大氣物理學第一次課

1、大氣物理學課程簡介主要內(nèi)容課程性質(zhì)與任務(wù)學科發(fā)展簡史主要參考書課程性質(zhì)與任務(wù)定義

主要研究地球大氣各種物理現(xiàn)象和過程。大氣現(xiàn)象與過程：大氣中流體運動、光象、電象、熱現(xiàn)象、相變過程、輻射過程。分支大氣動力學、大氣光學、大氣電學、大氣熱力學、云降水學、大氣輻射學課程性質(zhì)與任務(wù)研究方法通過觀測或者實驗獲取大氣狀態(tài)和過程的資料，應(yīng)用物理學、化學和大氣科學本身的理論分析這些資料，總結(jié)大氣過程規(guī)律性，并指導(dǎo)實踐。課程學習目的

了解和掌握大氣物理學的基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)理論，為學習后行課、專業(yè)課打下堅實的基礎(chǔ)。

課程性質(zhì)與任務(wù)學習內(nèi)容

大氣成分和結(jié)構(gòu)特征大氣靜力學大氣輻射學大氣熱力學1）近代大氣物理學起始階段（18世紀中葉~20世紀中葉）1752，美國Franklin第一次用風箏探明雷擊的本質(zhì)就是電。1871，英國物理學家Rayleigh解釋了天空蘭色的現(xiàn)象學科發(fā)展簡史1908，德國物理學家G.Mie解決了球形粒子的散射問題1859-1901，這兩位德國物理學家開創(chuàng)了輻射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck（1858-1947）德國物理學家，量子力學的開創(chuàng)人G.R.Kirchhoff（1824-1887）德國物理學家1880-1881，英國物理學家J.Aitken等指出了凝結(jié)核在霧滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson發(fā)明云室，因此獲1927年諾貝爾物理學獎?！凳窃旗F物理的基礎(chǔ)和開端。2）大氣物理學高速發(fā)展階段（20世紀中葉以來）1）具有重大實際應(yīng)用問題的需要大大加速了大氣物理學的發(fā)展。1946年，美國物理學家I.Langmuir,V.J.Schaefer發(fā)現(xiàn)干冰可以催化云產(chǎn)生降水后來，B.Vonnegut發(fā)現(xiàn)碘化銀可作為人工冰核，促使云降水物理學獲得了重大發(fā)展。2）需要掌握大氣環(huán)境演變規(guī)律，促使大氣邊界層與大氣湍流學科的發(fā)展3）衛(wèi)星、雷達等遙感技術(shù)的發(fā)展，推動了大氣輻射學的研究參考書目：1.盛裴軒,毛節(jié)泰等.大氣物理學,北大出版社,20032.許紹祖主編.大氣物理學基礎(chǔ).氣象出版社,19913.周秀驥等編著.高等大氣物理學.氣象出版社,19914.[美]J、M華萊士，P.V.霍布斯著.大氣科學概觀.上?？茖W技術(shù)出版社，19812、地球大氣的演化2、地球大氣的演化地球大氣以氮、氧為主。這在迄今為止所有已發(fā)現(xiàn)的天體大氣中是唯一的。地球已經(jīng)有46億年的歷史，在漫長而曲折的演化過程中，今天地球大氣成分和結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。本次課所要講授的內(nèi)容地球大氣是怎樣起源的呢？怎樣從原始大氣狀態(tài)演變?yōu)楝F(xiàn)代大氣的呢？

2、地球大氣的演化銀河系中心銀河系與河外星系太陽系地球形成50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個火球。隨著地球逐步冷卻，較重的物質(zhì)沉到中心，形成地核；較輕的物質(zhì)浮在上面，冷卻后形成地殼。其結(jié)構(gòu)見下圖地球構(gòu)造圖2、地球大氣的演化地球大氣的演化大致分為三個階段原始大氣：地球形成初期的原始大氣應(yīng)是以宇宙中最豐富的輕物質(zhì)H2、He和CO為主。太陽風（高速物質(zhì)流）和地球的升溫作用使得原始大氣逐漸向宇宙空間膨脹并逃逸失散。次生大氣：在45-20億年前，地球逐漸冷卻后,由于造山運動、火山噴發(fā)伴隨從地幔中釋放出來的地殼內(nèi)部原來吸附的氣體，形成了次生大氣，其主要成分是CO2、CH4、NH3和H2O。現(xiàn)代大氣：大量水汽造成長時間降雨，持續(xù)了幾千年（推測），形成原始海洋，生命就在原始海洋的湯液中形成。以氮氣和氧氣為主。2、地球大氣的演化綜上，生命的出現(xiàn)和生物圈的形成在地球大氣的演變過程中起了重要作用。而生命能夠在地球上出現(xiàn)，是和合適的日地距離有關(guān)。

1）適宜的日地距離使地球表面溫度合適，水能完成水汽、液水和冰循環(huán)，為生命存在提供吸收養(yǎng)分等的介質(zhì)。

2）水汽光解產(chǎn)生少量氧，海洋和少量氧的存在為生命出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

3）生命的出現(xiàn)反過來又改變了地球大氣的成分，形成以氮、氧為主的大氣。

4）臭氧強烈吸收太陽紫外輻射，保護地球上的生命，并使平流層增溫，從而改變高層大氣的熱力結(jié)構(gòu)。

地球大氣是由多種氣體以及漂浮于其中的固態(tài)、液態(tài)等顆粒物質(zhì)（稱為大氣氣溶膠）組成的。即包括含有多種成分的干空氣（簡稱干潔大氣）、水汽和氣溶膠粒子。3、地球大氣成分及分布3.1干潔大氣（干空氣）

定義：除水汽以外的純凈大氣。研究的范圍：90km以下的均和層，特別是對流層的大氣。均和層：在90km以下，干空氣的成分和各成分之間的比例是不變的，即各成分之間是均勻混合的（湍流混合的結(jié)果）3.1干潔大氣（干空氣）

分類

1）按照各成分在大氣中的濃度分為：

主要成分、微量成分和痕量成分

2）按照平均滯留時間分為：

準定常成分、可變成分和平均壽命短于一年的變化很快的氣體成分主要成分、微量成分和痕量成分主要成分：包括N2、O2、Ar和CO2，濃度在300ppmv以上；微量成分：如CH4，濃度在1~20ppmv；痕量成分：濃度在1ppmv以下，如O3、H2、NOX、硫化物、人為產(chǎn)生的氟氯烴類化合物。后兩者合稱為次要成分；次要成分含量雖然低，但會顯著影響人類；具有化學活性和大多是溫室氣體（CO2、O3、CH4）。大氣的組成餅圖準定常成分、可變成分和平均壽命短于一年的變化很快的氣體成分準定常成分：平均壽命大于1000a，各成分之間大致保持固定的比例，主要包括N2、O2、Ar，及微量惰性氣體；可變成分：平均壽命為幾年~十幾年，其所占的比例隨時空變化，如CO2、CH4、H2、N2O和O3；平均壽命短于一年的：一些碳、硫、氮的化合物，可能產(chǎn)生很大危害。3.1干潔大氣（干空氣）及其它特征

1）相變特征：在地球大氣溫、壓條件下，水汽是唯一能發(fā)生相變的氣體成分；

2）平均分子量：90km以下，空氣平均分子量為28.966，不隨高度變化；90km以上，隨高度遞減。具體如下圖3.1干潔大氣（干空氣）及其它特征

3）空氣密度：標準狀態(tài)（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空氣密度為1.29kg/m33.1干潔大氣（干空氣）及其它特征

3）空氣密度：標準狀態(tài)（p=1013.25hPa,t=0℃）下，干空氣密度為1.29kg/m33.1干潔大氣（干空氣）重要氣體成分的作用1）主要氣體—氮、氧對生命活動有重要意義，但對天氣、百萬年尺度的氣候變化沒有什么作用。2）微量、痕量氣體—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，影響地面和空氣溫度；是地球系統(tǒng)的水循環(huán)中起重要角色。地表上的水–全球年水量平衡b)

CO2c)

O3

寫兩篇讀書報告，題目分別為“CO2及全球變暖”、“O3和O3洞”3.2大氣中的水汽大氣中水汽特征決定了其在大氣科學研究的復(fù)雜性和特殊性。水汽存在三相變化，與成云致雨形成息息相關(guān)，因此決定了水汽是大氣中最為活躍的氣體，因此給與單獨研究；濕空氣濕度

表示大氣中水汽量多少的物理量，稱為濕度。大氣的濕度狀況是決定云、霧、降水等天氣現(xiàn)象的重要因素。

3.2大氣中的水汽3.2大氣中的水汽表示大氣濕度的物理量

1、混合比r與比濕q2、水汽壓e（飽和水汽壓）

3、飽和差

4、水汽密度（絕對濕度）

5、相對濕度

6、露點和霜點

上述大氣濕度的表示方法中，水汽壓（e）、比濕（q）、水汽混合比（γ）、露點等基本上表示了空氣中水汽含量的多少。而相對濕度、飽和差、溫度露點差則表示了空氣距離飽和的程度?？偨Y(jié)混合比r：一定體積濕空氣中，水汽與干空氣的質(zhì)量比。單位：g/g或者g/kg.比濕q：一定體積濕空氣中，水汽與濕空氣的質(zhì)量比。實際大氣中，兩者近似相等。水汽壓e：大氣中水汽的分壓強飽和水汽壓：一定溫度下水汽的凝結(jié)率和蒸發(fā)率處于動態(tài)平衡時的水汽壓。分為水面和冰面飽和水汽壓飽和水汽壓（物理解釋）

空氣和水汽水水體表面層內(nèi)的分子處于動亂狀態(tài)，其中有的離開水面成為水汽分子，有的水汽分子撞擊水面，并被水面吸附。這樣凝結(jié)和蒸發(fā)同時發(fā)生。在給定的某一溫度下，當凝結(jié)和蒸發(fā)達到同一速率時，將處于平衡狀態(tài)。此時空氣和水汽的溫度等于液水溫度，而且沒有水分子從一個相態(tài)區(qū)轉(zhuǎn)移到另一個相態(tài)區(qū)的凈變化。液面上方就稱為處于水汽飽和狀態(tài)，這種情況下的水汽分壓強就稱為飽和水汽壓。類似的我們也可以得到冰面飽和水汽壓(給出定義）。飽和水汽壓定義

在溫度一定的情況下，單位體積空氣中能容納的水汽數(shù)量有一定的限度，如果水汽含量達到了這個限度，空氣就呈飽和狀態(tài)，這時的空氣，稱為飽和空氣。飽和空氣中的水汽壓，稱為飽和水汽壓(E).飽和差

在某一溫度下，飽和水汽壓與實際空氣中水汽壓之差稱為飽和差(d)：d=E—e，d表示實際空氣距離飽和的程度，在研究水面蒸發(fā)時常用到d，它可指出水分子的蒸發(fā)能力。(d>0,subsaturation)相對濕度所謂相對濕度(f)，就是空氣中的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的比值(用百分數(shù)來表示)，即：

f＝e/E×100%意義：相對濕度直接反映了空氣距離飽和的程度。相對濕度越大，越接近飽和，當達到100%時，空氣就達飽和狀態(tài)，此時水汽就要開始凝結(jié)。

露點

在空氣中水汽含量不變，在一定的氣壓條件下，使空氣冷卻到達飽和時的溫度，稱為露點溫度，簡稱露點(Td)。它的單位與氣溫相同。

例如上海某日14時的氣溫為30℃，對應(yīng)的飽和水汽壓為42.5mb，當時的實際水汽壓為31.7mb，很明顯，這時的空氣是未飽和的。如果實際水汽壓不變，氣壓也不變，只有降低空氣溫度才能使空氣達到飽和。而飽和水汽壓為31.7mb時的氣溫為25℃，故只有當溫度由30℃降到25℃時，空氣才由未飽和狀態(tài)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)。因此，上海該日14時的露點是25℃。

氣壓一定時，露點的高低只與空氣中的水汽含量有關(guān)，水汽含量愈多，露點愈高，所以露點也是反映空氣中水汽含量的物理量。在實際大氣中，空氣經(jīng)常處于未飽和狀態(tài)，露點溫度常比氣溫低(Td＜T)。只有空氣達飽和時，露點溫度才和氣溫相等(Td=T)。因此，根據(jù)T和Td的差值，還可大致判斷空氣距離飽和的程度。水汽密度（絕對濕度）：單位體積的濕空氣中水汽的質(zhì)量。3.3干空氣和濕空氣的狀態(tài)方程

一、理想氣體狀態(tài)方程2、地球上自然狀態(tài)下的空氣可看作理想氣體二、干空氣狀態(tài)方程1、方程推導(dǎo)設(shè)體積為V、溫度為T的干空氣中，含有n種氣體成分，其中第i種成分的狀態(tài)方程為：對以上n個式子求和，有考慮到并令，則有90km以下，令Rd稱為干空氣比氣體常數(shù)（3）式可化為2、比氣體常數(shù)三、濕空氣狀態(tài)方程1、方程推導(dǎo)干空氣和水汽狀態(tài)方程分別為把（5）代入上式（6），有（4）+（7）得即（7）/（8），得考慮到（9）式近似為把（10）代入（8），有若令則（11）式化為若令則（11）式化為（11）~（13）為濕空氣狀態(tài)方程的三種形式，其中最常用的為公式（13）2、虛溫

是關(guān)于溫度、水汽壓和壓強的函數(shù)。為了能在濕空氣狀態(tài)方程中使用，并且使其與干空氣狀態(tài)方程具有類似的簡單形式所引入的參量。定義式為四、常用的濕度參量間關(guān)系一塊體積為V、溫度為T的濕空氣中，水汽和干空氣狀態(tài)方程分別為（6）/（14），得

一塊體積為V、溫度為T的濕空氣中，水汽和濕空氣狀態(tài)方程分別為（6）/（11），有3.4大氣氣溶膠粒子1、大氣氣溶膠粒子

氣溶膠：是指大量十分細小的固體或液體粒子均勻地分布在氣體（常為空氣）里構(gòu)成的穩(wěn)定混合物。

大氣氣溶膠：大氣與懸浮在其中的固體或液體微粒子共同組成的混合物。而其中的懸浮物就稱為氣溶膠粒子。2、分類

1）云降水學分類（按半徑分類）

2）大氣環(huán)境學分類

愛根核：半徑<0.1微米之間。大核：半徑在0.1到1微米之間。巨核：半徑>1微米。TSP、降塵、PM10、PM2.5、塵粒、粉塵、灰、等。地面常見大氣氣溶膠種類和名稱塵：機械粉碎過程直接形成的固體顆粒質(zhì)粒群分散于空氣當中，尺度為

m量級。煙：燃燒氧化過程產(chǎn)生的固體顆?；驓怏w轉(zhuǎn)化為固體或液體的混合物，尺度<1

m。熏煙：燃燒或其他物理化學過程（升華蒸餾）產(chǎn)生的固體絮狀顆粒，尺度<1

m。霧：氣體凝結(jié)凝華或液體分離形成的液滴質(zhì)粒群，尺度1-20

m。霾：固態(tài)質(zhì)粒在潮解條件下并與濕度變化呈穩(wěn)定平衡的部分和完全水溶性質(zhì)粒群，尺度<1

m。煙霧：煙和霧的聯(lián)合質(zhì)粒群體，有光化學反應(yīng)，尺度0.5

m。3、氣溶膠質(zhì)粒的形狀和尺度等軸狀：球體和規(guī)則、不規(guī)則的多面體片狀：葉、箔、鱗、盤線狀：柱、針、線0.010.11.010.0

Itpresents3modes:-?

nucleation

?:radiusisbetween0.002and0.05mm.Theyresultfromcombustionprocesses,photo-chemicalreactions,etc.-?

accumulation

?:radiusisbetween0.05mm

and0.5mm.Coagulationprocesses.-?

coarse

?:largerthan1mm.Frommechanicalprocesseslikeaeolianerosion.?

fine

?particles(nucleationandaccumulation)resultfromanthropogenicactivities,coarseparticlescomefromnaturalprocesses.AerosolSizeDistributionphotosfromGuntherHelas,MPICNaturalbiogenicaerosolparticles–Whereveryouhavetreesorvegetation,theseparticlesarethere...P.S.:Aretheseparticlesspherical?AretheySulfates?SoilDust?SeaSalt?AerosolTypesandOriginAerosolparticleslargerthanabout1mminsizeareproducedbywindblowndustandseasaltfromseasprayandburstingbubbles

Aerosolssmallerthan1μmaremostlyformedbycondensationprocessessuchasconversionofsulfurdioxide(SO2)gas(releasedfromvolcaniceruptions)tosulfateparticlesandbyformationofsootandsmokeduringburningprocesses.

Afterformation,theaerosolsaremixedandtransportedbyatmosphericmotionsandareprimarilyremovedbycloudandprecipitationprocesses.

氣溶膠特征尺度分類粗質(zhì)粒：通過機械破碎、乳化分散過程直接形成的質(zhì)粒，也叫做一次氣溶膠或原生質(zhì)粒，半徑尺度>1

m細質(zhì)粒：通過氣體轉(zhuǎn)化形成的顆粒以及這些顆粒經(jīng)過碰并、聚合、沾附等物理效應(yīng)增長形成的質(zhì)粒,也叫做二次氣溶膠或次生質(zhì)粒，半徑尺度<1

m4、氣溶膠質(zhì)粒的濃度單位體積空氣中所含有一定尺度范圍內(nèi)質(zhì)粒的參數(shù)，如：個數(shù)、表面積、體積和質(zhì)量數(shù)濃度表面積濃度體積濃度和質(zhì)量濃度數(shù)濃度定義：單位體積空氣中所含有一定尺度范圍內(nèi)的質(zhì)粒個數(shù)，ni(d)。量綱：[l-3]，(cm-3)，(m-3)數(shù)值范圍：100-106（個/cm3）南極大氣：10（個/cm3）清潔的大陸地區(qū)：102（個/cm3）城市工業(yè)區(qū)：105-106（個/cm3）質(zhì)量濃度定義：單位體積空氣中所含有一定尺度范圍內(nèi)的質(zhì)粒的總質(zhì)量。量綱：(mg/m3),(

g/cm3)總質(zhì)量：M=(/6)

(nid3)

,ni為質(zhì)粒數(shù)濃度清潔的大陸地區(qū)：1

g/m3城市污染大氣：2000

g/m3工業(yè)重污染區(qū)：5000

g/m3

濃度背景愛根顆粒（cm-3)V(D<1m)m-3

cm-3Vm-3

cm-3海洋遙遠陸地大陸平均受城市影響城市污染區(qū)100―40050―1002000―50005000―15000105―4*1061―40.5―2.52.5―88―3030―1502―1010―4020―60100―300大氣氣溶膠濃度

局地氣溶膠的增加與自然條件和人為有關(guān)，一般陸地高于海洋，城市高于農(nóng)村5、全球氣溶膠的分類一般分三類：大陸型、海洋型、背景型分四類：

大陸型、海洋型、鄉(xiāng)村型、城市型或大陸型、海洋型、背景型、平流層型七類實測氣溶膠特征值類型核模態(tài)積聚模態(tài)粗粒模態(tài)尺度數(shù)濃度體積濃度尺度數(shù)濃度體積濃度尺度數(shù)濃度體積濃度

mcm3

m/cm3

mCm3

m/cm3

mcm3

m/cm3海洋表面背景0.0193.4*1020.000050.36*1010.1123.1*10312清潔大陸背景0.031*1030.0060.358*1021.567.2*1025平均大陸背景0.0346.4*1030.0370.322.3*1034.456.043.2*10225.9背景+老化城煙羽0.0286.6*1030.0290.369.6*1034.44.517.2*10227.9背景+局地源0.0214.02*1050.620.254.5*1033.025.64.9*10239.1城市平均0.0381.06*1050.630.323.2*10438.45.75.4*10230.8城市+高速路0.0322.12*1069.20.253.7*10437.56.04.9*10242.7九類氣溶膠沙漠氣溶膠海洋氣溶膠遠陸氣溶膠對流層中上層氣溶膠極地氣溶膠生物氣溶膠云過程氣溶膠生物質(zhì)燃燒氣溶膠平流層氣溶膠6、大氣氣溶膠粒子的源和匯

1）源

據(jù)估計，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來源僅為自然來源的五分之一。包括海水飛沫（見下圖）、氣粒轉(zhuǎn)換、風揚沙塵、火山爆發(fā)大氣氣溶膠的源土壤、巖石風化及火山噴發(fā)的塵埃煙塵及工業(yè)粉塵海沫破裂干枯成核氣-粒轉(zhuǎn)化微生物、孢子、花粉等有機物質(zhì)點宇宙塵埃2）匯即氣溶膠粒子被移出大氣的過程。按是否有水質(zhì)粒參與，分為干移出、濕移出干移出過程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過程。包括重力下沉、附粘移出。濕移出過程：指質(zhì)粒受雨雪或云霧滴等影響而下沉到下墊面移出大氣的過程。包括凝長下沉、碰并下沉。7、氣溶膠粒子在大氣過程中的作用在云霧降水中的作用可作為水汽凝結(jié)和凝華以及水滴凍結(jié)的核心，即部分大氣氣溶膠粒子可作為CCN或IN對大氣輻射過程的影響吸收和散射太陽輻射，影響大氣溫度的垂直分布。對大氣光學特性的影響對太陽光的散射和吸收，會影響大氣能見度，還會影響天空顏色。一些光學現(xiàn)象的出現(xiàn)，也與它們的作用有關(guān)。對大氣電學特性的影響對大氣化學過程中的作用成核作用異質(zhì)核化：有異質(zhì)核存在時的核化現(xiàn)象。7、大氣氣溶膠的氣候效應(yīng)虹和霓

含七種色光的太陽光線，射入大氣中的水滴(雨滴或霧滴)，各種色光經(jīng)歷折射和反射后，可在雨幕或霧幕上形成彩色光弧環(huán)。當光弧環(huán)對觀測者所張的角半徑約42度，光環(huán)的彩色排序是內(nèi)紫外紅時，稱為虹。

在虹的外面，有時還出現(xiàn)較虹弱的彩色光環(huán)，光環(huán)對觀測者所張的角半徑約為52度，彩色環(huán)的排序與虹相反即內(nèi)紅外紫，稱為霓或副虹。

虹和霓都要背對太陽而立才能觀察到。在夏日的傍晚，西方放晴而東方天空有云雨時，最易看到虹和霓。折射和反射內(nèi)紅外紫的暈是陽光或月光透過云中的冰晶時發(fā)生折射和反射形成均勻云滴(水滴或冰晶)的衍射，結(jié)果會在月亮或太陽周圍緊貼月盤或日盤形成內(nèi)紫外紅的彩環(huán)稱為華，是均勻云滴(水滴或冰晶)的衍射4）對大氣電學特性的影響氣溶膠粒子捕獲小離子而成為大離子，由于大離子遷移率小，故大氣電場中的傳導(dǎo)電流減小+++++++++++++++----------------------------晴天大氣地面正離子負離子在大氣化學過程中的作用。氣溶膠粒子在大氣的許多化學過程中起作用。第三節(jié)大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣上界：物理現(xiàn)象上界為1