[理学]第1章 地球的大气环境.ppt

地球的大气环境大气的基本知识 什么是大气？地表至1000km左右的高空所围绕的一层空气，由干结空气、水蒸气和各种 固体杂质组成的混合物西太平洋的阿里亚纳海沟，深11000米 珠穆朗玛峰，8848米 Radius of the earthRadius of earthThickness of atmosphereThickness influenced human being About 10 kmAverage pressure of atmosphere : 101.325kPaTotal mass of atmosphere: 5.2×1018kgAbout millionth of the mass of earthThe mass distribution: 50% below 6 km 75% below 10 km 99% below 35 kmThe height and mass of atmosphere which has direct impact on human being are both very small but it is crucial for our survival.The evolution of components of atmosphereAtmosphereBasic componentMinor componentCH4H2H2O N2 H2S NH3 ArReducing atmosphereN2H2O CO2O2Oxidation atmosphereN2O2H2OModern atmosphereFirst stage Second stage Third stage土星、木星、海王星金星、火星原始生命光合作用第一章：地球的大气环境第一节 大气的发展史第二节 大气的分层根据大气在铅直方向上的温度、化学组成、物理特性，大气圈可分为若干层次。

1）对流层（troposphere）平均厚度约12km，密度大，质量约为整个大气圈80%~90%（3/4以上）直接与地表的水圈、土壤岩石圈相接触，具有以下4个特点：A.吸收地表热量，底层空气先被加热，然后热量被传递到高层；由于海、陆、昼、夜及纬度和地形的差异，低层空气的温度差异很大，形成了垂直和水平方向的对流，直接影响到污染物的传输和扩散B. 绝大部分空气组分不能直接吸收太阳能，只能吸收地面辐射能，因此对流层温度随高度的增加而降低C.尘埃等固态物质进入该层，造成扬尘、飞沙；水蒸气进入该 层，形成云、雾、雨、雪、霜、露等天气现象D. 从地面污染源排放的污染物几乎都直接进入对流层，因此空气污染问题主要出现在该圈层 行星边界层（摩擦层）：地面以上1 ~2km 近地面层：50~100m自由大气层：1~2 km 以上对流层大气对流层顶：平流层和对流层之间（ 2）平流层（stratosphere）从对流层顶到约50km的大气层即为平流层 ★30—35 km以下，温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为 同温层； ★在30—35km以上，温度随高度升高而迅速升高，到达平流层顶，气 温可上升到270—290K，故该层也称为逆温层。

因下冷上热，空气没 有垂直对流运动，主要为大气平流运动该层空气稀薄，水分少，很少发生天气现象；该层大气含尘量低，透明度高；该层中离地面高约15—35km范围内，集中存在有约 20km厚的臭 氧层因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射故使得平流层气温升高由于平流层中大气稳定，故一旦污染物进入，将造成长期滞留的严 重后果3）中间层（mesosphere）从平流层顶到约80km的高度称为中间 层，此层中温度又随高度的上升而减弱，相 当强烈的垂直混合，这是由于高空吸收辐射 的物质（尤其是臭氧的浓度减少），在80km 左右可降到最低温度（170k），空气更为稀 薄4）热层（thermosphere）从中间层顶至约800km高度的大气层称为 热层，该层中O2对太阳远紫外线有强烈的吸 收，因而使该层大气温度随高度上升而急剧 升高，气温可高达1473K以上此层空气非 常稀薄，O2、N2分子在太阳紫外线和宇宙射线的作 用下发生电离而成为离子或原子，故此层又 称为电离层小知识点：逆温：一般情况下，在低层大气中，通常气温是随高 度的增加而降低的但有时在某些层次可能出现相反 的情况，气温随高度的增加而升高，这种现象称为逆 温。

出现逆温现象的大气层称为逆温层 温度梯度：是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地 高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递 减的现象 1.按大气中化学组成的分布，大气圈可分为均质层 （90km以下）和非均质层（90km以上）；均质层--- ---90km以下大气组成比例几乎不变， 主要是N2 、O2、Ar，该层“干洁空气”的平均分子 量接近常数非均质层，90km以上N2和 O2的解离，平均分子 量随高度的增加而降低Chemical component of homosphere, clean and dry atmosphere:Gas Content Relative molecular mass Gas Content Relative molecular mass N2 O2 Ar CO2 O3 78.084 20.946 0.934 0.02~0.04 (0~5)×10-628.016 32.000 39.944 44.010 48.000Ne He Kr H2 Xe182×10-5 53×10-5 12×10-5 5×10-5 0.9×10-520.1087 4.003 83.700 2.016 131.300N2,O2 and Ar 99.9%The proportional is almost steadiness and the relative molecular mass of the air is 28.966. 固定成分 可变成分2.按大气的电离状态分布，可将在大气分为电离层 （60km以上）和非电离层（60km以下）。

60km以下，大气成分处于中性，即非电离状态；60km以上为电离层，离子密度大；60~90km主要为NO光解离； 90~120km主要为O2光解离； 120km以上主要为O2和N2光解离，离子和电子的浓度都较大 500km以上 磁层非电离层电离层90km60km大气的能量来源：★大气的平均温度又称地表的平均温度，就是地表以上1.25~ 2m 之间的气温，约15℃ (12~27 ℃)★大气和地球的能量主要来源于太阳的辐射★太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡辐射平衡对地球表面的环境控制极为重要第三节：大气的能量平衡小知识点：辐射：自然界中的一切物体，只要温度在绝对温度零度以上 ，都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能 量的方式称为辐射辐射以电磁波和粒子（如阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式 向外放散 无线电波和光波都是电磁波 在真空中的传播速度为3×108米/秒，在空气中稍慢一些 电磁波是由不同波长的波组成的合成波 一、太阳辐射太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱太阳表面温度约为6000K，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括了整个电磁光谱，但是能量绝大部分集中在170-4000nm。

可见光（400~800 nm） 40%x射线、γ射线 1%紫外线 (200~400 nm) 9%不可见的红外线（800~3000 nm）50%太阳电磁 辐射能量nm，μm，mm，m，km地球大气层外界的阳光强度是以太阳常数 （Solar Constant）来表示的，定义为与光 传播方向垂直的平面上，每单位面积接受到 的光的总量世界气象组织（WMO）1981年 公布的数字是1368W/m2CO2太阳电磁辐射经过大气时，大气中各种组分（N2 、O2、O3水蒸气、CO2和尘埃）能辐射、反射、或散射一定波长的辐射.到达地面：50%反射回宇宙 30%大气层吸收 20%二、大气成分对太阳辐射的吸收原子及分子 氧和氮的吸 收分子氧 吸收O3的吸 收 2060408012 010 014 018 016 020 024 022 026 030 028 06040802014 012 016 010 0波长 (nm)离地面高度 (km)太阳当顶时,各物质对太阳辐射最大吸收 的近似区域高能量的太阳光量子还能引起分子的解离：290nm----被N2、O2、O3的吸收，不能到达地面300~800nm-----基本不被吸收，能透过大气到达地面，构成 光谱上的‘窗’， 占太阳光总能量的40%。

800~2000nm----几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收波长/μmO3O2 H2OO3O3CO2H2OH2OCO2CO20.20.10.3 0.40.6 0.8 12341052030810大 气 吸 收 谱维恩定律：太阳短波辐射 4 μm 极大值10 μm，被水分子 和二氧化碳分子吸收科氏力 北半球向右 南半球向左逆温：气温随高度的增加而升高天气和气候的推动力来自于太阳辐射的时空分布地球表面大气主要是由氧、氮、和氩组成，它们占空气总质量的99.9%以上，其余气体加起来还不到0.1%，且某些组分如CO2、O3浓度是有较大变化的，各种组分各有其不同的循环过程成 分 体 积（%）N2 78.1O2 20.9Ar 0.934CO2 0.0330Ne 0.00182He 0.00052CH4 0.00016Kr 0.00011H2 0.00005N2O 0.000028第四节、大气的物质组成一、大气组分的源、汇和循环n循环（cycles）：大气组分通过大气圈与其他三个圈（水 圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化学或生物化学过 程，不断进行着物质转化或转换n源（sources），通过循环过程（如大气中的化学过程、生 物活动、火山爆发、放射性衰变以及人类活动）而产生的过 程n汇（sinks）：通过大气中的化学过程、生物活动、物理过 程（如形成颗粒物或沉降）而由大气中去除气体的过程The source, sink and circulation of components:evaporationOceanPrecipitationSnowInfiltration and runoffCirculation of vaporCirculation of oxygen第二节、大气的保留时间1. 大气组成动态平衡的盒子模式视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，进入大气的 组分输入速率为Fi，称为源强；从大气输出的组分速率 为Ri，称为汇强。

在千百年的地质变化中，Fi=Ri ，因此在研究物质的循环过程时 ，认为大气质量Mi恒定例：环境中水的质量循环如下图，其中，大气中MH2O=7.2×1014mol，计 算大气中水的输入速率和输出速率n FH2O=(2.16×1016+0.9×1015)=2.25×1016 mol/yn RH2O=(1.9×1016+3.5×1015)= 2.25×1016 mol/yü 大气中水的含量处于相对稳 定的状况，同样计算，海洋 和地壳中水的含量也是处于 稳定状态ü 当发生剧烈的地质或气候变 化时，输入和输出速率会变 化，进而达到一个新的平衡 点2. 大气组成的停留时间（存在时间、寿命）气体和微粒在大气中的。