大气物理学-第一次课 - 副本演示课件

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1、1,大气物理学,主讲教师： 杨素英,2,1、大气物理学课程简介,3,主要内容,课程性质与任务 学科发展简史 主要参考书,4,课程性质与任务,定义 主要研究地球大气各种物理现象和过程。 大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。 分支 大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学,5,课程性质与任务,研究方法 通过观测或者实验获取大气状态和过程的资料，应用物理学、化学和大气科学本身的理论分析这些资料，总结大气过程规律性，并指导实践。 课程学习目的 了解和掌握大气物理学的基础知识和基础理论，为学习后行课、专业课打下坚实的基础。,6,课程性质与任务,

2、学习内容 大气成分和结构特征 大气静力学 大气辐射学 大气热力学,7,1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶20世纪中叶）,1752，美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电。,1871，英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的 现象,学科发展简史,8,1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题,1859-1901，这两位德国物理学家开创了辐射定律,Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开创人,G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家,9,1880-1881，英国物理学

3、家J.Aitken等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。1911，.T.R.Wilson发明云室，因此获1927年诺贝尔物理学奖。是云雾物理的基础和开端。,2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）,1）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。,1946年，美国物理学家I.Langmuir, V.J.Schaefer发现干冰可以催化云产生降水,后来，B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核，促使云降水物理学获得了重大发展。,10,2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大气湍流学科的发展,3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学的研究,11,参考书目：,1.

4、盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2003 2. 许绍祖主编. 大气物理学基础. 气象出版社, 1991 3. 周秀骥等编著. 高等大气物理学.气象出版社,1991 4.美 J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观.上海科学技术出版社，1981,12,2、地球大气的演化,13,2、地球大气的演化,地球大气以氮、氧为主。这在迄今为止所有已发现的天体大气中是唯一的。 地球已经有46亿年的历史，在漫长而曲折的演化过程中，今天地球大气成分和结构已经发生了很大的变化。 本次课所要讲授的内容 地球大气是怎样起源的呢？ 怎样从原始大气状态演变为现代大气的呢？,14,2、地球大气的演化,银

5、河系中心,银河系与河外星系,15,太阳系,16,地球形成,50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。 其结构见下图,17,地球构造图,18,2、地球大气的演化,地球大气的演化大致分为三个阶段 原始大气：地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质H2、He和CO为主。太阳风（高速物质流）和地球的升温作用使得原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸失散。 次生大气：在45-20亿年前，地球逐渐冷却后,由于造山运动、火山喷发伴随从地幔中释放出来的地壳内部原来吸附的气体，形成了次生大气，其主要成分是CO2、CH4、

6、NH3和H2O。 现代大气：大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测），形成原始海洋，生命就在原始海洋的汤液中形成。以氮气和氧气为主。,19,2、地球大气的演化,综上，生命的出现和生物圈的形成在地球大气的演变过程中起了重要作用。而生命能够在地球上出现，是和合适的日地距离有关。 1）适宜的日地距离使地球表面温度合适，水能完成水汽、液水和冰循环，为生命存在提供吸收养分等的介质。 2）水汽光解产生少量氧，海洋和少量氧的存在为生命出现创造了条件。 3）生命的出现反过来又改变了地球大气的成分，形成以氮、氧为主的大气。 4）臭氧强烈吸收太阳紫外辐射，保护地球上的生命，并使平流层增温，从而改变高层大气的热

7、力结构。,20,地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质（称为大气气溶胶 ） 组成的。 即包括含有多种成分的干空气（简称干洁大气）、水汽和气溶胶粒子。,3、地球大气成分及分布,21,3.1 干洁大气（干空气）,定义：除水汽以外的纯净大气。 研究的范围：90km以下的均和层，特别是对流层的大气。 均和层：在90km以下，干空气的成分和各成分之间的比例是不变的，即各成分之间是均匀混合的（湍流混合的结果）,22,3.1 干洁大气（干空气）,分类 1）按照各成分在大气中的浓度分为： 主要成分、微量成分和痕量成分 2）按照平均滞留时间分为： 准定常成分、可变成分和平均寿命短于一 年的变化

8、很快的气体成分,23,主要成分、微量成分和痕量成分,主要成分：包括N2、O2、Ar和CO2，浓度在300ppmv以上； 微量成分：如CH4 ，浓度在120ppmv； 痕量成分：浓度在1ppmv以下，如O3、H2、NOX、硫化物、人为产生的氟氯烃类化合物。 后两者合称为次要成分；次要成分含量虽然低，但会显著影响人类；具有化学活性和大多是温室气体（CO2、O3、CH4）。,24,大气的组成饼图,25,准定常成分、可变成分和平均寿命短于一年的变化很快的气体成分,准定常成分：平均寿命大于1000a，各成分之间大致保持固定的比例，主要包括N2、O2、Ar，及微量惰性气体； 可变成分：平均寿命为几年十几年

9、，其所占的比例随时空变化，如CO2、CH4、H2、N2O和O3； 平均寿命短于一年的：一些碳、硫、氮的化合物，可能产生很大危害。,26,27,3.1 干洁大气（干空气）,及其它特征 1）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分； 2）平均分子量： 90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化；90km以上，随高度递减。具体如下图,28,29,3.1 干洁大气（干空气）,及其它特征 3）空气密度：标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，干空气密度为1.29kg/m3,30,3.1 干洁大气（干空气）,及其它特征 3）空气密度：标准状态（p=1013.

10、25hPa, t=0）下，干空气密度为1.29kg/m3,31,3.1 干洁大气（干空气）,重要气体成分的作用 1）主要气体氮、氧 对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。 2）微量、痕量气体水汽、CO2 、O3 a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。,32,地表上的水 全球年水量平衡,33,34,b) CO2 c) O3 写两篇读书报告，题目分别为“CO2及全球变暖”、“O3和O3洞”,35,3.2 大气中的水汽,大气中水汽特征决定了其在大气科学研究的复杂性 和特殊性。 水汽 存在三相变化，

11、与成云致雨形成息息相关，因此决定了水汽是大气中最为活跃的气体，因此给与单独研究；,36,湿空气 湿度 表示大气中水汽量多少的物理量，称为湿度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。,3.2 大气中的水汽,37,3.2 大气中的水汽,表示大气湿度的物理量 1、混合比r与比湿q 2、水汽压 e（饱和水汽压） 3、饱和差 4、水汽密度（绝对湿度） 5、相对湿度 6、露点和霜点,38,上述大气湿度的表示方法中，水汽压（e）、比湿（q）、水汽混合比（）、露点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。 而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示了空气距离饱和的程度。,总 结,39,混合比r：一定体积湿

12、空气中，水汽与干空气的质量比。单位：g/g或者g/kg. 比湿q：一定体积湿空气中，水汽与湿空气的质量比。 实际大气中，两者近似相等。,40,水汽压 e：大气中水汽的分压强 饱和水汽压：一定温度下水汽的凝结率和蒸发率处于动态平衡时的水汽压。分为水面和冰面饱和水汽压,41,饱和水汽压（物理解释）,空气和水汽 水 水体表面层内的分子处于动乱状态，其中有的离开水面成为水汽分子，有的水汽分子撞击水面，并被水面吸附。这样凝结和蒸发同时发生。在给定的某一温度下，当凝结和蒸发达到同一速率时，将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温度，而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变化。液面上方就称为

13、处于水汽饱和状态，这种情况下的水汽分压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压(给出定义）。,42,饱和水汽压定义 在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度，如果水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称为饱和空气。饱和空气中的水汽压，称为饱和水汽压(E).,43,饱和差 在某一温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d)：d=Ee，d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到d，它可指出水分子的蒸发能力。(d0,subsaturation),44,相对湿度 所谓相对湿度(f)，就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的

14、比值(用百分数来表示)，即： fe/E100%,意 义：相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。 相对湿度越大，越接近饱和，当达到100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。,45,露点 在空气中水汽含量不变，在一定的气压条件下，使空气冷却到达饱和时的温度，称为露点温度，简称露点(Td)。它的单位与气温相同。 例如上海某日14时的气温为30，对应的饱和水汽压为42.5mb，当时的实际水汽压为31.7mb，很明显，这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变，气压也不变，只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为 31.7mb时的气温为25，故只有当温度由30降到25时，空气才由未饱和

15、状态变为饱和状态。因此，上海该日14时的露点是25。,46,气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。 在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(TdT)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。 因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。,47,水汽密度（绝对湿度）：单位体积的湿空气中水汽的质量。,48,3.3 干空气和湿空气的状态方程,49,一、理想气体状态方程,2、地球上自然状态下的空气可看作理想气体,50,二、干空气状态方程,1、方程推导,设体积为V、温度为T的干空气中，含

16、有 n 种气体成分，其中第i种 成分的状态方程为：,对以上n个式子求和，有,51,考虑到,并令,，则有,52,90km以下，,令,Rd称为干空气比气体常数,（3）式可化为,53,2、比气体常数,54,三、湿空气状态方程,1、方程推导,干空气和水汽状态方程分别为,把（5）代入上式（6），有,55,（4）+（7）得,即,56,（7）/（8），得,考虑到,（9）式近似为,57,把（10）代入（8），有,若令,则（11）式化为,58,若令,则（11）式化为,（11）（13）为湿空气状态方程的三种形式 ，其中最常用的为公式（13）,2、虚温,59,是关于温度、水汽压和压强的函数。为了能在湿空气状态方程中使用 ，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为,60,四、常用的湿度参量间关系,一块体积为V 、温度为T的湿空气中，水汽和干空气状态方程分别为,（6）/（14），得,61,一块体积为V 、温度为T的湿空气中，水汽和湿空气状态方程分别为,62,（6）/（11），有,63,3.4 大