大气的组成和结构

第 一 章 大 气 的 组 成 和 结 构 地 球 表 面 的 外 层 是 多 种 气 体 混 合 组 成 的 空 气 ， 受 地 球重 力 作 用 ， 围 绕 地 球 占 有 一 定 的 空 间 ， 称 为 地 球 大 气 ， 简称 大 气 （ Atmosphere） 。大 气 不 停 地 运 动 ， 不 断 地 变 化 ， 呈 现 出 各 种 各 样 的 天气 （ Weather） 现 象 。大 气 的 状 态 用 气 温 、 气 压 、 湿 度 、 风 、 云 、 降 水 、 能见 度 等 气 象 要 素 （ Meteorological Element） 表 示 。 地 球 大 气 1、 干 洁 空 气 （ Dry Air）2、 水 汽 （ Water Vapor）大 气 中 唯 一 能 发 生 相 变 的 成 分 ， 来 源 于 地 面 ， 含 量 变 化 。容 积 计 约 占 05%。3、 气 溶 胶 粒 子 （ 大 气 杂 质 ） （ Aerosols）水 汽 凝 结 物 水 滴 和 冰 晶 ， 悬 浮 的 固 体 烟 粒 、 盐 粒 、 尘 粒 、各 种 凝 结 核 以 及 带 电 离 子 等 。第 一 节 大 气 组 成 1、 干 洁 空 气O 3： 主 要 分 布 于 1050km高 度 的 平 流 层 大 气 中 ， 极 大 值 在2030km之 间 。强 烈 吸 收 太 阳 紫 外 线 辐 射 而 使 臭 氧 层 增 温 ， 改 变 大 气 温 度的 垂 直 分 布 ， 同 时 也 使 地 球 生 物 免 受 了 过 多 紫 外 线（ Ultraviolet） 的 照 射 。N2占 大 气 质 量 的 78%， O2占 大 气 质 量 的 21%. 干 洁 大 气 之 不 同 纬 度 臭 氧 浓 度 平 均 垂 直 分 布 曲 线 （ a） 4月 （ b） 10月 干 洁 大 气 之 臭 氧 含 量 随 纬 度 分 布 曲 线 干 洁 大 气 之 CO2QCO2： 吸 收 地 面 受 热 后 放 出 的 长 波 辐 射 ， 对 地 球 具 有 “ 温 室效 应 ” （ G reen H ouse Effect） 的 作 用 。Q二 氧 化 碳 含 量 分 布 特 点 ：Q工 业 区 多 、 农 村 少Q同 一 地 区 冬 季 多 、 夏 季 少Q夜 间 多 、 白 天 少 Q阴 天 多 、 晴 天 少 水 汽 在 大 气 中 所 占 的 比 例 很 小 ， 仅 0.1% 3%， 却 是 大气 中 最 活 跃 的 成 分 。 水 对 于 地 球 上 生 命 的 意 义 。2、 水 汽 水 汽 的 分 布 ： 大 气 中 的 水 汽 含 量 随 高 度 的 增 加 而 逐 渐 减 少 ： 约 50%的 水 汽 集 中 在 约 2km以 下 ， 约 大 于90%的 水 汽 集 中 在 5km以 下 。 99%的 水 汽 集 中 在对 流 层 。 水 汽 是 成 云 致 雨 的 物 质 基 础 ， 故 大 多 数 复 杂天 气 均 出 现 在 中 低 空 ， 高 空 晴 朗 。2、 水 汽 水 汽 之 对 天 气 的 影 响 ：Q水 汽 对 天 气 的 影 响 ：Q水 汽 相 变 产 生 云 、 雾 、 露 、 霜 、 雨 、 雪 、 雹 等 天 气 现象 。Q相 变 过 程 中 放 出 或 吸 收 热 量 ， 影 响 地 面 和 空 气 的 温 度 。Q水 汽 与 气 温 及 天 气 变 化 关 系 密 切 ： 大 气 运 动 中 的 水 汽通 过 状 态 变 化 传 输 热 量 。 （ 1） 定 义 气 溶 胶 (Aerosols) 质 粒 ： 指 悬 浮 在 大 气 中 的 固 体 和 液 体 粒 子 。（ 2） 对 天 气 的 影 响 ：Q固 体 杂 质 可 充 当 水 汽 的 凝 结 核 ， 在 云 、 雾 、 降 水 等 的形 成 过 程 中 起 着 重 要 的 作 用 。Q在 一 定 的 天 气 条 件 下 ， 气 溶 胶 粒 子 常 聚 集 在 一 起 ， 形成 霾 、 风 沙 浮 尘 等 视 程 障 碍 现 象 ， 使 大 气 透 明 度 变 差 ；Q吸 收 、 散 射 和 反 射 地 面 和 太 阳 辐 射 ， 影 响 大 气 温 度 ；3、 大 气 气 溶 胶、 大 气 气 溶 胶 第 二 节 大 气 结 构 = T Z T 为 温 度 变 化 量 Z 为 高 度 变 化 量一 、 大 气 垂 直 分 层 的 依 据 气 温 垂 直 递 减 率气 温 垂 直 递 减 率 的 定 义 ： 大 气 分 层 图 1、 对 流 层对 流 层 是 紧 贴 地 面 的 一 层 ， 它 受地 面 的 影 响 最 大 。 因 为 该 层 中 的 空 气 有 强 烈 的 对 流 作用 ， 故 得 名 对 流 层 。对 流 层 顶 高 度 ： 平 均 说 来 ， 低 纬 度 对 流 层 顶 高 、 高 纬 度 对 流 层顶 低 。 同 一 地 区 对 流 层 顶 高 度 夏 季 高 于 冬 季 。二 、 大 气 垂 直 分 层 结 构 对 流 层 三 大 重 要 特 征 ：Q温 度 随 高 度 升 高 而 降 低 。Q气 温 、 气 压 、 湿 度 水 平 分布 不 均 匀 。Q空 气 有 强 烈 的 垂 直 混 合 。 在 对 流 层 的 顶 部 直 到55km， 气 流 运 动 相 当 平 衡 ，而 且 主 要 以 水 平 运 动 为 主 ， 故称 为 平 流 层 。 平 流 层 顶 的 气 压 约 1hPa。平 流 层 下 部 温 度 随 高 度 变 化 很小 ， 平 流 层 上 部 因 为 存 在 臭 氧层 ， 臭 氧 吸 收 太 阳 紫 外 辐 射 使大 气 温 度 增 加 。 2、 平 流 层 平 流 层 的 重 要 特 征 ：Q大 气 很 稳 定 ， 空 气 的 垂 直运 动 很 微 弱 ， 多 为 平 流 运 动。Q水 汽 和 杂 质 含 量 很 少 ， 几乎 没 有 对 流 层 中 所 出 现 的 各种 天 气 现 象 。Q大 气 透 明 度 高 ， 天 气 晴 朗， 飞 行 气 象 条 件 好 。 3、 中 间 层 、 热 层 、 外 逸 层 中 间 层 在 5085km高 度 ，是 大 气 中 最 冷 的 部 分 。 水 汽极 少 ， 虽 然 不 稳 定 ， 但 是 没有 什 么 天 气 现 象 。热 层 在 85km800km以上 ， 太 阳 辐 射 中 的 强 紫 外 辐射 造 成 了 热 层 的 高 温 。 虽 然温 度 是 最 高 ， 但 是 大 气 极 其稀 薄 。 暖 层 顶 以 上 的 大 气 统 称 为 外 逸 层 ， 又 叫 外 层 。它 是 大 气 的 最 高 层 ， 高 度 离 地 表 80km以 上 ， 厚度 可 达 20003000km。外 逸 层 中 温 度 很 高 ， 空 气 十 分 稀 薄 ， 受 地 球 引 力场 的 约 束 很 弱 ， 一 些 高 速 运 动 着 的 空 气 分 子 可 以 挣脱 地 球 的 引 力 和 其 它 分 子 的 阻 力 散 逸 到 宇 宙 空 间 。 3、 中 间 层 、 热 层 、 外 逸 层 影 响 各 管 制 区 域 的 主 要 天 气 ： 第 四 节 标 准 大 气Q标 准 大 气 是 铅 直 方 向 上 ， 温 度 、 气 压 和 密 度 按 一 种 假 定 的规 律 分 布 的 模 式 大 气 ， 是 根 据 实 测 资 料 ， 用 简 化 方 式 近 似 的表 示 大 气 温 度 、 压 力 和 密 度 的 平 均 分 布 。Q制 作 目 的 ： 出 于 比 较 飞 机 性 能 和 设 计 大 气 数 据 仪 表 的 需 要 。Q在 设 计 飞 行 器 、 飞 行 器 的 设 备 和 仪 表 时 ， 在 订 正 飞 行 试 验数 据 时 ， 都 要 以 预 先 规 定 好 的 ， 随 高 度 固 定 分 布 的 大 气 物 理状 态 为 根 据 ， 这 样 才 能 得 到 可 以 相 互 比 较 的 仪 表 示 度 、 飞 行试 验 数 据 和 空 气 动 力 数 据 。 由 国 际 民 航 组 织 (ICAO)统 一 采 用 的 30公 里 以 下 标 准 大 气 的 主 要 数 据 是 ：1、 干 洁 大 气 ， 垂 直 方 向 上 成 份 （ 各 种 气 体 的 比 例 ） 不 改 变 ， 平 均 分 子量 为 28.9644；2、 具 有 理 想 气 体 的 性 质 ；3、 标 准 海 平 面 的 重 力 加 速 度 为 g0=9.80665m/s2；4、 在 平 均 海 平 面 上 ， 气 温 为 T0=15C=288.16K ； 气 压 为P 0=1013.25hPa=760mmH g=1个 大 气 压 ； 空 气 密 度 为 0=1.225kg/m3；5、 处 于 流 体 静 力 平 衡 状 态 ；6、 气 温 的 垂 直 递 减 率 ， 在 海 拔 11000m以 下 为 0.65 /100m， 1120公 里气 温 随 高 度 不 变 ， 为 -56.5 ， 2030公 里 为 0.1 /100m。 标 准 大 气 主 要 特 性 ： 习 题 ：一 、 单 选 题 ：1、 中 纬 度 地 区 对 流 层 上 界 的 高 度 通 常 是 （ ） A： 8 - 9 千 米 B： 10 - 12 千 米 C： 15 - 17 千 米 D： 17 - 18 千 米 2、 在 标 准 大 气 中 飞 机 在 空 中 测 得 的 气 温 是 -24 ， 则 飞 机 所 在高 度 是 （ ）A： 3000米 B： 4000米 C： 6000米 D： 8000米 习 题二 、 填 空 ：1、 大 气 的 成 分 由 _ 、 _ 、 _三 部 分 组 成 。2、 大 气 垂 直 结 构 分 为 以 下 _ 、 _ 、 _ 、_ 、 _ 五 个 部 分 。3、 标 准 大 气 海 平 面 气 压 、 气 温 分 别 是 _ 、 _。三 、 简 答 题 ：1、 对 流 层 具 有 哪 些 特 性 ？ 2、 平 流 层 具 有 哪 些 特 性 ？ 本 章 小 结 ：Q大 气 由 干 洁 空 气 、 水 汽 、 大 气 杂 质 三 部 分 组 成 。Q在 干 洁 空 气 中 ， 对 大 气 温 度 影 响 较 大 的 是 二 氧 化 碳和 臭 氧 ， 而 水 汽 和 大 气 杂 质 在 天 气 变 化 中 起 了 重 要 作用 。Q以 气 层 气 温 的 垂 直 分 布 特 征 为 主 要 依 据 ， 将 大 气 分成 了 五 层 ， 航 空 活 动 主 要 在 对 流 层 和 平 流 层 中 进 行 。Q对 于 对 流 层 和 平 流 层 的 基 本 特 征 ， 我 们 应 有 充 分 认识 。