Ch01地球大氣及其演化

1大氣科學(xué)導(dǎo)論北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系胡永云yyhu@物理樓558房間，電話：6275-4291講義下載：/~yhu/atmos_intr/2主要內(nèi)容1、地球、大氣及大氣的演化2、輻射與溫度3、大氣熱力學(xué)和對流運(yùn)動4、云、降水的物理原理5、大氣化學(xué)和空氣污染6、大氣邊界層7、大氣運(yùn)動的基本原理8、鋒面和氣旋9、雷暴、龍卷和臺風(fēng)10、大氣環(huán)流和大洋環(huán)流11、氣候系統(tǒng)和全球變暖12、大氣探測和天氣預(yù)報(bào)13、行星大氣和環(huán)流3主要參考書MeteorologyToday:

AnIntroductiontoWeather,Climate,andtheEnvironment,C.DonaldAhrens,Brooks/Cole,6thor7theditionPrinciplesofAtmosphericPhysicsandChemistry,RichardGoody,OxfordPressThePhysicsofAtmospheres,JohnHoughton,CambridgePress,3rdeditionASurveyofAtmosphericSciences,J.M.Wallace,P.Hobbs,AcademicPress4課程要求12次課堂學(xué)習(xí)3次參觀考察（國家氣象局氣象中心和衛(wèi)星中心、密云上甸子華北背景觀測站、北京市氣象局南郊大氣探測基地）期末考試（70-80%）12次作業(yè)：每次5個問題（20-30%）;2個思考題，不計(jì)入分?jǐn)?shù)。5考查1：參觀密云上甸子華北北京觀測站

2008-10-256順便攀登司馬臺長城7考查2：北京市氣象局觀測場

探空氣球釋放倒計(jì)時(2005-11-11)8考查3：參觀國家氣象局

(2008-12-26)9Ch01、地球、大氣及大氣演化地球及其大氣：太陽系、行星、地球大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣的成分大氣的演化：從大爆炸理論（BigBang)說起原始大氣次生大氣現(xiàn)代大氣氧氣的起源和演化人類活動對大氣成分的影響閱讀：MeteorologyToday第1章101、地球及其大氣：

1.1太陽系、行星和地球宇宙中有1022個星系，太陽系就是其中的一個。太陽系由8顆行星以及小行星，慧星和塵埃等組成。這8顆行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星11太陽系行星的體積和自轉(zhuǎn)方向的比較12太陽和行星的基本數(shù)據(jù)13行星的不同性質(zhì)內(nèi)圍星球：水星、金星、地球、火星。這些星球是固體的，其大氣有一個固體的下墊面外圍星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。這些星球具有固態(tài)或液態(tài)的核心，并逐步向氣態(tài)過渡，很難定義一個明確的大氣下墊面。14地球地球離開太陽的平均距離是1.5x108km，即1個天文單位。地表和大氣主要是被太陽加熱的。太陽的能量驅(qū)動著大氣中的所有變化：冷暖和刮風(fēng)、下雨。地球表面的平均溫度是150C，這是很幸運(yùn)的，因?yàn)槿祟惡妥匀唤绱罅康纳锸沁m應(yīng)這一條件的。151.2、大氣的垂直結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度的垂直變化，大氣分為：對流層、平流層、中層、熱層等。我們平常關(guān)心的大氣層是對流層，0-10公里。大氣越往上越稀薄，最后融合到宇宙空間。雖然大氣層沒有真正的頂，一般我們認(rèn)為大氣層的厚度為1000公里。16為什么大氣的垂直溫度分布是這樣的？為什么大氣溫度隨高度會有現(xiàn)在這樣的變化？這是一個需要想清楚的問題。如果沒有特殊原因，大氣溫度也應(yīng)該隨高度單調(diào)遞減。但現(xiàn)在有些層次溫度是上升的，必須有熱源。在平流層溫度升高是臭氧的吸收，在熱層是氧分子的吸收。17金星和火星的垂直溫度結(jié)構(gòu)VenusMars18木星的垂直溫度結(jié)構(gòu)19大氣的密度和氣壓在重力的作用下，大氣分子主要集中在近地面，大氣密度和氣壓隨高度呈指數(shù)遞減90%的大氣質(zhì)量或分子位于10公里以下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：76cmHg=1013.25mb =1013.25hPa

20從太空看大氣層211.3、大氣的成分大氣的成份主要是氮（N2,占78%)，氧（O2,占21%)。還有少量的H2O,CO2,O3,CH4,N2O以及惰性氣體Ar,He,Ke,…..如果只考慮大氣中數(shù)量最多的氣體，N2,O2,那么這二種成分的比值一直到80公里還是不變的，稱為均勻混合層。大氣中變化最大的氣體是H2O和O3。22大氣的成分23大氣中的可變化成分

1、水汽1、水汽：占大氣總質(zhì)量的0.25%，濃度隨高度迅速減少，主要存在于近地面3公里以下的層次，水汽在大氣中的平均停留時間為10天。24水汽在大氣中的平均停留時間如上圖所示，大氣中的水量是13個單位，每年全球的降水量是423個單位。25大氣中的可變化成分

2、CO2占大氣總質(zhì)量的0.037%。通過動植物呼吸，有機(jī)物腐朽分解、火山噴發(fā)、化石燃料燃燒進(jìn)入大氣。它的消耗是植物光合作用以及與地表的巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO2 CO2+H2O+ν<CH2O+O2在大氣中的停留時間大約是15year。26大氣中的可變化成分

3、O3主要存在于大氣平流層，可以吸收太陽的紫外輻射，對地面生命有保護(hù)作用。對流層臭氧對人體有害。平流層臭氧的形成是太陽紫外輻射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子與氧分子反應(yīng)生成臭氧。27大氣中的可變化成分

4、氣溶膠液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系.它們能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核,太陽輻射的吸收體和散射體,并參與各種化學(xué)循環(huán),是大氣的重要組成部分。它的來源包括：被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)沙和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的顆粒、火山噴發(fā)、森林或其它生物體燃燒的煙塵、人類燃燒礦物燃料排放的煙塵、礦物燃料燃燒過程中排放的SO2在大氣中氧化后形成的硫酸鹽粒子燃燒石油和天然氣等排放的NOx，CO,CH等在大氣中經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)形成的硝酸鹽粒子其它大氣化學(xué)過程形成的氣溶膠粒子氣溶膠散射降低太陽輻射，導(dǎo)致地面變冷28顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像29顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像30大氣成分的性質(zhì)31行星大氣的成分為什么行星具有不同的大氣成分？32地球、木星和海王星大氣均存在渦旋運(yùn)動，但它們的性質(zhì)不盡相同，因?yàn)楹髢烧邲]有固態(tài)下墊面2、地球大氣的演化

2.1從大爆炸理論(BigBang)說起一個體積無窮小、質(zhì)量無窮大的質(zhì)點(diǎn)突然爆炸形成了宇宙。其過程有點(diǎn)類似于一個核彈的爆炸，原子彈爆炸形成的最高溫度相當(dāng)于宇宙大爆炸一秒鐘后的溫度。3334宇宙演化的時間尺度宇宙的形成大約在150億年前；銀河系形成大約在130億年前；太陽系形成在50億年前；地球的生命大約是46億年。35宇宙元素的演化最初的宇宙僅包含氫(H)和少量的氦(He)原子。在最初的100億年的時間里，宇宙中的氣體團(tuán)集成許多中心，在萬有引力的作用下，氣體分別向這些中心收縮，出現(xiàn)許多原星體。這些原星體越收縮密度越大，密度越大收縮越快，其內(nèi)部溫度也越來越高。當(dāng)溫度升高到1000萬度以上時，原星體會內(nèi)部將發(fā)生核反應(yīng)，形成了重元素。這些聚變過程伴隨產(chǎn)生大量的輻射能，使原星體轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)光的恒星體。特別巨大的星體，會發(fā)生爆裂，形成超新星，使已經(jīng)形成的不同的元素散布到星際空間去。36地球的形成太陽系是銀河系中一個旋臂空間內(nèi)的氣體原星體收縮而成的。原太陽系中彌漫著冷的固體微粒和氣體，它們形成行星，衛(wèi)星及大氣。原地球是太陽系中原行星之一。它是原太陽系中心體中運(yùn)動的氣體和宇宙塵借引力吸積而成。它一邊增大，一邊掃并軌道上的微粒和氣體，一邊在引力作用下收縮。隨著“原地球”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗厍颉?，地面逐漸冷卻為固體，原始大氣也就同時包圍地球表面。37地球大氣的演化地球自從它形成以來，大約46億年。其大氣的演變可分為三個階段：原生大氣，次生大氣、現(xiàn)代大氣。原始大氣的形成和星系的形成過程密切相關(guān)。原始大氣出現(xiàn)約46億年，比原始人類出現(xiàn)（幾百萬年）早3個數(shù)量級，比人類有文字記載的歷史（數(shù)千年）早6個數(shù)量級。因此只能在現(xiàn)有的科學(xué)知識加上推理來研究大氣演變?？茖W(xué)家們從不同的角度提出了不同大氣演化模式。382.2原生大氣原生大氣的成分是以氫和少量的氦為主。但原生大氣存在不太久（大約數(shù)千萬年）。當(dāng)太陽作為年青恒星經(jīng)歷噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段，強(qiáng)大的太陽風(fēng)把原始大氣從地球上吹走，刮向茫茫太空。392.3次生大氣次生大氣主要來自地球內(nèi)部，由火山噴發(fā)產(chǎn)生。按現(xiàn)代火山噴發(fā)的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，還有一些氨和硫的化合物。次生大氣中沒有氧，即使有也不能保留。因?yàn)楫?dāng)時地面溫度很高，地殼中有很多鐵，氧將很快和鐵反應(yīng)形成氧化鐵。40次生大氣次生大氣形成時，水汽大量排入大氣中，當(dāng)時地面溫度很高，大氣不穩(wěn)定對流的發(fā)展很旺盛，強(qiáng)烈的對流使水汽上升凝結(jié)形成液態(tài)水，出現(xiàn)江河湖海等水體，風(fēng)雨閃電交加。次生大氣籠罩的時間大約46億年前到20億年前。最原始的生命在這個時期已經(jīng)出現(xiàn)（大約35億年前）。412.4現(xiàn)代大氣地球大氣演化的一個重要特征是它從還原態(tài)朝著氧化態(tài)進(jìn)化。因?yàn)樵即髿獾闹饕煞质菤?，可以猜測的是當(dāng)時的大氣含有甲烷(CH4)和氨(NH3)，而非現(xiàn)在豐富的(CO2)和(N2O)，但沒有氧。為什么大氣朝著氧化態(tài)轉(zhuǎn)化還存在爭論。兩個可能的機(jī)制導(dǎo)致大氣朝著氧化態(tài)演化：一個是鐵質(zhì)地核的形成（為什么？）。鐵從地幔中的分離使得巖石更易于被氧化，火山噴發(fā)向大氣中輸送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一個是氫的逃逸。當(dāng)氫從CH4和NH3分離出來并逃逸之后，大氣變更易于被氧化。如果一個分子要逃離地球的引力，它的動能必須超過地球的引力勢能也就是(1).從（1），我們可以得到（2）。根據(jù)（2），我們知道，在500km的高度，該分子的逃逸速度為10.77kms-1.(1)(2)M為分子質(zhì)量，r為該分子距地心的距離。42現(xiàn)代大氣現(xiàn)代大氣的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出現(xiàn)是現(xiàn)代大氣形成的重要標(biāo)志。氧的出現(xiàn)與生命的出現(xiàn)和演化有著重要關(guān)系。因此，氧氣的起源成為人們最為關(guān)心的問題。432.5氧的起源早期的大氣中沒有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通過兩種可能機(jī)制而產(chǎn)生：一是通過光解反應(yīng)從H2O和CO2分解而來；另一種是生物的光合作用。如果氧起源于第一種機(jī)制，我們則必須解釋大氣中缺乏氫和碳的事實(shí)。盡管氫的缺乏可以用向太空的逃逸來解釋，但這樣的逃逸速度非常緩慢，并不足以解釋大氣中氫的缺乏。生物的光合作用機(jī)制則沒有這樣的困難，也就是光合作用把H2O和CO2轉(zhuǎn)化為O2，碳則存儲在生（植）物中。

nCO2+nH2O+γ

(CH2O)n+nO244氧的起源最初的生命來自那里，并沒有一定的結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)室中摸擬還原大氣的條件，用火花放電的方法，可以制造出一些有機(jī)大分子。但在宇宙空間也發(fā)現(xiàn)有有機(jī)大分子。它們都可能是生命的來源。因?yàn)楫?dāng)時沒有臭氧層，太陽的短紫外輻射會破壞生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通過光解產(chǎn)生少量的氧氣，這些氧氣可維持原始生命。而原始生命又可以通過光合作用產(chǎn)生氧氣。到大氣中氧累積多了，臭氧層開始形成，阻擋了短紫外輻射，生命從海洋中發(fā)展到地面，光合作用速度加快，氧累積也加快。45氧氣濃度的變化（Holton，2004）46生命的演化47大氣演化中的氧和臭氧48Gaia假說上面的關(guān)于“生命的光合作用產(chǎn)生了氧氣，并為生命本身的演化創(chuàng)造了一個環(huán)境”的學(xué)說被JamesLovelock稱之為“GaiaHypothesis”。Gaia是“地球之神”的意思。但是，該假說似乎與達(dá)爾文主意（Darwinism）相矛盾，后者的主要思想是生命必須為適應(yīng)環(huán)境而改變自己，也就是“適者生存”。492.6人類活動對大氣成分的影響從上面的討論我們可以看到，地球大氣勢在不斷演變的。工業(yè)革命（1860年）之前的演變可以認(rèn)為是自然變化。工業(yè)革命之后，人類對大氣或環(huán)境的改變影響在加大，而且，這種影響是達(dá)到了無法忽略的程度。50人類活動對以下大氣成分的改變影響顯著化石燃料和生物體的燃燒導(dǎo)致大氣中CO2含量升高，煤的燃燒導(dǎo)致SO2含量升高。汽車等的大量使用導(dǎo)致大氣中廢氣增加和氣溶膠含量增加。人工固氮導(dǎo)致大氣中氮的減少。人工制造的制冷劑CFCs的泄漏導(dǎo)致大氣中CFCs含量增加，CFCs在大氣平流層分解后產(chǎn)生的氯造成平流層O3減少。CO2等溫室氣體的增加導(dǎo)致氣候變暖，溫度升高后大氣中水汽含量增加。51CO2含量的增加52甲烷（CH4）的增加53最近1000年的溫度變化

（最近150年溫度升高很快）54最近130年的溫度變化

（最近30年溫度升高很快）55自上個世紀(jì)70年代末，平流層臭氧急劇減少56右圖：南極臭氧洞在加強(qiáng)

左圖：在2000年臭氧洞的面積是有記錄以來最大的一次，已經(jīng)延伸到了南美大陸觀測給出的全球溫度的逐年變化

（來自GISS/NASA）5758動畫顯示氣候模式模擬的1971-2100年溫度隨溫室氣體增加而變暖59動畫顯示模擬的1955-2055年北冰洋海冰由于溫室氣體增加而減少60動畫顯示的模擬CO2增加1倍和3倍時全球溫度的變化61課外閱讀關(guān)于地球大氣的演化，大家可閱讀：Walker,J.C.G.,1977:EvolutionoftheAtmosphereArticlesbyHunten,D.M.,KastingJ.F.,Ragnaud,D.,andSundquist,1993,Science,259,915-941.Lovelock,J.F.,ANDMargulis,L.,1974:Atmospherichomostasis,byandforthebiosphere:theGaiahypothesis,Tellus,26,1-9.關(guān)于行星大氣，大家可以閱讀：Chamberlain,J.W.,Hunten,D.M.,1987:Theoryofplanetary