《地球大气概述》.ppt
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1、,地球大气概述,执教教师:XXX,本章主要内容:,大气组成与结构 大气热能 大气温度 大气湿度与水分,学时:10,第一节 大气组成与结构,一、大气组成,二、大气垂直分层结构,相关概念,大气质量:均匀大气高度H为8000m 则单位面积大气柱的质量: m0=0 H =1.225*10-3*8000*100 =1.013*103 g/cm2,大气上界:大气无上界; 气象学家:极光出现的高度(1200km)。 物理、化学学家:不超过3200km。,极光现象,极光: 在地球南北两极附近地区的高空,夜间常会出现灿烂美丽的光辉。 产生原因是来自大气外的高能粒子(电子和质子)撞击高层大气中的原子的作用。这种相
2、互作用常发生在地球磁极周围区域。,大气压,1、气压单位:帕斯卡(Pa)和水银柱高度(mm)大气压定义:温度为0 ,纬度为45度的海平面气压为标准大气压,值为1.013*105帕斯卡。,2、气压垂直分布,特点:随着高度升高气压减小,见图。,随着高度升高气压变化图,百帕,气压垂直梯度: 上升单位距离气压的降低值,用单位高度气压差表示 或降低一个气压对应的高度,用单位气压高度差表示,此值越大,气压垂直梯度越小,相反越大。气压随高度变化即气压垂直梯度与气压和温度相关,气压相同时,气柱温度高,高度差大,气压垂直梯度小,高空气压比周围大; 温度相同时,气压越高,高度差越小,气压垂直梯度大,高空气压比周围小
3、。,一、大气组成,按照气体的形态分为:干洁空气水汽固体杂质,在距离地表85km的空间, 按照空气变化特性分为两类: 定常成分(如N2、O2、Ar 等) 可变成分(水汽、二氧化碳和臭氧等) 按照含量多少分为 主要成分:浓度大于0.01ml/l,主要有N2、O2、Ar,占99.96%; 微量成分:浓度大于0.001ml/l,主要有CO2 、H2O,CH4,N2O,SO2,CO,H2,He,Ne,Kr。 痕量成分:浓度小于0.001ml/l,主要有H2S,O3,N2O,NO。,大气组成示意图,干洁空气(85km空间),概念:把除掉水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气,是混合物。,干洁空气
4、组成一览表,N2与O2,N2:含量高78%;化学性质不活泼;对太阳辐射的远紫外光谱区0.03-0.13um选择性吸收。O2:含量高21%;化学性质活泼;植物呼吸作用;存在形式多样;在波长小于 0.24um的辐射作用下发生分解,参与O3形成。,CO2,含量低0.03%;分布于20km以下;低温易溶于海水;特性:吸收地表长波辐射,对太阳短波吸收较少。 * 其浓度增加带来的影响如何?,大气中的二氧化碳浓度增加,阻止地球热量的散失,使地球发生可感觉到的气温升高,这就是有名的“温室效应”。CO2是数量最多的温室气体,约占大气总容量的0.03%,许多其它痕量气体如CH4、N2O、氢氟碳化物、全氟碳化物、六
5、氟化硫等也会产生温室效应,其中有的温室效应比二氧化碳还强。,温室效应,进入大气层的太阳能,离开大气层的热能,返回地表热能,O3:,含量极少;分布于10-40km空间,集中于20-25km空间,称为臭氧层;强烈吸收太阳紫外辐射(0.22-0.32(紫外吸收带),4.7、9.6、14.1(红外吸收谱线)作用:减少到达地面的太阳紫外线,避免对人类的皮肤伤害。,O3随高度分布变化,O3浓度减少变化的气温影响,臭氧浓度减少对气温的影响因高度而不同,在臭氧分布层22km以上,臭氧减少将减少对太阳紫外线的吸收使地面温度升高;在臭氧分布层22km以下,臭氧减少将降低温室效应的作用,使地面温度降低。,臭氧洞形成
6、原因之一,臭氧洞形成原因之二,臭氧洞形成原因之三,水汽,来源:蒸发和蒸腾含量:含量小,可变,分布不均。特性:发生相变,调节热量。波谱性能:强烈吸收和放出长波辐射能。所以对于热量交换起重要作用。,气溶胶粒子,来源:自然源和人工源分布:集中于地表附近。特性:容易使水汽凝结,形成凝结核波谱性能:吸收和散射太阳辐射。所以对于热量交换起重要作用。,大气中悬浮的固体杂质和液体微粒。半径一般为1-10-6mm,大气污染物,其中影响范围广,对人类环境威胁较大的主要是煤粉尘、二氧化碳、一氧化碳、碳化氢、硫化氢和氨等。 从污染物来源看,主要有燃料燃烧时从烟囱排出的废气与汽车排气和工厂漏掉跑掉的毒气,而烟囱与汽车废
7、气约占总污染物的70%之多。,成份分布:均质层和非均质层85km为界,成份分光化层和离子层,垂直温度变化分的气象分层: 对流层 平流层 中间层 暖层 散逸层,二、大气垂直分层结构,1、对流层( Troposphere, 8-11km),特点:1)厚度从赤道向两极减少,低纬:17-18 ;中纬:10-12 ;高纬:8-9 。2)垂直交换强烈3)气温递减变化,气温直减率0.65/100m,即每上升100m,气温下降0.65 。到达对流层顶部,低纬地区为-85 ,高纬地区为-53 ,为什么?4)各种天气现象发生在此层。,对流层亚层划分:,摩擦层:1-2km,摩擦作用强烈,对流、湍流运动明显;自由大气
8、层:摩擦层以上的高空,摩擦力可以忽略,大气中的云和降水主要在本层产生。过渡层:对流层顶部约1-2km的气层,水汽含量减少,气温随高度增加不变,在0以下。,2、平流层(Stratosphere, 55km),特点:气流稳定,以水平运动为主,气温随着高度的增加不变,而后显著升高,产生逆温现象。大气透明度好,适合于飞机和探测气球飞行。,3、中间层(Mesosphere,85km)也叫高空对流层,特点:强烈的垂直气流交换气温迅速降低,到中间层顶气温下降到-83 ,是大气圈最冷部分。,4、暖层(Thermosphere,800km)也叫电离层,特点:空气密度小,只占大气总质量的0.5%,在120km高度
9、声波难以传播空气分子高度电离,温度升高。在1200km范围内常出现极光现象。,5、散逸层(Exosphere,800km以上,上界3000km),特点:空气极稀温度升高分子可以达到外围空间,第二节 大气热能与保温效应,一、辐射基本知识,二、太阳辐射,三、大气热能与保温效应,一、辐射基本知识(知识回顾),相关概念,1、辐射:能量传播方式,一切物体具有辐射能2、电磁波谱范围(10-10几公里)兴趣区:0.15-120um,辐射基本定律,1、基尔荷夫定律2、斯蒂芬-波尔兹曼定律3、维恩位移定律(Wein)4、辐射差额与辐射平衡,1、基尔荷夫定律(Kirchhoff),1)一定的波长与温度条件下,物体
10、吸收率等于放射率;2)同一物体在温度相同时放射某一波长的辐射也吸收该波长辐射;3)某温度下某波长物体辐射能与吸收能之比为同波长黑体辐射能。,2、斯蒂芬-波尔兹曼定律(Stefan-Boltzman),1)物体放射能力随温度、波长改变而改变,并随温度的升高,物体对各波长的放射能力增强;2)辐射能量可以用曲线与横坐标包围的面积表示;3)黑体放射能力与物体绝对温度的4次方成正比即:,可以求ETb或T,3、维恩位移定律(Wein),黑体辐射光谱中最强辐射的波长与黑体绝对温度成反比,maxT=C,4、辐射差额与辐射平衡,物体对辐射的吸收(a)、反射(r)和透射(t)性能,若a=1为黑体,r=1则为白体;
11、大小与物体性质、辐射波长有关。,二、太阳辐射,1、太阳辐射(短波辐射)与太阳辐射光谱,辐射总量:1.3*1024 卡 /年,(一)太阳辐射相关概念,2、太阳辐射强度:,单位时间垂直投影到单位面积的太阳辐射能与离开太阳距离成反比,则地球拦截太阳辐射能量占太阳辐射能量比为:,太阳常数:平均日地距离(1.698*108km)大气上界垂直光线单位面积上每分钟接受的太阳辐射,求得的太阳辐射。,这里需要解释几个概念:(1)日地平均距离为149,597,870公里,还是其它?(2)在大气上界;(3)到达地球水平面上的太阳辐射强度的影响因素为:,太阳高度角,它与太阳辐射强度I关系为:,式中,为太阳高度角,I0
12、为太阳常数, b为某时刻的日地距离,I为投射到大气上界水平面上的太阳辐射强度。,日地距离:I与日地距离平方成反比,(二)大气对太阳辐射的削弱作用,1、反射(21%): 反射成分为云, 无选择性, 反射光为白色.,(二)大气对太阳辐射的削弱作用,2、散射(5%) :散射成分为空气分子、云和尘埃颗粒特性:只改变方向不转化热能但起到削弱的作用。晴天天空成蓝紫光,阴天呈灰白色,为什么?为什么天空会出现早霞和晚霞?,(二)大气对太阳辐射的削弱作用,3、吸收(18%) :吸收成分:O3、O2、水汽、二氧化碳以及固体杂质;特性:选择性吸收。 O3两个吸收区:0.2-0.3,0.6附近, 水汽的吸收区:红外区
13、,0.93-2.85 O2和二氧化碳都吸收 水滴、尘埃杂质都吸收。,(三)到达地面的太阳辐射:56%,太阳辐射(太阳总辐射)包括散射辐射和直接辐射特点:日变化:日出前,地面上总辐射的收入不多,其中只有散射辐射;日出后,随太阳高度的升高,直接辐射和散射辐射逐渐增加。但前者增加较快,结果散射辐射在总辐射中所占的比例逐渐减小;当太阳高度为8时,直接辐射与散射辐射相等;当太阳高度为50时,散射辐射值相当总辐射的10-20;当太阳高度为90时,直接辐射与散射辐射强度均达最大值;中午以后,二者又按相反的次序变化。,三、辐射平衡(看辐射平衡图解),(一)大气辐射平衡(二)地面辐射平衡(三)地-气系统辐射平衡
14、,(一)大气辐射平衡,1、收入:,1)太阳辐射直接吸收(18%),2)地面辐射吸收(90%),3)潜热输送(20%),4)感热输送(9%),2、支出:,1)空中辐射60%,2)大气逆辐射77%,3、大气辐射差额,此值为负值,需要其它方式从地面获得热量,表达式:,大气辐射差额,大气吸收太阳辐射,大气上界有效辐射,地面有效辐射,地面辐射,大气逆辐射,地面有效辐射:,地面辐射与大气逆辐射的差值,即:,F0 0:地面损失热量而降温;F0 0:地面获得热量而升温。通常情况下,地面温度高于大气温度,此值大于零。,特点:,日变化: 白天为正值,在12-14点达最大值, 夜间为负值,在清晨达最小值。年变化:
15、夏季最大,冬季最小,受地面性质和大气中水汽含量差异, 在秦岭淮河秋季最大,春季最小; 在东北和华北地区春季最大,夏季最小。,(二)地面辐射平衡,1、收入: 1)地面吸收太阳辐射50% 2)大气逆辐射77%2、支出: 1)潜热输送20% 2)感热输送9% 3)地面辐射98%,3、地面辐射差额也叫地面净辐射:,影响因素:1)太阳直接辐射和散射辐射,2)地面有效辐射:受地面特性和大气状况影响3)地面反射特性,地面辐射差额特点:,日变化:白天收入的太阳辐射高于支出的长波辐射,辐射平衡为正值,夜间收入的太阳辐射低于支出的长波辐射,辐射平衡为负值。正转负和负转正的时刻分别在日没前与日出后1小时。,地面辐射
16、差额特点:,年变化:一年内,北半球 夏季,辐射平衡因太阳辐射增多而加大; 冬季则相反,甚至出现负值。 纬度愈高,辐射平衡保持正值的月份愈少。,不同纬度地面辐射差额变化,地面辐射差额各个分量的日变化情况,直接辐射,辐射差额,地面辐射,散射辐射,有效辐射,反射辐射,(三)地-气系统辐射平衡,1、收入: 地面吸收50% 大气吸收18%2、支出: 空中辐射60% 地面辐射到高空8%,3、地-气系统辐射差额,表达式:,地-气辐射差额,太阳总辐射,大气吸收辐射,大气上界有效辐射,第三节 大气温度,一、空气的增温与冷却,1、传导:导体分子传递2、对流:冷暖空气混合3、辐射:地气热交换主要方式4、蒸发和凝结5
17、、湍流:气体分子的不规则快速运动,(一)非绝热过程,(二)绝热过程:遵循热力学第一定律,对孤立的单位质量气体系统加热,转为2部分,内能和做功,这是平衡过程,有:,其中内能部分就是分子运动动能,表达式为:,(二)绝热过程:遵循热力学第一定律,定压状态气体做功为:,状态方程:,消去Pdv,并用CP=AR+Cv(表示气体的定压比热)代替,整理有:,当系统为绝热变化,气体的做功靠内能负担,即dQ为0,有:,代入常数,CP=0.287j/(g.K)R=1.005j/(g.K),即为干绝热方程,也叫泊松(Poisson)方程.这给出了干绝热过程气块初态和终态之间温度随着气压的变化规律。,(三)绝热直减率,
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