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1、第 一 篇 大 气 概 论 1 第二章 地球大气的成分及分布 2 干空气（干洁大气）：不含水汽和液、固 体杂质的大气。 湿空气：含水汽的大气。 这样划分的意义？ 雨、雪、台风等天气现象都与大气中的水汽有关 一、湿空气与干空气： 第一节 干洁大气 3 二、均匀层中大气的准定常成分、可变成 分 按平均停留时间（平均寿命），大气成分为两类： 准定常成分：平均寿命大于1000a. 可变成分：平均寿命较短。 平均停留时间: 准平衡状态下, 大气中某种成分的总质量/向 大气的输入速率 = 总质量/移除速率 4 “停留时间”的计算举例 ： 如果某时刻大气中含有的水汽全部凝结成 水，液态水的厚度大约是 2.5
2、cm。 全球年平均降水量是1000mm，所以水的更 新是非常快的，水汽在大气中平均停留时 间是 9 天。 5 取自中国气候总论 6 气体成分体积百分比停留时间(a) 氮 (N2)78.084 氧 (O2)20.948 氩 (Ar)0.934 氖 (Ne)0.001818 氦 (He)0.000524 氪 (Kr)0.000114 氙 (Xe)0.0000087 准定常成分annum (拉丁语) 年 其中红色为主要成分 7 气体成分体积百分比 （ppmv） 停留时间(a) 二氧化碳 (CO2)33056 氢 (H2)0.41.068 甲烷 (CH4)1.21.510 一氧化氮 (N2O)0.25
3、0.6 一氧化碳 (CO)0.010.200.20.5 臭氧 (O3)0.0010.01 水汽 (H2O)10 d 可变成分 其中红色为主要成分 8 三、大气成分随高度的变化 大气 90km 以下是均匀层（匀和层）， 主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳 。 90km以下各成分的比例基本上保持不变，可视 为单一成分，平均分子量28.966。 大气 90km 以上是非均匀层。 主要成分是氧、氦、氢原子。 9 10 90km 以下大气的组成 主要成分：体积百分比 在 300ppmv 以上。 痕量成分：体积百分比 在 300ppmv 以下。 11 均匀层与非均匀层的形成 ： 分子扩散: 使气体中各成分均匀
4、分布在空间中. 分子扩散与重力作用： 较轻气体向上扩散快，较重气体向上扩散慢。 高度越低, 混合气体中重的成分的质量百分比越大 混合气体平均分子量随高度减小。 再考虑湍流混合：使90km以下大气组成与高度无关,混合 气体中各成分的质量百分比不变。混合气体 的平均分子量随高度不变。 12 混合气体的平均分子量(摩尔质量) : m：混合气体的质量 n： 混合气体的摩尔数 混合气体中每种成分的质量、摩尔数、分子量 13 14 1、理想气体状态方程 2、道尔顿分压定律 3、干空气状态方程 四、干空气状态方程: 15 a、系统：世界上一切物体是相互作用的，从这一相互作用的 整体中划分出要研究的对象，称为
5、热力学体系或系统。 而与体系相互作用的其余部分称为环境或外界。 b、状态参量： 描述体系状态的一组宏观参量，叫状态参量,又称热力学坐 标，热静态参数。状态参量描述体系的整体状态。 广延量：其值与体系的大小及体系包含的物质的量有关。如体积、质 量、能量等。 强度量：其值不决定于体系的大小，在体系中任何一点都有确定的值 。如压强、温度，比特性量等。 状态方程：表示状态参量之间关系的方程。 1、理想气体状态方程 16 c、理想气体状态方程 一切气体在压强不太大（低于20个大气压），温度不太 低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和 体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即 通常大气温度和压强条件
6、下，干空气和未饱和的湿空气 都十分接近于理想气体。 理想气体状态方程 17 m : 气体质量， ： 气体摩尔质量 ：普适气体常数， 其中： , 气体的比气体常数 18 实验事实表明，混合气体的总压强，等于各种 组分 的分压强之和，即 2、道尔顿分压定律： 混合气体的密度 混合气体的 比气体常数 混合气体的平均摩尔质量 第 i (i=1,n) 种组分 的分压强: 在同一温度 下，它单独占据同样容积时所具有的压强 。 19 或 混合气体中任一组分的状态方程: 混合气体的状态方程: 混合气体如果是干空气: 混合气体如果是湿空气: 20 干空气：混合均匀，平均分子量为28.96. 为干空气的比气体常数
7、 状态方程为 状态方程还可写为 比容：单位质量的体积 3、干空气状态方程 : 21 五、几种气体的源和 汇 1、二氧化碳 2、甲烷 3、一氧化氮 4、臭氧 5、卤化碳 6、水汽 7、气溶胶 以后细讲 温室气体 22 地球温室效应的本质： 假设地球外围不存在一个大气圈，或者假设这个人气圈对 各种波长辐射都是完全透明的，没有任何吸收，那么，地 球表面能量平衡的结果，将使地表温度白天极高、晚上极 低，冬、夏之差也很大，同时赤道附近也比两极地区要高 得多，全球的地表年平均温度将只有 。 由于有了大气，全球地表平均温度实际上是 ，即 比以上假设条件下的地表温度要高 ，面且日变化和 季节变化幅度大为减小，
8、随纬度的变化也比较平缓。 在讨论大气成分对气候的影响时，人们通常把大气成分比 作温室的玻璃，把那些对地气系统辐射收支有影响的大气 成分叫做“温室效应”气体。 自然温室气体（natural greenhouse gases）包括水汽、 二氧化碳、甲烷、一氧化氮、臭氧。 23 返回 24 1、二氧化碳(Carbon dioxide ) 当前含量是359ppmv。 源：化石燃料的燃烧和水泥生产， 动物呼吸， 海洋蒸发, 地面使用(指人类对自然环境的改变,主要是森林砍伐、城市 扩张)， 火山喷发 。 汇：溶于海洋, 植物光合作用。 作用：温室气体。影响能量收支, 辐射平衡. 25 Figure The
9、 Global Carbon Cycle 26 Table. Sources and sinks of atmospheric CO2 Net Atmospheric CO2 Sources SourceSources (Gt/a)Uncertainty range (Gt/a) Fossil fuel/cements (I) 5.5 0.5 Land-use change (Dn) 1.6 1.0 Total7.1 1.1 Net Atmospheric CO2 Sinks SinkUptake (Gt/a)Uncertainty range (Gt/a) Oceanic uptake (F
10、)2.0 0.8 Land biomass (X)1.9 1.6 Total3.9 1.8 Gt : Giga-ton 27 二氧化碳的净增长: d(M)/dt = I + Dn - F - X =3.2Gt/a M = M - M0 (工业革命前二氧化碳的含量 M0, 现 在二氧化碳的含量 M); t= 时间(年) I = 化石燃料燃烧和水泥生产导致的增加量 Dn = 地表改造导致的CO2增加量 F = 进入海洋的 CO2 的净减少 X = 地面生物导致的 CO2的净减少汇 源 28 Recent trend and seasonal variation of atmospheric CO2
11、 来自：Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)报告 29 2、甲烷（Methane ） 甲烷(CH4)，现在含量是1700ppbv,也由于人类的 活动而含量在增加。 (Prather et al., 1995，IPCC). 源: 在湿地和海洋中产生, 采矿和化石燃料燃烧, 稻谷的栽培, 反刍动物的消化, 垃圾填埋产生; 汇: 主要是在对流层中和自由羟基(OH)反应而被 破坏: CH4 + OH CH3 + H2O 在上层土壤中被微生物分解占小部分. 作用：也是温室气体。 30 Increase in atmospheric methan
12、e since 1750 31 3、一氧化氮（ Nitrous oxide ） 一氧化氮(N2O) 的产生：海洋和土壤中的生物机 制（主要在热带的森林地区），工业燃烧，车辆 尾气， 生物燃烧，化学肥料。 破坏：在平流层中的光化学反应。 (Prather et al., 1995). 目前各个源和汇的量值还没有很好的估计。 32 Increase in atmospheric nitrous oxide since 1750 33 4、臭氧（ozone ） 大气中的臭氧含量，与其他痕量气体不一样，分 布是不均匀的，随高度变化。 90%臭氧位于15 - 35 km 高度，这里最有利于臭氧的形成。（
13、图） (Chapmen, 1930，Quaterly Journal of Royal Meteorological Society) O2+hv O+O O2 + O + M O3 + M O3+hv O2+O O3+O 2O2 (OH、 NOx、 Cl, ClO根的催 化作用) M ：由第三个原子或分子（比如氮氧化物NOx） 提供的能量和动量平衡。 34 臭氧随时间和空间分布的特点: 从低纬到高纬, 臭氧峰值的高度逐渐降低.。 春季臭氧含量高，秋季含量低。 35 当前大气中增加臭氧破坏率的物质（Cl）在增加 。 作用：Ozone (O3) 在平流层中，强烈吸收来自太 阳的紫外辐射. 含量在
14、减少: 南极臭氧洞(Farman et al., 1985; Hofmann et al., 1992), 在北极地区也发现 (Hofmann et al., 1991). 36 南极臭氧洞及其成因： 定义：从空间分布看，臭氧总量在60S附近的绕极涡旋内 形成一块低值区，而在其外达到极大值。从时间序列上看 ，9月到10月南极地区臭氧总量大幅下降，形成一个低谷 。 1985年由 Farman et al., 发现。 大气动力学、环流原因 大气化学原因 与太阳活动有关 37 臭氧总量随纬度和季节的分布 38 Dobson Unit (DU) 39 臭氧总量的长期变化 40 5、卤化碳（Halocarbons） 氟氯化碳 (CFCs) 是冰箱、空调中产生的；在平 流层中被光化反应破坏很慢。 作用：也是全球变暖的因子；破坏臭氧层。 还有其它的卤化碳，如Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) 和 hydrofluorocarbons (HFCs). 作为 CFCs 的替代品以保护臭氧层。 41
