大气科学导论-第二章(大气的基本知识1).ppt
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1、大气科学导论,何金海 智协飞 周顺武 卢楚翰南京信息工程大学大气科学学院大气科学系,课程内容,第一章 概 述第二章 大气的基本知识第三章 关于大气运动的基本规律第四章 气旋与反气旋第五章 关于气团和锋的介绍第六章 关于天气预报的基本方法和技术第七章 海气相互作用的产物厄尔尼诺第八章 气候变化,地球大气的演化,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。
2、科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。,原生大气,原生大气的成分是以氢和少量的氦为主。但原生大气存在不太久(大约数千万年)。当太阳作为年青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。,次生大气,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,还有一些氨和硫的化合物。次生大气中没有氧,即使有也不能保留。因为当时地面温度很高,地壳中有很多铁,氧将很快和铁反应形成氧化铁。,现代大气,现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2,O3等。其中,自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生命
3、的出现和演化有着重要关系。因此,氧气的起源成为人们最为关心的问题。,氧的起源,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。,第二章 大气科学的基本知识,第一节 大气的组成第二节 大气的基本物理性质第三节 大气的垂直结构,第一节 大气的组成,干洁大气(即干空气)Clean Air 水汽 Moisture 悬浮在大气中的固液态杂质 Impurity,地球大气由三个部分组成:,大气的成份主要是氮(N2,占78%),氧(O2,占21%)。还有少量的 H2O,CO2,O3,CH4,N2O 以及惰性气
4、体Ar,He,Ke,.如果只考虑大气中数量最多的气体,N2,O2,那么这二种成分的比值一直到80公里还是不变的,称为均匀混合层。大气中变化最大的气体是H2O和O3。,大气的成分,低层大气的主要成分,一 干洁大气,干洁大气的定义:除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。,干洁大气的成分变化:,090 km:主要成分和含量比例基本保持不变。,90km以上:氮稍有减少,氧稍有增多,氩和二氧化碳明显减少,其中氧分子和氮分子开始离解。,各种成分介绍:,氮气(N2):,存在方式:以蛋白质的形式存在于有机体中。,作用:是有机体的基本组成部分,也是合成氮肥的基本原料。,氧气(O2):,是人
5、类和动植物维持生命活动的极为重要的气体;积极参加大气中的许多化学过程;对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。,臭氧(O3):,时空变化:,时间变化:最大值出现在春季,最小值出现在夏季。,空间变化:,水平:由赤道向两极增加。,垂直:,5560km,含量极少。2025km,达最大值,形成臭氧层;1215km以上,含量增加特别显著;从10km向上,逐渐增加;近地面,含量很少;,大气中的可变化成分O3,主要存在于大气平流层,可以吸收太阳的紫外辐射,对地面生命有保护作用。对流层臭氧对人体有害。平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分解成氧原子,氧原子与氧分子反应生成臭氧。,这幅图显示的是臭氧洞
6、。1986年,南极的臭氧量仅是30年前的一半。1988年,曾发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄3%。这种变化足以使皮肤癌的病例增加。,臭氧能够吸收紫外线,减少生物直接遭受紫外线的照射,陆地上的生物便能在此一保护伞下,顺利的生长与繁殖。,臭氧的作用:,对紫外线有着极其重要的调控制作用。,对高层大气有明显的增温作用。,二氧化碳(CO2):,来源:生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。时空变化:时间变化:a)白天、晴天、夏季时的浓度小于黑夜、阴天、冬季。b)工业革命前小于工业革命后。空间变化:水平:城市大于农村,垂直:020km,含量最高;20km以上,含量显著减少。,
7、大气中的可变化成分CO2,占大气总质量的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。,CO2的作用:,绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。,强烈吸收长波辐射(地面辐射、大气辐射),使地面保持较高的温度,产生“温室效应”。,温室效应模式图,Greenhouse effect,二、水汽 Moisture,来源:,主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。,大气中的可变化成分水汽,占
8、大气总质量的0.25%,浓度随高度迅速减少,主要存在于近地面3公里以下的层次,水汽在大气中的平均停留时间为10天。,水汽在大气中的平均停留时间,如上图所示,大气中的水量是13个单位,每年全球的降水量是423个单位。,时间:夏季多于冬季,空间:一般低纬多于高纬,下层多于上层。,时空变化:,在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放出长波辐射,对大气起着“温室效应”。,作用:,水汽,在大气中悬浮着的各种固体和液体微粒(包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分)。,三、大气中的杂质 Impurity,气溶胶粒子:Aerosol,定义:大气中沉降速率极小、尺度在10-
9、4m到100m 之间的固态和液态微粒。分类:液体质粒、固体质粒 固体质粒的来源:有机质数量较少,大多为植物花粉、微生物和细菌等;无机质数量较多,主要来源于:尘粒、烟粒、海洋中浪花飞溅的盐粒,流星飞逝后留下的灰烬,火山尘埃等。,显微镜下的气溶胶颗粒图像,大气中的可变化成分气溶胶,液态或固态微粒在空气中的悬浮体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核,太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。其来源包括:1.被风扬起的细沙和微尘;2.海水溅沫蒸发而成的颗粒;3.火山喷发;4.森林或其它生物体燃烧的烟尘;5.人类燃烧矿物燃料排放的烟尘;6.矿物燃料燃烧过程中排放的SO2在大气中氧化
10、后形成的硫酸盐粒子;7.燃烧石油和天然气等排放的NOx,CO,CH等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子;8.其它大气化学过程形成的气溶胶粒子气溶胶散射降低太阳辐射,导致地面变冷,吸收太阳辐射,使空气温度增高,但也削弱了到达地面的太阳辐射;缓冲地面辐射冷却,部分补偿地面因长波有效辐射而失去的热量;降低大气透明度,影响大气能见度;充当水汽凝结核,对云、雾及降水的形成有重要意义。,气溶胶的作用,大气中的污染物质:Pollutant,定义:,由于人类活动或自然过程,使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。,分布:,空间,垂直:主要集中在3km以下的低层大气中。,水平:城市多,农村少;
11、陆地多,海洋少;,时间:冬季多,夏季少;清晨和夜间多,午后少。,火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。,来源:,自然过程形成,人为过程造成,工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用,农业上化肥、农药的喷施,生活上制冷采暖的排放与泄漏等。,二次污染物:,分类:,一次污染物:,直接从污染源排出来的物质。,进入大气的一次污染物互相作用或与大气正常组分发生化学反应,以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。,32,危害,大气成分的性质,人类活动对大气成分的影响,从上面的讨论我们可以看到,地球大气势在不断演变的。工业革命(1860年)之前的演变可以认为是自然变化。工业革命之后,人类对大
12、气或环境的改变影响在加大,而且,这种影响是达到了无法忽略的程度。,人类活动对以下大气成分的改变影响显著,化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升高,煤的燃烧导致SO2含量升高。汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。人工固氮导致大气中氮的减少。人工制造的制冷剂CFCs的泄漏导致大气中CFCs含量增加,CFCs在大气平流层分解后产生的氯造成平流层O3减少。CO2等温室气体的增加导致气候变暖,温度升高后大气中水汽含量增加。,CO2含量的增加,甲烷(CH4)的增加,最近1000年的温度变化(最近150年温度升高很快),最近130年的温度变化(最近30年温度升高很快),自上个世纪70年
13、代末,平流层臭氧急剧减少,右图:南极臭氧洞在加强左图:在2000年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次,已经延伸到了南美大陆,第二节 大气的基本物理性质,在气象学上,大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。一、主要气象要素气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量,如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等等。,气温,气压,湿度,降水,风,云量,能见度,主要气象要素,1、定义:表示大气冷热程度的物理量,反映一定条件下空气分子平均动能大小。通常指距地面1.5m高处百叶箱中的空气温度。2、单位:摄氏度()温标;绝对温标,以K表示;华氏温标:,水的沸点为2123、单位换算:,一、
14、气温(Temperature),百叶箱的设置条件:1.全为白色2.四周全为百叶 3.离地面1.5m4.窗扇向北(因为太阳东升西落,以避免开窗时温度计受到阳光直接照射,使得温度计的读数失真),1、定义:单位面积上所承受到的整个空气柱的质量大气的压强。实质:气压的大小决定于整个空气柱质量的多少。2、标准大气压:在纬度为45的海平面上,温度为0时,所测得的水银柱高高为760mm的大气压强,为一个标准大气压(1atm1013.25Pa)。3、单位:1Pa=1N/m2,mb毫巴,Pa帕斯卡 1mb=100Pa=1hPa(百帕);1atm101325Pa1013.25mb=760mmHg,二、气压(Pre
15、ssure),水银气压计,气压的垂直分布 由于大气层的厚度随高度的增高而变薄,空气密度也随高度增高而迅速减小,所以,气压随高度增高而急剧减小。,1、定义:表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。意义:大气湿度状况直接影响了云、雾、降水等天气现象的形成。,三、湿度(Humidity),水汽压(e)及饱和水汽压(E),相对温度(f),饱和差(d),比湿(q),水汽混合比(),露点(Td),湿度表示方法,水汽压(e):水汽和其它气体一样也有压力,大气中水汽产生的那一部分压力。水汽含量,水汽压e。单位:hPa,水汽压及饱和水汽压,饱和水汽压(E):温度一定,单位体积空气中的水汽含量是有一定限度,空气达
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