第2章 地球大气(1)

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1、第二章第二章 地球大气地球大气第一节第一节 地球及其大气地球及其大气n宇宙中有宇宙中有10102222个星系，太阳系就是其中的个星系，太阳系就是其中的一个。一个。n太阳系由太阳系由8 8颗行星以及小行星，慧星和尘颗行星以及小行星，慧星和尘埃等组成。埃等组成。n这这8 8颗行星依次是水星，金星，地球，火颗行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星星，木星，土星，天王星，海王星. . 太阳系、行星和地球太阳系、行星和地球太阳系行星的体积和自转方向的比较太阳系行星的体积和自转方向的比较太阳和行星的基本数据太阳和行星的基本数据行星的不同性质行星的不同性质n内围星球：水星、金星、地球、

2、火星。内围星球：水星、金星、地球、火星。这些星球是固体的，其大气有一个固体这些星球是固体的，其大气有一个固体的下垫面的下垫面n外围星球：木星、土星、天王星，海王外围星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。这些星球具有固态或液态星和冥王星。这些星球具有固态或液态的核心，并逐步向气态过渡，很难定义的核心，并逐步向气态过渡，很难定义一个明确的大气下垫面。一个明确的大气下垫面。地球地球n地球离开太阳的平均距离是地球离开太阳的平均距离是1.5x101.5x108 8 km km， 即即1 1个天文单位。个天文单位。n地表和大气主要是被太阳加热的。地表和大气主要是被太阳加热的。n太阳的能量驱动着大气中的

3、所有变化：冷暖和太阳的能量驱动着大气中的所有变化：冷暖和刮风、下雨。刮风、下雨。n地球表面的平均温度是地球表面的平均温度是15150 0C C，这是很幸运的，这是很幸运的，因为人类和自然界大量的生物是适应这一条件因为人类和自然界大量的生物是适应这一条件的。的。. . 大气的成分大气的成分n大气的成份主要是氮（大气的成份主要是氮（N2,占占78%)，氧，氧 （O2,占占21%)。还有少量的。还有少量的 H2O, CO2, O3, CH4, N2O 以及惰性气体以及惰性气体Ar, He, Ke,.n如果只考虑大气中数量最多的气体，如果只考虑大气中数量最多的气体， N2, O2, 那么这二种成分的比

4、值一直到那么这二种成分的比值一直到90公里还是不变公里还是不变的，称为均匀混合层。的，称为均匀混合层。n大气中变化最大的气体是大气中变化最大的气体是H2O和和O3。 干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气） 水汽水汽水汽水汽 悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质一、干洁大气一、干洁大气一、干洁大气一、干洁大气 地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成: : : : 干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：

5、干洁大气的定义及其成分变化： 定义：定义：定义：定义： 除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。外的整个混合气体。外的整个混合气体。外的整个混合气体。 成分变化：成分变化：成分变化：成分变化： 090km090km，主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。 90km90km以上，以上，以上，以上，氮稍有减少氮稍有减少氮稍有减少氮稍有减少, , , ,氧稍有增多氧稍

6、有增多氧稍有增多氧稍有增多, , , ,氩和二氧化碳氩和二氧化碳氩和二氧化碳氩和二氧化碳明显减少明显减少明显减少明显减少, , , ,其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解 。 各种成分介绍：各种成分介绍：各种成分介绍：各种成分介绍： 各成分总体状况：各成分总体状况：各成分总体状况：各成分总体状况：表表表表2-1 2-1 干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度25km25km以下）以下）以下）以下）气体成分气体成分气体成分气体成分所占体积（所占体积（所占体积（所占体积（% % % %）临

7、界温度（临界温度（临界温度（临界温度（）临界压强（大气压）临界压强（大气压）临界压强（大气压）临界压强（大气压）氮氮氮氮78.0878.0878.0878.08-147.2-147.2-147.2-147.233.533.533.533.5氧氧氧氧20.9520.9520.9520.95-118.9-118.9-118.9-118.940.740.740.740.7氩氩氩氩0.930.930.930.93-122.0-122.0-122.0-122.048.048.048.048.0二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳0.0320.0320.0320.03231.031.031.031.073.0

8、73.073.073.0臭氧臭氧臭氧臭氧0.000060.000060.000060.00006-5.0-5.0-5.0-5.092.392.392.392.3干洁大气干洁大气干洁大气干洁大气100100100100-140.7-140.7-140.7-140.737.237.237.237.2 氮气氮气氮气氮气（N N N N2 2 2 2）： 存在方式：存在方式：存在方式：存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。 作用：作用：作用：作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的是有机体的基本组成部分，也

9、是合成氮肥的是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料基本原料基本原料基本原料。自然条件下自然条件下, ,氮气只能通过闪电雷暴作成形成氮气只能通过闪电雷暴作成形成, ,通过降通过降水过程被植物和土壤吸收利用。水过程被植物和土壤吸收利用。 氧气氧气氧气氧气（O O O O2 2 2 2）： 作用：作用：作用：作用： 是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体； 积极参与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程；积极

10、参与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程； 对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。 臭氧臭氧臭氧臭氧（O O O O3 3 3 3）： 时空变化：时空变化：时空变化：时空变化： 时间变化：时间变化：时间变化：时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。 空间变化：空间变化：空间变化：空间变化：水平：水平：水平：水平：由赤道向两极增加。由

11、赤道向两极增加。由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。垂直：垂直：垂直：垂直： 5555555560km60km60km60km，含量极少。含量极少。含量极少。含量极少。 2020202025km25km25km25km，达最大值，形成臭氧层；达最大值，形成臭氧层；达最大值，形成臭氧层；达最大值，形成臭氧层； 1212121215km15km15km15km以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著； 从从从从10km10km10km10km向上，逐渐增加；向上，逐渐增加；向上，逐渐增加；向上，逐渐增加； 近地面，含量很少；近地面，含量很少；近

12、地面，含量很少；近地面，含量很少； 作用：作用：作用：作用： 对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。 对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。 二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳（COCOCOCO2 2 2 2）： 来源：来源：来源：来源： 生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。和分解

13、、火山喷发作用等。和分解、火山喷发作用等。和分解、火山喷发作用等。 时空变化：时空变化：时空变化：时空变化： 时间变化：时间变化：时间变化：时间变化： a) a) a) a) 白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于 黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。 b) b) b) b) 工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。 空间变化：空间变化：空间变化：空间变化：水平：水平：水平：水平：城市大于农

14、村；城市大于农村；城市大于农村；城市大于农村；垂直：垂直：垂直：垂直： 0 0 0 020km20km20km20km，含量最高；含量最高；含量最高；含量最高； 20km20km20km20km以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。 作用：作用：作用：作用： 绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。 强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射

15、、大气辐射），使 地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生“ “温室效应温室效应温室效应温室效应” ”。二、水汽二、水汽二、水汽二、水汽 来源：来源：来源：来源： 主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。植物表面的蒸腾。植物表面的蒸腾。植物表面的蒸腾。 时间：时间：时间：时间：夏季多于冬季夏季多于冬季夏季多于冬季夏季多于冬季 空间：空间：空间：空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。

16、一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。 时空变化：时空变化：时空变化：时空变化： 作用：作用：作用：作用： 在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。 能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放 出长波辐射，出长波辐射，出长波辐射，出长波辐射，对大气起着对大气起着对大气起着对大气起着“ “温室效应温室效应

17、温室效应温室效应” ”。 大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种固体和液体微粒固体和液体微粒固体和液体微粒固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和（包括气溶胶粒子和（包括气溶胶粒子和（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。大气污染物质两大部分）。大气污染物质两大部分）。大气污染物质两大部分）。 三、大气中的杂质三、大气中的杂质三、大气中的杂质三、大气中的杂质 气溶胶粒子气溶胶粒子气溶胶粒子气溶胶粒子： 定义：定义：定义：定义： 分类：分类：分类：分类：液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒 固体质粒的来源：固体质粒的来源：固体质粒的

18、来源：固体质粒的来源： 有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌等；等；等；等； 大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在10101010-4-4-4-4mmmm到到到到100m100m100m100m之间之间之间之间的固态和液态微粒。的固态和液态微粒。的固态和液态微粒。的固态和液态微粒。 无机质数量较多，无机质数量较多，无机质数量较多，无机质数量较多，主要来源于：主要来源于：主要来源于：主要来源

19、于：尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪 花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。等。等。等。 作用：作用：作用：作用： 吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地 面的太阳辐射；面的太阳辐射；面的太阳辐射；面的太阳辐射； 缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲

20、地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而 失去的热量；失去的热量；失去的热量；失去的热量； 降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度； 充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。 大气中的污染物质大气中的污染物质大气中的污染物质大气中的污染物质： 定义：定义：定义：定义： 由于

21、人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。的大气成分发生对生物界有害的变化。的大气成分发生对生物界有害的变化。的大气成分发生对生物界有害的变化。 分布：分布：分布：分布： 空间上空间上空间上空间上垂直：主要集中在垂直：主要集中在垂直：主要集中在垂直：主要集中在3km3km以下的低层大气中；以下的低层大气中；以下的低层大气中；以下的低层大气中；水平：水平：水平：水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市

22、多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。 时间上时间上时间上时间上：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。 来源：来源：来源：来源： 自然过程形成。自然过程形成。自然过程形成。自然过程形成。 人为过程造成。人为过程造成。人为过程造成。人为过程造成。 工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，

23、农业上工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。大气中的可变化成分大气中的可变化成分1、水汽水汽1、水汽：占大气总质量的水汽：占大气总质量的0.25%0.25%，浓度随高度迅速，浓度随高度迅速减少，主要存在于近地面减少，主要存在于近地面3 3公里以下的层次，水汽公里以下的层次，水汽在大气中的平均停留时间为在大气中的平

24、均停留时间为1010天。天。水汽在大气中的平均停留时间水汽在大气中的平均停留时间n如上图所示，大气中的水量是如上图所示，大气中的水量是1313个单位，每个单位，每年全球的降水量是年全球的降水量是423423个单位。个单位。2、CO2n占大气总质量的占大气总质量的0.037%。n通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。燃料燃烧进入大气。n它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学反应。反应。CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2CO2+H2O+ CH2O+O2n在大气中的停

25、留时间大约是在大气中的停留时间大约是15 year year。3、O3n主要存在于大气平流层，可以吸收太阳主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的紫外辐射，对地面生命有保护作用。的紫外辐射，对地面生命有保护作用。n对流层臭氧对人体有害。对流层臭氧对人体有害。n平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反应生成臭氧。子反应生成臭氧。4、气溶胶、气溶胶n液态或固态微粒在空气中的悬浮体系液态或固态微粒在空气中的悬浮体系. .它们能作为水它们能作为水滴和冰晶的凝结核滴和冰晶的凝结核, ,太阳辐射的吸收体和散射体

26、太阳辐射的吸收体和散射体, ,并参并参与各种化学循环与各种化学循环, ,是大气的重要组成部分。它的来源是大气的重要组成部分。它的来源包括：包括：1.1.被风扬起的细沙和微尘、被风扬起的细沙和微尘、2.2.海水溅沫蒸发而成的颗粒、海水溅沫蒸发而成的颗粒、3.3.火山喷发、火山喷发、4.4.森林或其它生物体燃烧的烟尘、森林或其它生物体燃烧的烟尘、5.5.人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、6.6.矿物燃料燃烧过程中排放的矿物燃料燃烧过程中排放的SO2在大气中氧化后形成的硫酸在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子盐粒子7.7.燃烧石油和天然气等排放的燃烧石油和天然气等排放的NOx，CO,

27、 CH等在大气中经过光等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子化学反应形成的硝酸盐粒子8.8.其它大气化学过程形成的气溶胶粒子其它大气化学过程形成的气溶胶粒子n气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷显微镜下的气溶胶颗粒图像显微镜下的气溶胶颗粒图像显微镜下的气溶胶颗粒图像显微镜下的气溶胶颗粒图像大气成分的性质大气成分的性质行星大气的成分行星大气的成分为什么行星具有不同的大气成分？为什么行星具有不同的大气成分？地球、木星和海王星大气均存在涡旋运动，地球、木星和海王星大气均存在涡旋运动，但它们的性质不尽相同，因为后两者没有但它们的性质不尽相同，因为后两者没有固态下垫

28、面固态下垫面第二节第二节 地球大气的演化地球大气的演化一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了宇宙。其过程有点类似于一一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了宇宙。其过程有点类似于一个核弹的爆炸，原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。个核弹的爆炸，原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。2.1 从大爆炸理论(Big Bang)说起宇宙演化的时间尺度宇宙演化的时间尺度n宇宙的形成大约在宇宙的形成大约在150150亿年亿年前；前；n银河系形成大约在银河系形成大约在130130亿年亿年前；前；n太阳系形成在太阳系形成在5050亿年前；亿年前；n地球的生命

29、大约是地球的生命大约是4646亿年。亿年。宇宙元素的演化宇宙元素的演化n最初的宇宙仅包含氢最初的宇宙仅包含氢(H)(H)和少量的氦和少量的氦(He)(He)原子。原子。n在最初的在最初的100100亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许多中心，在万有引力的作用下，气体分别向这些中心多中心，在万有引力的作用下，气体分别向这些中心收缩，出现许多原星体。收缩，出现许多原星体。n这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其内部温度也越来越高。当温度升高到内部温度也越来越高。当温度升高到10001000万度以上时，万度以上时，

30、原星体会内部将发生核反应，形成了原星体会内部将发生核反应，形成了重元素重元素。这些聚。这些聚变过程伴随产生大量的辐射能，使原星体转变为发光变过程伴随产生大量的辐射能，使原星体转变为发光的恒星体。的恒星体。n特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经形成的不同的元素散布到星际空间去。形成的不同的元素散布到星际空间去。地球的形成地球的形成n太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固星体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体，它们形成行星，卫星及大气。体微粒和气体，它们形

31、成行星，卫星及大气。n原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳系中心体中运动的气体和宇宙尘借引力吸积系中心体中运动的气体和宇宙尘借引力吸积而成。它一边增大，一边扫并轨道上的微粒而成。它一边增大，一边扫并轨道上的微粒和气体，一边在引力作用下收缩。随着和气体，一边在引力作用下收缩。随着“原原地球地球”转变为转变为“地球地球”，地面逐渐冷却为固，地面逐渐冷却为固体，原始大气也就同时包围地球表面。体，原始大气也就同时包围地球表面。地球大气的演化地球大气的演化n地球自从它形成以来，大约地球自从它形成以来，大约4646亿年。其大气的亿年。其大气的演变可分为三个阶段：演变

32、可分为三个阶段：原生大气，次生大气、原生大气，次生大气、现代大气现代大气。n原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约原始大气出现约4646亿年，比原始人类出现（几亿年，比原始人类出现（几百万年）早百万年）早3 3个数量级，比人类有文字记载的个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早历史（数千年）早6 6个数量级。因此只能在现个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。2.2 原生大气n原生大气的成分是以

33、原生大气的成分是以氢氢和少量的和少量的氦氦为主。为主。n但原生大气存在不太久（大约数千万年）。但原生大气存在不太久（大约数千万年）。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。上吹走，刮向茫茫太空。2.3 次生大气n次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是按现代火山喷发的成分，主要是水汽（水汽（79%79%）、）、二氧化碳（二氧化碳（12%12%）、甲烷，）、甲烷，还有一些还有一些氨氨和和硫硫的的化合物

34、。化合物。n次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。快和铁反应形成氧化铁。次生大气次生大气n次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，风雨闪电交加。江河湖海等水体，风雨闪电交加。n次生大气笼罩的时间大约次生大气笼罩的时间大约4646亿年前到

35、亿年前到2020亿年前。亿年前。最原始的生命在这个时期已经出现（大约最原始的生命在这个时期已经出现（大约3535亿亿年前）。年前）。2.4 现代大气n地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜测的是当时的大气含有甲烷可以猜测的是当时的大气含有甲烷(CH4) 和氨和氨(NH3)，而非现在丰富的，而非现在丰富的(CO2)和和(N2O)，但没但没有氧。有氧。n为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导致大气朝着氧化态演化：一

36、个是可能的机制导致大气朝着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（铁质地核的形成（为什么？为什么？）。铁从地幔中的）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如中输送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一等。另一个是氢的逃逸。当氢从个是氢的逃逸。当氢从CH4和和NH3分离出来并分离出来并逃逸之后，大气变更易于被氧化。逃逸之后，大气变更易于被氧化。n如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地球的引力势能也就是须超过地球的引力势能也就是(1).(1).从（从（1 1），我），我们可以得到

37、（们可以得到（2 2）。根据（）。根据（2 2），我们知道，在），我们知道，在500km500km的高度，该分子的逃逸速度为的高度，该分子的逃逸速度为10.77kms10.77kms-1-1. .(1)(2)M M为分子质量，为分子质量，r r为该分子为该分子距地心的距离。距地心的距离。现代大气现代大气n现代大气的主要成份是现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出现是现等。其中，自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生代大气形成的重要标志。氧的出现与生命的出现和演化有着重要关系。命的出现和演化有着重要关系。n因此，氧气的起源成为人们最为关心的因此，氧气

38、的起源成为人们最为关心的问题。问题。2.5 氧的起源n早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于H2O和和CO2中。中。n氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从H2O和和CO2分解分解而来；另一种是生物的光合作用。而来；另一种是生物的光合作用。n如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。的逃逸

39、速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。n生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把H2O和和CO2转化为转化为O2，碳则存储在生（植）物中。，碳则存储在生（植）物中。nCO2+nH2O+(CH2O)n +nO2氧的起源氧的起源n最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以制中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以制造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大分子。它们都可能是生命的来源。

40、分子。它们都可能是生命的来源。n因为当时没有臭氧层，太阳的短紫外辐射会破坏生命，因为当时没有臭氧层，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通过光合作用产生氧气。命又可以通过光合作用产生氧气。n到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积也加快。快，氧累积也加快。氧气浓

41、度的变化氧气浓度的变化（Holton，2004）生命的演化生命的演化大气演化中的氧和臭氧大气演化中的氧和臭氧Gaia假说假说n上面的关于上面的关于“生命的光合作用产生了氧气，并为生命的光合作用产生了氧气，并为生命本身的演化创造了一个环境生命本身的演化创造了一个环境”的学说被的学说被James Lovelock称之为称之为“Gaia Hypothesis”。Gaia是是“地球之神地球之神”的意思。的意思。n但是，该假说似乎与达尔文主意但是，该假说似乎与达尔文主意（Darwinism）相矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境相矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境而改变自己，也就是而改变自己，

42、也就是“适者生存适者生存”。2.6 人类活动对大气成分的影响n从上面的讨论我们可以看到，地球大气从上面的讨论我们可以看到，地球大气势在不断演变的。工业革命（势在不断演变的。工业革命（1860年）年）之前的演变可以认为是自然变化。之前的演变可以认为是自然变化。n工业革命之后，人类对大气或环境的改工业革命之后，人类对大气或环境的改变影响在加大，而且，这种影响是达到变影响在加大，而且，这种影响是达到了无法忽略的程度。了无法忽略的程度。人类活动对以下大气成分的改变影响显著人类活动对以下大气成分的改变影响显著1.1.化石燃料和生物体的燃烧导致大气中化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升高，含量升高

43、，煤的燃烧导致煤的燃烧导致SO2含量升高。含量升高。2.2.汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。增加。3.3.人工固氮导致大气中氮的减少。人工固氮导致大气中氮的减少。4.4.人工制造的制冷剂人工制造的制冷剂CFCs的泄漏导致大气中的泄漏导致大气中CFCs含量含量增加，增加，CFCs在大气平流层分解后产生的氯造成平流层在大气平流层分解后产生的氯造成平流层O3减少。减少。5.CO2等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水汽含量增加。气中水汽含量增加。CO2含量的增加含量的增加甲烷（甲烷（

44、CH4）的增加）的增加最近最近1000年的温度变化年的温度变化（最近（最近150年温度升高很快）年温度升高很快）最近最近130年的温度变化年的温度变化（最近（最近30年温度升高很快）年温度升高很快）自上个世纪自上个世纪70年代末，平流层年代末，平流层臭氧急剧减少臭氧急剧减少右图：南极臭氧洞在加强右图：南极臭氧洞在加强左图：在左图：在2000年臭氧洞的面积是有记录以年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次，已经延伸到了南美大陆来最大的一次，已经延伸到了南美大陆观测给出的全球温度的逐年变化观测给出的全球温度的逐年变化（来自（来自GISS/NASA）n根据温度的垂直变化，大根据温度的垂直变化，大气分为：

45、对流层、平流层、气分为：对流层、平流层、中层、热层等。中层、热层等。n我们平常关心的大气层是我们平常关心的大气层是对流层，对流层，0-100-10公里。大气公里。大气越往上越稀薄，最后融合越往上越稀薄，最后融合到宇宙空间。到宇宙空间。n虽然大气层没有真正的顶，虽然大气层没有真正的顶，一般我们认为大气层的厚一般我们认为大气层的厚度为度为10001000公里。公里。第三节第三节 大气的垂直结构大气的垂直结构为什么大气的垂直温度分布是这样的？为什么大气的垂直温度分布是这样的？n为什么大气温度随高度会有现在这样的为什么大气温度随高度会有现在这样的变化？这是一个需要想清楚的问题。变化？这是一个需要想清楚

46、的问题。n如果没有特殊原因，大气温度也应该随如果没有特殊原因，大气温度也应该随高度单调递减。但现在有些层次温度是高度单调递减。但现在有些层次温度是上升的，必须有热源。在平流层温度升上升的，必须有热源。在平流层温度升高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸收。收。金星和火星的垂直温度结构金星和火星的垂直温度结构VenusMars木星的垂直温度结构木星的垂直温度结构大气的密度和气压大气的密度和气压n在重力的作用下，大气在重力的作用下，大气分子主要集中在近地面，分子主要集中在近地面，大气密度和气压随高度大气密度和气压随高度呈指数递减呈指数递减n90%90%的大气质量或分子

47、位的大气质量或分子位于于1010公里以下公里以下n标准大气压：标准大气压：76cm Hg=1013.25mb=1013.25hPa 从太空看大气层从太空看大气层 对流层：对流层：对流层：对流层： 厚度变化厚度变化厚度变化厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为1717171718km18km18km18km；中纬地区：平均为中纬地区：平均为中纬地区：平均为中纬地区：平均为1010101012km12km12km12km；高纬地区：平均为

48、高纬地区：平均为高纬地区：平均为高纬地区：平均为8 8 8 89km9km9km9km；时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。 特点：特点：特点：特点： 主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。 温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。（平均高度每升高平均高度每升高平均高度每升高平均高度每升高100m100m100m100m， 气温下降气温下降气温下降气温下降0.650.650.650.65。）。）。）。） 空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱

49、流运动。空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。 气象要素的水平分布不均匀。气象要素的水平分布不均匀。气象要素的水平分布不均匀。气象要素的水平分布不均匀。 平流层：平流层：平流层：平流层：对流层顶对流层顶对流层顶对流层顶55km55km55km55km 25km25km25km25km以下，气温保持不变；以下，气温保持不变；以下，气温保持不变；以下，气温保持不变；25km25km25km25km以上，气温随高度增加以上，气温随高度增加以上，气温随高度增加以上，气温随高度增加 而显著升高。而显著升高。而显著升高

50、。而显著升高。 空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。空气运动以水平运动为主，无明显的垂直运动。 水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流水汽和尘埃含量极少，晴朗少云，大气透明度好，气流 比较平稳，适宜于飞机航行。比较平稳，适宜于飞机航行。比较平稳，适宜于飞机航行。比较平稳，适宜于飞机航行。 中间层：中间层：中间层：中间层：平流层顶平流层顶平流层顶平流层顶85km85km85km85km 气温随高度增加迅

51、速下降，顶部气温可降至气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至气温随高度增加迅速下降，顶部气温可降至-83-83-83-83以下。以下。以下。以下。 空气有强烈的垂直运动，故又称之为空气有强烈的垂直运动，故又称之为空气有强烈的垂直运动，故又称之为空气有强烈的垂直运动，故又称之为“ “高空对流层高空对流层高空对流层高空对流层” ”。 热成层热成层热成层热成层( ( ( (热层、暖层、电离层热层、暖层、电离层热层、暖层、电离层热层、暖层、电离层) ) ) )：中间层顶中间层顶中间层顶中间层顶800km 800km 800km 800km 气温随高度增加迅速上升。

52、气温随高度增加迅速上升。气温随高度增加迅速上升。气温随高度增加迅速上升。 空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生空气质点在太阳紫外辐射和宇宙高能粒子作用下，产生 电离现象。电离现象。电离现象。电离现象。 散逸层：散逸层：散逸层：散逸层： 这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是这一层中的大气物质具有向星际空间散逸的特性，是大气圈与星际空间的过渡地带。大气圈与星际空间的过渡地带。大气圈与星际空间

53、的过渡地带。大气圈与星际空间的过渡地带。二、大气上界二、大气上界二、大气上界二、大气上界 根据大气中根据大气中根据大气中根据大气中极光出现的最大高度极光出现的最大高度极光出现的最大高度极光出现的最大高度，大气上界的高度为，大气上界的高度为，大气上界的高度为，大气上界的高度为1,0001,0001,0001,0001,200km1,200km1,200km1,200km。 另一种是另一种是另一种是另一种是以大气密度接近星际气体密度的高度以大气密度接近星际气体密度的高度以大气密度接近星际气体密度的高度以大气密度接近星际气体密度的高度作为标准，作为标准，作为标准，作为标准，大气上界约在大气上界约在大

54、气上界约在大气上界约在2,0002,0002,0002,0003,000km3,000km3,000km3,000km高度处。高度处。高度处。高度处。 第四节第四节 大气的物理性质大气的物理性质一、大气的质量一、大气的质量一、大气的质量一、大气的质量 假定大气是均质的，以气温假定大气是均质的，以气温假定大气是均质的，以气温假定大气是均质的，以气温0000时、时、时、时、45454545 N N N N（或或或或45454545 S S S S）处、海平面上的大气密度处、海平面上的大气密度处、海平面上的大气密度处、海平面上的大气密度0 0 0 0为标准（为标准（为标准（为标准（ 0 0 0 0

55、=1.293kg.m=1.293kg.m=1.293kg.m=1.293kg.m-3-3-3-3），），），），则此时大气厚度（则此时大气厚度（则此时大气厚度（则此时大气厚度（Z Z Z Z0 0 0 0）经理论计算约经理论计算约经理论计算约经理论计算约为为为为8,000m8,000m8,000m8,000m。于是于是于是于是单位截面积单位截面积单位截面积单位截面积的大气柱中空气的质量为：的大气柱中空气的质量为：的大气柱中空气的质量为：的大气柱中空气的质量为：m m m m0 0 0 0=0 0 0 0 Z Z Z Zo o o o=1.293=1.293=1.293=1.293 8000=1

56、0344kg.m8000=10344kg.m8000=10344kg.m8000=10344kg.m-2-2-2-2 假定条件下的大气质量：假定条件下的大气质量：假定条件下的大气质量：假定条件下的大气质量：据此推算，地球表面大气的总质量大约有据此推算，地球表面大气的总质量大约有据此推算，地球表面大气的总质量大约有据此推算，地球表面大气的总质量大约有5 5 5 5 1010101015151515t t t t。 二、气象要素二、气象要素二、气象要素二、气象要素 定义：定义：定义：定义：表示大气状态和特征的物理量和物理现象。表示大气状态和特征的物理量和物理现象。表示大气状态和特征的物理量和物理现

57、象。表示大气状态和特征的物理量和物理现象。 内容：内容：内容：内容： 日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸日射、温度、湿度、气压、风、云、降水、蒸发、能见度发、能见度发、能见度发、能见度和和和和天气现象天气现象天气现象天气现象等。等。等。等。 天气现象：天气现象：天气现象：天气现象： 在大气中或地面上产生的在大气中或地面上产生的在大气中或地面上产生的在大气中或地面上产生的降水、水汽凝结物降水、水汽凝结物降水、水汽凝结物降水、水汽凝结物（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电学现象，（云除外）、冻结物、干质悬浮物和

58、光、电学现象，（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电学现象，（云除外）、冻结物、干质悬浮物和光、电学现象，也包括一些也包括一些也包括一些也包括一些风的特征风的特征风的特征风的特征。 大风、飑大风、飑大风、飑大风、飑 常见天气现象：常见天气现象：常见天气现象：常见天气现象： 雨、阵雨、毛毛雨雨、阵雨、毛毛雨雨、阵雨、毛毛雨雨、阵雨、毛毛雨 雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、雪、阵雪、雨夹雪、阵性雨夹雪、霰、米雪、冰粒、 冰雹、冰针冰雹、冰针冰雹、冰针冰雹、冰针 雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞雾、

59、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞雾、轻雾、露、霜、雨淞、雾淞 吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰吹雪、雪暴、龙卷、积雪、结冰 沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、霾、尘卷风 雷暴、闪电、极光雷暴、闪电、极光雷暴、闪电、极光雷暴、闪电、极光第五节第五节 地球大气中的光电声现象地球大气中的光电声现象（一）大气中光的散射现象（一）大气中光的散射现象1.1.蔚蓝天空蔚蓝天空 2.2.霞光霞光 3.3.曙暮光曙暮光（二）大气中光的折射现象

60、（二）大气中光的折射现象1.1.蒙气差蒙气差 2.2.海市蜃楼海市蜃楼3.3.彩虹彩虹 4.4.晕晕 一、大气中的光学现象一、大气中的光学现象晕（三）大气中光的衍射现象（三）大气中光的衍射现象 1.1.华华 2.2.宝光环宝光环（四）大气中的其它光学现象（四）大气中的其它光学现象 夜天光夜天光、气辉气辉、极光极光、地光等等地光等等虹、霓 内紫外红内紫外红内紫外红内紫外红 内内内内红外紫红外紫红外紫红外紫（一）大气电场（一）大气电场 1. 1.晴天电场晴天电场 2. 2.扰动天气电场扰动天气电场 （二）天电（二）天电 天电是指大气中放电过程所引起的脉冲天电是指大气中放电过程所引起的脉冲电磁辐射，

61、最常见的现象就是闪电，此外还电磁辐射，最常见的现象就是闪电，此外还有雷暴放电有雷暴放电、尘暴放电和电晕放电等，有时尘暴放电和电晕放电等，有时也将某些人工放电过程如核爆炸引起的大气也将某些人工放电过程如核爆炸引起的大气放电等也包括在内。放电等也包括在内。 二、大气中的电学现象二、大气中的电学现象n闪电是积雨云云中、云间或云地之间发生放电时激发空气强烈闪光，并伴有雷声的物理过程。云内放电和云际放电形成云闪，云地间放电形成地闪。n闪电按形状分为线状闪电、带状闪电 、片状闪电、联珠状闪电和球状闪电，其中最常见的是线状闪电。地球表面每时每刻都有闪电发生，全球每秒有100300次闪电发生，其中约有20%是

62、地闪。闪电多出现在低纬度地区，但在两极地区有时也能观测到，陆地闪电的次数比海洋多一个数量级，白天闪电多于夜晚，夏季闪电多于冬季。n频率在1520000Hz之间的声波，频率低于15Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波。n大气中声波的声源可分为人工声源和自然声源两类。人工声源包括人工爆炸声、各种机器及交通工具发出的声音和人类活动的种种吵杂声等。自然声源包括火山爆发、流星穿入大气、海浪和地震激发的大气声波、鸟兽等动物的声音、风和地表的摩擦发声、强风暴系统中大气运动引起的湍流和对流发声、雷声以及极光发声等等。三、大气中的声学现象三、大气中的声学现象n大气中自然声源发出的声波具有极宽的频谱，高频端可达102103Hz的频率，低频端可达几分钟至几十分钟的周期。大部分自然声源主要产生的是大气次声波。（三）源于天气现象的声音（三）源于天气现象的声音n在大气中除了与人类及生物活动有关的声音外，还有许多单纯起源于天气现象的声音，如雷声、风的呼啸声、降水体的摩擦声等。n雷声是伴随闪电出现的大气发声现象，其声强的峰值频率为4125Hz。气流遇到山丘、建筑物、森林和树木以及电线等障碍物时，能够产生声音；由于风而掀起的海浪能够产生啸叫。雨、雪花等降水体在降落过程中与空气摩擦能够产生声音；冰雹云中的雹块与空气摩擦能够产生嗡嗡声。