第三章太陽(yáng)輻射在大氣中的吸收和散射1

第一節(jié)地球大氣的成分和結(jié)構(gòu)為了描述地球大氣與太陽(yáng)輻射的相互作用，我們首先來(lái)了解一下大氣的結(jié)構(gòu)和成分。3.1.1熱力結(jié)構(gòu)為了確定與太陽(yáng)光吸取和散射有關(guān)的大氣區(qū)域，我們首先給出標(biāo)準(zhǔn)大氣的垂直溫度廓線：大氣的分層命名通常由它的熱力狀態(tài)導(dǎo)出對(duì)流層－對(duì)流層頂?shù)母叨入S緯度和季節(jié)變更(低緯17~18km，中11~12km，高8~9km)；集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和全部的水汽；天氣現(xiàn)象都發(fā)生在這一層。平流層－高達(dá)50km；氣層穩(wěn)定；T最初微升，30km以上隨Z的上升增加很快，達(dá)270～290K。這主要是由于O3吸取紫外輻射所致；水汽很少，能見(jiàn)度很高。中層－高達(dá)80~85km；T隨Z上升而遞減得很快；有猛烈的湍流混合和光化學(xué)反應(yīng)。熱層－高達(dá)500~600km；T隨Z上升而快速增加，可達(dá)1000~2000K，所以稱熱層；由于波長(zhǎng)小于0.175微米的太陽(yáng)紫外輻射，被熱層氣體吸取所致。溫度是分子運(yùn)動(dòng)速度的一個(gè)度量；溫度一日間有顯著變更；熱層處于高度電離狀態(tài)。外層－熱層頂以上是外層，這一層可能始終延長(zhǎng)到約1600km的高空，并且逐步融合到行星空間去。由于地球引力場(chǎng)的束縛力很小，一些高速運(yùn)動(dòng)的空氣質(zhì)粒不斷向星際空間逃逸，又稱外逸層。電離層－從距離約60km起先向上延長(zhǎng)。在遠(yuǎn)距離無(wú)線電通訊中起著重要作用。與太陽(yáng)活動(dòng)親密相關(guān)。磁層－500km以上的高空。受太陽(yáng)風(fēng)的作用，看起來(lái)像彗星狀。Planetaryboundarylayer行星邊界層：大氣層的最低1km左右的層次明顯與對(duì)流層的其他高度不同，它與地表發(fā)生猛烈而重要的相互作用，這一層稱為行星邊界層。恒定成分變化成分成分

體積比（％）成分

體積比（％）Nitrogen(N2)Oxygen(O2)

Argon(Ar)Carbondioxide(CO2)Neon(Ne)Helium(He)Krypton(Kr)Xenon(Xe)Hydrogen(H2)Methane(CH4)Nitrousoxide(N2O)bCarbonmonoxide(CO)b

78.08420.9480.9340.03618.18×1045.24×1041.14×1040.089×1040.5×104

1.7×1040.3×1040.08×104Watervapor(H2O)Ozone(O3)Sulfurdioxide(SO2)bNitrogendioxide(NO2)bAmmonia(NH3)bNitricoxide(NO)bHydrogensulfide(H2S)b(HNO3)Chlorofluorocarbons(CFCI3,CF2C12CH3CCI3,CC14,etc.)0～0.040～12×1040.001×1040.001×1040.004×1040.0005×1040.00005×104微量Trace3.1.2化學(xué)成分體積比假設(shè)在壓力P、溫度T狀態(tài)下干空氣占有容積Va，其中某氣體成分的分壓力為p，當(dāng)溫度T保持不變，而該氣體成分的壓力變?yōu)镻時(shí)。它占有容積V，則定義該氣體成分的體積比為q=V/Va其數(shù)值以百分?jǐn)?shù)（％）或百萬(wàn)分?jǐn)?shù)（ppm）表示，當(dāng)含量特別少時(shí)，又可以用千兆分?jǐn)?shù)（ppb）表示。CO2，CH4

CO2雖然被列為恒定成分，但由于礦物燃燒、海洋的吸取和放射及光合作用，始終以大約0.4％的速度增加。CO2能夠猛烈地吸取和放射紅外輻射，對(duì)氣溫有確定的影響。大氣中CH4的含量也以每年1％～2％的速率在增加，現(xiàn)在達(dá)1.7ppmvCO,N2O的含量也在變更可變氣體成分：H2O水汽是地球大氣中主要的輻射和動(dòng)力要素，它的含量隨時(shí)空變更很大。對(duì)流層H2O的空間分布取決于局地水文循環(huán)和大尺度輸送過(guò)程。最大值出現(xiàn)在南、北半球亞熱帶700hpa高度以下的氣層中。它是在大氣溫度變更范圍內(nèi)唯一可以發(fā)生相變的成分。由于水的三態(tài)都擅長(zhǎng)吸取和放射紅外輻射，因而對(duì)地面和空氣的溫度變更也有確定的影響。水汽的吸取系數(shù)可變氣體成分：O3O31840年瑞士科學(xué)家首先發(fā)覺(jué)臭氧。濃度主要出現(xiàn)在約15～30km的高度，這個(gè)區(qū)域稱為臭氧層（法國(guó)）。近地面空氣中臭氧的含量極少，在20～25km處達(dá)極大值，具體取決于緯度和季節(jié)，再往上又減小，到50km旁邊臭氧含量趨于零。假如把它集中起來(lái)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，平均厚度約3mm。它的形成主要是由于太陽(yáng)紫外輻射的作用。臭氧在大氣中的含量雖然很小，但其作用卻很大。臭氧吸取系數(shù)氣溶膠氣溶膠：氣溶膠由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系。目前常將氣溶膠分成三大類：①霧，指液體粒子的凝合性氣溶膠和分散性氣溶膠；②塵，指固態(tài)粒子的分散性氣溶膠；③煙，指固態(tài)粒子的凝合性氣溶膠。大氣電現(xiàn)象，大氣輻射和光學(xué)，大氣化學(xué)過(guò)程，以及云降水的形成，都跟氣溶膠有關(guān)。最大濃度出現(xiàn)在城市和沙漠，在對(duì)流層，濃度隨高度增加而快速減小。平流層某些高度上，觀測(cè)到有氣溶膠薄層長(zhǎng)期存在。大