第2章 地球大气的成分及分布

第二章地球大气的成分及分布从人造卫星上观测大气，它好像是地球的一层薄壳，呈美丽的浅蓝色而且透明。这薄薄的一层大气是地球赖以生存的保障。大气质量:50%的集中在6km以下的低空；99.9%是在地面-50km高度的空间中，这不到地球半径（6300Km）的百分之一然而：地球大气没有明显的上界；因为大气密度随着高度的增加呈指数减小逐渐过渡到星际空间第二章地球大气的成分及分布2.1行星大气和地球大气的演化2.2干洁大气2.3大气中的水(气、固、液三态)4.4大气气溶胶2.1行星大气和地球大气的演化一必须是围绕恒星（如太阳）运转的天体二质量足够大，能依靠自身引力使天体呈圆球状三其轨道附近没有其他物体行星新定义九大行星八大行星2.1行星大气和地球大气的演化2.1行星大气和地球大气的演化2.1.1行星大气1、类地行星：水、金、地球、火星质量、体积都比较小，有固体表面化学物质以重物质为主木、土、天王、海王星2、类木行星：没有固体表面化学物质以轻物质为主，氢、氦、氖、甲烷2.1行星大气和地球大气的演化2.1.1行星大气1、除水星外的几大行星都被一层大气所包围；2、类地行星和类木行星的大气表现出2种不同的类型；在宇宙空间里，物质世界的化学元素丰度随元素原子量的增加而减少，这样通过演化形成各不相同的行星大气。2.1行星大气和地球大气的演化2.1.1行星大气综合表现：距离太阳近，由于温度高（地球除外)及太阳风的作用行星原始大气消失较快；而距离太阳远，温度低，行星原始大气消失缓慢。2.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化地球形成有46亿年的历史,过程漫长,只能依据地层的化石结构和行星大气资料推算其不同时期的成分.2.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化（★）根据地层的化石结构和行星的大气资料来推断地球大气的演化,三阶段：原始大气次生大气（还原大气）现代大气（氧化大气）2.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化1、原始大气成分：由地球中最丰富的轻物质氢气（H2）、氦气（He）和一氧化碳（CO）组成。由于太阳风和地球的升温的作用，使原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸散失。时间：估计在45亿年前或晚些时候，地球没有大气。2.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化2、次生大气原因：由于造山运动、火山爆发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体，形成了次生大气。成分：CO2,CH4,NH3,H2O，少量水汽。大部分水汽形成了云雾和降水，成为地表水----海洋和湖泊。时间：45-20亿年前2.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化３、现代大气成分：现代地球大气以氮（N2）、氧（O2）为主。在地球上出现生物以前，大气中的游离氧极少，这少量的氧气是水汽被太阳紫外辐射离解产生：H2O+hνH+OHH2O+hνH2+O光解过程生成原子氧，可在有第三者(M)存在的条件下结合成分子氧:O+O+MO2+Mum195.0um195.02.1行星大气和地球大气的演化2.1.2地球大气的演化３、现代大气①、水汽离解产生的氧和氧原子对同一波段的太阳紫外辐射(0.195微米)有很强的吸收,因此会降低光解的速度,最终达到一个平衡浓度。②、地球上氧气主要靠植物的光合作用产生，即生物圈作用导致地球大气的进一步演化；③、生命的出现和生物圈的形成在大气的演变中起了重要作用，与适宜的日地距离有关的。由于适宜的日地距离使地球表面有合适的温度条件，即使水能在水汽、液态水、冰之间循环。第一章地球大气的成分及分布2.1行星大气和地球大气的演化2.2干洁大气2.3大气中的水汽2.4大气气溶胶2.2干洁大气分类：按浓度、平均停留时间分类绝对量：如体积、质量（单位mg/m3,μg/m3）相对浓度：ppm(10-6)百万分之一ppb(10-9)十亿分之一ppt(10-12)一万亿分之一（１）浓度：相对量、绝对量加尾缀m、v表示质量、体积，用ppmm、ppmv等表示；例如：400ppmmN2表示1g空气中含有400×10-6g的N22.2干洁大气（２）平均停留时间即该种成分的所有分子更新一次所需的时间t=M/F=M/RM分子的总质量，F向大气的输入速率，R消失速率浓度与平均停留时间的关系：一般寿命长的成分其浓度也比较大分类：按浓度、平均停留时间分类2.2干洁大气（★）干洁大气（干空气）：除水汽以外的纯净大气。干洁大气由多种气体混合组成，按浓度分为三部分；按平均滞留时间亦可分为三类。主要成分N2、O2、Ar、CO2300ppmv以上微量成分CH41~20ppmv痕量成分O3、H2、氮氧化合物、硫化物及氟氯烃1ppmv以下按浓度分可为主要成分、微量成分、痕量成分2.2干洁大气大气微量成分和痕量成分一般也是短寿命的成分（除惰性气体）：１、有化学活性。参与大气中的化学过程，酸雨、光化学污染（氮氧化物）。２、大多是温室气体。含量影响地球的辐射平衡，全球气候变化。2.2干洁大气按平均停留时间分为三类：基本不变或准定常成分N2、O2、Ar、惰性气体１０００a（年）可变成分CO2、CH4、H2几年到几十年平均寿命短于１年成分炭、硫、氮化合物短于１年成分对于实际大气：垂直方向90公里（km）以下的匀和层，特别是对流层大气（10-12km）内空气的成分，见表1.3（P15）可见，氮、氧、氩三种气体就占据了空气容积的99.966%。2.2干洁大气2.2.1干空气状态方程(★)2.2.2碳的化合物2.2.3臭氧（O3）(★)2.2.5氮(nitrogen)的化合物2.2.4硫的化合物2.2干洁大气2.2.1干空气状态方程（★）P=P1+P2+P3+…=∑Pi（道尔顿分压定律）Pv=nR*T==mRT（混合理想气体状态方程）干空气的比气体常数是:Rd=287.05J/kg.k则干空气的状态方程:pd=ρdRdTcpd=1004J/(kg.K)cvd=717J/(kg.K)TRMmn是混合气体摩尔数是平均摩尔质量；R是混合理想气体比气体常数M干空气气压，单位Pa密度，单位kg／m3温度，单位K•若湿空气块的压强为1030hpa，气温为30℃，水汽压为30hpa，求干空气的密度。•解：3/14.115.2733005.287100301030mkgTRepTRpTRpddddddd2.2干洁大气2.2.2碳的化合物大气中含碳的化合物主要有：CO2、CH4（甲烷）、CFC（氟氯烃化合物）等气体和含碳的气溶胶粒子。2.2干洁大气2.2.1二氧化碳CO21、来源:地球表面人工源：矿物燃料燃烧、工业活动；自然源：生物体的腐烂和呼吸作用排出CO2。而植物光合作用又使CO2还原。通过光合作用和呼吸作用循环如下：光合作用：nCO2+nH2O[CH2O]n+nO2呼吸作用:[CH2O]n+nO2nCO2+nH2O碳水化合物，即糖类2.2干洁大气2.2.1二氧化碳CO22、分布时间分布：[CH2O]n称为碳水化合物，即糖类，糖类将转化成以淀粉为主的有机物，构成植物。因此生物圈对CO2含量影响最大的是森林和绿地，其浓度有明显的季节性变化。冬季、夜晚、阴天夏季、白天、晴天空间分布：垂直方向上，高度小于20千米为0.03%，大于20千米以上它的含量显著减少；水平方向上：城市农村，陆地海洋2.2干洁大气2.2.1二氧化碳CO22、分布海洋能吸收大量二氧化碳，好比一个巨大的储存库。高纬地区的洋面主要起到汇作用，吸收热带和低纬地区的洋面是源的作用，放出总体来看，大气向海洋输送二氧化碳。海洋是二氧化碳而言就是一个巨大的存储库。2.2干洁大气2.2.1二氧化碳CO23、浓度变化趋势估计工业革命之前，大气中CO2含量是相当稳定的，一直稳定在280*10-6左右。工业革命以后，从1800－1900年这一百年中，含量呈增加趋势，致使浓度增加。从1900年到2000年，浓度增加了65*10-6，即约增加了22%左右。特别是上世纪50年代以后，每年大约以1.8*10-6的速率增加。2.2干洁大气工业化（1750年）以来，大气中温室气体明显增加。南极LawDome冰芯资料显示的近1000年大气CO2浓度年100012001400160018002000280300320340360浓度(ppmv)CO22.2干洁大气2.2.1二氧化碳CO23、浓度变化趋势估计假定到2100年世界人口比现在增加一倍，按照现在的情况排放，届时CO2浓度将会增加近一倍。CO2有强烈的“温室效应”，浓度的增加会大大改变大气的热量平衡，导致:大气低层和地面的平均温度上升。全球气候的变化将直接影响到人类的生存环境。2.2干洁大气2.2.2碳的化合物2.2.2.1二氧化碳CO22.2.2.2甲烷CH4(沼气)2.2.2.3氟氯化碳化合物2.2干洁大气2.2.2.2甲烷CH4(沼气)1、来源自然源：湖泊、沼泽里的生物体腐败后被细菌分解而生成的。（地表生物源占80%）人为源：天然气、工业废水和污水产生甲烷。具体如下：全世界稻田可释放出大约20*106－150*106t动物的废物可释放出20*106－30*106t家用污水处理掩埋垃圾废物将分解出大约25*106t木材和煤的燃烧等可释放出30*106t2.2干洁大气2.2.2.2甲烷CH4(沼气)2、平均浓度及特性浓度：3000多年前直到150年以前，CH4浓度一直保持在0.6-0.8ppmv，而在1984年全球地表大气甲烷平均浓度为1.625ppmv，可见其在近100-200年浓度有了显著增加；特性：不但是一种温室气体，又是一种化学活性气体，又在大气中容易被氧化而生成一系列氢氧化合物。大气CH4中浓度的增加所致的温室效应是不能忽视的。2.2干洁大气2.2.2碳的化合物2.2.2.1二氧化碳CO22.2.2.2甲烷CH4(沼气)2.2.2.3氟氯化碳化合物2.2干洁大气2.2.2.3氟氯烃化合物（CFC）①这类大气中原不存在的有机化合物由氟、氯和碳原子组成CFCs；②CFCs性质稳定且无毒，作为制冷剂、喷雾发射剂和发泡剂得到广泛使用，可存在几十到几百年，所以在大气中浓度逐年累积；③CFCs长期积累送到平流层，能分解产生氯原子，起到破坏臭氧层的作用，④CFCs是一种温室气体，在地气系统辐射收支中的作用不容忽视2.2干洁大气2.2.1干空气状态方程2.2.2碳的化合物2.2.3臭氧（O3）2.2.5氮(nitrogen)的化合物2.2.4硫的化合物2.2.3臭氧（O3）什么是臭氧？臭氧（O3），是氧气（O2）的同素异形体；在常温下，臭氧是一种有特殊臭味的蓝色气体。臭氧吸收太阳紫外辐射（0.2-0.29um），防止其到达地球。2.2干洁大气2.2.3臭氧（O3）（★）1、分布:主要集中在10~50km的平流层大气中，极大值在20~30km之间。2、特点：臭氧对太阳紫外辐射（0.2~0.29μm)有强烈的吸收作用．是最重要的微量成分之一。3、作用一方面臭氧阻挡太阳紫外辐射到达地面，保护地球上的生命．（生态学）一方面臭氧吸收太阳紫外辐射使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性作用．同时引起对流层温度降低。如使地面平均温度降低１－２度。（气象学）2.2干洁大气2.2.3.1臭氧的产生和破坏生成：高层大气中，分子氧吸收波长短于0.24微米的紫外辐射而离解成原子氧，因受分子氧浓度及大气吸收紫外线双重影响,在42公里处达到最大。O2+hvO+O1、光化学平衡理论原子氧很活跃，能和分子氧结合成臭氧；亦可重新相互之间复合成分子氧。O+O2+MO3+MO+O+MO2+M第三种分子2.2干洁大气2.2.3.1臭氧的产生和破坏1、光化学平衡理论消失：臭氧分子吸收波长短于0.3微米的太阳紫外辐射,发生在40到50公里的高空：O3+hvO2+O臭氧也可因与原子氧反应而消失：O3+O2O22.2干洁大气2.2.3.1臭氧的产生和破坏形成臭氧的两个主要因素：太阳紫外线；氧分子的含量；受高度下降的变化趋势不同。随高度下降，前者（太