“大气圈”课件.

2010年3月19日至21日，一次强沙尘暴天气过程先后影响我国21个省（区、市），沙尘一度蔓延到黄淮、江淮、江南北部等地，连我国台湾岛都受到了影响。内蒙古呼和浩特、吉兰太等地出现了强沙尘暴，北京出现扬沙、浮尘。---气象条件是其发生的主要原因。我国西南地区旱情非常严重,其中最关键的影响因素---气候第三章大气大气：连续包围地球的气态物质。第一节大气的组成与垂直分层一、大气的组成多种气体组成的混合物固体杂质液体。大气（一）干洁空气干洁空气：大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体。干洁空气中的所有成分都呈气体状态。氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）、二氧化碳（CO2）、O31.二氧化碳：温室气体成分包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）、臭氧（O3）、氟利昂或氯氟烃类化合物（CFCs）、氢代氯氟烃类化合物（HCFCs）、氢氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）。其中CO2、CH4、N2O、和O3是自然界中本来就存在的成分，而CFCs、HCFCs、HFCs、PFCs和SF6则完全是人类活动的产物。二氧化碳(CO2)图1-220世纪中叶以来大气CO2浓度变化趋势（据KeelingandWhorf2004，MaunaLoa观测站，有改动）图1-142万年以来大气CO2浓度变化（据Petitetal1999数据绘制）工业革命之前地球大气CO2基本上是在大气圈、海洋和陆地生态系统三个主要活动碳库之间自然地进行交换，处于动态平衡状态.CO2浓度不断增加的原因：①森林遭到大规模的破坏，CO2的生物汇在不断减少；②煤炭、石油和天然气等化石燃料的燃烧。海洋和陆地生物圈并不能完全吸收多排放到大气中的CO2，从而导致大气中的CO2浓度不断增加。目前，全世界每年燃烧煤炭，石油和天然气等化石燃料排放到大气中的CO2总量折合成碳大约是60亿吨；每年由于土地利用变化和森林破坏释放约15亿吨。而每年大气中碳的净增加大约是38亿吨，其余的37亿吨则被海洋和陆地生物圈吸收，其中海洋吸收约20亿吨，陆地生物圈吸收约17亿吨。可以看出，每年排放到大气中的CO2约有50%留在大气中。CO2的产生和消除涉及的主要领域包括能源、交通、居住、商业、燃料逸出性排放、农业、林业、土地利用等。甲烷(CH4)甲烷是大气中含量丰富的有机气体。它主要来自于地表，可分为人为源和自然源。人为源：化石燃料有关的排放源：天然气泄漏、石油煤矿开采及其它生产活动、城市垃圾处理场；生态排放源：热带生物质燃烧、反刍动物、稻田等。自然源：天然沼泽、湿地、河流湖泊、海洋、热带森林、苔原、白蚁等。甲烷的产生和消除的领域：废物处理、农业、燃料逸出性排放、与能源相关或无关的工业、土地变化和林业等。全球甲烷排放约为5.35(4.10-6.60)亿吨/年,其中自然源1.60(1.10-2.10)/年,人为源3.75(3.00-4.50)亿吨/年，人为源约占70％。甲烷的汇有：①在对流层大气中与OH反应而被氧化掉约4.45(3.60-5.30)亿吨/年；②一部分甲烷输送到平流层，在那儿发生光解和被OH、Cl和O(1D)等氧化约0.40(0.32-0.48)亿吨/年；③被土壤吸收约0.30(0.15-0.45)亿吨/年。全球甲烷汇约为5.15亿吨/年.大气中甲烷的年增加量约为0.2亿吨。氧化亚氮(N2O)氧化亚氮(N2O)，目前在大气中的浓度约是0.3ppmv,每年增加0.25%左右。N2O在大气中的唯一的汇是在平流层光解成NOx，进而转化成硝酸或硝酸盐而通过干、湿沉降过程被清除出大气。由于N2O是平流层NOx的主要源，因而它对平流层O3的光化学过程极其重要。大气N2O均来源于地面排放，但各种源的强度目前仍很不确定。根据IPCC(1994)，全球每年N2O源总量约为1470万吨。其中自然源900万吨，主要包括海洋以及温带、热带的草原和森林生态系统;人为源大约570万吨，主要包括农田生态系统、生物质燃烧和化石燃烧、己二酸以及硝酸的生产过程。根据大气中N2O浓度的增长，可以大致确定大气中N2O的年增加量约为390万吨。N2O的产生和排放涉及多领域，主要包括工业、农业、交通、能源生产和转换、土地变化和林业等。2.臭氧O3：臭氧空洞：是指因空气污染物质，特别是氧化氮和卤化代烃等气溶胶污染物的扩散、侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象。2006.10.201982年,首次在南极洲上空发现臭氧减少，继之北极和青藏高原的上空发现了类似的臭氧空洞。除热带外，世界各地臭氧都在耗减。臭氧空洞的成因：大气层中的氯氟烃(CFCs)——一种含有氯、氟、碳三种元素的有机化合物(俗称“氟里昂”)污染；氯氟碳化物(CFCs)氟利昂(CFCs)是人造化学物质。由于它们在室温下就可以汽化，同时它们具有无毒和不可燃的特性，所以被用于制冷设备和气溶胶喷雾罐。同时它们的化学性质不活泼，在它们被破坏之前会在大气中滞留很长时间--100年乃至200年。它们在大气中的含量虽然不大，但却足以引起严重的气候环境问题。荷兰臭氧层研究专家1995年诺贝尔化学奖得主保罗·克鲁岑认为南极上空的臭氧层空洞正在北移，这一变化对地球表面所造成的危害现已影响到智利的中部和北部。在近20年来的夏季，南极上空的臭氧层空洞逐渐缩小，其影响面只有原先的30%。2003年1月以来，南极上空的臭氧层空洞意外地全部消失。南极上空臭氧层空洞的变化是否同厄尔尼诺现象有关，目前尚难得出任何结论，但它确实向科学界提出了需要把臭氧层空洞与气候变化联系起来研究的新的理论课题。(新华网2003年02月05日)（二）水汽水汽主要来源于海洋、江河湖沼和土壤，以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾。（三）固体杂质悬浮在大气中的固体杂质主要有烟粒、尘埃、盐粒等，多集中于低层大气中。（四）大气污染物由于自然或人为的原因，导致空气中有害物质的浓度超过一定限度，维持一定的时间，直接或间接地对人类正常生活、动植物正常生长，以及对气候和各类物品、材料造成危害的现象，称为大气污染。在大气污染物中，粉尘烟雾对人体健康危害最大。二、大气的垂直分层大气的下界是地面。上界：1、大气层的物理上界：极光出现的最大高度1200km高度；2、大气上界：地球大气密度达到星际气体密度（1个微观粒子/cm3）2000—3000km高度。（一）大气的分层据气温和气流运动:大气分为5层对流层平流层中间层暖层散逸层1、对流层：特征：（1）厚度时空分布：夏季＞冬季；低纬度高纬度厚度减小。（2）在一般情况下，对流层中气温随高度增加而降低。（3）空气对流运动显著。（4）天气现象复杂多变。2、平流层：对流层顶以上到50—55公里范围。平流层气温基本上不受地面影响。水汽含量极少。气流运动相当平稳，并以水平运动为主。3、中间层（高空对流层或上对流层）：自平流层顶到80—85公里。特征：（1）气温随高度增加而迅速下降，到顶部降至160—190K；空气有垂直对流运动。4、暖层（电离层）：自中间层顶到800公里高空。大气密度很小。特点：气温随高度的增加而迅速升高。太阳紫外辐射5、散逸层（外层）：暖层顶之上Figure1:Spectrumofthesun.Thesunemitsmostofitsradiationinawavelengthbandbetween0.1and4.0micrometers(µm).第二节大气的热力状况一、地球上的辐射平衡（一）太阳辐射可见光：0.4-0.76µm，红外线：＞0.76µm，紫外线＜0.4µm。Spectrumofthesun.Thesunemitsmostofitsradiationinawavelengthbandbetween0.1and4.0micrometers(µm).（2）时空变化特征：地表：②在极圈之内，一年中有一段时间太阳辐射为零，夏至日（北极）或冬至日（南极）却高于赤道，年变幅达639卡/厘米2·日。③极圈与回归线之间太阳辐射呈单峰式的连续变化，北半球夏至日最高，冬至日最低；南半球则相反，冬至日最高，夏至日最低。①赤道附近太阳辐射的年变化平缓，春秋分相对高些，二至日相对低些。（3）大气圈对太阳辐射的作用：吸收、散射和反射等，太阳光谱中不同的波长将受到不同程度的削弱。3、地面的太阳辐射总量漫射散射总辐射=直接辐射+散射辐射（1）总辐射时空变化特征：①日变化：夜间总辐射为零，日出后逐渐增加，正午达到最大值，午后又逐渐减少，日出前达极小值。云的影响可使这一过程提前或延后。②年内变化：月均总辐射值，以夏季各月为最大，冬季各月为最小。③总辐射量的空间变化：低纬度高纬度，总辐射量减少。有效总辐射最大值大致在20°N处。这一纬度带称为热赤道。（2）反射率：到达地面的总辐射一部分被地面吸收，一部分被反射，反射部分的辐射量占投射的辐射量的百分比。地面性质不同，反射率差别很大。①新雪的反射率为85％；②干黑土为14％；③潮湿黑土只有8％。④水面对直接辐射的反射率：主要取决于太阳高度。当太阳高度角为90°时，反射率为2％；2°时，反射率达78％。（二）地面和大气辐射1、长波辐射。地面辐射的方向是向上的,地面长波辐射几乎全被近地面40—50米厚的大气层所吸收。地面是大气第二热源。气温变化受到地面性质的影响。低层空气吸收的热量又以辐射、对流等方式传递到较高一层。大气辐射方向有向上的，也有向下的。大气逆辐射:指向地面的大气辐射。2、概念：①大气花房（温室）效应:大气逆辐射使地面长波辐射不容易散失到宇宙空间，使地面温度变化不致过于剧烈。and255K(approximatelytheearth’splanetarytemperature),withthesolarirradiancemeasuredatthemeandistanceoftheearthfromthesun.Thepercentageabsorptionofaverticalbeambyrepresentativeatmosphericconcentrationsofwatervapour(H2O)andcarbondioxide(CO2)areshowninthelowerpanels.Figure4.Theradiationabsorptioncharacteristicsofwatervapourandcarbondioxideasafunctionofwavelength.Theupperportionofthechartshowsthewavelengthdistributionofradiationemittedfromblackbodiesradiatingat6000K(approximatelythesolarphotosphere)第一，地面和大气从太阳得到的能量与发射到外层空间的能量相等。整个地-气系统的能量收支相等，辐射平衡为零。第二，地-气系统内部有着复杂的能量转换和能量输送过程。大气圈辐射平衡为零。地面辐射平衡也为零。两者的平均温度都比较稳定。地-气系统辐射平衡3、辐射平衡变化①纬度变化：低纬地区辐射平衡为正，能量盈余；高纬地区辐射平衡为负，能量亏损；②时间变化：在一日内，白天辐射平衡为正；夜晚辐射平衡为负。在一年内，北半球夏季的辐射平衡因收入的太阳辐射增多而加大；冬季则相反，甚至出现负值。这种年变化情况因纬度不同而不同，纬度愈高，辐射平衡保持正值的月份愈少。neutrinos微中子astrophysics天体物理学二、气温1、表示气温变化特点的指标：平均温度：极端值：绝对最高温度、绝对最低温度。2、影响气温分布和变化的因素：地理位置、海拔高度、气块运动、季节、时间以及地面性质。3、气温的变化原因：地球自转与公转（1）时间变化：日变化、年变化一天之内有一个最高值和一个最低值。最高值出现在午后二时前后，最低值在日出前后。气温日较差的大小与地理纬度、季节、地表性质、天气状况有关。高纬气温日较差比低纬小；中纬度气温的日较差夏季高于冬季；海洋上气温日较差比大陆要小得多；阴天气温日较差比晴天小。例如香港4月份