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1、1,大气物理学,张泽锋 025-58699897 气象楼1223,2,成绩,平时成绩: 20%; 期中成绩: 30%; 期末成绩: 50%.,3,参考书目：,1.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 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. 盛裴轩,毛节泰等. 大气物理学, 北大出版社, 2003,4,学科位置按研究范畴大体可划分为：自然科学：数、理、化、天、 地、生、工 程 与材料科学、 信息科学、管理科学社会科学,5,地球科学包括 大气科学 、海洋科学、地理学
2、、地质学等 大气科学基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天气学、气候学、大气探测学应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染气象、人工影响天气等,6,大气物理学 一、定义主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。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。二、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,7,1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶20世纪中叶）,大气物理学发展简史,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,8,1908，德国物
3、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,9,2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）,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。,1）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,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
4、射学的研究,10,第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化,11,12,第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化一、宇宙的起源 大爆炸学说,按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的学生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为“大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。,13,他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹，目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。198
5、9年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与2735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是“大爆炸”模型最令人信服的证据之一。通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。,14,膨胀理论,上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙极速膨胀为原来的11050倍，然
6、后减缓为近乎常速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。 可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。 上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。,15,膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离,16,宇宙无限论：有限无界论：,在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论，即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无限的天体分布在无限的空间之中。,1917年，Albert Einstein在广义相对论的基础上，提出了有限无界的静态宇宙模型。认为宇宙是有限无边的，即宇宙空间的体
7、积是有限，是一个弯曲的封闭体，这个弯曲的封闭体没有边界，类似一个球面，面积有限，但沿着球面运动总是遇不到“边”。该理论拉开了现代宇宙学研究的序幕。,17,二、地球与宇宙,银河系中心,银河系与河外星系,18,太阳系,19,2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。,20,21,22,23,24,25,26,27,28,地球形成,50亿年前，地球的轮廓
8、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。,29,30,31,32,33,34,第二节 大气组成一、气体成分,35,第二节 大气组成一、气体成分,90km以上大气,1）空气分子大部分都发生离解； 2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量（或原子量）大小排列。从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H,36,第二节 大气组成一、气体成分,90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层,1）按浓度时空变化是否明显来分， 分为：,定常成分：浓度的时空变化不明显 的气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体,可变成分：定义略。例如，水汽、CO2
9、、O3、CH4等,37,2）按浓度,主要气体：浓度1%，包括N2、O2、Ar,微量气体：1ppm1%，包括CO2、CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（2 ppm4%,痕量气体： 1ppm，包括（见表）,38,39,大气的组成饼图,一些概念,40,干洁大气：不含水汽和悬浮颗粒物的大气,平均分子量：90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化,空气密度：标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，干空气密度为1.29kg/m3,41,4、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
10、、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。,42,43,地表上的水 全球年水量平衡,44,b) CO2 c) O3,45,The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%. This increase is primarily due to
11、 the burning of fossil fuels (also some loss of biomass),46,Fig. 1-4, p. 7,47,Fig. 1-3, p. 6,48,Increase in catastrophic flood events,49,Global average sea level has risen and ocean heat content has increased,50,Increase in frequency and intensity of droughts,Source: OSTP,51,Snow cover and ice exten
12、t have decreased,复习,大气物理 行星大气 地球大气的演化现代大气的组成,52,大气污染,53,54,55,56,57,58,59,60,历 年 的 南 极 臭 氧,61,62,紫外辐射的波段、人体健康影响和臭氧层的吸收作用,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,全球年总降水量=500000 km3 全球年总蒸发量=500000 km3陆地年总降水量=110000 km3 陆地年总蒸发量= 70000 km3 余40000 km3,78,三、大气气溶胶粒子1、定义： 尺度范围：1nm-100m,大气中分散、悬浮有液体或固体微粒
13、时的气体和悬浮物的总体系称为大气气溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒子。,79,2、分类1）云降水学分类（按半径分类）2）大气环境学分类,爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。 大核：半径在0.1到1微米之间。 巨核：半径大于1微米。,TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、灰霾、等。,80,3、大气气溶胶粒子的源和汇1）源,据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。包括海水飞沫（见下图）、气粒转换、风扬沙尘、火山爆发,81,82,2）汇即气溶胶粒子被移出大气的过程。,按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出。,83,干移出过程：指质粒在干的状况下移出大
14、气的过程。包括重力下沉、附粘移出。湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。,84,4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用,1）在云雾降水中的作用；可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei),2）对大气辐射过程的影响；吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。,85,3）对大气光学特性的影响；对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。,86,4）对大气电学特性的影响气溶胶粒
15、子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小,87,5）在大气化学过程中的作用。气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。,88,第三节 大气的垂直结构 大气上界：物理现象上界为 1200km( 极光出现高度）；大气密度上界为20003000km ( 接近于星际气体密度1个/cm3的高度）,分层标准： （1）按温度随高度的变化,（2）按大气成分是否混合均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分： 均匀层、非均匀层,89,（3）按电离状况分,（4）按O3浓度分：臭氧层（1050km)非臭氧层,（5）按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分,一、按温度随高度的变化分为对流层、平
16、流层、中层、热层、外层,90,91,1、对流层（12km以下）,在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。 以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。特点：,92,1)、温度随高度的增加而降低，气温递减率为6.5/km,定义气温递减率：高度每升高单位高度气温降低的度数。,2)、对流层中的垂直运动显著。,3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽,93,4)、云雾降水均发生在此层,5)、受地表影响最强烈，空气属性的 水平分布很不均匀,94,2、平流层（12km55km),1)25km以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加,2)平流层气流运动主要以水平运动为主.,3)水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。,4）大气污染物进入平流层后能长期存在,95,3、中层（85 km),
