环境地学-3大气圈

1、第一节第一节 地球大气的组成和结构地球大气的组成和结构第二节第二节 大气圈的能量与物质运动大气圈的能量与物质运动第三节第三节 人类活动对大气圈的影响人类活动对大气圈的影响 及其环境效应及其环境效应第四节第四节 区域大气环境与空气资源保护区域大气环境与空气资源保护第一节第一节 地球大气的组成和结构地球大气的组成和结构一、如何确定大气圈的一、如何确定大气圈的存在存在大气圈：是指因地球的大气圈：是指因地球的引力而聚集在地表周引力而聚集在地表周围的气体圈层。围的气体圈层。大气圈存在的主要证据大气圈存在的主要证据或现象或现象: : 1 1、蓝色的天空、蓝色的天空 这是由于大气中的一些非常细小物质成分，如

2、气体、粉尘等，它们的直径较阳光的波长小得多，因此，蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地被选择散射。这种散射称瑞利散射。 2 2、白云、白云如果形成散射的粒子的如果形成散射的粒子的形状是球形的，而且形状是球形的，而且并不比阳光的波长小，并不比阳光的波长小，所有的波长都是平均所有的波长都是平均地被散射的，这种散地被散射的，这种散射称迈耶散射。因此，射称迈耶散射。因此，云是白色的。云是白色的。 3 3、风、风 有风就说明有物质的存在，有风就说明有物质的存在，因为风是由于大气不同部位因为风是由于大气不同部位的压力差别造成的。如果在的压力差别造成的。如果在真空中就不会有风了真空中就不会有风了 4

3、4、流星、流星流星就是陨石穿过大气流星就是陨石穿过大气层时，由于其速度太快，层时，由于其速度太快，与大气摩擦产生热使陨与大气摩擦产生热使陨石燃烧起来。石燃烧起来。 二、大气的物质组成二、大气的物质组成（一）古人的认识（一）古人的认识 列子：天是气的集聚体，天不会塌下，即杞人忧天。列子：天是气的集聚体，天不会塌下，即杞人忧天。 宋应星：盈天地皆气也，两气相轧而成声者，风是也。宋应星：盈天地皆气也，两气相轧而成声者，风是也。物物 之充气者，如其激水然，气与水，同一易动之物。之充气者，如其激水然，气与水，同一易动之物。 达达. .芬奇：已有了空气和真空的概念。芬奇：已有了空气和真空的概念。 伽里略：

4、证明空气与其他物质一样有质量。伽里略：证明空气与其他物质一样有质量。 拉瓦锡（拉瓦锡（1743174317941794）：指出空气是氮和氧的混合物）：指出空气是氮和氧的混合物 （二）地球大气的物质组成（二）地球大气的物质组成1.1.大气总的质量：大气总的质量：5 510101818kgkg2.2.大气的密度：大气的密度：1.231.231010-3-3g/cmg/cm3 3 （1515，海平面），海平面）3.3.大气的组成：按体积计（按质量计）氮，大气的组成：按体积计（按质量计）氮，78.0978.09（75.5175.51）氧，氧，20.9420.94（23.1523.15）氩，）氩，0.9

5、3%0.93%（1.281.28）其他，）其他，0.040.04（0.060.06）亚里斯多德的猜想和伽利略的设想亚里斯多德的猜想和伽利略的设想古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想：我们这古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想：我们这个世界是由四个壳层组成的，而这四个壳个世界是由四个壳层组成的，而这四个壳层又分别由四种原质构成，它们是：土层又分别由四种原质构成，它们是：土( (实心球实心球),),水水( (海洋海洋),),空气空气( (大气大气) )和火和火( (一一个不可见的外层个不可见的外层, ,在闪电的闪光中在闪电的闪光中, ,它偶而它偶而成为可见的成为可见的) )。他说，这些壳层之外的宇。他说，这些

6、壳层之外的宇宙是由神秘的、纯粹的第五种原质构成，宙是由神秘的、纯粹的第五种原质构成，他把它叫做他把它叫做“以太以太”。在这样一幅图象之。在这样一幅图象之中，是没有中，是没有“真空真空”( (即即“无物无物”) )的位置的位置的：在土的尽头，水就开始出现；土和水的：在土的尽头，水就开始出现；土和水的尽头，气开始出现；火开始于气的尽头；的尽头，气开始出现；火开始于气的尽头；而在火的尽头，以太又紧接着开始出现，而在火的尽头，以太又紧接着开始出现，它一直延续到宇宙的终级。它一直延续到宇宙的终级。 伽利略的探索的一生的晚年伽利略的探索的一生的晚年,对这个谜感到兴趣。显然对这个谜感到兴趣。显然,大自大自然

7、对真空的厌恶只是到一定的限度为止然对真空的厌恶只是到一定的限度为止,除此之外除此之外,他不可能他不可能再得出任何结论了。再得出任何结论了。 伽利略的学生托里拆利伽利略的学生托里拆利(Evangelista Torricelli)和维瓦尼和维瓦尼(Vincenzo Viviani)在在1644年真的进行了这个实验。他们选年真的进行了这个实验。他们选用了汞用了汞(汞的密度是水的汞的密度是水的13.5倍倍)。他们在一根约一米长的。他们在一根约一米长的玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住，侄过来立在盛汞玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住，侄过来立在盛汞的盘中，然后拿开塞子。这时汞开始从管子流到盘里，的盘中，

8、然后拿开塞子。这时汞开始从管子流到盘里，但当管内汞面降低到比盘内汞面只高但当管内汞面降低到比盘内汞面只高760毫米时，汞就不毫米时，汞就不再从管里流出，而一直保持这个高度了。第一个再从管里流出，而一直保持这个高度了。第一个“气压气压计计”就是这样做成的就是这样做成的 是什么使汞柱保持一定的高度呢？维瓦尼提出，这是由于是什么使汞柱保持一定的高度呢？维瓦尼提出，这是由于大气的重量向下压在盘中的液体上。这是一个具有革命大气的重量向下压在盘中的液体上。这是一个具有革命性的思想，因为按照亚里斯多德的概念，空气是没有重性的思想，因为按照亚里斯多德的概念，空气是没有重量的，它只不过在土球的外面占有它自己固有

9、的范围。量的，它只不过在土球的外面占有它自己固有的范围。但是现在人们开始明白，但是现在人们开始明白，10米高的水柱或米高的水柱或760毫米高的汞毫米高的汞柱为大气的重量提供了一个量度，也就是说，这水柱或柱为大气的重量提供了一个量度，也就是说，这水柱或汞柱的重量就等于截面与之相同、高度为从海平面到大汞柱的重量就等于截面与之相同、高度为从海平面到大气顶部这样一个空气柱的重量。如果空气具有有限的重气顶部这样一个空气柱的重量。如果空气具有有限的重量，大气就一定会有有限的高度。这样，量，大气就一定会有有限的高度。这样，如果在大气层如果在大气层的各个高度上密度处处相同的话，大气层的高度就恰好的各个高度上密

10、度处处相同的话，大气层的高度就恰好是是8公里左右公里左右。 托里拆利、维瓦尼的实验与气压计托里拆利、维瓦尼的实验与气压计 但是，但是，16621662年玻意耳证明年玻意耳证明, ,情况情况不可能是这样不可能是这样, ,因为压力会使空气因为压力会使空气的密度增大。玻意耳把一个的密度增大。玻意耳把一个J J形管形管子直立起来，子直立起来，J J形管较高的一端是形管较高的一端是敞口的，从这个口倒进一些汞，敞口的，从这个口倒进一些汞，汞就会把小量的空气囚锢在较矮汞就会把小量的空气囚锢在较矮一边的封闭端内。当他再多灌入一边的封闭端内。当他再多灌入一些汞时，那个空气包就收缩。一些汞时，那个空气包就收缩。玻

11、意耳发现，与此同时，它的压玻意耳发现，与此同时，它的压强增大了，这是因为观察到当汞强增大了，这是因为观察到当汞越来越重时，空气包的收缩却越越来越重时，空气包的收缩却越来越少。根据实际测量，玻意耳来越少。根据实际测量，玻意耳证明，气体体积减小一半，压强证明，气体体积减小一半，压强就增大一倍。就增大一倍。 玻意耳、巴斯卡的实验与大气压玻意耳、巴斯卡的实验与大气压由于空气受压时会收缩，所以在海平面上空气一定最稠密，由于空气受压时会收缩，所以在海平面上空气一定最稠密，而沿着指向大气层顶部的方向，随着高层空气重量的减小，而沿着指向大气层顶部的方向，随着高层空气重量的减小，空气变得愈来愈稀薄，法国数学家巴

12、斯卡空气变得愈来愈稀薄，法国数学家巴斯卡(Blaise Pascal)(Blaise Pascal)第一个证实了这个情况，第一个证实了这个情况，16481648年，他让他的姻兄弟帕瑞年，他让他的姻兄弟帕瑞(Florin Perier)(Florin Perier)带着一个气压计登上一座高约带着一个气压计登上一座高约1.51.5公里的公里的山，并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的情山，并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的情况况 近代对高空大气的探索近代对高空大气的探索 理论计算表明，如果温度在整个高度上处处相同，那么，高理论计算表明，如果温度在整个高度上处处相同，那么，高度每增加

13、公里，空气压强就将减小为原来的度每增加公里，空气压强就将减小为原来的1/101/10。换句话。换句话说，在说，在1919公里的高空，空气所能支持的汞柱高度将从公里的高空，空气所能支持的汞柱高度将从760760毫米降低为毫米降低为7676毫米；在毫米；在3838公里的高空，将降低为公里的高空，将降低为7.67.6毫米；毫米；而在而在5757公里的高空，将降低为公里的高空，将降低为0.760.76毫米，等等。在毫米，等等。在170170公公里的高空，空气压强就会仅仅相当于里的高空，空气压强就会仅仅相当于0.0000000760.000000076毫米汞毫米汞柱。柱。 实际上，所有这些数字都只是近似

14、的，因为空气的温度是随实际上，所有这些数字都只是近似的，因为空气的温度是随高度而变化的。不过，这些数字确实能使图象变得清楚一高度而变化的。不过，这些数字确实能使图象变得清楚一些，而且我们可以看到，大气层并没有明确的边界，它只些，而且我们可以看到，大气层并没有明确的边界，它只是逐渐稀薄下去，一直到变成几乎一无所有的宇宙空间。是逐渐稀薄下去，一直到变成几乎一无所有的宇宙空间。人们曾经探测到人们曾经探测到160160公里高空处的陨星光迹，那里的大气公里高空处的陨星光迹，那里的大气压只有地球表面的几百分之一，而空气的密度却只有十亿压只有地球表面的几百分之一，而空气的密度却只有十亿分之一。但这一点点空气

15、就足以使它们那一点点物质因摩分之一。但这一点点空气就足以使它们那一点点物质因摩擦而燃烧到白炽。由于受到外层空间高速粒子的轰击而发擦而燃烧到白炽。由于受到外层空间高速粒子的轰击而发出冷辉光的气体所形成的极光棗北极光，则位于海平面以出冷辉光的气体所形成的极光棗北极光，则位于海平面以上上800-1000800-1000公里的高空公里的高空 。直到十八世纪末期，人们所能接触的高层大气似乎还从未超直到十八世纪末期，人们所能接触的高层大气似乎还从未超过高山的山顶。过高山的山顶。18921892年设计出了带有仪器、无人乘坐的气年设计出了带有仪器、无人乘坐的气球，这些气球能够上升得更高，从过去从未探索过的高空

16、球，这些气球能够上升得更高，从过去从未探索过的高空气层带回那里大气的温度和压强的情报。气层带回那里大气的温度和压强的情报。 现在用的气象电码式探空仪及其探空气球现在用的气象电码式探空仪及其探空气球 在离地只有几公里的空中，正象人们所预料的，温度逐渐下在离地只有几公里的空中，正象人们所预料的，温度逐渐下降。在降。在1111公里左右的高空公里左右的高空, ,温度为温度为-55.-55.但是，再往上去情但是，再往上去情况就令人惊奇了。在这个高度以上温度并不降低，事实上况就令人惊奇了。在这个高度以上温度并不降低，事实上它甚至还略有升高。它甚至还略有升高。 人类用平流层气球和探空火箭进一步认识了人类用平

17、流层气球和探空火箭进一步认识了1010公里以上的地公里以上的地球大气球大气 3.成分的特点及其分类成分的特点及其分类地球大气由多种其他及一些悬浮的固体和液体微粒混合组成。在地球大气由多种其他及一些悬浮的固体和液体微粒混合组成。在85km以下，各种气体成分一般可分为两类：以下，各种气体成分一般可分为两类：一类为恒定组分，其各成分间大致保持固定的比例，主要有一类为恒定组分，其各成分间大致保持固定的比例，主要有N2、O2、Ar和一些微量惰性气体和一些微量惰性气体Ne、Kr、Xe及及He等；等；一类为可变组分，它们在大气中的比例随时间和空间不同而变化，一类为可变组分，它们在大气中的比例随时间和空间不同

18、而变化，主要有水汽、主要有水汽、CO2、O3和一些和一些C、S、N的化合物如的化合物如CO、CH4、H2S、SO3等。等。90km以下，以下， N2、O2、Ar、 CO2剩下的次要成分所总体积极其微剩下的次要成分所总体积极其微小小90km以上，大气的主要成分仍为以上，大气的主要成分仍为N2、O2，其他气体的含量减小其他气体的含量减小100km高度处，高度处， O2几乎已全部被离解为游离氧几乎已全部被离解为游离氧250km以上，以上， N2也基本上全部离解为游离氮也基本上全部离解为游离氮500km以上，游离氧、以上，游离氧、H、He也逐渐成为占统治地位的大气组也逐渐成为占统治地位的大气组分分（三

19、）、大气圈的作用（三）、大气圈的作用1.1.大气是地球上有生命物质的源泉。大气是地球上有生命物质的源泉。氮气、氧气：生物的生长、发育不可或缺氮气、氧气：生物的生长、发育不可或缺O O3 3：保护生物免受过量的太阳紫外线辐射：保护生物免受过量的太阳紫外线辐射COCO2 2：植物的生长和全球气候变化息息相关：植物的生长和全球气候变化息息相关水汽：大气运动以及许多天气现象的生消、复合系统内物质交水汽：大气运动以及许多天气现象的生消、复合系统内物质交换以及生物地球化学过程均有重要意义。换以及生物地球化学过程均有重要意义。 2.2.气层又保护着地球的气层又保护着地球的“体温体温”，使地表的热量不易散失，

20、同，使地表的热量不易散失，同时通过大气的流动和热量交换，使地表的温度得到调节。时通过大气的流动和热量交换，使地表的温度得到调节。 3.3.大气的水热状况，可以影响一个地区的气候的基本特征，进大气的水热状况，可以影响一个地区的气候的基本特征，进而决定该地区的水文特点、地貌类型、土壤发育和生物类型，而决定该地区的水文特点、地貌类型、土壤发育和生物类型，从而对地球表面的整个自然环境的演化进程起着重要作用。从而对地球表面的整个自然环境的演化进程起着重要作用。 4.4.大气中含有细微的岩屑和水汽，而地壳岩石中和水体中也有大气中含有细微的岩屑和水汽，而地壳岩石中和水体中也有空气存在，它们是互相渗透和互相影

21、响的。大气中的氧和碳空气存在，它们是互相渗透和互相影响的。大气中的氧和碳酸气，大气的湿度变化以及风雨等，都直接作用于地表的岩酸气，大气的湿度变化以及风雨等，都直接作用于地表的岩石，所以大气的活动对地壳岩石的形成和破坏均有影响石，所以大气的活动对地壳岩石的形成和破坏均有影响 （四）大气的垂直结构（四）大气的垂直结构整个大气圈质量的整个大气圈质量的9090都集中在都集中在高于海平面高于海平面1616公里以内的空间公里以内的空间里。再往上去当升高到比海平里。再往上去当升高到比海平面高出面高出8080公里的高度，大气圈公里的高度，大气圈质量的质量的99.99999.999都集中在这个都集中在这个界限以

22、下，而所乘无几的大气界限以下，而所乘无几的大气却占据了这个界限以上的极大却占据了这个界限以上的极大的空间。的空间。 1.1.分层的主要依据分层的主要依据(1)(1)物质组成物质组成(2)(2)大气温度变化大气温度变化(3)(3)电荷电荷(4)(4)大气运动大气运动 2.2.对流层对流层厚度：平均厚度：平均111113km13km，赤道，赤道171718km18km，两极，两极8 89km9km。 质量：约占大气圈质量的质量：约占大气圈质量的7575。 气温：从下向上是降温的，大气降温率是气温：从下向上是降温的，大气降温率是6.50C/km6.50C/km， 对流层顶约对流层顶约-83-83。

23、大气运动：强烈的对流。大气运动：强烈的对流。 成分：含水蒸气、尘埃。成分：含水蒸气、尘埃。 气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。气象现象：风、霜、雨、雪、雹、雾等。 3.3.平流层平流层高度：从对流层顶到高度：从对流层顶到55km55km。 质量：几乎占大气圈质量的质量：几乎占大气圈质量的2525。 气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到气温：从下向上是升温的，到平流层的顶温度升到00。 大气运动：水平运动。大气运动：水平运动。 成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层。成分：几乎不含水蒸气、尘埃，存在数层臭氧层。 无天气现象。无天气现象。4.4.中间层中间层高度：从平流层顶到高度：从

24、平流层顶到808090km90km。 气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降气温：从下向上是降温的，到中间层的顶温度降到到-80-80。 大气运动：对流运动。大气运动：对流运动。 存在电离层（存在电离层（D D），反射无线电波），反射无线电波 5.5.暖层暖层高度：从中间层顶到高度：从中间层顶到800km800km。 气温：从下向上迅速升温，到气温：从下向上迅速升温，到300km300km高空，温度达高空，温度达10001000。 存在多层的电离层（存在多层的电离层（E E、F F、G G），也称电离层。），也称电离层。 6.6.散逸层散逸层 高度：从暖层顶到外层空间。高度：从暖层顶到外层

25、空间。 物质多以原子、离子状态存在。物质多以原子、离子状态存在。 是地球物质向宇宙空间扩散的部位。是地球物质向宇宙空间扩散的部位。 （五）大气现象（五）大气现象光的衍射：在大气中传播的日光或月光遇到小云滴光的衍射：在大气中传播的日光或月光遇到小云滴(小雨滴小雨滴或小冰晶或小冰晶)等障碍物时，会绕过这些障碍物而产生衍射。当等障碍物时，会绕过这些障碍物而产生衍射。当天空中存在由均匀小云滴组成的透光高层云或透光高积云天空中存在由均匀小云滴组成的透光高层云或透光高积云时，月光在透过云层时遇云滴而产生衍射，由于云滴大小时，月光在透过云层时遇云滴而产生衍射，由于云滴大小均匀，形成的衍射环能迭加，从而出现以

26、月亮为中心的一均匀，形成的衍射环能迭加，从而出现以月亮为中心的一圈圈明暗相间彩色光环，这就是华。圈圈明暗相间彩色光环，这就是华。 极光极光太阳是一个庞大而炽热的气体球，在它的内部和表面进行着各种化太阳是一个庞大而炽热的气体球，在它的内部和表面进行着各种化学元素的核反应，产生了强大的带电微粒流，并从太阳发射出来，学元素的核反应，产生了强大的带电微粒流，并从太阳发射出来，用极大的速度射向周围的空间。当这种带电微粒流射入地球外围用极大的速度射向周围的空间。当这种带电微粒流射入地球外围那稀薄的高空大大气层时，就与稀薄气体的分子猛烈地冲击起来，那稀薄的高空大大气层时，就与稀薄气体的分子猛烈地冲击起来，于

27、是产生了发光现象，这就是极光。于是产生了发光现象，这就是极光。 为什么极光大多在南北两极附近的上空出现？为什么极光大多在南北两极附近的上空出现？瑰丽的极光是天空的奇观，它是高纬度地带晴夜天空常见的瑰丽的极光是天空的奇观，它是高纬度地带晴夜天空常见的一种辉煌闪烁的光弧或光蒂这种电的现象在中低纬度地一种辉煌闪烁的光弧或光蒂这种电的现象在中低纬度地带一般是不常见的。极光的形成主要是由于太阳的带电微带一般是不常见的。极光的形成主要是由于太阳的带电微粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从粒发射到地球磁场的势力范围，受到地球磁场的影响，从高纬度进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成高纬度

28、进入地球的高空大气，激发了高层空气质粒而造成的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北的发光现象。地球是一块巨大的磁石，而它的磁极在南北两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因两极附近。我们知道，指南针总是指着南北方向，就是因为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受为受了地磁场的影响。从太阳射来的带电微粒流，也要受到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所到地磁场的影响，而且使带电微粒流聚集在磁极附近。所以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫以极光大多在南北两极附近的上空出现。在南极发生的叫南极光，在北极发生的叫北极光。我国处在北半球，所以南极光

29、，在北极发生的叫北极光。我国处在北半球，所以东北等地看到的只能是北极光。东北等地看到的只能是北极光。 日日 月月 晕晕 环环 天空中有一层高云，阳光或天空中有一层高云，阳光或月光透过云中的冰晶时发月光透过云中的冰晶时发生折射和反射，便会在太生折射和反射，便会在太阳或月亮周围产生彩色光阳或月亮周围产生彩色光环，光环彩色的排序是内环，光环彩色的排序是内红外紫。称这七色彩环为红外紫。称这七色彩环为日晕或月晕，统称为晕。日晕或月晕，统称为晕。其中对观测者所张的角半其中对观测者所张的角半径为径为2222度的晕最为常见，度的晕最为常见，称称2222度晕，偶尔也可看到度晕，偶尔也可看到角半径为角半径为464

30、6度的晕和其他度的晕和其他形式的与晕相近的光弧。形式的与晕相近的光弧。由于有卷层云存在才出现由于有卷层云存在才出现晕，而卷层云常处在离锋晕，而卷层云常处在离锋面雨区数百公里的地方，面雨区数百公里的地方，随着锋面的推进，雨区不随着锋面的推进，雨区不久可能移来，因此晕就往久可能移来，因此晕就往往成为阴雨天气的先兆。往成为阴雨天气的先兆。 华盖华盖天空中有一层透光薄云，云中的水滴大小均匀，若是由冰晶组天空中有一层透光薄云，云中的水滴大小均匀，若是由冰晶组成的云则要求冰晶尺寸均匀。月光或阳光透射云层过程中，成的云则要求冰晶尺寸均匀。月光或阳光透射云层过程中，受到均匀云滴受到均匀云滴( (水滴或冰晶水滴

31、或冰晶) )的衍射，结果会在月亮或太阳周的衍射，结果会在月亮或太阳周围紧贴月盘或日盘形成内紫外红的彩环，称为华。因日光太围紧贴月盘或日盘形成内紫外红的彩环，称为华。因日光太亮，人们不易观察到日华，月华则比较常见。紧贴月盘的华亮，人们不易观察到日华，月华则比较常见。紧贴月盘的华又称华盖，通常华盖的紫色不太显著故内环呈青蓝色，其外又称华盖，通常华盖的紫色不太显著故内环呈青蓝色，其外呈黄色为主，最外呈红色。有时在华盖外隔一暗圈后还会出呈黄色为主，最外呈红色。有时在华盖外隔一暗圈后还会出现一个甚至几个彩色排序与华盖相同，但亮度弱得多的同心现一个甚至几个彩色排序与华盖相同，但亮度弱得多的同心光环，称为副

32、华光环，称为副华 峨嵋宝光峨嵋宝光当清晨或傍晚，太阳位于地平线附近时，人若站在云雾萦绕当清晨或傍晚，太阳位于地平线附近时，人若站在云雾萦绕的高山之巅，恰值山巅之上是晴空，山巅之下是云雾，你背的高山之巅，恰值山巅之上是晴空，山巅之下是云雾，你背对晴天的太阳，下看弥漫的云海迷雾，便可能突然看到云雾对晴天的太阳，下看弥漫的云海迷雾，便可能突然看到云雾幕上出现人影，围绕在人影的四周是一圈圈彩色光环，有红幕上出现人影，围绕在人影的四周是一圈圈彩色光环，有红色的也可有蓝色或别的颜色的弧环，这就是峨眉宝光。色的也可有蓝色或别的颜色的弧环，这就是峨眉宝光。 海市蜃楼是一种反常的折射现象，它是光线在垂直方向密度

33、海市蜃楼是一种反常的折射现象，它是光线在垂直方向密度不同的大气层中传播，经过折射造成的结果。常分为上现、不同的大气层中传播，经过折射造成的结果。常分为上现、下现和侧现海市蜃楼。下现和侧现海市蜃楼。 第二节第二节 大气圈的能量与物质运动大气圈的能量与物质运动一、大气圈的能量循环一、大气圈的能量循环对人类生态环境至关重要的气候系统和生物地球化学循环正是对人类生态环境至关重要的气候系统和生物地球化学循环正是依靠能量循环与水分循环而紧密联系在一起的。依靠能量循环与水分循环而紧密联系在一起的。地球大气系统吸收了来自太阳辐射的能量后，为了保持热力地球大气系统吸收了来自太阳辐射的能量后，为了保持热力平衡状态

34、而必须向太空释放等量的能量，同时还通过大气环平衡状态而必须向太空释放等量的能量，同时还通过大气环流、海洋环流以及陆地热量收支平衡。在生物地球化学循环流、海洋环流以及陆地热量收支平衡。在生物地球化学循环中，能量循环首先表现为陆地和海洋植物将利用太阳能进行中，能量循环首先表现为陆地和海洋植物将利用太阳能进行物质合成，而当物质分解时，伴随着元素的循环，能量又被物质合成，而当物质分解时，伴随着元素的循环，能量又被释放出来。正是有了这种化学能的转换过程，生物地球化学释放出来。正是有了这种化学能的转换过程，生物地球化学循环才能持续不断。循环才能持续不断。（一）地球系统的辐射平衡（一）地球系统的辐射平衡对地

35、气系统能量收支来说，太阳短波辐射的能量主要集中在对地气系统能量收支来说，太阳短波辐射的能量主要集中在紫外区、可见光区和近红外区。即波长在紫外区、可见光区和近红外区。即波长在0.12.0m的部分；的部分；地球长波辐射的能量则主要几种在红外区。地球长波辐射的能量则主要几种在红外区。地球大气系统的辐射平衡地球大气系统的辐射平衡 16被被H2O、灰、灰尘和尘和O2吸收吸收 4云吸收云吸收50地表吸收地表吸收地面反射地面反射云反射云反射空气空气后向散射后向散射地面反射的地面反射的净红外辐射净红外辐射6 24其他形式支出其他形式支出 14H2O、CO2吸收吸收H2O、CO2放放射的净辐射射的净辐射感热通量

36、感热通量云反射云反射 20地表辐射地表辐射射出太阳辐射射出太阳辐射 38 26反射太阳辐射反射太阳辐射6 20 4入射太阳辐射入射太阳辐射 1006潜热通量潜热通量全球范围地面的热源是太阳，而大气热源的全球范围地面的热源是太阳，而大气热源的68.868.8则是来自地则是来自地面，其中还包括通过湍流和对流过程以感热和潜热形式输送面，其中还包括通过湍流和对流过程以感热和潜热形式输送导大气中的导大气中的3030个单位。个单位。云层虽然只从太阳入射能中吸收了云层虽然只从太阳入射能中吸收了4 4个单位的短波辐射能量，但个单位的短波辐射能量，但却反射了却反射了2020个单位的太阳短波辐射它在辐射平衡及气候

37、变化个单位的太阳短波辐射它在辐射平衡及气候变化中扮演了非常重要的角色。中扮演了非常重要的角色。地气系统所接受到的太阳辐射与其放出的长波辐射的差额称地气系统所接受到的太阳辐射与其放出的长波辐射的差额称净辐射。净辐射。就全球而言，净辐射的多年平均值应为零，但不同地球因太阳就全球而言，净辐射的多年平均值应为零，但不同地球因太阳入射角以及系统对短波辐射和长波辐射的吸收能力与反射能入射角以及系统对短波辐射和长波辐射的吸收能力与反射能力不同，净辐射值既可为正，也可为负。从而形成了地气力不同，净辐射值既可为正，也可为负。从而形成了地气系统净辐射随季节、地区变化而变化的地理分布。其平均状系统净辐射随季节、地区

38、变化而变化的地理分布。其平均状况呈南北向梯度分布。海洋吸收的能量多于陆地而呈现显著况呈南北向梯度分布。海洋吸收的能量多于陆地而呈现显著的海陆差异。的海陆差异。如果仅按照局地净辐射收支状况来计算地面气温，那么在辐射如果仅按照局地净辐射收支状况来计算地面气温，那么在辐射收支盈余处温度应当不断升高，亏损处则不断降低。但是长收支盈余处温度应当不断升高，亏损处则不断降低。但是长期观测结果正是，地表各处的温度变化微小，说明，局地的期观测结果正是，地表各处的温度变化微小，说明，局地的能量盈亏基本上是平衡的。能量盈亏基本上是平衡的。存在高低纬度之间与海陆之间的能量输送，以便把净辐射收支存在高低纬度之间与海陆之

39、间的能量输送，以便把净辐射收支盈余区所获得的能量输送到亏损区。盈余区所获得的能量输送到亏损区。输送方式：输送方式：大气和海洋的流动大气和海洋的流动驱动：驱动：大气环流大气环流：净辐射水平差形成的从赤道指向基地的温度：净辐射水平差形成的从赤道指向基地的温度梯度梯度 海洋环流海洋环流：大气风场及海水密度分布不均：大气风场及海水密度分布不均意义：地气系统的辐射平衡是物理气候和生物地球化学循环意义：地气系统的辐射平衡是物理气候和生物地球化学循环两大体系中所有过程得以维持的重要条件，也是在所有过程两大体系中所有过程得以维持的重要条件，也是在所有过程的参与下实现的。的参与下实现的。（二）大气和海洋的能量交

40、换（二）大气和海洋的能量交换大气能量的分布：内能（大气能量的分布：内能（7070），位能（），位能（27.127.1），潜热），潜热（2.52.5），动能（），动能（0.50.5）能够释放出来的内能和位能只占其总能量的一小部分。能够释放出来的内能和位能只占其总能量的一小部分。能被释放出来的一小部分可以转换成大气动能的内能和位能称能被释放出来的一小部分可以转换成大气动能的内能和位能称为有效位能为有效位能用以驱动大气运动的动能不断从有效位能中得到补充，因而使用以驱动大气运动的动能不断从有效位能中得到补充，因而使大气环流得以维持。大气环流得以维持。在中纬度地区，海洋的输送能力要超过大气，如北半球中纬

41、度在中纬度地区，海洋的输送能力要超过大气，如北半球中纬度地区两支强大的暖洋流（墨西哥晚暖流和黑潮）把大量的热地区两支强大的暖洋流（墨西哥晚暖流和黑潮）把大量的热量送向高纬度。量送向高纬度。在暖洋流附近，海气之间存在着强烈的热量交换。在暖洋流附近，海气之间存在着强烈的热量交换。当高纬度寒潮南移到暖洋面上空时，海洋把巨大的能量输送给当高纬度寒潮南移到暖洋面上空时，海洋把巨大的能量输送给大气，在通过大气环流继续把能力向高纬度输送。大气，在通过大气环流继续把能力向高纬度输送。海气系统的能量交换、输送，维持或改变着全球气候和其他海气系统的能量交换、输送，维持或改变着全球气候和其他过程，影响着人类生态系统

42、的分布格局和生物多样性。过程，影响着人类生态系统的分布格局和生物多样性。（三）大气和陆地的能量交换（三）大气和陆地的能量交换大气中吸收太阳辐射的主要成分有水汽、大气中吸收太阳辐射的主要成分有水汽、CO2、O2、N2、NOx、CH4、气溶胶等，而温室气体和云则对于地球长波辐射的吸、气溶胶等，而温室气体和云则对于地球长波辐射的吸收起着主要作用。收起着主要作用。大气中的气体、气溶胶和云中的水汽和冰晶都参与了散射过程。大气中的气体、气溶胶和云中的水汽和冰晶都参与了散射过程。阳伞效应：云对地气系统辐射过程的总效应应是使系统温度阳伞效应：云对地气系统辐射过程的总效应应是使系统温度降低，这种效应称为阳伞效应

43、。降低，这种效应称为阳伞效应。陆地表面所接受的太阳辐射能无法通过热传导方式到达深层土陆地表面所接受的太阳辐射能无法通过热传导方式到达深层土壤，因而陆地不可能长期储存太阳辐射能。白天吸收的太阳壤，因而陆地不可能长期储存太阳辐射能。白天吸收的太阳辐射能量，夜间便很快以长波形式辐射出去。辐射能量，夜间便很快以长波形式辐射出去。陆地表面的置备和土壤对太阳辐射的反射差别很大。植物叶片陆地表面的置备和土壤对太阳辐射的反射差别很大。植物叶片中的叶绿素对可见光有很强的吸收能力，因此，植被使陆地中的叶绿素对可见光有很强的吸收能力，因此，植被使陆地表面发射率大小的决定性因素之一。表面发射率大小的决定性因素之一。一

44、般在森林顶部，阳光反射率为一般在森林顶部，阳光反射率为1420；沙地表面反射率；沙地表面反射率则在则在1828以上；开阔的雪面对阳光的反射率可达以上；开阔的雪面对阳光的反射率可达70,甚至更高。甚至更高。陆地与大气间的能量交换过程还有感热和潜热的输送。潜热输陆地与大气间的能量交换过程还有感热和潜热的输送。潜热输送是通过土壤表面的水分蒸发和植被生长过程中叶片的蒸腾送是通过土壤表面的水分蒸发和植被生长过程中叶片的蒸腾作用实现的。作用实现的。植被可使平坦下垫面的粗糙度大大增加。粗糙度增加必然导致植被可使平坦下垫面的粗糙度大大增加。粗糙度增加必然导致空气的湍流混合能力增强，使地表的感热、潜热以及水汽、

45、空气的湍流混合能力增强，使地表的感热、潜热以及水汽、CO2及各种污染物向高层的扩散加速。及各种污染物向高层的扩散加速。风平浪静的海面的粗糙度只有风平浪静的海面的粗糙度只有0.02cm；平缓的沙漠表面只有；平缓的沙漠表面只有0.03cm；5cm高的草地的表面粗糙度则在草地高度高的草地的表面粗糙度则在草地高度12cm；而森林顶部的粗糙度可高达几米。而森林顶部的粗糙度可高达几米。二、大气圈的水分循环过程二、大气圈的水分循环过程（放在水圈的水循环一节）（放在水圈的水循环一节）三、大气环流的平均状况三、大气环流的平均状况大气环流：大范围的大气运动状态。大气环流：大范围的大气运动状态。一般尺度达一般尺度达

46、n103km，垂直尺度约，垂直尺度约10km以上，时间尺度则在以上，时间尺度则在12天以上。天以上。主要形式：三圈径向环流、纬向环流、对流层内的大型平均槽主要形式：三圈径向环流、纬向环流、对流层内的大型平均槽脊转化、行星尺度的高空急流与西风带中的大尺度扰动、季脊转化、行星尺度的高空急流与西风带中的大尺度扰动、季风环流与气旋、反气旋等风环流与气旋、反气旋等影响因素：太阳辐射驱动、地球自转作用、下垫面性质影响以影响因素：太阳辐射驱动、地球自转作用、下垫面性质影响以及地表摩擦作用等。及地表摩擦作用等。热量输送和地球上的热量平衡热量输送和地球上的热量平衡 由赤道向极地的高低由赤道向极地的高低纬之间的热

47、量传输，主纬之间的热量传输，主要依靠全球性的大气环要依靠全球性的大气环流（显热和潜热）及洋流（显热和潜热）及洋流来实现的，并随纬度流来实现的，并随纬度和季节而异。从纬度看，和季节而异。从纬度看，全球能量的输送是从南全球能量的输送是从南北纬北纬3535o o之间的辐射差额之间的辐射差额正值区向纬度高于正值区向纬度高于3535o o的的负值区输送，就平均而负值区输送，就平均而言，输送量以纬度言，输送量以纬度4040o o附附近为最大值。近为最大值。水平气压梯度力水平气压梯度力：在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力在存在着气压梯度的地方，空气分子受到力的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动

48、的力，的作用，驱使着空气沿着和气压梯度相同的方向移动的力，它是促使空气从静止到运动的原动力。它是促使空气从静止到运动的原动力。地转偏向力（科里奥利力）：地转偏向力（科里奥利力）：由于地球的自转，地球表面运动由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏转。导致地球表面运动物体的物体都会发生运动方向的偏转。导致地球表面运动物体方向偏转的力。在地转偏向力的作用下，地表运动的物体，方向偏转的力。在地转偏向力的作用下，地表运动的物体，在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。在北半球向右偏转，在南半球向左偏转。大气的辐合大气的辐合：在低压中心附近，大气由周围向中心集中。：在低压中心附近，大气由周围向

49、中心集中。大气的辐散大气的辐散：在高压中心附近，大气向周围散开。：在高压中心附近，大气向周围散开。气旋、反气旋气旋、反气旋：旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的向低压中心辅合的大气系统叫做气旋，旋转着的由高压中心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由旋转着的由高压中心向外辅散的大气系统叫做反气旋。由于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转的方向正好相于受地转偏向力的作用，气旋、反气旋旋转的方向正好相反。反。大气环流大气环流: :在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦在太阳辐射、地球自转、地表面性质以及地面摩擦的共同作用，使得大气圈内的空气产生了不同规模的三维运的共同作用，使得大气圈

50、内的空气产生了不同规模的三维运动。动。季风：季风：大范围地区，盛行风随季节变化而发生有规律改变的现大范围地区，盛行风随季节变化而发生有规律改变的现象。象。局地环流：局地环流：海陆风：海陆风：发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系日为周期的周期性风系高原季风：高原季风：高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系。差异所形成的冬夏相反的盛行风系。山谷风：山谷风：在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷地，在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向

51、谷地，以一日为周期的周期性风系。以一日为周期的周期性风系。 焚风：焚风：山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度也小得多，形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风湿度也小得多，形成了沿着背风坡向下吹的既热且干的风城市热岛：城市热岛：城市的温度一般高于周围的郊区和农村。城市的温度一般高于周围的郊区和农村。 由于地球的自转，地球表面运由于地球的自转，地球表面运动的物体都会发生运动方向的偏动的物体都会发生运动方向的偏转。在北半球运动物体向右偏转，转。在北半球运动物体向右偏转，在南半球则向左偏转。导致地球在南半球则向左偏转。导致地球表面运动物体方

52、向偏转的力，叫表面运动物体方向偏转的力，叫做地转偏向力，又叫做科里奥利做地转偏向力，又叫做科里奥利力。地转偏向力具有以下几个特力。地转偏向力具有以下几个特点：（点：（1 1）这个力只改变物体的）这个力只改变物体的运动方向，不改变物体的运动速运动方向，不改变物体的运动速度；（度；（2 2）这个力的作用方向总）这个力的作用方向总是与物体的运动方向垂直；（是与物体的运动方向垂直；（3 3）这个力的大小与物体运动的线速这个力的大小与物体运动的线速度成正比；（度成正比；（4 4）这个力的大小）这个力的大小与纬度的正弦成正比，在赤道处与纬度的正弦成正比，在赤道处为零，向两极地区逐步增大为零，向两极地区逐步

53、增大现在地球上的大气环流图（三圈环流）现在地球上的大气环流图（三圈环流） 然而然而, ,空气一空气一旦开始运动旦开始运动, ,地转地转偏向力就随之发生偏向力就随之发生作用作用. .正是由于地正是由于地转偏向力的存在转偏向力的存在, ,就不可能存在一个就不可能存在一个单一的闭合的热力单一的闭合的热力环流环流, ,而在全球近而在全球近地面气层形成了赤地面气层形成了赤道低压带、副热带道低压带、副热带高压带、副极地低高压带、副极地低压带、极地高压带。压带、极地高压带。北半球夏季（北半球夏季（7 7月）近地面大气环流状况月）近地面大气环流状况北半球夏季（北半球夏季（7 7月）月） 大范围区域大范围区域盛

54、行风随季节盛行风随季节变化而发生有变化而发生有规律改变的现规律改变的现象，称为季风。象，称为季风。季风的形成与季风的形成与多种因素有关，多种因素有关，最主要的是由最主要的是由于海陆间热力于海陆间热力性质的差异造性质的差异造成的，其次是成的，其次是由于行星风系由于行星风系的季节移动而的季节移动而形成的。形成的。北半球冬季（北半球冬季（1 1月）近地面大气环流状况月）近地面大气环流状况海陆风环流海陆风环流 海陆风是指发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆海陆风是指发生在沿海地区的、白天吹海风、夜间吹陆风、以一日为周期的周期性风系。它也是由于海陆的热力性风、以一日为周期的周期性风系。它也是由于海陆的

55、热力性质的差异引起的，但影响的范围仅限于沿海地区。在沿海地质的差异引起的，但影响的范围仅限于沿海地区。在沿海地区，白天，陆地增温快，陆面气温高于海面，近地面空气上区，白天，陆地增温快，陆面气温高于海面，近地面空气上升形成低压，气流从海洋流向陆地，形成海风；夜间相反，升形成低压，气流从海洋流向陆地，形成海风；夜间相反，陆地降温快，陆面气温低于海面，形成陆风。陆地降温快，陆面气温低于海面，形成陆风。 海陆风对沿海地区的天气和气候有着明显的影响：白天，海陆风对沿海地区的天气和气候有着明显的影响：白天，海风携带着海洋水汽输向大陆沿岸，使沿海地区多雾多低云，海风携带着海洋水汽输向大陆沿岸，使沿海地区多雾

56、多低云，降水量增多，同时还调节了沿海地区的温度，使夏季不致过降水量增多，同时还调节了沿海地区的温度，使夏季不致过于炎热，冬季不过于寒冷。于炎热，冬季不过于寒冷。海风海风陆风陆风青藏高原与平均经向环流青藏高原与平均经向环流 高耸挺拔的大高原，由于它高耸挺拔的大高原，由于它与周围自由大气的热力差异所形与周围自由大气的热力差异所形成的冬夏相反的盛行风系，成的冬夏相反的盛行风系，称为称为高原季风高原季风。以青藏高原季风最为。以青藏高原季风最为典型。冬季高原面上出现冷高压，典型。冬季高原面上出现冷高压，气流从高原向四周流动；夏季高气流从高原向四周流动；夏季高原面上出现热低压，气流从四周原面上出现热低压，

57、气流从四周流向高原。高原季风对环流和气流向高原。高原季风对环流和气候的影响很大，尤其在东亚和南候的影响很大，尤其在东亚和南亚季风区。同时，在冬夏不同的亚季风区。同时，在冬夏不同的季节，高原季风环流的方向与东季节，高原季风环流的方向与东亚地区因海陆热力性质差异所形亚地区因海陆热力性质差异所形成的季风的方向完全一致，两者成的季风的方向完全一致，两者叠加起来，使得东亚地区的季风叠加起来，使得东亚地区的季风（尤其冬季风）势力特别强盛，（尤其冬季风）势力特别强盛，厚度特别大。厚度特别大。山谷风山谷风(b）山风（a）谷风 在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹向谷在山区，白天从谷地吹向山坡、夜间从山坡吹

58、向谷地，以一日为周期的周期性风系，称为山谷风（见下地，以一日为周期的周期性风系，称为山谷风（见下图）。白天，因为山坡上的空气比同高度的自由大气增图）。白天，因为山坡上的空气比同高度的自由大气增温强烈，空气从谷地沿坡向上爬升，形成谷风；夜间由温强烈，空气从谷地沿坡向上爬升，形成谷风；夜间由于山坡辐射冷却，冷空气沿坡下滑，从山坡流入谷地，于山坡辐射冷却，冷空气沿坡下滑，从山坡流入谷地，形成山风。形成山风。焚焚 风风 当流经山地的湿润气流受到当流经山地的湿润气流受到山地阻挡时，被迫沿坡绝热爬山地阻挡时，被迫沿坡绝热爬升，这时按照干绝热递减率降升，这时按照干绝热递减率降温。当达到水汽凝结高度时，温。当

59、达到水汽凝结高度时，形成云，此后按照湿绝热递减形成云，此后按照湿绝热递减率降温，逐渐形成降水，空气率降温，逐渐形成降水，空气继续沿坡上升，降水也不断发继续沿坡上升，降水也不断发生。当越过山顶以后，空气沿生。当越过山顶以后，空气沿坡下沉增温，水汽含量大为减坡下沉增温，水汽含量大为减少，按照干绝热递减率下沉压少，按照干绝热递减率下沉压缩升温。由于干绝热温度变化缩升温。由于干绝热温度变化率比湿绝热温度变化率大。过率比湿绝热温度变化率大。过山后的空气温度比山前同高度山后的空气温度比山前同高度上空气的温度要高得多，湿度上空气的温度要高得多，湿度也小得多，形成了沿着背风坡也小得多，形成了沿着背风坡向下吹的

60、既热且干的风，称为向下吹的既热且干的风，称为焚风。焚风。“城市热岛城市热岛” 城市人口集中，工业发达，居民生活、工业生产及交通城市人口集中，工业发达，居民生活、工业生产及交通工具每天释放出大量的人为热，导致城市热力过程的总效应工具每天释放出大量的人为热，导致城市热力过程的总效应为：城市的温度一般高于周围的郊区和农村，城市尤如一个为：城市的温度一般高于周围的郊区和农村，城市尤如一个温暖的岛屿，称为温暖的岛屿，称为“城市热岛城市热岛”。这主要是城市上空通过湍。这主要是城市上空通过湍流扩散从暖的建筑物得到潜热，并且吸收城市表面和污染层流扩散从暖的建筑物得到潜热，并且吸收城市表面和污染层放出的长波辐射