农业气象学之地球大气

大气的组成大气的铅直结构大气的物理性质(自学)Chapter1地球大气大气的组成水汽

杂质干洁大气

氧气氮气臭氧二氧化碳稀有气体氩气氮78%氧21%氩和其他气体CO2、O3

一、干空气的成分(25Km高度以下)含量(％)临界温度临界压力沸点温度(℃)(当大气压力为气体种类按容积按质量分子量(℃)(大气压)1013.3hPa)氮(N2)78.0975.5228.016—

147.233.5—195.0氧(()2)20.9523.1532.000—118.949.7—183.1氩(Ar)0.931.2839.944—122.048.0—185.6二氧化碳(CO2)0.030.0544.01031.073.0—78.2臭氧(O3)1.0×10-648.000—5.092.3—111.1干洁空气10010028.966—140.737.2—193.0从上表看出，各种气体的沸点都很低，在地球上可能出现的温度范围内，除CO2、O3外，其它气体永无液化的可能，所以干洁大气是永久气体。85km以下成分不变。大气各种成分和世界万物的关系微生物动物植物人成分成云致雨的必要条件主要成分次要成分水汽固体杂质生物体的基本成分，合成氮肥的原料维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件；对地面保温大气组成主要作用干洁空气O3N2O2CO2大气各成分的作用低层干洁大气中以N2，O2，CO2，O3最为重要

1、臭氧(O3)

时空变化：

时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季

空间变化：水平：由赤道向两极增加垂直：55～60km，含量极少20～30km，达最大值，形成臭氧层12～15km以上，含量增加特别显著从10km向上，逐渐增加近地面，含量很少臭氧层的作用：一是对紫外线有着极其重要的调控制作用；二是对高层大气有明显的增温作用；此外还有杀菌作用，但多会造成伤害臭氧层是指大气层的平流层中臭氧浓度相对较高的部分，主要作用是吸收短波紫外线。臭氧层密度不是很高，如果它被压缩到对流层的密度，它会只有几毫米厚了太阳辐射中波长短于0.29μm

(1μm＝10cm)的紫外线被臭氧吸收，保护地面的生物免受过多紫外线的伤害；透射到地面上少量的紫外线，具有杀菌作用。同时由于大量吸引太阳紫外线，使得20～25Km气层以及上层的温度大为增加

1、臭氧(O3)

1、臭氧(O3)这幅地图显示的是臭氧洞。1986年，南极的臭氧量仅是30年前的一半1988年，曾发现北半球上空臭氧层已比20年前要薄百分之三。这种变化足以使皮肤癌的病例增加皮肤癌晒伤的危险系数下降40%每周一勺左右的柠檬汁其发病率下降30%

南极臭氧含含量的变化化2、二氧化化碳(CO2)来源：生物的呼吸吸、化石燃燃料的燃烧烧、有机物物质的燃烧烧和分解、、火山喷发发作用等时空变化：：时间变化：：a)白天天、晴天、、夏季时的的二氧化碳碳浓度小于于黑夜、阴阴天、冬季季b)工业业革命前小小于工业革革命后空间变化：：水平：城市市大于农村村；垂直：0～～20km，含量最最高；20km以上，含量显显著减少大气中CO2含量很少，，其平均含含量约占大大气容积的的0.036％作用：CO2是绿色植物物进行光合合作用不可可缺少的原原料；使地地面保持较较高的温度度，产生“温室效应应”。目前成为世世界各国政政府可科学学家的关注注1750年年前维持在在280ul/L，，目前达到到360ul/L。。平均每年年上升0.04％2、二氧化化碳(CO2)Greenhouseeffects温室气体主主要包括：：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氟氯碳化物物、(CFCs)、氧化亚氮(N2O)、六氟化碳(SF6)、全氟碳化物物(PFCs)、氢氟碳化物物(HFCs)等。温室效应:大气中对长长波辐射具具有屏蔽作作用的温室室气体浓度度增加使较较多的辐射射能被截留留在地球表表层而导致致温度上升升。IncomingsunlightwarmsthesurfaceoftheEarthandisradiatedbacktoatmosphere.Greenhousegasesabsorbsomeofthisheat,trappingitintheatmosphere.GREENHOUSEEFFECTCarbonaccumulationCO2hasincreasedfromitspre-industriallevelThecarbondioxideconcentrationoftheatmospherehasshownasteadyincreasesincetheIndustrialRevolution.Averageglobaltemperatureshavealsoshownagradualincreaseduringthepastcentury,parallelingtheincreasingatmosphericcarbondioxide.CO2CONCENTRATIONANDGLOBALWARMING珠峰冰川对对比图片。。上图为1968年年中科院珠珠峰考察时时拍摄的中中绒布冰川川；下图为为绿色和平平2007年拍摄的的中绒布冰冰川。挪威冰川对对比图片南极洲浮冰冰哈龙冰川冰冰舌末端位位置对比图图片。上图图由MatthiasKuhle博博士摄于1981年年6月；下下图由绿色色和平JohnNovis摄于2005年6月。通过过两张照片片中冰川末末端、冰川川厚度、表表碛覆盖等等对比可以以看出随着着全球变暖暖，近25年老哈龙龙冰川退缩缩显著。黄河源冰湖湖溃决对比比图片。上上图由绿色色和平JohnNovis摄于2005年6月；下图图由绿色和和平杜江摄摄于2005年9月月。全球变暖解解冻的冻土土层使地基基变形几乎干竭的的巴西库鲁鲁阿伊湖(1)大大气中的氮氮，植物不不能直接吸吸收，但豆豆科植物的的根瘤菌具具有固氮作用，能够够固定和利利用大气中中的氮，另另外大气中中氮的氧化物物也可随降水水进入土壤壤，供给植植物的需要要(2)氧氧不但为动动物和植物物呼吸所必必需，并且且还决定着着有机物质质的燃烧、、腐败和分分解3、氮和氧氧二、水汽来源：主要来自江江、河、湖湖、海、潮潮湿陆面的的水分蒸发发以及植物物表面的蒸蒸腾含量随时间间和空间以以及气象条条件的变化化而变化1.主主要集中在在2～3Km以下的大气气层中2.大气气中水汽的的含量还随地区、季季节的不同同而变化；一一般来讲，，低纬度地区大气中中水汽含量量比高纬度区区多；夏季多于冬冬季。如：：热带雨林林地区，近近地面空气气中水汽占占体积百分分比可达4%，干旱旱沙漠不到到0.01%。二、水汽3.在大大气温度变变化的范围围内，水汽汽是唯一能能进行气、液、、固态三相变化的的大气成分分4.水汽汽有两个特特点：其一一是水汽在在相变过程程中都要吸收和放出出潜热；其二二水汽能强强烈吸收和和放射长波辐射。所以，水水汽不仅影影响大气中中的湿度状状况，同时时也影响地地面和空气气温度变化化二、水汽大气中悬浮浮的各种固态和液态态微粒，统称称杂质。它们主要要集中在3Km以下下的低层大气气中(包括括气溶胶粒子子和大气污染物物质两大部分)1.气溶溶胶粒子：：指大气中中沉降速率率极小、尺尺度在10-4μm到100μm之之间的固态态和液态微微粒。是低低层大气中中的重要组组成部分液体质粒：：使水汽凝凝结成为水水滴或水晶晶，对成云云致雨有重重要作用固体质粒：：有机质：：植物花粉粉、微生物物和细菌无机质：烟烟粒、灰尘尘、尘埃等等三、大气中中的杂质气溶胶粒子子对大气中中物理过程程和现象的的作用(1)吸吸收太阳辐辐射，使空空气温度增增高，但削削弱了到达达地面的太太阳辐射———阳伞效应(2)阻阻挡地面辐辐射，减缓缓地面的辐辐射冷却(3)降降低大气的的透明度，，影响能见见度(4)充充当水汽的的凝结核，，对成云致致雨有重要要意义火山喷发产产生的气溶溶胶吸收和反射射太阳辐射射提高平流层层温度降低对流层层及地面温温度——阳阳伞效应大气中的污污染物质定义：由于人类活活动或自然然过程，使使局部、甚甚至全球范范围的大气气成分发生生对生物界界有害的变变化来源自然过程形形成：火山山爆发、风风吹扬沙和和沙尘暴、、雷击森林林失火等人为过程造造成：工业业和交通上上煤炭、石石油、天然然气的使用用，农业上上化肥、农农药的喷施施，生活上上制冷采暖暖的排放与与泄漏等大气中的污污染物质分布：空间：垂直：主要集中在在3km以以下的低层层大气中水平：城市多，农农村少；陆陆地多，海海洋少时间：冬季季多，夏季季少；清晨晨和夜间多多，午后少少分类：一次污染物物：直接从污污染源排出出来的物质质二次污染物物：进入大气气的一次污污染物互相相作用或与与大气正常常组分发生生化学反应应，以及在在太阳辐射射线的参与与下引起光光化学反应应而产生的的新的污染染物一、大气上界大气上界的的界定:1、极光出出现的最大大高度是1000～1200Km来估计计大气上界界，因此，，将此数字字定为大气气的物理上上界2、大气密密度接近于于星际气体体密度的高高度来估计计大气上界界。大气上上界为2000～～3000Km大气结构和和垂直分层层大气圈以地地球的水陆陆表面为其其下界，称称为大气层层的下垫面。是影响气气候的重要要因素之一一，包括地地形、地质质、土壤和和植被等。。在相同气气象条件下下不同下垫垫面表面温温度有很大大差异，下下垫面的绿绿化能够有有效改善了了局部微气气候大气结构和和垂直分层层对流层平流层中间层热成层散逸层电离层1.对流流层厚度变化：：空间：低纬地区平平均为17～18Km，在中中纬地区平平均10～～12Km，在高纬纬地区平均均为8～9Km。时间：一般夏季对对流层厚度度比冬季厚厚2Km以下下大气层称称为摩擦层；2m以下大大气层称称为贴地层；；从地面到到50~100m高度度的气层层称为近地层。。对流层特特点：(1)集中了整整个大气气3/4的质量和和几乎全部的水汽。大气中的的各种天天气现象象如风、云云、雨、、雪等都都发生在在这一层层里，对对天气分分析和预预报具有有重要意意义二、大气气的铅直直结构随纬度增增加，厚厚度降低低(2)气气温随随着海拔拔高度的的增高而而降低平均来说说，每上上升100m，，气温约约下降0.65℃，称称气温直直减率，，也叫气气温铅直直梯度，，通常以以r表示示：(3)对对流层空空气具有有强烈的的垂直运运动和不不规则的的乱流运运动。结果使高高层和低低层之间间的冷暖暖空气进进行了交交换，使使近地面面的热量量、水汽汽、杂质质等向上上输送。。这对成成云致雨雨有重要要作用(4)气气象要要素水平平方向上上分布不不均匀(温度、、湿度)γ>0时，表示示气温随随高度升升高而降降低；γ=0时，表示示气温不不随高度度变化而而变化；；γ<0时，表示示气温随随高度升升高而升升高（逆温层）。逆温温是环境境中很重重要的大大气现象象，许多多严重的的污染事事件都与与之有关关。逆温温现象出出现时，，气层稳稳定性强强。导致致排放的的气体污污染物累累积并产产生污染染事故逆温层与与工业大大气污染染光化学烟雾、氮氧化物和臭氧污染酸沉降的后果对流层分层下层、中中层、上上层、对对流层顶顶（气流、、气温、、天气现现象）下层(摩擦层或行星边边界层)：0~2km摩擦作用用、对流流运动和和乱流运运动最强强烈气温、空空气湿度度等气象象要素有有明显的的日变化化、水汽汽丰富，，风速随高高度增加加而加大大。摩擦层（（贴地层层2m和和近地层层0—50~100））中层：2-6km空气运动动以对流流为主有中云和和积雨云云出现，，由云滴滴增大成成雨滴的的过程多多在此层层进行，，因而是是形成降水的重重要气层层对流层分层下层、中中层、上上层、对对流层顶顶上层：6km至至对流层层顶受地面影影响更小小，气温温常在0℃以下下，水汽含量量少，各种云均均由冰晶晶或过冷冷却水滴滴组成在中、低低纬度地地带，常常出现风风速等于于或大于于30m·s-1的强风带带，即所所谓高空急流流对流层顶顶：对流流层与平平流层之之间1~2km的过渡渡层气温随高高度变化化很小，，甚至等等温或逆逆温状态态由低层上上升而至至的水汽汽和尘埃埃等多聚聚集在这这里，使使能见度度恶化2.平平流层：：自对流层层顶到50Km高度。在在平流层层下层，，即30～35km以下，温温度随高高度降低低变化较较小，气气温趋于于稳定，，所以又又称同温层。在30～35km以以上，温温度随高高度增加加升高较较快。其其特点：：第一、在在平流层层的下部部，随着高度度增加，，气温最最初保持持不变，在25Km以以上，气温随高高度增加加而显著著升高；到50Km高高度上接接近0℃℃？第二、在在平流层层中空气气的垂直直运动明明显减弱弱，主要是水水平运动动第三、在在平流层层中，水汽和尘尘埃含量量极少。晴朗少少云，大大气透明明度好，，气流比比较平稳稳，适于于飞机飞飞行大气结构构和垂直直分层3.中中间层自平流层层顶到85Km高的气层层为中间间层。这这一层空空气更为为稀薄气温随高高度增高高而迅速下降降，其顶部部气温可可降至－－83℃℃以下。。有强烈烈的对流流运动，，称为“高空对对流层””大气结构构和垂直直分层大气结构构和垂直直分层4.热成层(热层、、暖层、、电离层层)：中间层顶～～500km.温度随高高度的升高迅迅速增高。暖暖层的空气处处于游离状态态。这是由于于该层空气在在强烈的太阳紫外线和和宇宙射线(宇宙高能粒粒子)的作用用下呈电离状状态，产生电电离现象对无线电通讯讯，卫星、火火箭的发射有有重要作用5、散逸层：500km高度以上到大大气上界的大大气层称散逸层。。大气物质有有向星际空间间散逸的特性性大气中的光、、电、声现象象一.大气中的的光学现象大气中的散射现象：1.蔚蓝的天空、、霞光、曙暮暮光等是怎样样形成的？2.阴雨天气气时，天空为为什么呈现乳乳白色或灰白白色？大气中的折射现象：3.蒙气差、、海市蜃楼、、彩虹、晕等等现象的形成成机理大气中的衍射现象：4.大气中华华、宝光环是是怎么形成的的？太阳辐射光谱谱:太阳辐射能能随波长的分分布曲线称为为太阳辐射光光谱。太阳辐射能量量分布:绝大部分集集中在0.15~4m之间，占太太阳辐射总能能量的99％％50％43％7％最大放射能波长入max=0.475μm即475nm，相当于青光波长。nm作用二、大气中的的电学和声学学现象闪电雷声大气中的光、、电、声现象象大气成分与农农业氮和氧氮是生物固氮氮、工业氮肥肥和雷电固氮氮的唯一来源源；02是维持人类和和动物生命极极为重要的气气体，动植物物都需要呼吸吸，并在氧化化作用中获得得热量来维持持生命氮、氧的配比比变化，对生生命活动产生生一定的影响响。——（粮粮食和蔬菜的的贮藏）大气成分与农农业CO2植物光和作用用随着环境中中的CO2浓度增高而增增加，当光合合速率与呼吸吸速率相等时时，外界环境境中的CO2浓度即为CO2补偿点。当CO2浓度继续提高高，光合速率率随CO2浓度的增加变变慢，当CO2浓度达到某一一范围时，光光合速率达到到最大值，光光合速率开始始达到最大值值时的CO2浓度为CO2饱和点。从光合作用对对CO2要求求的三基点为为最低10ppm，最适适1000ppm，最高高3000ppm；目前前大气中CO2浓度约为为300ppm，因此在在田间适当增增加CO2浓浓度有利于提提高光合生产产率和水分利利用率。提高田间CO