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1、1大气物理学大气物理学第一章 大气概述1 1、了解地球大气的演化、了解地球大气的演化包围地球的气壳称为地球大气，就是人们所说的空气。现在的大气是由原始大气经历一系列复杂变化才形成的。 时时间间：原始大气出现于距今约 46 亿年年以前，比人类出现的时间约早三个量级（人类出现距今数百万年），比人类最初出现文字记载的时间约早六个量级（文字出现距今数千年）。地球大气的演化经历了原始大气、次生大气和现在大气三代。原原始始大大气气：（46 亿年前）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。由于太阳风和地球升温的作用，使原始大气逐渐上升到宇宙空间膨胀并逃逸散失。估计在 45
2、亿年前或更晚些时候，地球上是没有大气的。次次生生大大气气：（45-20 亿年前）地球逐渐冷却以后，由于造山运动、火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸咐的气体，形成了次生大气，其主要成分是CO2、CH4、NH3 和 H2O 等。火山喷发物中含有大量的水汽及少量CO2,氮硫化合物等，其中水汽沉降为地表水，即海洋和湖泊。此时 CO2 浓度达到现在的 10 倍，CO2 和水汽产生温室效应而使地球表面温度逐渐升高到300C 左右。在此高温下，大量 CO2 气体又通过化学反应生成碳酸盐累积在地壳中，降低了大气中的 CO2 含量。 现现在在大大气气：以 N2 和 O2 为主。出现生命之前，地球上大气中游离态
3、氧极少，少量氧气也是由太阳辐射裂解水汽产生。后来，地球上氧气主要是由植物光合作用产生的，生物圈的作用使地球大气进一步演化。此后，臭氧层浓度增加，促进了生命诞生以及氧气释放。2 2、掌握地球大气的成分及其重要性（干洁大气、水汽、气溶胶）、掌握地球大气的成分及其重要性（干洁大气、水汽、气溶胶） 。大约在 85 公里以下的大气层，对流、湍流盛行，大气湍流扩散作用远大于分子扩散作用，这层大气的组分比例相同，称匀和层匀和层(曾称均质层)。匀和层内干洁空气的平均分子量约 28.96。约 110 公里以上的大气层，分子扩散作用超过湍流扩散作用，称非匀和层非匀和层，这层大气的组分经重力分离后,轻的在上、重的在
4、下，干洁空气的平均分子量随高度的增加而减小。85110 公里是从湍流混合为主过渡到分子扩散为主的过渡带，称湍流层顶。湍流层顶附近湍流扩散和分子扩散具有同样重要性，大气成分具有从匀和层向非匀和层过渡的特点。匀和层大气成分基本不变的气体成分：主要成分氮、氧、氩占大气总体积的 99.96。其余气体均是微量。在 85 公里以下，氮、氧等主要气体各自所占的体积比在各高度上基本相同。可变的气体成分主要有二气化碳、水汽、臭氧等。这些气体含量虽少，它们对大气物理状况的影响却很大。匀和层大气成分：匀和层大气成分：大气中除了氧、氮等气体外，还悬浮着水滴（如云滴、雾滴） 、冰晶和固体微粒(如尘埃、孢子、花粉等)。大
5、气中的悬浮物常称为气溶胶质粒。没有水汽和悬浮物的空气，称干洁空气。二氧化碳。在 1120 公里以下，二氧化碳的分布比较均匀，相对含量基本不变。由于工业的2发展、化石燃料（如：煤、石油、天然气）燃量的增加、森林覆盖面积的减少，二氧化碳在大气中的含量有增加的趋势。其中，人类对 CO2 增加发挥着重要作用。 臭氧。主要分布在 1050 公里之间，尤其集中在 2030 公里范围内。臭氧强烈吸收太阳紫外辐射(0.20.29um)，保护地球上的生命免受过量紫外辐射的伤害，并使平流层大气的温度较快地随高度增加。大气低层的臭氧含量少，其主要来源是平流层湍流和大气光化学反应。高空的臭氧主要由光化作用形成。大气中
6、的臭氧总量很少，其分布随纬度和时间而异，主要在赤道上空形成，通过大气环流向高纬输送。 水汽。最为活跃，地球上生命对水的依赖和水的三相改变，使水汽不同于其他微量气体而具有重要性。 其他成分。随着工业的发展和化石燃料耗量的增多，污染性气体（例如二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、一氧化二氮、硫化氢、氨、一氧化碳等）将日渐增多。气溶胶质粒：匀和层内除气体成分外，悬浮着大量气溶胶质粒，其主要来源是地面。气溶胶的含量和分布随时间、地点、天气条件而变。大气气溶胶质粒的总浓度一般是低空多、高空少，陆地多、海上少，城市多、乡村少。它们使能见度变坏，影响辐射传输，有的能起凝结核的作用。非匀和层非匀和层大气成分：110
7、 公里以上的大气,各成分的铅直分布是按分子量（或原子量）的大小由下而上排列的。由此高度向上，原子氧逐渐增加，再向上依次为原子氧层、原子氦层（距地表10002400 公里）和原子氢层（2400 公里以上） 。3 3、掌握主要的气象要素和空气状态方程。、掌握主要的气象要素和空气状态方程。气象要素：气象要素：是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度 、日照、辐射、蒸发等。 气温：空气冷的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。气温的单位我国一般采用摄氏度。 气压：指大气的压强（P）
8、。是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。气压值一般采用水银气压表测量。单位为百帕（hPa） 。(海拔越高，气压越低；冬季要比夏季气压高；高纬度气压低)水汽压：大气中水汽的分压强称为水汽压，常以 e 表示。假设湿空气中水汽的摩尔分数为：，式中,分别是水汽和干空气的摩尔数，MV是水汽的V V dVn nn/,/VVVdddnmMnmM摩尔质量。则水汽的分压强应为：VeP 湿度：表示大气中水汽量多少的物理量。与云、降水等关系密切。大气湿度通常用下述物理量表示：A. 水汽压（e）和饱和水汽压; B. 相对湿度; C. 饱和差; D
9、. 混合比与比湿; E. 露点.其中，比湿为水汽与湿空气的质量比：VdVmqmm3混合比为水汽与干空气的质量比：，那么 r 与 q 有对应关系：Vdmrm1rqr相对湿度：在一定温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度：,()()( )VV WP TP TP T VSVSsPeUPe T 降水：指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、雪、冰雹等。降水量以毫米为单位。 风：空气的水平运动。风是向量，有数值大小（风速）和方向（风向） 。 云量：云是悬浮在大气中的小水滴、冰晶微粒或二者混合物的可见聚合群体，底部不接触地面（接触地面则为雾） ，且有一定厚度。 能见度：指视力正常的
10、人在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨出目标物的最大水平距离。单位用米或千米表示。蒸发：液体表面的气化现象。气象上指水由液体变成气体的过程。辐射：能量或物质微粒从辐射体向空间各方向发送的过程。气象上通常称太阳辐射为短波辐射，地球表面辐射和大气辐射为长波辐射。日照：表示太阳照射的时间的量，气象上通常提供的是观测到的实照时数。空气状态方程：空气状态方程：干空气状态方程：空气可以看成是有多种化学成分的混合理想气体。根据道尔顿分压定律，混合理想气体的压强等于组成混合气体的各成分的分压强之和：12.iPPPP混合理想气体的状态方程：湿空气的状态方程：水汽和干空气组成的混合理想气体称为湿空气，44
11、4、掌握大气静力学方程及其物理意义。、掌握大气静力学方程及其物理意义。大气压力：是指单位面积上直至大气上界整个空气柱的重量。大气在垂直方向上受到重力和垂直气压梯度力的作用并达到平衡时，称为大气处于流体静力平衡状态。大气静力学方程反映在重力作用下，大气处于流体静力平衡时气压随高度的变化规律。大气静力学基本方程的物理意义就是在相对于地面呈静止状态的大气中，单位质量空气所受到的重力与垂直气压梯度力处于平衡。所以大气静力学基本方程又称大气静力平衡方程，简称静压方程。其方程式是：dp/dz=-g（ 表示空气密度）分析静力学方程可得到以下几点结论：1.当 dz0 时，dp400 时，可用几何光学处理。瑞利
12、散射时，散射光强与入射光波长的四次方成反比。波长愈短的电磁波，散射愈强烈 。由于蓝光波长较短，其散射强度比波长较长的红光强，因此散射光中蓝光的成份较多。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段；使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动。米散射：当球形粒子的尺度与波长可比拟时，发生的散射为米散射。此时必须考虑散射粒子体内电荷的三维分布。此散射情况下，散射粒子应考虑为由许多聚集在一起的复杂分子构成，它们在入射电磁场的作用下 ,形成振荡的多极子 ,多极子辐射的电磁波相叠加，就构成散射波。米散射强度比瑞利散射大得多，散射强度随波长的变化不如瑞利散射
13、那样剧烈。8 8、熟悉实际大气中的散射过程、熟悉实际大气中的散射过程大气散射（atmospheric scattering） ，太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是对于一定大小的分
14、子来说，散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。有选择性的。例如波长为 0.7 微米时的散射能力为 1，波长为 0.3 微米时的散射能力就为 30。因此，太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青蓝色就是因为辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。各种波长都同样被散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的
15、。有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射，将前者称为散射，后者称为漫射。119 9、了解大气光学现象的产生原因、了解大气光学现象的产生原因大气层对光的散射和吸收，出现了一系列的大气光学现象，包括白昼天空的发光、曙光、暮色等。大气光学现象的产生与光的传播以及光与介质相互作用的规律光的传播以及光与介质相互作用的规律是分不开的。蓝天、白云、红日其实都是太阳光被大气散射的结果。当阳光进入地球的大气层后,空气和水蒸气的分子吸收部分阳光，再向四面八方辐射，这种现象称为散射。虹霓现象是大气中的水滴对阳光折射、色散和全反射所产生的综合效应。曙暮光的天空亮度和色彩变化与大气的结构有关。第三章第三章 大气热
16、力学大气热力学1 1、熟悉大气热力学基本规律。、熟悉大气热力学基本规律。热力学第一定律 ：也也叫叫能量不灭原理 ，就就是是能能量量守守恒恒定定律律 。定定义义自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。U = Q+ W（这里的 W 是外界对系统做的功）（分孤立系、封闭系、开放系3 种）热力学第二定律热力学第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。2 2、掌握干空气和未饱和湿空气及饱和湿空气的绝热变化。、掌握干空气和未饱和湿空气及饱和湿空气的绝热变化。绝热过程：由于空气能通过湍流交换、辐射和分子热传导与环境交换热量，故不是绝热的。但对于运动着的气块，特别是垂直运动的空气，其空气压缩或膨胀对温度产生的影响远大于空气与外界环境交换热量产生的影响
