第四章大气圈

第四章大气圈本章重点：大气圈各圈层特征、大气运动、气候变迁。本章难点：大气环流。第一节大气圈的物质组成地球的外部圈层大气圈存在的主要证据和现象：1.蓝色的天空；2.白云；3.风；4.流星1.蓝天：选择性散射（瑞利散射：散射能力与光波波长的四次方成反比，波长愈短的波，散射愈强烈

）。2.白云：云是由水滴和空气中的粉尘组成，直径较太阳光波长都长，所有的波长都是平均地被散射的（迈以散射），因此，云是白色的。

当云层越来越厚时，小水滴越来越多，几乎连成一片，太阳光和迈以射散的光不能或者很少能穿透云层，白云就变成乌云。

3.风：有风说明有物质的存在，因为风是由于大气不同部位的压力差造成的。在真空中不能形成风。4.流星：陨石穿过大气层时，由于其速度太快，与大气摩擦产生热使其燃烧起来形成。地球是特殊的行星，因地球引力，外围包着一层有一定厚度的连续不断的气态物质，成为地球最外面的一个圈层，即大气圈（大气层）。大气圈没有明显的上界，在赤道上方高42000千米和两极上方高28000千米的高空仍有大气存在的痕迹。大气是人类和生物赖以生存必不可少的物质条件，也是使地表保持恒温和水分的保护层，同时也是促进地表形态变化的重要动力和媒介。中国古代贤哲通过呼吸及烟、云等现象，认识到气是一种物质，天和气之间存在着某种联系。古希腊学者把气看作构成物质的基本组成元素；达·芬奇有了空气和真空的概念，能利用空气的运动来说明风的形成；伽利略通过实验证明空气是有质量的；18世纪70年代后，氮气、氧气、惰性气体和其它几种成分陆续被认识。地球大气由多种气体的混合物组成，主要成分是氮和氧，共占99%，其中氮占大气体积的78%，氧占21%，此外还有氢、二氧化碳、臭氧、水汽和固体杂质等，只占1%。在高出海平面80~90千米以下的空间内的大气质量占整个大气圈质量的99.999%以上，其余部分质量甚微，但分布空间可达地面几千万米以上。高层大气的物质组成，从下到上氮、氧、氦、氢为主，并从以分子状态为主到以原子、离子状态为主。大气的组成成分基本上是恒定的。氮是一种不易与其它物质化合的中性气体，是植物营养的主要来源。植物通过土壤细菌（固氮菌）摄取大气中的氮；闪电作用可析出氮。通过生物的燃烧以及脱氮作用回到大气中。氧是化学性质上高度活跃的元素，也是人类和动物生存的主要元素。在氧化过程中，它易于和其它元素化合。通过光合作用和呼吸作用实现在大气和生命中交换。大气中的水汽和固态杂质主要存在于大气低层，是产生天气现象的必要条件之一。二氧化碳在大气中有重要作用，因为它对太阳辐射吸收甚少，但却能强烈地吸收地面辐射，同时又向周围空气和地面发射长波辐射，从而使地层大气因接受热辐射而变暖。绿色植物在光合作用过程中，利用大气中的CO2，在水的参与下将它转化为固态的碳水化合物，这正是人类食物的重要来源。过去300年，CO2增加了25%，主要是人类引起的化石燃烧、森林砍伐及土地利用形式的改变。第二节大气圈的分层一、大气圈的分层大气在垂直方向的分布是极不均匀的，整个大气圈内大气的成分、温度、密度等物理性质都有明显的变化，称为大气在垂直方向上的差异。据此将大气圈分为五层。大气圈分层的主要依据：

(1)物质组成；

(2)大气温度变化；

(3)电荷；(4)大气运动。

由地表往上可分为五个次级圈层：（1）对流层；（2）平流层；（3）中间层；（4）暖层；（5）散逸层（扩散层）二大气圈各层的基本特征1对流层：平均厚度12km，含大量水蒸气和尘埃。⑴温度随高度的增加而降低，平均每上升100m气温约下降0.65℃。⑵空气的对流强度，因纬度而变化，低纬地区对流强、影响高度大，高纬地区对流作用弱；夏季较强，冬季较弱。⑶天气变化复杂多变，风、霜、雨、雪、雹、雾等气象现象均发生于此层。⑷气象要素的水平分布不均匀。受地表海陆分布、地形起伏影响，对流层中温度、湿度等水平分布是不均匀的。2平流层：从对流层顶到地表以上55km的范围。几乎不含水蒸气、尘埃，无天气现象。⑴气流运动相当稳定，且以水平方向上的运动为主；⑵气温随着高度增高最初保持不变或微上升，大约到30km以上，气温随高度增加而显著升温；

⑶有臭氧（O3）存在。臭氧层距地面20至30千米，介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的，使氧分子变成了臭氧。臭氧层能大量吸收太阳光中的紫外线，对对流层和地表起着保护层的作用。

臭氧空洞：人类大量使用的氯氟烷烃化学物质（如制冷剂、发泡剂、清洗剂等）在大气对流层中不易分解，当其进入平流层后受到强烈紫外线照射，分解产生氯游离基，游离基同臭氧发生化学反应，使臭氧浓度减少，从而造成臭氧层的严重破坏。3中间层：从平流层顶到地表以上85km的范围。这层气温再次随高度升高而迅速下降，因而气流的垂直对流运动相当强烈，故又称高空对流层。中间层水汽含量极少，几乎没有云层出现。4暖层（电离层）：从中间层顶到地表以上800km的范围。⑴此层大部分气体分子在太阳紫外线和宇宙线作用下发生电离，形成具有较高密度的带电粒子。带电粒子能反射电磁波，对地球上的无线电通讯有重要意义；⑵气温随高度增加而急剧上升；⑶高纬度地区上空可出现极光。5扩散层（散逸层）：从暖层顶到外层空间。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。第三节大气圈中的物质转换

一、地球和宇宙物质的相互交换通过大气圈进行。地球形成时，星云中的原始大气（氢、氦）早已散失殆尽。现代的大气，一般认为其成分是从地球内部析出的。火山喷出的气体主要是水蒸气。它在紫外线的作用下，分解为氢和氧，氧受地球引力作用而保存下来，氢则散失到宇宙中去。地球的物质也从宇宙得到补充。如陨石的绝大多数都变成气体和尘埃（大气圈中尘埃的主要来源之一）。二、大气圈是地球自身各圈层间物质转换最活跃的场所。

⑴大气圈中的少量氮向生物体、水、岩石和土壤中转移，同时也有少量氮中地球内部及腐烂生物遗体中析出，进入大气中。

⑵地球上的氧，95%固定在岩石里面，还有一些存在于生物体内和溶解在水中，游离在大气中的氧气只是极少部分。人和动物呼吸吸入氧气呼出二氧化碳。地面上广泛发生的氧化作用和碳酸化作用，则使大气中的氧和二氧化碳转移到岩石、土壤和水中。

⑶绿色植物的光合作用，使吸入的二氧化碳中的碳固定在植物体内，并释放出氧气。⑷集中分布在对流层下部的水蒸气，海洋、河流、湖泊等水体的蒸发和植物叶面的蒸腾。水蒸气又会凝结成细微的水滴悬乎在空中，形成云、雾。进而通过降雨回到地面水体中。第四节大气运动一、气象要素及其特征气象要素是指表明大气特征的物理状态和物理现象的各种要素，包括气压、气温、风、云、降水量、蒸发量、能见度、辐射、日照、大气光现象等。（一）气压：即大气压强，指单位面积承受大气的力。1平方米地面上的气压，可以看成是截面为1平方米的平面上伸到大气圈上界的空气柱地实际重量。气压的形成，根本原因是大气的气体分子受到地球的引力，且愈近下层，空气聚集得愈致密，故下层的空气密度也愈大，压强也愈大，反之愈小。气压随高度升高递减。1气压的空间分布：A在垂直方向上随高度增加而递减。递减速度与空气密度和重力加速度有关。B气压在水平方向上的分布也很不一致。通常把某一水平面上的气压分布称为水平气压场，用等压线来表示。低气压（低压）：指在同一高度上中心气压低，周围气压高，由闭合等压线构成的低气压区。气流从周围向中心辐合上升，容易造成云和降水

。高压区（高压）：指在同一高度上中心气压高，周围气压低，由闭合等压线构成的高气压区。气流从中心向周围辐合下沉，一般天气晴好。低压槽和高压脊：低压槽内以上升气流为主，常出现阴雨天气。高压脊内以下沉气流为主，天气以晴为主。鞍形气压场：两个高气压和两个低气压交错相对的中间区域。气流不稳定，天气阴沉。气压场的几种基本形式2气压随时间的变化：主要受气温的日变化和年变化所引起。夜间气温下降，空气变冷，地面气压升高；白天地面气压下降。从全年看，大陆上冬季气压高，夏季气压低；海洋上气压的年变化则相反。（二）、气温：是指空气冷热程度。通常所说气温是指从距地面1.5米高处的百叶箱内测得的空气温度。气温的高低，实质上是空气分子平均动能大小的表现。气温存在日变化和年变化。气温的空间分布包括气温的水平分布与垂直分布。（三）湿度：就是空气的湿润程度，它表示空气中水汽的含量。风:

空气相对于地面的运动。气象上常指空气的水平运动，并用风向、风速来表示。云:

悬浮在空气中的大量水滴和冰晶组成的可见聚合体。在常规气象观测中要测定云状、云高和云量。降水:

从云中降落的液态水和固态水,如雨、雪、冰雹等。蒸发:

液体表面的气化现象。气象上指水由液体变成气体的过程。辐射:

能量或物质微粒从辐射体向空间各方向发送过程。气象上通常称太阳辐射为短波辐射，地球表面辐射和大气辐射为长波辐射。日照:

表示太阳照射时间的量。气象上通常提供的是观测到的实照时数。能见度：人的正常视力所能看到的目标物的最大距离。二、大气运动1大气运动的动力：来自于太阳辐射所产生的气压差。因气压差而形成热力环流。2大气环流：是指具有世界规模的、大范围的大气运动状态。大气环流反映了大气运动的基本格局，并孕育和制约着较小规模的气流运动。它是各种不同尺度的天气系统发生、发展和移动的背景条件。3地转偏向力：由于地球自转而产生作用于运动空气的力，称为地转偏向力，简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在)，只能改变(水平运动)物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。相对于物体前进方向来说，在北半球地转偏向力向右，在南半球则偏向左。4全球大气环流⑴低纬热带环流圈：是指在赤道与南纬30°、北纬30°之间形成一个低纬的大气环流系统。赤道地区空气以垂直上升为主，且上升气流常带有较多水气，到高空后易冷凝降雨，故造成“赤道无风带”和湿热多雨气候。在近地表，形成低纬信风带。⑵中纬的中纬环流圈和高纬的极地环流圈由极地高压带到副极地低压带之间形成偏东风，称“极地东风带”；由副热带高压带到副极地低压带形成偏西风，称“中纬西风带”。三、天气和天气系统天气是指某一地区、某一时刻的大气物理状况。天气系统是具有一定的温度、气压或风等气象要素空间结构特征的大气运动系统。

一个地区某一时刻的天气，是由该地区大气中不同的各类天气系统（如高压、低压、气旋、反气旋等）的移动、变化所引起的，而各天气系统之间又是相互作用、相互交织着的，共同形成不同形态的天气状况。1主要天气系统A气团：是指一定范围内，在水平方向上物理属性（温度、湿度、稳定度等）相对比较均匀的大块空气。暖气团一般水汽含量丰富，所以当冷、暖气团相遇时，暖气团往往被冷空气抬升，降温冷却，常在高空形成云、雨。B锋：两个不同性质的气团相接触所形成的狭窄过渡区域称为锋。锋面在水平和垂直方向上都有一定的空间范围。锋区极易形成云、雨。锋可分为冷锋、暖锋、准静止锋和锢囚锋等。C气旋与反气旋：气旋：中心气压低、周围气压高的大尺度空气漩涡称为气旋。在北半球，气旋风是围绕其中心作逆时针方向旋转的；南半球则相反。气旋是由于锋面上或密度不同的空气分界面上发生波动，进一步发展形成的。气旋常常带来大风和降水天气。在低纬度热带地区形成的气旋称为热带气旋。它是由于热带洋面上局部聚集的湿热空气大规模上升，低层周围的空气向中心流动，在地转偏向力的作用下形成的空气大漩涡，直径约200~1000km。常有狂风暴雨天气。按国际热带气旋名称和等级标准，分为热带低压（中心附近最大风力6~7级）、热带风暴（8~9级）、强热带风暴（10~11级）、台风（≥12级）。反气旋：中心气压高，周围气压低，气流从中心呈顺时针方向（北半球）向四周涡旋式流散的天气系统，称为反气旋（又称高气压）。主要因地面受热不均，引起气压差别所造成。多属晴朗稳定的天气。北半球气旋与反气旋示意图第五节气候及其变化的原因一气候及气候带气候：对一个地区多年天气状况的综合统计特征。30年的时间长度作为描述气候状态的标准时段。地球上的气候有着十分显著的空间分布。气候分类一般包括两级，第一级是气候带。控制气候的最主要因素为太阳辐射和大气环流，因而气候带是沿纬度带分布的。第二级是气候型，不同的气候型主要由空间尺度较小的因子如海陆分布、地形等所致。全球气候包括若干气候带，每个气候带又可分成若干气候型。全球划分为四类七个气候带：热带（南北回归线之间）、亚热带（南、北纬25°~35°）、温带（南、北纬35°~60°）、寒带（南、北纬60°到极区）。赤道地区垂直气候分带在山区，气候也随高度而变化，形成垂直气候带。二、气候变化气候在地球演化的历史过程中的不断变化。目前《联合国气候变化框架公约》中气候变化的定义：经过相当一段时间的观察，在自然气候变化之外由人类活动直接或间接地改变全球大气组成所导致的气候改变。气候变化主要表现为三方面：全球气候变暖（GlobalWarming）、酸雨（AcidDeposition）、臭氧层破坏（OzoneDepletion），其中全球气候变暖是人类目前最迫切的问题，关乎到人类的未来。度量气候变化通常用相对于气候平均状态的变幅，变幅可正可负，可大可小，有些为周期性，有些为非周期性变化。对于气候变化，由于时间尺度的不同、研究的方法不同，又分为地质时期气候变化、历史时期气候变化和近代气候变化。历史时期气候变化：是指有人类文明以来的气候变化。近代气候变化：是指有气象观测记录以来的气候变化。地质时期气候变化：是长时间尺度的，主要根据地球的地质演变、古生物化石、地貌演变、地球化学等方面来推断。以气温高低作为标志，在地球演化历史上，全球气温有过大幅度升降。存在大冰期和大间冰期。三、气候变化的影响因子观点：1太阳辐射量的变化；2地球旋转轴倾斜度变化；3太阳系绕银河系旋转到一定区域时，太阳辐射受星际尘埃阻挡；4外来陨石撞击地球，形成大量尘埃阻挡太阳辐射。从1970年代起，人们从整个行星地球去研究气候的形成及其变化的原因，即从“气候系统”的概念来认识气候的形成和变化。气候受制于地球各个圈层的相互作用，除受太阳辐射影响外，还与海—气相互作用、水汽输送、海陆分布、大陆地形、冰雪覆盖、植被分布、人类活动等因素有关。补充知识：一、温室效应（花房效应）：1概念：是大气保温效应的俗称。是指大气通过对辐射的