《自然地理学》：大气的组成和热能

基本概念★大气：指围绕着地球的厚层气体。★大气圈：指大气所形成的连续圈层。★大气过程：指大气圈中存在的各种物理过程，如辐射过程、增温冷却过程、蒸发凝结过程等。★天气：某地区短时间内大气过程和现象的综合。即短时间内风、云、降水、温度和气压等气象要素连续变化的综合现象。其特点是多变。★气候：指某地区多年间常见的和特有的大气过程和现象的综合。第三章大气和气候第一节大气的组成和热能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O3N2O2CO2一、大气各组成成分干洁空气：大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体，称为干洁空气，主要集中在从地面到90公里处。氮和氧容积占99.04％，加上氩，三者合占99.97％，此外二氧化碳、臭氧等其他气体仅占0.03%。返回

水汽：在1.5—2km高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km高度，只相当于地面的1/10，再往上更少。水汽含量虽然不多，但它在大气温度变化范围内可以发生汽态、液态和固态三相转化，人们常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。此外，水汽还善于吸收和放射长波辐射，显著影响大气和地表的温度。固体杂质：悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，多集中于低层大气中。烟粒主要来源于生产、生活方面的燃烧；尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒，以及火山爆发后产生的火山灰、流星燃烧的灰烬；盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的。固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件；能吸收部分太阳辐射，又可阻挡地面长波辐射，对大气和地表温度有一定影响；其含量多少，还直接影响到大气能见度的好坏。返回二、大气的结构（一）大气压力1、气压：静止大气中任一高度单位面积上所承受的空气柱重量，叫大气压力，简称气压。气压的单位：以水银柱高度来表示气压高低的单位，用毫米(mm)。例如气压为760毫米，就是表示当时的大气压强与760毫米高度水银柱所产生的压强相等。

气象学采用百帕（hPa）为单位,1百帕就表示在l平方厘米面积上受到0.01牛顿重力时的压力

；当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面时，气压为1013.25hPa，称为一个标准大气压。地面气压在980—1040hPa之间变化，平均为1013hPa；气象学采用百帕（hPa）为单位,1百帕就表示在l平方厘米面积上受到0.01牛顿重力时的压力

；当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面时，气压为1013.25hPa，称为一个标准大气压。地面气压在980—1040hPa之间变化，平均为1013hPa；根据大气压力随高程变化的规律，用气压计测定两点的气压差推算高差的方法。大气压力常以水银柱高度表示，温度为0℃时，在纬度45°处的平均海面上大气平均压力约为760毫米水银柱。每升高约11米，大气压力减少1毫米水银柱。一般气压计读数精度可达0.1毫米水银柱，约相当于1米的高差。2、气压的变化：3、气压场和气压系统：①等压线和等压面：某一水平面上气压相等各点的连线，称为等压线；空间气压相等各点组成的面，称为等压面，它是一个起伏不平的曲面。②气压场：气压的空间分布称为气压场③气压系统的基本类型：包括低气压、高气压、低压槽、高压脊、鞍（鞍型气压区）等等，统称为气压系统。◆低气压：简称低压，其等压线闭合，中心气压低，等压面向下凹陷如盆地，空气向中心辐合，气流上升；◆高气压：简称高压，其等压线闭合，中心气压高，等压面向上凸出如山丘，空气向四周辐散，气流下沉；◆低压槽：简称槽，由低压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较高一方突出的部分。在槽内各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。槽附近空间等压面形如山谷，空气向槽内辐合上升；◆高压脊：简称脊，由高压向外延伸出来的狭长区域，或一组未闭合的等压线向气压较低一方突出的部分。在脊中各等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊线附近空间等压面形如山脊，空气向外辐散；◆鞍（鞍型气压区）：两个高压与两个低压相对应的中间区域，其附近空间等压面形状似马鞍。对流层：对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见平流层：气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合（二）大气分层1、对流层的厚度及特征

（1）厚度：本层厚度最簿，并随纬度、季节而不同，在高纬地区平均：8~9km,中纬地区平均：10~12km,低纬地区平均17~18km，夏季大于冬季。（2）特征：一是温度随高度的升高而降低；因为该层的热量来自于地面的长波辐射，平均气温递减率为0.65oC/100m；二是具有强烈的对流运动；因为地面受热不均。三是天气现象复杂多变；几乎所有的水汽、云、雨、雷、电等现象都发生在此层。

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，即气温随高度的升高而降低。因为平流层上层含有大量的臭氧，臭氧能大量地吸收太阳紫处线而增温；（2）气流以水平运动为主，逆温的存在，对流不易产生。（3）水汽、尘埃含量少，天气晴朗，能见度好。平流层中臭氧的形成:O2+hv——2O(3P)O2+O+M——O3+M

同时臭氧也会因光解而破坏。

O3＋hv——O2+O

此外臭氧也能与O作用：O3+O——2O2

通常情况下，臭氧的形成和分解达到平衡，臭氧保持一定浓度，约为10ppm，结果在平流层中上部形成臭氧层。平流层中臭氧层对地球生命的重要性:

以紫外线对人体效应为依据，按照波长的顺序将紫外线分为紫外线A(320~400nm)、紫外线B(290~320nm)、紫外线C(190~290nm)。尽管紫外线C的危害最大，但它几乎全部被臭氧层吸收，即使是平流层中臭氧浓度大大降低，紫外线C也几乎不能到达地球。紫外线B能强烈影响人类的基因物质脱氧核糖核酸而导致皮肤衰老，产生晒斑，形成皮肤癌。而且这种波长的紫外线的能量足以破坏C—H键，对地球上的生命及有机物均有破坏作用。正是由于臭氧层能吸收λ≤330nm的紫外线，因而对地球上的生物起了保护作用。但紫外线B的吸收与臭氧的浓度密切相关，随着臭氧层中臭氧浓度大大降低，到达地面的紫外线的量大大增加，给人类的生存带来极大威胁，同时，危害农作物和水生生物，所以臭氧层的破坏已引起全世界的广泛重视和关注。NOx对臭氧层的破坏作用:

平流层中破坏臭氧层的主要NOx是NONO+O3——NO2+O2NO2+O——NO+O2总反应为：O+O3——2O2

平流层中NO的来源有N2O及超音速飞机排放的NOx.氟氯烃类对臭氧的破坏:O3+Cl——ClO+O2ClO+O——Cl+O2总反应：O3+O——2O2

一个氯原子可使10万个O3分子被破坏，因此其危害相当大。

Cl来源于氟氯烃，在对流层中氟氯烃具有无毒、不燃烧且有较高的稳定性等特点而被广泛用作制冷剂（25万吨/年）、喷雾剂（30万吨/年）、溶剂（18万吨/年）及制作泡沫塑料（26万吨/年）等。全世界估计年产量在100多万吨，目前世界上许多国家对禁止使用氟氯烃持积极支持的态度。但就算目前全世界都禁止使用氟氯烃，已经散发到环境中的氟氯烃对臭氧层的破坏作用仍将持续下去。三、大气的热能★地球大气系统的能源主要是太阳辐射。（一）太阳辐射◆太阳以电磁波的形式向外传递能量，称为太阳辐射。太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。特点：太阳表面温度约6000K，其辐射能绝大部分集中在波长0.15—4.0㎛之间，因而称为短波辐射（对流层大气和地面温度为250—300K，辐射波长主要在3—120㎛之间，为长波辐射）。太阳辐射中99%的能量在0.15~4um的范围(短波辐射)，其中0.4~0.76um为可见光区，＞0.76um的为红外区，＜0.4um为紫外区。其中，可见光占太阳辐射总能量的50%，并以0.47um附近最强，红外区占43%；紫外区的太阳辐射能很少，只占7%。

1、大气上界的太阳辐射◆太阳常数（S0）：在日地平均距离上，大气顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受的太阳辐射，称为太阳常数，即1367W／m2

。2、太阳辐射在大气中的减弱大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。2、太阳辐射在大气中的减弱大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地面。大气的吸收：能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等，它们选择性吸收太阳辐射（太阳光谱的两端）。大气的散射和反射：空气质点小，选择散射短波辐射；而水滴、尘埃等质点大，散射无选择性，称为漫射。散射波长集中于可见光波段。云层、气溶胶粒子等有较强的反射作用，如云层平均反射率达50—55％。上述三种方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，它们共使到达地面的太阳辐射减弱了约一半。（1）大气对太阳辐射的吸收：大气中吸收太阳辐射的成分主要是水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固体杂质。大气对太阳辐射的吸收是有选择性的，主要集中在太阳辐射光谱两端能量较小的区域，因此大气直接吸收的太阳能并不多，对大气来说太阳辐射不是主要直接热源。

返回（2）大气对太阳辐射的散射：太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒等质点时，都要发生散射，但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射的方向，使太阳辐射以质点为中心四面八方传播。因而经过散射，一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射的波长愈短，被散射的愈多。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。（3）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%。云层的反射与散射厚云层的反射与散射3、到达地面的太阳辐射◆包括两部分：直接辐射（S）和散射辐射（D），

两者之和称为太阳总辐射（S＋D）。◆太阳总辐射在我国，年总辐射量最高的地区是海拔高度大的西藏（212—252W／m2），干旱少云的新疆、青海、黄河流域次之（159—212W／m2

），而云、雨较多的长江流域与华南大部却较少（119—159W／m2

）。（二）地面辐射与大气辐射地面和大气在吸收太阳辐射的同时，又按其自身温度日夜不停地向外放射长波辐射。1、地面辐射：到达地面的太阳辐射只有一部分被地面吸收，另一部分则被地面反射出去。其吸收的太阳辐射变为热能，又以大于3um的长波（长波辐射）向外辐射。其波长为3—80㎛，最大辐射能量波长在9.6㎛。“大气窗”——地面辐射绝大部分（75—95％）被大气吸收，只有波长8.4—12㎛的部分，可穿过大气层逃逸到宇宙空间，所以称此波段为“大气窗”。2、大气辐射：大气主要靠吸收地面辐射而增温。大气按其自身温度，以电磁波的方式向四面八方发射长波辐射，称为大气辐射。3、大气的保温效应：大气辐射向下指向地面的部分，方向与地面辐射相反，称为大气逆辐射。大气逆辐射几乎全部为地面所吸收，这对地面因辐射而损耗的能量得到一定的补偿，所以大气对地面有保温作用。地面辐射绝大部分（约有75~95%）被大气（近地面40—50米厚）中的云、雾、水汽和二氧化碳等吸收。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。这是对流层气温随高度增加而降低的重要原因。大气逆辐射可减少地面因长波辐射而损失的热量。这对地球表面的热量平衡具有重要意义。它使太阳短波辐射易于达到地面，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或温室效应。CO2是无色、无毒的气体，目前由于人类活动排放到大气中的CO2的量不断增加，而吸收CO2的森林反遭到严重破坏，使得大气中CO2的浓度不断增加。据测定，一个世纪前，大气中CO2的含量约为284ppm,目前已达到379ppm。CO2浓度的增加，可能对全球的气候产生影响，因而是目前环境科学上颇为注意的问题之一。

◆

图瓦卢

南太平洋岛国图瓦卢，由九个环状珊瑚小岛构成，总面积只有26km2，最高海拔＜4.5m，总人口1.1万人。专家预言，如果地球环境继续恶化，在五十年之内，图瓦卢九个小岛将全部没入海中。图瓦卢人民成了名符其实的“环境难民”，从2002年起正式举国迁往新西兰。

下一个会轮到谁呢？基里巴斯、库克群岛、瑙鲁和西萨摩亚，以及马尔代夫等由珊瑚礁构成的低地岛国，也面临着同图瓦卢一样的威胁。全球第一个国家因海平面上升而迁国四、气温气温是大气热力状况（即空气冷热程度）的数量度量。目前，气象观测和记录的气温，是指离地面一定高度上（我国规定离地面1.5m高），放在百叶窗箱里的温度计测得的空气温度。通常以摄氏（℃）和华氏（℉）两种温度单位表示，我国采用摄氏度数为单位。在理论研究方面，多数采用绝对温度（或称开氏温度），以（°

A）或（°

K）表示。温度单位换算如下：

A＝C＋273.16K＝C＋273.16（一）气温的时间变化大气温度的时间变化，包括由地球的自转和公转引起的气温周期性变化，以及由大气运动引起的非周期性变化。1、气温的日变化：指一天内气温的高低变化，它有一个最高值（出现在午后两小时左右）和一个最低值（出现在日出前后），气温日变化过程是一条正弦曲线。日最高气温与最低气温之差，称为气温的日较差或称日振幅。日较差随纬度增高而减少，随海拔高度增加而减少；晴天大阴天小；夏季大冬季小；大陆大海洋小。2、气温的年变化指一年内气温的高低变化。年最高气温出现在夏至后的7月或8月，年最低气温出现在冬至后的1月或2月。一年中最热月的平均气温与最冷月的平均气温之差，称为气温的年较差。年较差随纬度增高而增大，随海拔高度增加而减少；大陆大海洋小；内陆大沿海小。气温的年变化反映了气候上的冷暖，是划分气候季节的重要指标。气温