外星系,太阳系,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。其结构见下
5、图,地球构造图,2、地球大气的演化,地球大气的演化大致分为三个阶段原始大气:地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质H2、He和CO为主。太阳风(高速物质流)和地球的升温作用使得原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸失散。次生大气:在45-20亿年前,地球逐渐冷却后,由于造山运动、火山喷发伴随从地幔中释放出来的地壳内部原来吸附的气体,形成了次生大气,其主要成分是CO2、CH4、NH3和H2O。现代大气: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。以氮气和氧气为主。,2、地球大气的演化,综上,生命的出现和生物圈的形成在地球大气的演变过程中起了重要作
6、用。而生命能够在地球上出现,是和合适的日地距离有关。1)适宜的日地距离使地球表面温度合适,水能完成水汽、液水和冰循环,为生命存在提供吸收养分等的介质。2)水汽光解产生少量氧,海洋和少量氧的存在为生命出现创造了条件。3)生命的出现反过来又改变了地球大气的成分,形成以氮、氧为主的大气。4)臭氧强烈吸收太阳紫外辐射,保护地球上的生命,并使平流层增温,从而改变高层大气的热力结构。,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(称为大气气溶胶)组成的。即包括含有多种成分的干空气(简称干洁大气)、水汽和气溶胶粒子。,3、地球大气成分及分布,3.1 干洁大气(干空气),定义:除水汽以外的纯净大气
7、。研究的范围:90km以下的均和层,特别是对流层的大气。均和层:在90km以下,干空气的成分和各成分之间的比例是不变的,即各成分之间是均匀混合的(湍流混合的结果),3.1 干洁大气(干空气),分类 1)按照各成分在大气中的浓度分为:主要成分、微量成分和痕量成分 2)按照平均滞留时间分为:准定常成分、可变成分和平均寿命短于一 年的变化很快的气体成分,主要成分、微量成分和痕量成分,主要成分:包括N2、O2、Ar和CO2,浓度在300ppmv以上;微量成分:如CH4,浓度在120ppmv;痕量成分:浓度在1ppmv以下,如O3、H2、NOX、硫化物、人为产生的氟氯烃类化合物。后两者合称为次要成分;次
8、要成分含量虽然低,但会显著影响人类;具有化学活性和大多是温室气体(CO2、O3、CH4)。,大气的组成饼图,准定常成分、可变成分和平均寿命短于一年的变化很快的气体成分,准定常成分:平均寿命大于1000a,各成分之间大致保持固定的比例,主要包括N2、O2、Ar,及微量惰性气体;可变成分:平均寿命为几年十几年,其所占的比例随时空变化,如CO2、CH4、H2、N2O和O3;平均寿命短于一年的:一些碳、硫、氮的化合物,可能产生很大危害。,3.1 干洁大气(干空气),及其它特征 1)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;2)平均分子量:90km以下,空气平均分子量为28.96
9、6,不随高度变化;90km以上,随高度递减。具体如下图,3.1 干洁大气(干空气),及其它特征 3)空气密度:标准状态(p=1013.25hPa,t=0)下,干空气密度为1.29kg/m3,3.1 干洁大气(干空气),及其它特征 3)空气密度:标准状态(p=1013.25hPa,t=0)下,干空气密度为1.29kg/m3,3.1 干洁大气(干空气),重要气体成分的作用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、O3a)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
10、。,地表上的水 全球年水量平衡,b)CO2c)O3 写两篇读书报告,题目分别为“CO2及全球变暖”、“O3和O3洞”,3.2 大气中的水汽,大气中水汽特征决定了其在大气科学研究的复杂性 和特殊性。水汽 存在三相变化,与成云致雨形成息息相关,因此决定了水汽是大气中最为活跃的气体,因此给与单独研究;,湿空气湿度表示大气中水汽量多少的物理量,称为湿度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。,3.2 大气中的水汽,3.2 大气中的水汽,表示大气湿度的物理量 1、混合比r与比湿q 2、水汽压 e(饱和水汽压)3、饱和差 4、水汽密度(绝对湿度)5、相对湿度 6、露点和霜点,上述大气湿度的
11、表示方法中,水汽压(e)、比湿(q)、水汽混合比()、露点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示了空气距离饱和的程度。,总 结,混合比r:一定体积湿空气中,水汽与干空气的质量比。单位:g/g或者g/kg.比湿q:一定体积湿空气中,水汽与湿空气的质量比。实际大气中,两者近似相等。,水汽压 e:大气中水汽的分压强饱和水汽压:一定温度下水汽的凝结率和蒸发率处于动态平衡时的水汽压。分为水面和冰面饱和水汽压,饱和水汽压(物理解释),空气和水汽 水水体表面层内的分子处于动乱状态,其中有的离开水面成为水汽分子,有的水汽分子撞击水面,并被水面吸附。这样凝结和蒸发同时发生。在给
12、定的某一温度下,当凝结和蒸发达到同一速率时,将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温度,而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变化。液面上方就称为处于水汽饱和状态,这种情况下的水汽分压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压(给出定义)。,饱和水汽压定义 在温度一定的情况下,单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度,如果水汽含量达到了这个限度,空气就呈饱和状态,这时的空气,称为饱和空气。饱和空气中的水汽压,称为饱和水汽压(E).,饱和差 在某一温度下,饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d):d=Ee,d表示实际空气距离饱和的程度,在研究水面蒸发时常用到
13、d,它可指出水分子的蒸发能力。(d0,subsaturation),相对湿度 所谓相对湿度(f),就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值(用百分数来表示),即:fe/E100%,意 义:相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度越大,越接近饱和,当达到100%时,空气就达饱和状态,此时水汽就要开始凝结。,露点 在空气中水汽含量不变,在一定的气压条件下,使空气冷却到达饱和时的温度,称为露点温度,简称露点(Td)。它的单位与气温相同。例如上海某日14时的气温为30,对应的饱和水汽压为42.5mb,当时的实际水汽压为31.7mb,很明显,这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变,气压
14、也不变,只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为 31.7mb时的气温为25,故只有当温度由30降到25时,空气才由未饱和状态变为饱和状态。因此,上海该日14时的露点是25。,气压一定时,露点的高低只与空气中的水汽含量有关,水汽含量愈多,露点愈高,所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中,空气经常处于未饱和状态,露点温度常比气温低(TdT)。只有空气达饱和时,露点温度才和气温相等(Td=T)。因此,根据T和Td的差值,还可大致判断空气距离饱和的程度。,水汽密度(绝对湿度):单位体积的湿空气中水汽的质量。,3.3 干空气和湿空气的状态方程,一、理想气体状态方程,2、地球上自
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