大气科学导论chapter01

1大气科学导论北京大学物理学院大气与科学海洋系胡永云、傅宗玫

,物理北楼558，物理北楼554助教：林继配（）

发邮件：主题：姓名+年级+专业+学号+手机号23主要内容1、地球大气及其演化2、辐射与温度3、大气热力学和对流运动4、云、降水的物理原理5、大气化学6、大气污染7、大气边界层8、大气运动的基本原理9、锋面和气旋10、雷暴、龙卷和台风11、大气环流和大洋环流12、气候系统和古气候13、全球变暖14、行星大气及其环流4主要参考书ASurveyofAtmosphericSciences,J.M.Wallace,P.Hobbs,AcademicPressMeteorologyToday:AnIntroductiontoWeather,Climate,andtheEnvironment,C.DonaldAhrens,Brooks/Cole,6thor7theditionPrinciplesofAtmosphericPhysicsandChemistry,RichardGoody,OxfordPressThePhysicsofAtmospheres,JohnHoughton,CambridgePress,3rdedition53个网站链接Ozone:Seaice:ElNino:67课程要求14次课堂学习1次参观考察（密云上甸子华北背景观测站）期末考试（70-80%）14次作业：每次5个问题（20-30%）;2个思考题，不计入分数。8考查：参观密云上甸子华北北京观测站

2009-10-179顺便攀登司马台长城不到长城非好汉10霜叶红于二月花11红叶12惊人一跳13司马台长城14长城上的模特15观测站的狗1617Ch01、地球大气及其演化地球及其大气：太阳系、行星、地球大气的垂直结构大气的成分大气的演化：从大爆炸理论（BigBang)说起原始大气、次生大气、现代大气氧气的起源和演化冰雪地球地球气候系统人类活动对大气成分的影响阅读：ASurveyofAtmosphericSciences第1、2章181、地球及其大气：

1.1太阳系、行星和地球太阳系由8颗行星以及小行星，慧星和尘埃等组成。这8颗行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星19太阳系行星的体积和自转方向的比较20太阳和行星的基本数据21行星的不同性质内围星球：水星、金星、地球、火星。这些星球是固体的，其大气有一个固体的下垫面外围星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。这些星球具有固态或液态的核心，并逐步向气态过渡，很难定义一个明确的大气下垫面。22地球地球离开太阳的平均距离是1.5x108km，即1个天文单位(1AU)。地表和大气主要是被太阳加热的。太阳的能量驱动着大气中的所有变化：冷暖和刮风、下雨。地球表面的平均温度是150C，这是很幸运的，因为人类和自然界大量的生物是适应这一条件的。231.2、大气的垂直结构根据温度的垂直变化，大气分为：对流层、平流层、中层、热层等。我们平常关心的大气层是对流层，0-10公里。大气越往上越稀薄，最后融合到宇宙空间。虽然大气层没有真正的顶，一般我们认为大气层的厚度为1000公里。24为什么大气的垂直温度分布是这样的？为什么大气温度随高度会有现在这样的变化？这是一个需要想清楚的问题。如果没有特殊原因，大气温度也应该随高度单调递减。但现在有些层次温度是上升的，必须有热源。在平流层温度升高是臭氧的吸收。25金星和火星的垂直温度结构VenusMars26木星的垂直温度结构27大气的密度和气压在重力的作用下，大气分子主要集中在近地面，大气密度和气压随高度呈指数递减90%的大气质量或分子位于10公里以下标准大气压：76cmHg=1013.25mb =1013.25hPa

28从太空看大气层291.3、大气的成分大气的成份主要是氮（N2,占78%)，氧（O2,占21%)。还有少量的H2O,CO2,O3,CH4,N2O以及惰性气体Ar,He,Ke,…..如果只考虑大气中数量最多的气体，N2,O2,那么这二种成分的比值一直到80公里还是不变的，称为均匀混合层。大气中变化最大的气体是H2O和O3。30大气的成分31大气中的可变化成分

1、水汽1、水汽：占大气总质量的0.25%，浓度随高度迅速减少，主要存在于近地面3公里以下的层次，水汽在大气中的平均停留时间为10天。32水汽在大气中的平均停留时间如上图所示，大气中的水量是13个单位，每年全球的降水量是423个单位。33大气中的可变化成分

2、CO2占大气总质量的0.037%。通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学反应。

CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO2 CO2+H2O+ν<CH2O+O234大气中的可变化成分

3、O3主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的紫外辐射，对地面生命有保护作用。对流层臭氧对人体有害。平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反应生成臭氧。35大气中的可变化成分

4、气溶胶液态或固态微粒在空气中的悬浮体系.它们能作为水滴和冰晶的凝结核,太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化学循环,是大气的重要组成部分。它的来源包括：被风扬起的细沙和微尘、海水溅沫蒸发而成的颗粒、火山喷发、森林或其它生物体燃烧的烟尘、人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、矿物燃料燃烧过程中排放的SO2在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子燃烧石油和天然气等排放的NOx，CO,CH等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子其它大气化学过程形成的气溶胶粒子气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷36显微镜下的气溶胶颗粒图像37显微镜下的气溶胶颗粒图像38大气成分的性质39行星大气的成分为什么行星具有不同的大气成分？2.1、地球大气的演化现在，地球大气基本由N和O组织成，还有一些痕量气体。但这只是近6亿年的大气成分。从行星演化的时间尺度来看，地球大气成分是不断演化的。40地球大气的演化412.1从大爆炸理论(BigBang)说起原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。4243宇宙演化的时间尺度宇宙的形成大约在150亿年前；银河系形成大约在130亿年前；太阳系形成在50亿年前；地球的生命大约是46亿年。44宇宙元素的演化最初的宇宙仅包含氢(H)和少量的氦(He)原子。在最初的100亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许多中心，在引力的作用下，气体分别向这些中心收缩，出现许多原星体。这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其内部温度也越来越高。当温度升高到1000万度以上时，原星体会内部将发生核反应，形成了重元素。这些聚变过程伴随产生大量的辐射能，使原星体转变为发光的恒星体。特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经形成的不同的元素散布到星际空间去。45地球的形成太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体，它们形成行星，卫星及大气。原地球是太阳系中原行星之一。随着“原地球”转变为“地球”，地面逐渐冷却为固体，原始大气也就同时包围地球表面。46地球大气的演化地球自从它形成以来，大约46亿年。其大气的演变可分为三个阶段：原生大气、次生大气、现代大气。原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约46亿年，比原始人类出现（几百万年）早3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早6个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。472.2原生大气原生大气的成分是以氢和少量的氦为主。但原生大气存在不太久（大约数千万年至数亿年）。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。482.3次生大气次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，还有一些氨和硫的化合物。次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。49次生大气次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，风雨闪电交加。次生大气笼罩的时间大约46亿年前到20亿年前。最原始的生命在这个时期已经出现（大约35亿年前）。502.4现代大气地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜测的是当时的大气含有甲烷(CH4)和氨(NH3)，而非现在丰富的(CO2)和(N2O)，但没有氧。为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导致大气朝着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（为什么？）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一个是氢的逃逸。当氢从CH4和NH3分离出来并逃逸之后，大气变更易于被氧化。如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地球的引力势能也就是(1).从（1），我们可以得到（2）。根据（2），我们知道，在500km的高度，该分子的逃逸速度为10.77kms-1.(1)(2)M为分子质量，r为该分子距地心的距离。51现代大气现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生命的出现和演化有着重要关系。因此，氧气的起源成为人们最为关心的问题。522.5氧的起源早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从H2O和CO2分解而来；另一种是生物的光合作用。如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把H2O和CO2转化为O2，碳则存储在生（植）物中。

nCO2+nH2O+γ

(CH2O)n+nO253氧的起源最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以制造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大分子。它们都可能是生命的来源。因为当时没有臭氧层，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通过光合作用产生氧气。到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积也加快。54氧气浓度的变化55生命的演化56大气演化中的氧和臭氧57Gaia假说上面的关于“生命的光合作用产生了氧气，并为生命本身的演化创造了一个环境”的学说被JamesLovelock称之为“GaiaHypothesis”。Gaia是“地球之神”的意思。但是，该假说似乎与达尔文主意（Darwinism）相矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境而改变自己，也就是“适者生存”。2.4、冰雪地球58Timebeforepresent(Billionsofyears)冰雪地球59一些证据表明，地球在23亿和6-7亿年前曾经被冰封过。碳-硅循环:一个稳定地球气候的负反馈机制CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO260风化反应（H2O）高温加热2.5、地球气候系统地球气候不仅仅是由大气决定，二十余其他因素密切联系在一起的，包括海洋、地表生物圈、冰冻圈、地壳（甚至地幔）、太阳活动，因此，地球气候系统是由这些圈层相互作用构成的。61TheEarthsystem62Atmosphere大气圈Biosphere生物圈Cryosphere冰圈（冰川、两极）Hydrosphere水圈（河湖海、降水）Lithosphere岩石圈（陆地、土壤）1026g1018~1019g1021g1024g1022g人圈Anthrosphere1014g全球海表温度63风驱动的海洋表层洋流-湾流

（颜色表示温度）64全球海洋环流65冰雪圈：两极的陆地冰盖66全球生物圈生产力分布67植被与降水和温度的关系68地壳运动、地幔对流及其与大气的相互作用69地球轨道变化和Milankovich周期70过去42万年CH4、CO2、温度的变化71722.6人类活动对大气成分的影响从上面的讨论我们可以看到，地球大气势在不断演变的。工业革命（1860年）之前的演变可以认为是自然变化。工业革命之后，人类对大气或环境的改变影响在加大，而且，这种影响是达到了无法忽略的程度。73人类活动对以下大气成分的改变影响显著化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升高，煤的燃烧导致SO2含量升高。汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。人工固氮导致大气中氮的减少。人工制造的制冷剂CFCs的泄漏导致大气中CFCs含量增加，CFCs在大气平流层分解后产生的氯造成平流层O3减少。CO2等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水汽含量增加。CO2含量的增加7475甲烷（CH4）的增加76最近1000年的温度变化

（最近150年温度升高很快）77最近130年的温度变化

（最近30年温度升高很快）78自上个世纪70年代末，平流层臭氧急剧减少79右图：南极臭氧洞在加强

左图：在2000年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次，已经延伸到了南美大陆观测给出的全球温度的逐年变化

（来自GISS/NASA）8081动画显示气候模式模拟的1971-2100年温度随温室气体增加而变暖82动画显示模拟的1955-2055年北冰洋海冰由于温室气体增加而减少83动画显示的模拟CO2增加1倍和3倍时全球温度的变化84课外阅读关于地球大气的演化，大家可阅读：Walker,J.C.G.,1977:EvolutionoftheAtmosphereArticlesbyHunten,D.M.,KastingJ.F.,Ragnaud,D.,andSundquist,1993,Science,259,915-941.Lovelock,J.F.,ANDMargulis,L.,1974:Atmospherichomostasis,byandforthebiosphere:theGaiahypothesis,Tellus,26,1-9.关于行星大气，大家可以阅读：Chamberlain,J.W.,Hunte