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1、大 气 物 理 学 孙晓光 sunxg 办公室：行政楼213 课程内容： 第一篇大气概论 第二篇辐射理论 第三篇大气热力学 第四篇大气动力学基础 第五篇云和降水物理 学时学分：48学时 3学分 考核方式：闭卷考试 成绩比例：8:2 什么是大气物理学？ 大气物理学主要研究大气物理学主要研究地球大气各层结构与成分，大气现地球大气各层结构与成分，大气现 象与过程的物理机制和规律。象与过程的物理机制和规律。它综合应用力学、热力学它综合应用力学、热力学 与统计物理学、电磁学、光学与量子力学等物理原理，与统计物理学、电磁学、光学与量子力学等物理原理， 结合地球大气的自然特点，研究大气中流体运动、光象、结合
2、地球大气的自然特点，研究大气中流体运动、光象、 电象、声象、相变过程以及光辐射过程等，并由此产生电象、声象、相变过程以及光辐射过程等，并由此产生 了大气热力学、大气动力学、云雾降水物理学、大气电了大气热力学、大气动力学、云雾降水物理学、大气电 学、大气辐射与光学、大气声学、大气信号与遥感物理学、大气辐射与光学、大气声学、大气信号与遥感物理 学等基本分支。而如果按大气层次的特点来划分，则大学等基本分支。而如果按大气层次的特点来划分，则大 气物理学又可分为边界层大气物理学、对流层大气物理气物理学又可分为边界层大气物理学、对流层大气物理 学和中层大气物理学。因此，大气物理学是大气科学中学和中层大气物
3、理学。因此，大气物理学是大气科学中 的基础学科，又是应用物理学的一个分支。的基础学科，又是应用物理学的一个分支。 大气物理发展历史 古代：唯物与唯心理论观点 雷鸣电闪、华晕虹霓、云雾雨雹、冰雪霜露等雷鸣电闪、华晕虹霓、云雾雨雹、冰雪霜露等 起始阶段：揭露大气现象物理机制 1752年年 B.Franklin 用风筝探明雷击的本质就是电用风筝探明雷击的本质就是电 1871年年 Rayleigh 建立大气分子散射理论解释天空蓝色的现象建立大气分子散射理论解释天空蓝色的现象 1908年年 G.Mie建立大粒子散射理论，解决球形粒子散射建立大粒子散射理论，解决球形粒子散射 18591901年年 M.Pl
4、ank和和G.kirchhoff 开创辐射定律与光谱量子理论开创辐射定律与光谱量子理论 18801881年年 J.Aitken等指出凝结核在雾滴形成中的重要作用等指出凝结核在雾滴形成中的重要作用 C.T.R.Wilson 经典云室实验经典云室实验 二十世纪中叶以来，重大实际应用问题的需要大大加速大气物理学的 发展 19381939年年 Bergeron与与Findeison 降水起源于冰晶的学说，降水起源于冰晶的学说， 1946年年 V.J.Schaefer、B.Vonnegut等干冰与碘化银人工冰核作用的等干冰与碘化银人工冰核作用的 发现，促使云降水物理学获得重大发展发现，促使云降水物理学获
5、得重大发展 六十年代以来，大气污染物排放对生物圈和人类的影响促使大气边界层六十年代以来，大气污染物排放对生物圈和人类的影响促使大气边界层 与大气湍流的研究与大气湍流的研究 CO2含量增加，全球变暖，气象卫星的兴起，遥感技术的发展推动了大含量增加，全球变暖，气象卫星的兴起，遥感技术的发展推动了大 气辐射的研究气辐射的研究 第一篇 大气概论 1 大气演化及组成 2 大气结构 3 气象要素 4 空气状态方程 第一篇 大气概论 1 大气演化及组成大气演化及组成 2 大气结构大气结构 3 气象要素气象要素 4 空气状态方程空气状态方程 大气演化 1.太阳系行星太阳系行星 2.地球大气演化 行星分类 冥王
6、星类木行星外行星 类地行星内行星 、： ： () () 以轻物质为主无固体表面 海王星天王星土星木星类木行星 以重物质为主有固体表面 火星地球金星水星类地行星 ， 、： ， 、： 1.1.形成形成初期都应以轻元素为主，后来由于各自的条件初期都应以轻元素为主，后来由于各自的条件 （距太阳远近、行星尺度及公转和自转周期等）不同，（距太阳远近、行星尺度及公转和自转周期等）不同， 经几十亿年演化，形成了现在各自不同的大气。经几十亿年演化，形成了现在各自不同的大气。 2. 内行星：水星无大气，内行星：水星无大气， 金星、火星以金星、火星以CO2为主（地球例外）为主（地球例外） 外行星：仍以外行星：仍以H
7、、He、CH4等原始大气成分为主。等原始大气成分为主。 行星大气特征 大气演化 1.太阳系行星 2.地球大气演化地球大气演化 地球大气演化 地球是太阳系九大行星之一，按离太阳由近地球是太阳系九大行星之一，按离太阳由近 及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星及远的次序为第三颗。它有一个天然卫星- - -月球，二者组成一个天体系统月球，二者组成一个天体系统-地月系统。地月系统。 地球国际名称为“该娅”，是希腊神话中的地球国际名称为“该娅”，是希腊神话中的 地母神。地母神。 地球自西向东自转，同时围绕太阳公转。地地球自西向东自转，同时围绕太阳公转。地 球自转与公转运动的结合产生了地球上的昼球自转与公转
8、运动的结合产生了地球上的昼 夜交替和四季变化。地球自转的速度是不均夜交替和四季变化。地球自转的速度是不均 匀的。同时，由于日、月、行星的引力作用匀的。同时，由于日、月、行星的引力作用 以及大气海洋和地球内部物质的各种作用，以及大气海洋和地球内部物质的各种作用， 使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都使地球自转轴在空间和地球本体内的方向都 要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使要产生变化。地球自转产生的惯性离心力使 得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀，成为得球形的地球由两极向赤道逐渐膨胀，成为 目前的略扁的旋转椭球体，极半径比赤道半目前的略扁的旋转椭球体，极半径比赤道半 径约短径约短2121千米。
9、千米。 地球大气演化 行星地球大气行星地球大气：由天体物理学理论推导出：由天体物理学理论推导出 来的地球大气，来的地球大气，与实际地球大气相差甚远与实际地球大气相差甚远。 实际地球大气以实际地球大气以N2、O2为主。为主。 地球大气是如何演化而来的？地球大气是如何演化而来的？ 必须把大气看成是地球组合系统的一部分必须把大气看成是地球组合系统的一部分 地球大气演化的三个阶段：地球大气演化的三个阶段： 原始大气原始大气：地球形成初期，以：地球形成初期，以H2，He和和CO为为 主主 次生大气次生大气：4520亿年前，以亿年前，以CO2，CH4，NH3 和和H2O等为主等为主 现代大气：现代大气：以
10、以N2和和O2为主为主 地球大气中O2的来源 a、水汽被太阳紫外辐射的光致离解，能产生千分之一的氧水汽被太阳紫外辐射的光致离解，能产生千分之一的氧 b、植物的光合作用、植物的光合作用 6亿年前，氧的浓度达到现在的百分之一，即第一关键浓度亿年前，氧的浓度达到现在的百分之一，即第一关键浓度。高空臭高空臭 氧浓度明显增加，使生命能到达水面。氧浓度明显增加，使生命能到达水面。 4亿年前，达到十分之一，亿年前，达到十分之一，高空大气形成的臭氧层高空大气形成的臭氧层。大量植物缓慢由海。大量植物缓慢由海 洋向陆地推进。洋向陆地推进。 MOMOO OH OHHhOH + + + 2 2 2 接受愈来愈多接受愈
11、来愈多 的可见光的可见光 愈来愈丰富愈来愈丰富 植物生命植物生命 光合作用光合作用 愈来愈多氧愈来愈多氧 愈来愈少的愈来愈少的 紫外辐射紫外辐射 最终光合作用最终光合作用 和动植物的呼和动植物的呼 吸及死亡达到吸及死亡达到 平衡平衡 大气组成 1、干洁大气 2、水汽 3、气溶胶 大气成分浓度表示法 a a、绝对量法绝对量法体积质量，单位为体积质量，单位为mg/mmg/m3 3，g/mg/m3 3等，表示大气中气溶等，表示大气中气溶 胶的浓度，但进行数值比较时要考虑大气状态。胶的浓度，但进行数值比较时要考虑大气状态。 b b、相对量法相对量法，单位为，单位为ppmppm，ppbppb，pptpp
12、t等，若表示该成分的质量占整等，若表示该成分的质量占整 个大气总质量的份数，即质量百分比个大气总质量的份数，即质量百分比mm，若表示该成分的体积占，若表示该成分的体积占 整个大气总体积的份数，即体积百分比整个大气总体积的份数，即体积百分比v v。 一百万分之一（一百万分之一（Parts Per MillionParts Per Million） 十亿分之一十亿分之一 一万亿分之一一万亿分之一 6 101 =ppm 9 101 =ppb 12 101 =ppt （3）按浓度分类： c c、质量、质量- -体积浓度与体积浓度与ppmppm的的换算关系换算关系是：是： 式中：式中： X X气体以每标
13、立方米的毫克数表示的浓度值；气体以每标立方米的毫克数表示的浓度值； C C气体以气体以ppmppm表示的浓度值；表示的浓度值； MM气体的分子量。气体的分子量。 由上式可得到如下关系：由上式可得到如下关系： 1ppm=M/22.4(mg/m1ppm=M/22.4(mg/m3 3) ) 4 . 22/CMX= MXC/ 4 . 22= 例题 例例1 1：求在标准状态下，：求在标准状态下，3030毫克毫克/ /标立方米标立方米的氟化氢的的氟化氢的ppmppm浓度。浓度。 解：氟化氢的分子量为解：氟化氢的分子量为2020，则：，则： C=3022.4/20=33.6ppmC=3022.4/20=33
14、.6ppm 例例2 2、已知大气中二氧化硫的浓度为、已知大气中二氧化硫的浓度为5ppm5ppm，求以，求以mg/mg/NmNm3 3表示的浓度。表示的浓度。 解：二氧化硫的分子量为解：二氧化硫的分子量为6464，则：，则： X X =564/22.4=14.3mg/Nm=564/22.4=14.3mg/Nm3 3 气体寿命表示法 气体寿命也称为气体寿命也称为平均停留时间平均停留时间：该种成分：该种成分 的所有分子更新一次所需要的时间，即平的所有分子更新一次所需要的时间，即平 均寿命。均寿命。 准定常成分：寿命在准定常成分：寿命在10001000年以上，年以上， （4）按寿命分类： 对流层内大气
15、成分分类（浓度） 主要成分主要成分：浓度为百分之几，如：浓度为百分之几，如N N2 2，O O2 2，ArAr 微量成分微量成分：浓度在：浓度在1ppm1ppm到到1%1%，如，如COCO2 2，CHCH4 4，He He ，NeNe， KrKr，H H2 2O O 。 痕量成分痕量成分：浓度在：浓度在1ppm1ppm以下，如以下，如H H2 2，O O3 3，XeXe，NONOX X，NHNH3 3， SOSO2 2，COCO，人为污染气体等。，人为污染气体等。 干洁大气 除去水汽除去水汽以外的纯净大气，简称干空气，由多种气体混以外的纯净大气，简称干空气，由多种气体混 合组成。合组成。 按浓
16、度：按浓度： 主要成分主要成分300ppmv：N2，O2，Ar及及CO2 微量成分微量成分120ppmv：CH4 痕量成分痕量成分 )1( )0 . 11 . 0( )1 . 0( mr mrm mr 巨粒子 大粒子 爱根核 （3）来源 人工源：燃烧、工业活动产生的烟粒、煤烟粒子，核实验，燃烧、工业活动产生的烟粒、煤烟粒子，核实验， 气粒转化过程。气粒转化过程。 自然源：土壤岩石风化及火山爆发、土壤岩石风化及火山爆发、 森林火灾、海洋溅沫、森林火灾、海洋溅沫、 云滴、云滴、 冰晶、宇宙尘埃、有机质点等。冰晶、宇宙尘埃、有机质点等。 海水溅沫海水溅沫 盐水滴盐水滴 气溶胶粒子气溶胶粒子 海浪冲击形成海浪冲击形成 空气泡空气泡 破裂破
