大气物理学：第二章 地球大气的成分及分布

1第 一 篇 大 气 概 论2第二章第二章 地球大气的成分及分布地球大气的成分及分布3大气成分, 可以按照其浓度和平均停留时间来分类.1) 浓度: 比如某种成分的体积分数(体积百分比, ppmv, ppbv), 质量分数(质量百分比, ppmm, ppbm)2)平均停留时间:准平衡状态下, 等于大气中某种成分的总质量/向大气的输入速率 = 总质量/移除速率4 分体积定律: 混合气体的总体积等于不同成分的分体积之和.nVVVV 21某种成分的体积分数:VVi/5 干空气干空气（干洁大气）：不含水汽和液、固（干洁大气）：不含水汽和液、固 体杂质的大气。体杂质的大气。 湿空气湿空气：含水汽的大气。：含水汽的大气。 这样划分的意义？这样划分的意义？ 雨、雪、台风等天气现象都与大气中的水汽有关雨、雪、台风等天气现象都与大气中的水汽有关一、湿空气与干空气：第一节第一节 干洁大气干洁大气6二、均匀层中大气的主要成分、次要成分二、均匀层中大气的主要成分、次要成分 90km以下的大气, 按各成分的浓度 , 可以将大气成分分为两类： 主要成分：体积百分比在300ppmv以上.氮 (N2), 氧 (O2), 氩 (Ar), 二氧化碳 (CO2) 次要成分：体积百分比在300ppmv以下.7三、均匀层中大气的准定常成分、可变成分三、均匀层中大气的准定常成分、可变成分 按平均停留时间（平均寿命），大气成分为两类： 准定常成分：平均寿命大于1000a. 可变成分：平均寿命较短。 平均停留时间:准平衡状态下, 等于大气中某种成分的总质量/向大气的输入速率 = 总质量/移除速率8“停留时间”的计算举例： 如果某时刻大气中含有的水汽全部凝结成水，液态水的厚度大约是 2.5cm。 全球年平均降水量是1000mm，所以水的更新是非常快的，水汽在大气中平均停留时间是 9 天。蒸发降水9取自中国气候总论10气体成分体积百分比停留时间(a)氮 (N2)78.084氧 (O2)20.948氩 (Ar)0.934氖 (Ne)0.001818氦 (He)0.000524氪 (Kr)0.000114氙 (Xe)0.00000876103105710710710710710准定常成分annum (拉丁语) 年其中红色为主要成分其中红色为主要成分11气体成分体积百分比（ppmv）停留时间(a)二氧化碳 (CO2)33056氢 (H2)0.41.068甲烷 (CH4)1.21.510一氧化氮 (N2O)0.250.6一氧化碳 (CO)0.010.200.20.5臭氧 (O3)0.0010.01水汽 (H2O)10 d可变成分其中红色为主要成分其中红色为主要成分12四、大气成分随高度的变化四、大气成分随高度的变化1)大气大气 90km 以下是以下是均匀层均匀层（匀和层），（匀和层）， 主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳 。大气大气 90km 以上是以上是非均匀层非均匀层。 主要成分是氧、氦、氢原子。主要成分是氧、氦、氢原子。 2) 90km以下各成分的比例基本上保持不变，以下各成分的比例基本上保持不变，可视为单一成分，平均分子量可视为单一成分，平均分子量28.966。13141) 均匀层与非均匀层的形成： 分子扩散: 使气体中各成分均匀分布在空间中. 分子扩散与重力作用： 较轻气体向上扩散快，较重气体向上扩散慢。 高度越低, 混合气体中重的成分的质量百分比或体积百分比 越大. 混合气体平均分子量随高度减小。 再考虑湍流混合：使90km以下大气组成与高度无关,混合 气体中各成分的质量百分比不变。混合气体 的平均分子量随高度不变。 1516iniiiiniiniMmmMmmnmnmM11111混合气体的平均分子量(摩尔质量) (用质量百分比算):Mm：混合气体的质量 n： 混合气体的摩尔数 混合气体中每种成分的质量、摩尔数、分子量 :iiiMnm2) 90km以下各成分的比例基本上保持不变，以下各成分的比例基本上保持不变，可视为单一成分，平均分子量可视为单一成分，平均分子量28.966。17用体积百分比算同温同压下，气体的体积比等于物质的量比。 V1/V2=n1/n2 混合气体的平均分子量(摩尔质量) (用体积百分比算):MiiniiiniiiniMVVMnnnMnnmM11118 1、理想气体状态方程2、道尔顿分压定律3、干空气状态方程五、干空气状态方程五、干空气状态方程: :19 a、系统系统：世界上一切物体是相互作用的，从这一相互作用的世界上一切物体是相互作用的，从这一相互作用的整体中划分出要研究的对象，称为热力学整体中划分出要研究的对象，称为热力学体系体系或或系统系统。 而与体系相互作用的其余部分称为而与体系相互作用的其余部分称为环境环境或或外界外界。 b、状态参量：状态参量： 描述体系状态的一组宏观参量，叫描述体系状态的一组宏观参量，叫状态参量状态参量, ,又称又称热力学坐热力学坐标，热静态参数标，热静态参数。状态参量描述体系的整体状态。状态参量描述体系的整体状态。广延量广延量：其值与体系的大小及体系包含的物质的量有关。如体积、质：其值与体系的大小及体系包含的物质的量有关。如体积、质量、能量等。量、能量等。强度量强度量：其值不决定于体系的大小，在体系中任何一点都有确定的值。：其值不决定于体系的大小，在体系中任何一点都有确定的值。如压强、温度，比特性量等。如压强、温度，比特性量等。 状态方程：表示状态参量之间关系的方程。状态方程：表示状态参量之间关系的方程。 1 1、理想气体状态方程、理想气体状态方程20c、理想气体理想气体状态方程状态方程 一切气体在压强不太大（低于一切气体在压强不太大（低于20个大气压），温度不太个大气压），温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即 通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气通常大气温度和压强条件下，干空气和未饱和的湿空气都十分接近于理想气体。都十分接近于理想气体。ConstTPV理想气体状态方程21 m : 气体质量， ： 气体摩尔质量 ：普适气体常数，TRMmPV*M*R)/(31. 8*KmolJRRTTMRVmP*MRR*其中：其中：, 气体的比气体常数22 实验事实表明，混合气体的总压强，等于各种实验事实表明，混合气体的总压强，等于各种组分组分 的的分压强分压强之和，即之和，即nPPPP 212 2、道尔顿分压定律：、道尔顿分压定律：TRMmTnRVP*TRMmVPiii*第第 i (i=1,n) 种组分种组分 的分压强的分压强: 在同一温度在同一温度下，它单独占据同样容积时所具有的压强。下，它单独占据同样容积时所具有的压强。:iPiniiiiniiniMmmMmmnmnmM11111其中23混合气体的状态方程混合气体的状态方程:TRPdddTRPwww混合气体如果是干空气混合气体如果是干空气:混合气体如果是湿空气混合气体如果是湿空气:RTPTMRVmPTRMmTnRVP*TRMmVPiii*TRTMRVmPiiiii*或混合气体中任一组分的状态方程混合气体中任一组分的状态方程:24干空气：混合均匀，平均分子量为干空气：混合均匀，平均分子量为28.96.TRPdd)/(287)/(96.28)/(31. 8*KkgJmolgKmolJMRRdd为干空气的比气体常数为干空气的比气体常数状态方程为状态方程为状态方程还可写为状态方程还可写为TRPd1比容：单位质量的体积比容：单位质量的体积3 3、干空气状态方程、干空气状态方程: :25六、几种气体的源和汇六、几种气体的源和汇 1、二氧化碳 2、甲烷 3、一氧化氮 4、臭氧 5、卤化碳 6、水汽 7、气溶胶以后细讲温室气体26地球温室效应的本质： 假设地球外围不存在一个大气圈，或者假设这个人气圈对假设地球外围不存在一个大气圈，或者假设这个人气圈对各种波长辐射都是完全透明的，没有任何吸收，那么，地各种波长辐射都是完全透明的，没有任何吸收，那么，地球表面能量平衡的结果，将使地表温度白天极高、晚上极球表面能量平衡的结果，将使地表温度白天极高、晚上极低，冬、夏之差也很大，同时赤道附近也比两极地区要高低，冬、夏之差也很大，同时赤道附近也比两极地区要高得多，全球的地表年平均温度将只有得多，全球的地表年平均温度将只有 。 由于有了大气，全球地表平均温度实际上是由于有了大气，全球地表平均温度实际上是 ，即，即比以上假设条件下的地表温度要高比以上假设条件下的地表温度要高 ，面且日变化和，面且日变化和季节变化幅度大为减小，随纬度的变化也比较平缓。季节变化幅度大为减小，随纬度的变化也比较平缓。 在讨论大气成分对气候的影响时，人们通常把大气成分比在讨论大气成分对气候的影响时，人们通常把大气成分比作温室的玻璃，把那些对地气系统辐射收支有影响的大气作温室的玻璃，把那些对地气系统辐射收支有影响的大气成分叫做成分叫做“温室效应温室效应”气体。气体。 自然温室气体（自然温室气体（natural greenhouse gases）包括水汽、）包括水汽、二氧化碳、甲烷、一氧化氮、臭氧。二氧化碳、甲烷、一氧化氮、臭氧。C18C14C3227返回281、二氧化碳(Carbon dioxide ) 当前含量是359ppmv。 源：化石燃料的燃烧和水泥生产， 动物呼吸， 海洋蒸发, 地面使用(指人类对自然环境的改变,主要是森林砍伐、城市扩张)， 火山喷发 。 汇：溶于海洋, 植物光合作用。 作用：温室气体。影响能量收支, 辐射平衡.29Figure The Global Carbon Cycle 30Table. Sources and sinks of atmospheric CO2Net Atmospheric CO2 SourcesSourceSources (Gt/a)Uncertainty range (Gt/a)Fossil fuel/cements (I)5.5 0.5Land-use change (Dn)1.6 1.0Total7.1 1.1Net Atmospheric CO2 SinksSinkUptake (Gt/a)Uncertainty range (Gt/a)Oceanic uptake (F)2.0 0.8Land biomass (X)1.9 1.6Total3.9 1.8Gt :Giga-ton31二氧化碳的净增长: d(M)/dt = I + Dn - F - X =3.2Gt/a M = M - M0 (工业革命前二氧化碳的含量 M0, 现在二氧化碳的含量 M); t= 时间(年) I = 化石燃料燃烧和水泥生产导致的增加量 Dn = 地表改造导致的CO2增加量 F = 进入海洋的 CO2 的净减少 X = 地面生物导致的 CO2的净减少汇源32Recent trend and seasonal variation of atmospheric CO2 来自：Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)报告332、甲烷（Methane ） 甲烷(CH4)，现在含量是1700ppbv,也由于人类的活动而含量在增加。 (Prather et al., 1995，IPCC). 源: 在湿地和海洋中产生, 采矿和化石燃料燃烧, 稻谷的栽培, 反刍动物的消化, 垃圾填埋产生; 汇: 主要是在对流层中和自由羟基(OH)反应而被破坏: CH4 + OH CH3 + H2O 在上层土壤中被微生物分解占小部分. 作用：也是温室气体。温室效应比二氧化碳强? 西伯利亚地区的甲烷?34 Increase in atmospheric methane since 1750 353、一氧化氮（ Nitrous oxide ） 一氧化氮(N2O) 的产生：海洋和土壤中的生物机制（主要在热带的森林地区），工业燃烧，车辆尾气， 生物燃烧，化学肥料。 破坏：在平流层中的光化学反应。 (Prather et al., 1995). 目前各个源和汇的量值还没有很好的估计。36 Increase in atmospheric nitrous oxide since 1750 374、臭氧（ozone ） 大气中的臭氧含量，与其他痕量气体不一样，分布是不均匀的，随高度变化。 90%臭氧位于15 - 35 km 高度，这里最有利于臭氧的形成。（图） (Chapmen, 1930，Quaterly Journal of Royal Meteorological Society) O2+hv O+O O2 + O + M O3 + M O3+hv O2+O O3+O 2O2 (OH、 NOx、 Cl, ClO根的催化作用) M ：由第三个原子或分子（比如氮氧化物NOx）提供的能量和动量平衡。 38臭氧随时间和空间分布的特点: 从低纬到高纬, 臭氧峰值的高度逐渐降低.。 春季臭氧含量高，秋季含量低。39 当前大气中增加臭氧破坏率的物质（Cl）在增加。 作用：Ozone (O3) 在平流层中，强烈吸收来自太阳的紫外辐射. 含量在减少: 南极臭氧洞(Farman et al., 1985; Hofmann et al., 1992), 在北极地区也发现(Hofmann et al., 1991). 40南极臭氧洞及其成因： 定义：从空间分布看，臭氧总量在60S附近的绕极涡旋内形成一块低值区，而在其外达到极大值。从时间序列上看，9月到10月南极地区臭氧总量大幅下降，形成一个低谷。 1985年由 Farman et al., 发现。 大气动力学、环流原因 大气化学原因 与太阳活动有关41臭氧总量随纬度和季节的分布42Dobson Unit (DU)43 臭氧总量的长期变化445、卤化碳（Halocarbons） 氟氯化碳 (CFCs) 是冰箱、空调中产生的；在平流层中被光化反应破坏很慢。 作用：也是全球变暖的因子；破坏臭氧层。 还有其它的卤化碳，如Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) 和 hydrofluorocarbons (HFCs). 作为CFCs 的替代品以保护臭氧层。