第一部分大氣的組成及熱力狀況課件

1、第一部分大氣的組成和垂直分層大氣的組成和垂直分層一、 大氣的組成（一）干潔空氣：大氣中除固體雜質和水汽之外的全部混合氣體，稱為干潔空氣。 其中，氮和氧容積占99.04，加上氬，三者合占99.97，其他氣體僅占0.03%。干潔空氣中大多數(shù)氣體的臨界溫度低于自然情況下大氣中可能出現(xiàn)的最低溫度，CO2 的臨界溫度雖然不高（每種物質都有一個特定的溫度，在這個溫度以上，無論怎樣增大壓強，氣態(tài)物質不會液化，這個溫度就是臨界溫度。 CO2 的臨界溫度31.1 ） ，但它所對應的壓力卻大大超過其實際分壓力。因此，干潔空氣中的所有成分都呈氣體狀態(tài)。（二）水汽 水汽主要來源于海洋、江河湖泊和土壤，以及潮濕物體表面

2、的蒸發(fā)和植物的蒸騰。大氣中的水汽含量極不固定，隨時間、地點、條件而不同。其所占容積變化范圍為04。觀測結果表明，在1.52km 高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km 高度，只相當于地面的1/10，再往上更少。 水汽含量雖然不多，但它在大氣溫度變化范圍內可以發(fā)生汽態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相轉化，人們常見的云、霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象，都是水汽相變的表現(xiàn)。此外，水汽還善于吸收和放射長波輻射，顯著影響大氣和地表的溫度。（三）固體雜質 懸浮在大氣中的固體雜質主要有煙粒、塵埃、鹽粒等，它們的半徑一般為10-210-8cm，多集中于低層大氣中。煙粒主要來源于生產、生活方面的燃燒；塵埃主要來自經風的吹揚進入大氣的地

3、表松散微粒，以及火山爆發(fā)后產生的火山灰、流星燃燒的灰燼；鹽粒則主要是由海洋波浪飛濺進入大氣的水滴被蒸發(fā)后形成的，固體雜質的含量陸地上空多于海洋上空，城市多于鄉(xiāng)村，冬季多于夏季，白天多于夜晚，愈近地面愈多。 固體雜質是大氣中水汽凝結的必要條件；能吸收部分太陽輻射，又可阻擋地面長波輻射，對大氣和 地表溫度有一定影響；其含量多少，還直接影響到大氣能見度的好壞。 （四）大氣組成的變化1、由于煤、石油等礦物燃料的使用越來越多，人類社會每年排放的二氧化碳總量在過去三十年里增加了一倍，再加上大量砍伐森林，減少了綠色植物通過光合作用吸收二氧化碳的能力，大氣中二氧化碳的濃度在過去三十年里增長了12。 2、氯氟烴

4、是一種人工合成的化合物，主要用于制冷劑、火箭推進劑等，到了80年代中期為止，全球氯氟烴的年消費量已達到100萬噸。 3、由于煤、石油等礦物燃料的使用越來越多，排入空氣中的硫、氮等氧化物不斷增加。大氣組成的這種變化，會產生什么影響? 成云致雨的必要條件主要成分次要成分水 汽固體雜質生物體的基本成分維持生物活動的必要物質植物光合作用的原料；對地面保溫吸收紫外線，使地球上的生物免遭過量紫外線的傷害成云致雨的必要條件；對地面保溫大氣組成主 要 作 用干潔空氣O3N2O2CO2大氣各成分的作用二 、大氣的垂直分層 1、地球大氣共分哪幾層? 2、在不同緯度，對流層高度是否一樣?為什么? 3、對流層和平流層

5、的氣溫如何隨高度而變化?原因是什么? 4、對流層和平流層中，大氣運動的特點是什么? 5、對流層和平流層大氣與人類有何關系? 6、讀圖，說明電離層與人類的關系。思考下列問題大氣的垂直分層對流層平流層對流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增加溫度減，只因熱源是地面；天氣復雜且多變，風云雨雪較常見氣溫初穩(wěn)后升熱只因層中臭氧多水平流動天氣好高空飛行很適合上冷下熱高空對流電離層高層大氣電離層能反射無線電波，對無線電通訊有重要作用暖層散逸層中間層1、大量的O32、對流層的厚度及特征A）厚度：本層厚度最簿，并隨緯度、季節(jié)而不同，在高緯地區(qū)平均：89km ,中緯地區(qū)平均：1012km,低緯地區(qū)平均1718km，

6、夏季大于冬季。 B）特征： 一是溫度隨高度的升高而降低；因為該層的熱量來自于地面的長波輻射，平均氣溫遞減率為0.65oC/100m； 二是具有強烈的對流運動；因為地面受熱不均。 三是天氣現(xiàn)象復雜多變；幾乎所有的水汽、云、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在此層。 3、平流層的特征（1）氣溫隨高度升高的分布 下層：其上界離地面約3540km，為同溫層 上層：其上界離地面約5060km，為逆溫層，即氣溫隨高度的升高而降低。因為平流層上層含有大量的臭氧，臭能大量地吸收太陽紫處線而增溫； （2）氣流以水平運動為主，逆溫的存在，對流不易產生。 （3）水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見度好。104、中間層的特征高度：平

7、流層頂至85km處。 （1）溫度隨高度的升高而迅速下降。因為臭氧的含量下降。 （2）空氣以垂直運動為主。但由于空氣稀薄，所出現(xiàn)的天氣現(xiàn)象已不如對流層復雜。 （3）在80km處白天出現(xiàn)一個電離層。 105、暖層的特征高度：中間層至800km處 特征： （1） 空氣質量小，空氣稀薄，空氣密度只角空氣總質量的0.5%，在120km高空，空氣密度小至聲音都難于傳播。 （2） 溫度隨高度升高而升高。因為所有波長小于0.175um的太陽紫外輻射都被暖層氣體所吸收，頂層溫度可達1000度。 （3） 空氣處于高度電離狀態(tài)。 （4） 能反射無線電波 （5） 出現(xiàn)極光現(xiàn)象。 6.散逸層（外層）暖層頂之上因大氣十分

8、稀薄，離地面遠，受地球引力場約束微弱，一些高速運動的空氣質點就能散逸到星際空間，所以本層稱為散逸層。根據(jù)宇宙火箭探測資料，地球大氣層之外，還有一層極其稀薄的電離氣體，可伸展到22000 公里高度，稱為地冕。這可能就是地球大氣層向宇宙空間的過渡區(qū)域。從大氣與地表自然環(huán)境之間關系來說，對流層具有特別重要的意義。下面將主要討論對流層范圍內的基本情況。 三 、大氣的熱力狀況 地球表面處于大氣圈、水圈和巖石圈的交互作用之中，進行著各種形式的運動過程，包括簡單的機械運動和復雜的生命過程，其中大多數(shù)過程的能量直接或間接來自太陽輻射。太陽輻射透過地球的大氣“外衣”到達地表，經過一系列能量轉換之后，形成對地球生

9、命有深刻影響的大氣熱力狀況。地球上的氣溫條件是各種生物繁殖和演化的重要條件，也是決定地球上能量和物質輸送、轉化的重要因素。氣溫的空間變化是各地理要素地域分異的根本原因之一。1、輻射的基本知識 （1）物體對輻射的吸收、反射和透射 假設投射到物體上 的總輻射為Qo，被 吸收的為Qa，被反 射的為Qr，透過的 為Qd，則根據(jù)能量守恒 原理：Qa+Qr+Qd=Qo 兩邊同除以Qo得： Qa/ Qo +Qr/ Qo +Qd/Qo =1 即；a+r+d=1。 物體的吸收率、反射率和透射率大小隨著輻射的波長和物體的性質而改變。 黑體能將所有波長的輻射全部吸收掉的物體即a=1。（2）有關輻射的基本規(guī)律 輻射能

10、力強的物體，其吸收能力也強，黑體的吸收率最大，故它是最好的放射體； 對于同一物體，如果在溫度為T時，它放射某一波長的輻射，那么在同一溫度下，它也吸收同樣波長的輻射； 任何物體在向四周放射能量的同時，也吸收能量； 高溫物體在單位面積上放射的能量比低溫物體多。斯蒂芬波爾斯曼定律：E=.T4 .=5.6710-8W（m2.K4） 、大氣上界太陽輻射：（可看作黑體輻射） 太陽表面溫度高達6000K左右，是熾熱的氣態(tài)球體。 太陽輻射短波輻射地面輻射長波輻射大氣的熱力作用1、大氣對太陽輻射的削弱作用2、大氣的保溫效應太陽輻射光譜太陽輻射中輻射按波長的分布，稱為太陽輻射光譜。從太陽輻射光譜圖中得出什么規(guī)律？

11、2 太陽輻射 太陽輻射光譜和太陽常數(shù) （1）波長過短或過長所負荷的輻射能量都很少； （2）大氣上界太陽輻射光譜在0.15um的范圍； 太陽輻射中99%的能量在0.154um的范圍，其中 0.40.76um為可見光區(qū)，0.76um的為紅外區(qū)，0.4um為紫外區(qū)。（3） 太陽輻射能主要分布在可見光區(qū)和紅外光區(qū)，其中，可見光占太陽輻射總能量的50%，并以0.47um附近最強，紅外區(qū)占43%；紫外區(qū)的太陽輻射能很少，只占7%。太陽常數(shù)在大氣上界，垂直于太陽光線的1cm2面積內，1min內獲得的太陽輻射能量，稱為太陽常數(shù)。1370W/m2。三、大氣對太陽輻射的削弱作用1、吸收作用O3吸收紫外線CO2、水

12、汽吸收紅外線特點：具有選擇性2、反射作用云層、塵埃特點：無選擇性3、散射作用空氣分子和微小塵埃：具有選擇性大顆粒的塵埃及水滴：則無選擇性大氣的吸收作用有何特點？散射類型1）分子散射：太陽輻射遇到比其波長小的空氣分子時發(fā)生的散射，輻射擊的波長愈短，散射得愈強。因此當太陽輻射通過大氣時，由于分子散射的結果，波長較短的光被散射得較多，雨后天晴，天空呈青藍色，就是因為太陽輻射中青藍色光波長較短，容易被大氣散的緣故。分子散射的另一特點是：質點散射對于其光學特性來說是對稱的球形。2）粗粒散射：太陽輻射遇到懸浮在空氣中的塵埃、煙塵、水滴等比光的波長尺度大的粗粒時，散輻就失去了對稱的形式，粗粒散射是沒有選擇性

13、的，即輻射的各種波長都同樣地散射。太陽大氣上界到達地面的太陽輻射大氣吸收19%大氣和地面反射、散射34%地面吸收47%L1S1S2L2QQ大 氣 上 界Q1Q2地球直射Q1QQ2Q大氣的削弱作用L1Q2S1影響太陽輻射強度因素太 陽高度角高度角大強度大大氣狀況云量少厚度小隨緯度變化隨季節(jié)變化低緯夏季削弱少四、 大氣的保溫效應1、地面輻射 是大氣的主要熱源，地面輻射絕大部分（約有7595%）被大氣中的云、霧、水汽和二氧化碳等吸收，只有波長為8.412um的部分，可穿過大氣層進入宇宙空間，故稱此波段為“大氣窗”。 2、大氣輻射 （1）大氣靠吸收（其吸收具有選擇性）地面長波輻射而增溫。 1）水汽：對

14、地面長波輻射的吸收最明顯，可吸收58.5um,18um紅外區(qū)范圍的太陽光； 2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是在14.7um為中心的吸收帶范圍很廣； 太陽地面大氣大氣逆輻射地面和大氣既吸收太陽輻射，又依據(jù)本身的溫度向外輻射。由于地面和大氣的溫度比太陽低得多，因而地面和大氣輻射的電磁波長比太陽輻射波長得多，其能量集中在3120 微米的紅外范圍內。故習慣上稱太陽輻射為短波輻射，地面和大氣輻射為長波輻射。 據(jù)估計，約有7595的地面長波輻射被大氣吸收，用于大氣增溫，只有極少部分穿透大氣散失到宇宙空間。由此可見，地面是大氣第二熱源。氣溫變化必然受到地面性質的影響。地面長波輻射幾乎

15、全被近地面4050 米厚的大氣層所吸收。低層空氣吸收的熱量又以輻射、對流等方式傳遞到較高一層。這是對流層氣溫隨高度增加而降低的重要原因。 地面輻射的方向是向上的，而大氣輻射方向既有向上的，也有向下的。向下的部分稱大氣逆輻射。逆輻射可減少地面因長波輻射而損失的熱量。這對地球表面的熱量平衡具有重要意義。它使太陽短波輻射易于達到地面，地面長波輻射卻不容易散失到宇宙空間，從而對大氣起保溫作用，使地面溫度變化不致過于劇烈。這種作用稱大氣花房效應。四、大氣對地面的保溫作用1、地面輻射地面輻射是大氣的直接熱源長波輻射2、大氣輻射長波輻射3、大氣對地面的保溫作用地面輻射大氣吸收大氣逆輻射大氣強烈吸收地面輻射，

16、將能量貯存于大氣中， 不致使地面輻射的能量散失大氣輻射的大部分能量又射向地面，在一定程 度上補償了地面輻射的部分損失什么是大氣的直接熱源？地面吸收大氣吸收地面增溫地面輻射大氣吸收射向宇宙空 間射向宇宙空 間大氣輻射射向地面大氣對地面的保溫作用“太陽暖大地”“大地暖大氣”“大氣還大地”大氣增溫ABCDEGHF大氣對太陽輻射的削弱作用短波輻射長波輻射太陽輻射到達地面太陽輻射大氣吸收太陽輻射地面輻射大氣吸收地面輻射射向宇宙地面輻射射向宇宙大氣輻射大氣逆輻射小結太陽輻射大氣吸收作用反射作用散射作用削弱作用地面地面輻射大氣逆輻射保溫作用直接熱源直接熱源通過計算，如果沒有大氣，地表的平均溫度為-230C，

17、實際為150C，也就是說，由于大氣的保溫作用，使地表溫度升高了380C。沒有月球的大氣有大氣的地球的情況大氣上界 資料：月球表面，白天在太陽直射的地方，溫度可達 1270C，夜晚則降到-1830C，這是生活在地球上的人類 無法想象的。而地球的晝夜溫差要小得多。試用大氣的作用加以解釋：繪圖練習（自選其一，可加文字說明）1、圖示大氣對太陽輻射的削弱作用2、圖示大氣對地面的保溫作用3、圖示晴天與陰天的晝夜溫差大氣吸收大氣反射太陽大氣上界大氣對太陽輻射的削弱作用到達地面的太陽輻射大氣散射太陽輻射地面輻射玻璃溫室大氣作用-保溫作用晝夜（1）白天多云時，由于云層對太陽輻射的 作用增強，到達地面的太陽輻射強度 ， 所以地面溫度比晴天 。（2）夜間多云時，由于云層 地面長波輻射， 并使大氣 作用增強，補償了地面 輻射損失的熱量，所以地面溫度比晴天 。晴天與陰天的晝夜溫差晴天陰天反