期末复习2011.06大气成分

1、 当代的自然地理学大气气候全球气候变化第3部分 适宜生物和人生存的地球大气层十分稀薄 王允（约公元27-97）在论衡自然中提出“天地合气，万物自主。”17世纪初，范赫尔蒙特（Jan Baptista Van Helmont）始用“气体（gas）一词。现在对大气的理解，它像外衣一样紧紧依附在地球表面周围，它蕴育地球环境，维护生灵，保护着人类的生存。但是，2005年7月26日升空的“发现”号航天飞机机长艾琳柯林斯提醒我们，“大气层就像是鸡蛋的蛋壳一样，非常薄，”“我们没有太多的空气，我们需要保护我们所拥有的。” 大气层上界：据极光而定的大气的物理上界 为1200km, 若以星际空气密度 1个/cm

2、3估算， 其上界为20003000km 世界气象组织（WMO）规定： 高层大气散逸层，约800 km， 温度随高度增加 暖层（热离子层）约85-800 km， 吸收紫外线辐射，温度随高度升高 中间层，约55-85 km， 下层温度高而成高空对流层 大气层臭氧层 约12-52 km 平流层 ，约10-55 km， 吸收紫外线，形成高空暖区 气流水平运动 对流层高纬度带89km厚（夏季高）； 中纬度带1012km厚（夏季高）； 低纬度带1718km厚（夏季高）。 主要天气现象都发生在对流层中 主要天气现象都发生在对流层中但是，天气过程及气候状况，都与地形及下垫面特征有密切关系卫星云图高空云系的展布

3、，也与青藏高原和山脉的展布有一定的关系所以，有关天气过程及气候状况的研究，与自然地理学有密切关系2008年2月10日24日雨雪冰冻灾害 据新华社电： 民政部副部长李立国23日说,在这次低温雨雪冰冻灾害中,已造成129人死亡,4人失踪,紧急转移安置166万人。农作物受灾面积1.78亿亩;倒塌房屋48.5万间;直接经济损失1516.5亿元。 但国家气象局长说，其“时间之长”，“灾害之重”，是气象部门在事前没有预计到的。 在“全球变暖”研究中，根据科学家们设计的气候预测模型,地球表面平均温度到2100年左右将会上升4,还有一些科学家担心,如果人类不采取任何措施,到2050年,地球表面的温度可能就会比

4、现在上升4。假如气温上升4 地球将只剩10亿人? 扬子晚报2009.3.2格陵兰岛冰原可能成“生命绿洲”。 威尼斯市可能沦为“失落的文明”。 全球变暖问题已经成了人类最关心的生存问题之一,科学家预测称,如果人类不立即采取行动减少温室气体排放,那么短则到2050年,长则到本世纪末,地球表面的温度将会上升4,并引发一系列可怕的后果:地球上大部分陆地都将变成干旱的沙漠,地球将遭遇“生物大灭绝”,只有大约10亿人幸存下来。 温度上升，许多地方将出现干旱。 海滨城市将成为“水下城市”。 据科学家称,地球表面温度上一次大规模上升发生在5500万年前,当时大量被困在深海地下的冷冻甲烷和50亿吨二氧化碳通过火

5、山爆发释放到了大气层中,使已经相当炎热的地表温度又上升了5到6。 顿时,极地融化长出了茂密的热带森林,海洋则由于溶解的二氧化碳变得充满了酸性,大量海洋生物遭遇大灭绝。海平面上升到了比今天的海平面还高100米,南非到欧洲则全变成了一片沙漠。 科学家相信,如果地球表面的温度再上升4,那么相似的末日惨剧会再次在地球上演。地球将遭遇“第6次生物大灭绝” 专家建议 从现在开始拯救地球防止未来陷入劫难 美国航空航天局（）说，发射“在轨碳观测器”（）、即“嗅碳”卫星的准备期长达年，卫星坠毁令相关人员陷入沮丧。整个卫星项目耗资亿美元。 ，嗅碳”卫星搜集数据，检查二氧化碳排放源在哪里？排放量的地区分布如何？大气

6、中消失的二氧化碳主要由陆地还是海洋吸收？哪块大陆吸收二氧化碳最多？ 美国首颗专项探测地球大气中二氧化碳含量并针对这种温室气体全面绘制分布图的卫星2009年2月日因发射失败而坠入南极附近海域。所以，现在 要深入研究“大气气候与全球气候变化” 要改进研究的思想方法与科学技术 当代的自然地理学 大气气候全球气候变化第3部分第6章 大气成分第6章 大气成分 大气由多种气体和悬浮着的固态、液态粒子混合组成。不包括水汽和固态、液态粒子的大气称为“干洁大气”自太空看地球大气层 第6章 大气成分气体成分分 子 量干洁空气中的含量（%，按容积）密度临界温度t-3标准下的绝对值（g/m3）对干洁空气的比值氮N22

7、8.01678.09(75.52)12500.967-147.2（33.5）氧O232.00020.95(23.15)14291.105-118.9（49.7）氩Ar39.9440.93(1.28)17861.379-122.0（48.7）二氧化碳CO244.0100.03(0.05)19771.52931.0（73.0）氖Ne20.1831.810-39000.695-228.0（26.0）氦He4.0035.2410-41780.138-258.0（2.3）甲烷CH416.042.210-4717氪Kr83.701.110-437362.868-63.0氧化氮N2O44.0160.510-

8、41978氢H22.0160.510-4900.070-239.0（12.8）氙Xe131.3000.0810-458914.52416.6（58.2）臭氧O348.00021401.624-5.0（92.3）氡Rn222.0006.010-18干洁空气18.96610012931.0-140.7（37.2）干洁空气成分(25km高度以下)6.1 大气成分 大气成分随高度的变化 干洁大气中氮(N2)与氧(O2)占空气容积的99.4%。 在90km高度以下，受气流不规则运动引起的湍流混合，各气体成分比例基本不变，总平均分子量为28.966，可将干洁大气看作理想气体或均质层。 但从80km往上由于

9、太阳紫外线照射，N2和O2已有不同程度离解 在100km以上氧分子几乎全部离解为氧原子， 250km以上N2也基本离解了。6.1 大气成分 氧气是地表一切生命所必需的气体。如动植物的呼吸，要在氧化作用中得到维持生命的热能。 此外，一切有机物的燃烧、腐败和分解都依赖于氧，所以氧被称为“有生命的气体”。氮气为惰性气体。通过细菌和闪电作用，氮气变为活性氮并在土壤植物、动物土壤之间转换。在自然条件下可通过地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造为植物易吸收的化合物，是植物体内不可缺少的养料。 现在，多达70的在空气、地表、大海间循环的活性氮源于人类活动。6.1 大气成分 二氧化碳主要来源于火山喷发、燃料燃烧

10、、有机物腐败及动植物呼吸等，因此CO2集中在20km高度以下，平均含量0.03%。底层大气的CO2夏季较冬季多，城市较农村多，在大工业城市区其含量可达0.050.07%。 CO2对太阳短波辐射很少吸收却能吸收地面与大气间的长波辐射，对大气和地表有一定的增温保温作用。CO2对全球温暖化的贡献率达60。 在人类生活生产过程中，排放到大气中的CO2含量增加明显，它对气候变化产生的深刻影响已受到世界各国的关注。6.1 大气成分臭氧 由氧分子分解为氧原子后和其它氧分子结合产生。主要来源于有机物的氧化和雷电作用以及高层大气太阳紫外线作用。臭氧在低层大气含量极低，随高度增加、太阳紫外线逐渐加强使高层大气臭氧

11、含量明显增多，并在2025km达极大值后又逐渐减少，在55-60km附近臭氧含量已趋于零，因此通常将集中了地球上约90%臭氧的10-50km大气层称为臭氧层。 臭氧能大量吸收太阳紫外线增高臭氧层温度，直接影响大气温度的垂直分布规律。同时，高空大量的有害短波辐射（以紫外线为主）被吸收使地面上生物免遭伤害，而少量穿透臭氧层的紫外线对人类和生物则大有裨益。 6.1 大气成分 水汽 主要来源于海洋、地表各种水体(江、河、湖泊等)、土壤和潮湿物体表面的蒸发及植物蒸腾。地表水汽借助空气的垂直交换向上输送，所以一般随高度增加而减少。据实测，1.52km高度上水汽含量仅为地表一半，5km高度的水汽为地表的1/

12、10，再往上更少。 但特殊（地形）状态下水汽会随高度而增加。大气中的水汽含量变化范围04%。水汽是天气变化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面辐射并同时向周围大气和地面放出长波辐射，对地面和大气温度有一定影响。6.1 大气成分 溶胶粒子 为大气中悬浮着的固态、液态微粒。气溶胶粒子与气体介质一起称为气溶胶。其中的固体微粒有烟粒、盐粒、尘埃、花粉、细菌等。集中于大气底层的固体微粒以海浪、风沙、植物贡献最大，约占气溶胶粒子总质量的60%以上。 固体微粒的含量一般城市多于农村、陆地多于海洋、低空多于高空、冬季多于夏季、夜里多于白天。它能够充当水汽凝结核心并吸收一部分太阳辐射和阻挡地表放热，使地面

13、和空气温度变化振幅减小。液体微粒有水滴、过冷水滴(指气温低于零度仍未结成冰的水)、冰晶等。它们常聚集成云、雾使大气能见度变低，并减弱太阳辐射和地面辐射影响地表气温。6.1 大气成分 大气污染 大气中对人和动植物产生危害的有毒、有害物质称为大气污染。污染物主要来源于工业、交通运输业、火山爆发、弃物燃烧等废气向大气排放。 目前已引起人们注意的大气污染物已不下百余种，其中对人类危害最大的是煤粉尘、二氧化硫、一氧化碳、碳氢化合物、氨和放射性物质等。日本东京南600多公里 伊豆群岛的火山喷发6.1 大气成分 大气污染 在更高层次上的大气污染，包括大气中CO2浓度升高、大气臭氧的损耗、大气中水汽及其气溶胶

14、物质的增多等。 大气污染物不仅直接危及人类健康和农、林作物的正常生长，影响环境和生态，而且对天气、气候影响也日趋加剧。如粉尘烟雾可直接进入肺组织内部，通过血液传遍全身甚至致癌；二氧化硫和一氧化碳成为酸雨等。 中国重庆市多年前每年的酸雨损失超过20亿元。6.2 大气成分的变化 大气成分的变化，主要取决于地球系统中的地气系统与水气系统中物质交换的通量及其滞留量。 近现代大气组分含量的变化，主要是人类活动干扰了上述复杂系统中的物质通量与物质循环，并导致若干大气组分在大气中的含量发生显著的变化。6.2.1过去的大气成分的变化 地质历史上有过多次大气成分明显的变化. 地球上绿色植物的出现曾导致大气中氧含

15、量的增多。 有人测试南极冰芯中小气泡的成分，发现地球冰期与间冰期大气中二氧化碳的含量是有高有低的，给人的印象,好像大气中二氧化碳的含量升高在前，而间冰期温暖气候的到来在其之后。 16万年以来CO2含量的变化6.2.2近现代的大气成分的变化1、大气中的碳及CO2浓度 自工业革命以来发展到近现代，由于化石燃料和水泥产品而全球大气中的碳含量每年新增5.5 Gtc（千兆吨碳，gigatons of carbon),由于土地利用的变化而每年新增1.1 Gtc，由全球主要的净产出和呼吸作用再生并向大气输入而每年减少1.3 Gtc, 因此，大气层中每年净增约3.3 Gtc。全球碳循环示意图（据Hardy，J

16、.T.2003） 科学家采集南极冰芯气泡做CO2含量的分析，得出过去千多年以来大气中CO2含量的变化曲线,其中后50年间CO2含量的变化与美国蒙纳洛瓦（Mauna Loa）站测试的大气中CO2含量的变化相吻合。由此可见，在工业革命时代以前，大气层中CO2的含量比较稳定在 280ppm（ LL-1）左右，但自1850年以来，则迅速增 长，其主要原因是 由化石燃料的广泛 使用所造成的。过去1000年来冰核和大气观测得到的CO2浓度变化，放大图为工业革命以来的情况，其中矿石燃料产生的CO2量以碳计（据J.H.Houghton，1996）从二次世界大战以来，大气中CO2的浓度几乎增加了25%，预计在未

17、来40a中将比工业革命前增加1倍。现代大气CO2 的增加主要是由于人类使用化石燃料（煤、石油、天然气）以及生产水泥所导致的。另外，热带土地利用的改变（砍伐森林）也向大气中释放了相对多的CO2。这两部分是大气CO2的重要来源（表6.2）。作为吸收大气CO2的主要因素，除大气圈增加的量外，海洋吸收、北半球的森林生长以及植被的施肥效应是主要的CO2汇。CO2含量增加有利的一面是，自然植被的光合作用增强生长期延长，生产能力会有一定程度提高。CO2源 ： 化石燃料及水泥生产5.5 0.5 热带土地利用的变化所产生的净释放1.6 1.0 人工源释放合计7.1 1.1CO2汇 ： 大气浓度的增加3.2 0.

18、2 海洋吸收2.0 0.8 北半球森林生长吸收0.5 0.5 植被施肥1.0 0.5 氮沉降0.6 0.3 失汇0.2 2.0 表6.2 19801989年全球年收支（单位：109t C/a）（据方精云，2000）2.CH4含量 据冰芯气泡分析千年来CH4含量的变化。美国的世界资源研究所（WRI）于2002年提出大气中CH4的来源，有30来自家蓄，16来自固体废气物，13来自煤矿，16来自石油、天然气的使用，25来自水稻农业，也就是说，其总含量的三分之二以上源自于与人类活动有关。公元1000年2000年（据IPCC, 2000） 据冰芯和近期观测，千多年来大气中N2O在地球大气浓度的变化 （据

19、IPCC, 2000） 3.硫酸盐气体 据冰芯分析得知近400多年来，硫酸盐气体浓度的变化，其中后几十年来硫酸盐浓度的下降，也是由人类活动的某些变化所造成。 据格陵兰冰芯，400多年来硫酸盐气溶胶的浓度变化（据IPCC, 2000） 全球平均CFC-11、CCL4与Cape Grim站SF6浓度的变化（IPCC,1995）1.爱尔兰 2.俄勒冈 3.塔斯马尼亚 4.美国NOOL/CMDL全球模式结果CFC-11、CCL4 、SF6 全球平均浓度温室气体工业革命前的体积分数1994年的体积分数浓度增长率(a1)大气寿命aCO22801063581060.4CH470010917211090.6N

20、2O2751093111090.25CFC-11026810650CFC-12(CCl2F2)05031012102HCFC-22(CHClf2)0105101212.1CF4070101250,000SF60280106若干温室气体含量的变化（据John T.Hardy，J.T.2003） 大气中十亿分之一CO2的含量相当于2.13百万吨碳* CO2、CH4、N2O的浓度增长率是据1984年为基础俄罗斯和日本的科学家（2004）于1993年7月开始，在俄罗斯西伯利亚沙果特（610N、730E）湿地上空500m7000m，进行定时定期的温室气体含量的采样和分析工作，另在西伯利亚那法雪必斯克（5

21、50N、830E）林地上空5007000m、亚库茨克（620N、1300E）林地上空5005000m进行同步观测，发现CO2的含量有明显的季节性波动，在每年的3月下旬或4月上旬达到最高，在每年的8月上旬或下旬达到最低，在1km高空，最高与最低值的差值平均达23.3ppm，而在7km高空，最高与最低值的差值平均为10.7ppm，1993年以来到2003年为止，1km高空CO2含量的增加，还略高于7km 高空CO2含量的增加（图67）。 1993以来，西伯利亚沙果特湿地上空空气样中CO2含量的变化1km高空CO2含量的增加，还略高于7km 高空CO2含量的增加 5.大气臭氧层的损耗 自1958年对臭氧层观察以来，发现高空臭氧有减少趋势，70年代以来这种趋势更为明显。根据臭氧趋势研究小组（OTP）和UNEP/WMO1989