第一节 大气的组成和热能

第三章大气圈和气候系统聊城大学环境与规划学院陈永金chenyongjin@2011.10.2734大气圈的特征

大气圈与岩石圈、水圈、生物圈组成地球表层系统大气圈由多种物质组成；大气圈具有有序结构大气圈是地球生态系统的保护屏障人类活动改变着大气圈的特征5第一节大气的组成和热能第二节大气的水分和降水第三节大气运动和天气系统第四节气候的形成第五节气候变化

2第一节大气的组成和垂直分层一、大气的组成地球大气是多种物质的混合物，由干洁空气、水汽和悬浮尘粒（气溶胶粒子）组成Morethan99.9%byvolumeofEarth’satmosphereiscomposedofnitrogen,oxygen,andargon.6一、大气的组成

（一）干洁空气大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体氧21%氮78%其他气体1%氩、二氧化碳、臭氧……7一、大气的组成氮（Nitrogen,N2）干洁空气N2约占大气容积的78％，其化学性质不活泼，豆科植物可以固氮于土壤中。Dinitrogen(N2)makesup78%oftheatmosphere.Itisunavailabletomostorganisms,butnitrogen-fixingbacteriaconvertittobiologicallyavailablenitrogenthatisultimatelyusedbyallorganismsinbuildingproteins8大豆根瘤中的根瘤菌每公顷地能从空气中固定氮素45～67.5千克，可提供大豆整个生育过程中对氮素需要量的20％-30％.11相思唐•王维红豆生南国，春来发几枝。愿君多采撷，此物最相思。

12杨贵妃与含羞草13人类活动产生的活性氮加速了生态系统中物质循环14氧

（Oxygen,O2）氧气占大气质量23％，容积21％，是生物生存繁衍的必要条件Mostorganismsalsorequireoxygenformetabolicrespiration.15二氧化碳

(Carbondioxide，CO2)大气容积的0.03%20km以下空中温室效应受人类影响大16Carbondioxide,thenextmostabundantgas,accountsforonly0.0367%oftheatmosphere.PhotosyntheticorganismsuseCO2inthepresenceoflighttoproduceorganicmatterthateventuallybecomesthebasicfoodsourceforallanimalsandmicrobes臭氧（Ozone，O3）大气中的臭氧是阳光中的紫外线作用于氧分子，氧分子分解成氧原子，氧原子和氧分子结合形成臭氧。臭氧大部分存在于平流层10～50km高度，其最大密度在20千米高度左右。

31O3（Ozone）臭氧作用:一、保护作用，吸收波长300

μm以下的紫外线，保护地球生态系统。二、加热作用，吸收紫外线并将其转换为热能，使大气层15～50km存在着升温层。三、温室气体的作用，在对流层上部和平流层底部，即在气温很

低的这一高度，臭氧的作用同样非常重要。如果这一高度的臭氧减少，则会产生使地面气温

下降的动力。32少量会使人感到舒爽，如雷雨后空气清新，是因为空气中有臭氧。汽车尾气中的碳氢化合物和氮氧化合物在阳光作用下发生化学反应，生成臭氧，它和大气中的其它成份结合就形成光化学烟雾。

33大量臭氧会强烈刺激人的呼吸道，造成咽喉肿痛、胸闷咳嗽、引发支气管炎和肺气肿；臭氧会造成人的神经中毒，头晕头痛、视力下降、记忆力衰退；臭氧会对人体皮肤中的维生素Ｅ起到破坏作用，致使人的皮肤起皱、出现黑斑；臭氧还会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老，致使孕妇生畸形儿。34南极臭氧洞35南极臭氧洞36北极臭氧变化从左向右表示20世纪80年代到90年代臭氧变化，红色500DU,蓝色270DU,紫色小于270DU37可怕的美丽云团氯氟烃进入大气分解成氯原子，被阳光激活，会破坏臭氧分子。低温天气可通过极地同温层里的“美丽”云团加速这一过程，这些云团为不活跃的氯的副产品提供了“蓄水库”。这些副产品在云团表面彼此发生反应，释放出“有攻击性”的氯原子，破坏臭氧分子。2011年3月照片

38（二）水汽水汽来源容积0—4％水分循环时空变化三相转化影响大气和地表的温度（三）固体杂质（aerosol）气溶胶粒子半径10-2—10-8cm，分布：低层大气中来源；自然、人类活动；意义：水汽凝结核；影响太阳辐射；影响大气能见度。40Theatmospherealsocontainsaerosols,whicharesmallparticlessuspendedinair.Someaerosolparticlesarisefromvolcaniceruptionsandfromblowingdustandseasalt.Othersareproducedbyreactionswithgasesfrompollutionsourcesandbiomassburning.Someaerosolsarehydroscopic—thatis,theyhaveanaffinityforwater.Aerosolsareinvolvedinreactionswithgasesandactascloudcondensationnucleiaroundwhichwatervaporcondensestoformclouddroplets.气溶胶中的粒子具有特有的动力性质,光学性质,电学性质.比如布朗运动,光的折射,象彩虹,月晕之类都是因为光线穿过大气层而引起的折射现象.日晕三更雨不经历风雨，怎见彩虹？41气溶胶在医学,环境科学,军事学方面都有很大的应用.在医学方面应用于治疗呼吸道疾病的粉尘型药的制备,因为粉尘型药粉更能够被呼吸道吸附而有利于疾病的治疗.环境科学方面比如用卫星检测火灾.在军事方面比如烟雾弹之类,还有可以制造气溶胶烟雾来防御激光武器.42NASA发布全球污染颗粒浓度地图

直径小于或等于2.5微米，可以穿过人体正常的防御通道，渗透到肺部深处，对人体健康构成巨大威胁。43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44二、大气的结构45（一）大气质量1大气上界22000km,地冕3200km大气上界2大气质量

1013.3g/cm2,463.气压1）概念hPa百帕1hPa=0.01N/cm2标准大气压：温度0摄氏度，纬度45度海面气压2）气压垂直分布与气温、气压关系A相同气压气柱温度高，单位气压高度差越大B相同气温气压高，气压垂直梯度大47（二）大气垂直结构4849126080800对流层平流层中间层暖层散逸层501、对流层

A）厚度：高纬：8－9km,中纬：10－12km,低纬17－18km，夏季大于冬季。B）特征：一是温度随高度的升高而降低；气温直减率；二是具有强烈的对流运动；三是天气现象复杂多变；51Thetroposphereisthelowestatmosphericlayerandcontainsmostofthemassoftheatmosphere.ThetroposphereisheatedprimarilyfromthebottombysensibleandlatentheatfluxesandbylongwaveradiationfromEarth’ssurface.Temperaturethereforedecreaseswithheightinthetroposphere.登山需要哪些装备？御寒服装：用于登山活动中的保温御寒。风雨衣：防水。高山鞋：质轻，保暖、防水、通气。防护眼镜：以用茶色镜片为好。在7000米以上高山区，登山人员应配备专防紫、红外线的防风雪眼镜53Thetroposphereistheatmosphericlayerinwhichmostweatheroccurs,includingthunderstorms,snowstorms,hurricanes,andhighandlowpressuresystems.Thetroposphereisthustheportionoftheatmospherethatdirectlyrespondstoandaffectsecosystemprocesses.Thetropopauseistheboundarybetweenthetroposphereandthestratosphere.Itoccursataheightofabout16kminthetropics,wheretropospherictemperaturesarehighestandhencewherepressurefallsoffmostslowlywithheight(Eq.2.1),andatabout9kminpolarregions,wheretropospherictemperaturesarelowest.Theheightofthetropopausealsovariesseasonally,beinglowerinwinterthaninsummer.2、平流层的特征（1）气温随高度升高的分布下层：其上界离地面约35－40km，为同温层上层：其上界离地面约50－60km，为逆温层，上层含有大量的臭氧紫外线而增温；（2）气流以水平运动为主；（3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。54Abovethetroposphereisthestratosphere,which,unlikethetroposphere,isheatedfromthetop.AbsorptionofUVradiationbyO3intheupperstratospherewarmstheair.OzoneisconcentratedinthestratospherebecauseofabalancebetweentheavailabilityofshortwaveUVnecessarytosplitmoleculesofmolecularoxygen(O2)intoatomicoxygen(O)andahighenoughdensityofmoleculestobringabouttherequiredcollisionsbetweenatomicOandmolecularO2toformO3.TheabsorptionofUVradiationbystratosphericozoneresultsinanincreaseintemperaturewithheight.TheozonelayeralsoprotectsthebiotaatEarth’ssurfacefromdamagingUVradiation.55

3、中间层高度：平流层顶至85km处。（1）温度随高度升而速降。臭氧含量低。（2）空气以垂直运动为主。但由于空气稀薄，所出现的天气现象已不如对流层复杂。（3）在80km处白天出现一个电离层。56Abovethestratosphereisthemesosphere,wheretemperatureagaindecreaseswithheight.电离层无线电，马可尼，1901年广播、无线电导航、雷达定位

2009年3月，国内首个根据大气电离层变化来监测地震的探测试验站在聊城地震水化试验站建成584、暖层高度：中间层至800km处特征：（1）空气质量小，空气稀薄，空气总质量0.5%。（2）温度随高度升而升。波长小于0.175um的太阳紫外辐射都被暖层气体吸收，顶层温度可达1000度。（3）空气处于高度电离状态。（4）能反射无线电波（5）出现极光现象。59Theuppermostlayeroftheatmosphere,thethermosphere,beginsatapproximately80kmandextendsintospace.Thethermospherehasasmallfractionoftheatmosphere’stotalmass,composedprimarilyofOandnitrogen(N)atomsthatcanabsorbveryshortwaveenergy,againcausinganincreaseinheatingwithheightThemesosphereandthermospherehaverelativelylittleimpactonthebiosphere.5.散逸层（外层）暖层顶之上，高速运动的空气质点就能散逸到星际空间。地球大气层之外，还有一层极其稀薄的电离气体，可伸展到22000公里高度，称为地冕。这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域。60从大气与地表自然环境之间关系来说，对流层具有特别重要的意义。后面的内容将主要讨论对流层范围内的基本情况。61三、大气的热能太阳辐射透过地球的大气“外衣”到达地表，经过一系列能量转换之后，形成对地球生命有深刻影响的大气热力状况。地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化的重要条件，也是决定地球上能量和物质输送、转化的重要因素。气温的空间变化是各地理要素地域分异的根本原因之一。1、辐射的基本知识

（1）物体对辐射的吸收、反射和透射

假设投射到物体上的总辐射为Qo，被吸收的为Qa，被反射的为Qr，透过的为Qd，则根据能量守恒原理：Qa+Qr+Qd=Qo两边同除以Qo得：Qa/Qo+Qr/Qo+Qd/Qo=1

即；a+r+d=1。物体的吸收率、反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变。黑体——能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即a=1。（2）有关辐射的基本规律辐射能力强的物体，其吸收能力也强，黑体的吸收率最大，故它是最好的放射体；对于同一物体，如果在温度为T时，它放射某一波长的辐射，那么在同一温度下，它也吸收同样波长的辐射；任何物体在向四周放射能量的同时，也吸收能量；高温物体在单位面积上放射的能量比低温物体多。斯蒂芬—波尔斯曼定律：E=δ.T4.δ=5.67×10-8W（m2.K4）、大气上界太阳辐射：（可看作黑体辐射）太阳表面温度高达6000K左右，是炽热的气态球体。

太阳辐射——短波辐射地面辐射——长波辐射大气的热力作用1、大气对太阳辐射的削弱作用2、大气的保温效应um2太阳辐射

太阳辐射光谱和太阳常数太阳辐射光谱——太阳辐射中辐射按波长的分布，称为太阳辐射光谱。大气上界太阳辐射光谱在0.1－5um的范围；太阳常数——在大气上界，垂直于太阳光线的1cm2面积内，1min内获得的太阳辐射能量，称为太阳常数。1361W/m2。太阳辐射在大气中的减弱大气的云层和尘埃地太阳辐射的反射。反射能力取决于云的厚薄，薄云反射率：10-20%；厚云反射率：90%。高层云反射率：25%；中层云：50%；低层云：65%。大气浑浊度越大，对太阳辐射的削弱也越大。恐龙灭绝?1瘟疫后恐龙蛋受侵变质无法孵化2小行星撞击地球3哺乳动物变强，恐龙变衰4气候变冷，恐龙无法适应5因哺乳动物偷吃恐龙蛋导致恐龙性别比例失调，使恐龙无法繁衍下一代6火山爆发，有毒有害的物质，使恐龙患病灭绝。7彗星撞到地球，使地表发生巨大变化，让恐龙无法适应这种环境，导致其灭绝。美国物理学家路易·阿尔瓦雷兹提出的小行星撞击地球的假说备受各方关注。他在研究意大利古比奥地区白垩纪末期地层中的黏上层时发现微量元素枣铱的含量比其他时期地层陡然增加了30－160多倍，之后人们从全球多处地点取样检测都得出同样结论。阿尔瓦雷兹认为在白垩纪末期有一颗直径约10公里的小行星撞击了地球，产生的尘埃遮天蔽日。造成地表气候环境巨变，导致了恐龙的消亡。疑点1．小行星一般都是由硅、铁类元素构成，这样巨大的小行星落在地球表面即使经历漫长岁月也不可能踪迹全无，而在地球上从未发现有这样大型的陨石；2．白垩纪末期的岩层大部分是熔岩冷却形成的火成岩，由尘埃堆积而成的沉积岩只占地表很小一部分。仅一颗小行星撞击扬起的尘埃能够把当时地球上绝大多数动植物埋入深达几千米的岩层中吗？3．一颗小行星所含的铱元素就能均匀的散布以至覆盖整个地球表面吗？铱元素在地球深处也同样存在，为什么只推测铱元素来自地球以外而不是来国地球内部呢？新假说地球内部的热核反应会不断积聚起巨大能量，一旦地壳承受不住时，内部压力便冲破地壳突然释放形成大爆发。铱枣这种主要存在于地核内的元素在大爆发时通过熔岩喷发从地球深处被带到地壳表层，而公认的标志白垩纪结束的黏土层正是由大量火山灰尘堆积形成。所以，白垩纪末期地层中铱含量普遍增多证明当时地壳曾发生了普遍性剧烈喷发。绝大多数恐龙的死亡时间和绝大部分恐龙蛋化石的产出年代是在白垩纪末期，已发现的恐龙和恐龙蛋化石全部保存在富含铱的薄黏土层下的地层中，这与地质学界认定的白垩纪末期大规模造山运动等一系列全球性地壳构造剧烈变动的时间相吻合近年来在内蒙古巴音满都呼白垩纪末期的地层里出土的数百个原角龙和甲龙化石中，大量完整的恐龙骨架成群堆积在一起，从遗骸的埋葬姿势看，它们是在极度痛苦中死去，其中还有整群的恐龙幼仔骨架。这一情景显示它们是灾难性的集体死亡，而且死后尸体迅速在原地被埋葬（在世界其它地方的恐龙化石许多都有相似的死亡特征）。同时发现当地含化石的岩层是一种砖红色的粉沙岩层，这种由大量火山灰堆积而成的层积岩正是形成化石的最佳环境。可以推测那次环境剧变的过程相当突然和短暂。因为，如果地球的环境是在较长时间逐渐变化，恐龙种群是缓慢消亡的话，它们是不会留下这么大量埋没时间相对集中的恐龙蛋化石和整群恐龙幼仔化石的。所以，大多数恐龙应是在生存环境一直基本正常的情况下因突然降临的毁灭性灾难而大批死亡。大量体现当时地球环境特征的动植物化右均显示，白垩纪末期以前，地球大气层的密度和厚度远远超过现在，地表较为平坦，全球都是非常温暖潮湿的气候环境。那时极地和赤道温差很小，20世纪80年代，加拿大地质学家曾在北极圈内的埃尔斯米尔岛发现了一片以水衫为主的化石树林，林中还有鳄等动物化石，说明极地曾具有热带的气候环境。自然环境是决定生命存在形态的主要因素，地球大爆发后，当那些身躯硕大的恐龙赖以生存的湿热环境不复存在时，即使有一些幸存下来，也无法适应相对寒冷干燥、有冷暖季节区分的气候环境而继续生在。所以，大多数恐龙的绝迹便自然而然了。

到达地面的太阳辐射与大气上界的情况不同。由于大气圈对辐射有吸收、散射和反射等作用，太阳光谱中不同的波长将受到不同程度的削弱。吸收作用主要削弱紫外和红外部分，而对可见光部分则影响较少。散射和反射作用受云层厚度、水汽含量、大气悬浮微粒的粒径和含量的影响很大。地面对太阳辐射的反射：到达地面的太阳辐射只有一部分被地面吸收，另一部他则被地面反射出去。地面对入射太阳辐射的反射取决于地面的反射率（r）。而r又取决于地面的性质。一般地：陆地表面的r约为10%~30%，且随着太阳高度的减小而增大，深色土比浅色土小，粗糙土比平滑土小；水面随着太阳高度角和平静度而变，太阳高度角愈小，其反射率愈大，波浪起伏的水面，其平均反射率为10%，对陆地稍小。

散射辐射影响散射辐射的因素：太阳高度角、透明度、云量A）太阳高度角大，入射辐射量多，散射辐也相应地增强；B）透明度差，参与散射作用的质点多，散射辐射也强；C）云量大，散射辐射大。D）太阳光经散射后到达地面的部分。

为何天空呈蔚蓝色？——主要是空气分子在选择地对波长青色、蓝色光进行散射。为何日出、日落时，太阳呈红色？——因为太阳高度角不同，太阳光通过大气的厚度也不同，太阳高度越小，太阳光投射时所穿过的大气质量就大（垂直时，穿过的质量数为1），日出、日落时，日光通过的大气质量数最大，尤其是低层大气的水滴、灰尘等大质点多，红光、橙光散射增强，导致出现红色“霞光”3大气的保温效应1）、地面辐射是大气的主要热源，地面辐射绝大部分（约有75－95%）被大气中的云、雾、水汽和二氧化碳等吸收，只有波长为8.4－12um的部分，可穿过大气层进入宇宙空间，故称此波段为“大气窗”。

2）大气辐射（1）大气靠吸收（其吸收具有选择性）地面长波辐射而增温。1）水汽：对地面长波辐射的吸收最明显，可吸收5－8.5um,18um~红外区范围的太阳光；2）二氧化碳：吸收波段有4.3um,14.7um,尤其是在14.7um为中心的吸收带范围很广；地面和大气既吸收太阳辐射，又依据本身的温度向外辐射。由于地面和大气的温度比太阳低得多，因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多，其能量集中在3—120微米的红外范围内。故习惯上称太阳辐射为短波辐射，地面和大气辐射为长波辐射。据估计，约有75—95％的地面长波辐射被大气吸收，用于大气增温，只有极少部分穿透大气散失到宇宙空间。地面长波辐射几乎全被近地面40—50米厚的大气层所吸收。低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方式传递到较高一层。是对流层气温随高度增加而降低的重要原因。

大气辐射向下的部分称大气逆辐射。逆辐射可使地面长波辐射却不容易散失到宇宙空间，从而对大气起保温作用，使地面温度变化不致过于剧烈。这种作用称大气花房效应，也叫温室效应。太阳地面大气大气逆辐射温室效应温室效应主要是由于现代化工业社会过多燃烧煤炭、石油和天然气，大量排放尾气，这些燃料燃烧后放出大量的二氧化碳气体进入大气造成的。二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来。因此，二氧化碳也被称为温室气体。

影响

1)气候转变：‘全球变暖’温室气体浓度的增加会减少红外线辐射放射到太空外。地球表面温度的少许上升可能会引发其他的变动，例如：大气层云量及环流的转变。当中某些转变可使地面变暖加剧(正反馈)，某些则可令变暖过程减慢(负反馈)。‘政府间气候变化专门委员会’在第三份评估报告估计全球的地面平均气温会在2100年上升1.4至5.8℃。2)地球上的病虫害增加纽约锡拉丘兹大学的科学家在最新一期《科学家杂志》中指出，早前他们发现一种植物病毒TOMV，由于该病毒在大气中广泛扩散，推断在北极冰层也有其踪迹。于是研究员从格陵兰抽取4块年龄由500至14万年的冰块，结果在冰层中发现TOMV病毒。研究员指该病毒表层被坚固的蛋白质包围，因此可在逆境生存。这项新发现令研究员相信，一系列的流行性感冒、小儿麻痹症和天花等疫症病毒可能藏在冰块深处，目前人类对这些原始病毒没有抵抗能力，当全球气温上升令冰层溶化时，这些埋藏在冰层千年或更长的病毒便可能会复活，形成疫症。。

3)海平面上升冰川和格陵兰及南极洲上的冰块溶解使海洋水份增加。预期由1900年至2100年地球的平均海平面上升幅度介乎0.09米至0.88米之间。世界银行的一份报告显示，即使海平面只小幅上升1米，也足以导致5600万发展中国家人民沦为难民。而全球第一个被海水淹没的有人居住岛屿即将产生——位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛，目下岛上主要道路水深及腰，农地也全变成烂泥巴地。4)气候反常，海洋风暴增多5)土地干旱，沙漠化面积增大TheIntergovernmentalPanelonClimateChangereported"increaseindrought,heatwavesandfloodswouldhaveadverseimpacts,includingincreasedwaterstress,wildfirefrequencyandfloodrisksstartingatlessthan(1.8degrees)ofadditionalwarmingabove1990ConcentrationofCO2inatpmosphere（秦大河2005）17GlobalWarmingOverthelasthundredyearsorso,theinstrumentaltemperaturerecordhasshownatrendinclimateofincreasedglobalmeantemperature,----globalwarming18GlobalWarmingeffects

1.Polaricecapsmelting

The