部分大气的组成及热力状况.ppt

第一部分大气的组成和垂直分层 大气的组成和垂直分层 一 大气的组成 一 干洁空气 大气中除固体杂质和水汽之外的全部混合气体 称为干洁空气 其中 氮和氧容积占99 04 加上氩 三者合占99 97 其他气体仅占0 03 干洁空气中大多数气体的临界温度低于自然情况下大气中可能出现的最低温度 CO2的临界温度虽然不高 每种物质都有一个特定的温度 在这个温度以上 无论怎样增大压强 气态物质不会液化 这个温度就是临界温度 CO2的临界温度31 1 但它所对应的压力却大大超过其实际分压力 因此 干洁空气中的所有成分都呈气体状态 二 水汽水汽主要来源于海洋 江河湖泊和土壤 以及潮湿物体表面的蒸发和植物的蒸腾 大气中的水汽含量极不固定 随时间 地点 条件而不同 其所占容积变化范围为0 4 观测结果表明 在1 5 2km高度 水汽含量只及地面的1 2 在5km高度 只相当于地面的1 10 再往上更少 水汽含量虽然不多 但它在大气温度变化范围内可以发生汽态 液态和固态三相转化 人们常见的云 雾 雨 雪等天气现象 都是水汽相变的表现 此外 水汽还善于吸收和放射长波辐射 显著影响大气和地表的温度 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 它们的半径一般为10 2 10 8cm 多集中于低层大气中 烟粒主要来源于生产 生活方面的燃烧 尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒 以及火山爆发后产生的火山灰 流星燃烧的灰烬 盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的 固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空 城市多于乡村 冬季多于夏季 白天多于夜晚 愈近地面愈多 固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件 能吸收部分太阳辐射 又可阻挡地面长波辐射 对大气和地表温度有一定影响 其含量多少 还直接影响到大气能见度的好坏 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 它们的半径一般为10 2 10 8cm 多集中于低层大气中 烟粒主要来源于生产 生活方面的燃烧 尘埃主要来自经风的吹扬进入大气的地表松散微粒 以及火山爆发后产生的火山灰 流星燃烧的灰烬 盐粒则主要是由海洋波浪飞溅进入大气的水滴被蒸发后形成的 固体杂质的含量陆地上空多于海洋上空 城市多于乡村 冬季多于夏季 白天多于夜晚 愈近地面愈多 固体杂质是大气中水汽凝结的必要条件 能吸收部分太阳辐射 又可阻挡地面长波辐射 对大气和地表温度有一定影响 其含量多少 还直接影响到大气能见度的好坏 大气组成的这种变化 会产生什么影响 大气各成分的作用 二 大气的垂直分层 1 地球大气共分哪几层 2 在不同纬度 对流层高度是否一样 为什么 3 对流层和平流层的气温如何随高度而变化 原因是什么 4 对流层和平流层中 大气运动的特点是什么 5 对流层和平流层大气与人类有何关系 6 读图 说明电离层与人类的关系 思考下列问题 大气的垂直分层 对流层 平流层 上冷下热高空对流 高层大气 暖层 散逸层 中间层 1 大量的O3 2 对流层的厚度及特征A 厚度 本层厚度最簿 并随纬度 季节而不同 在高纬地区平均 8 9km 中纬地区平均 10 12km 低纬地区平均17 18km 夏季大于冬季 B 特征 一是温度随高度的升高而降低 因为该层的热量来自于地面的长波辐射 平均气温递减率为0 65oC 100m 二是具有强烈的对流运动 因为地面受热不均 三是天气现象复杂多变 几乎所有的水汽 云 雨 雷 电等现象都发生在此层 3 平流层的特征 1 气温随高度升高的分布下层 其上界离地面约35 40km 为同温层上层 其上界离地面约50 60km 为逆温层 即气温随高度的升高而降低 因为平流层上层含有大量的臭氧 臭能大量地吸收太阳紫处线而增温 2 气流以水平运动为主 逆温的存在 对流不易产生 3 水汽 尘埃含量少 天气晴朗 能见度好 10 4 中间层的特征高度 平流层顶至85km处 1 温度随高度的升高而迅速下降 因为臭氧的含量下降 2 空气以垂直运动为主 但由于空气稀薄 所出现的天气现象已不如对流层复杂 3 在80km处白天出现一个电离层 10 5 暖层的特征高度 中间层至800km处特征 1 空气质量小 空气稀薄 空气密度只角空气总质量的0 5 在120km高空 空气密度小至声音都难于传播 2 温度随高度升高而升高 因为所有波长小于0 175um的太阳紫外辐射都被暖层气体所吸收 顶层温度可达1000度 3 空气处于高度电离状态 4 能反射无线电波 5 出现极光现象 6 散逸层 外层 暖层顶之上因大气十分稀薄 离地面远 受地球引力场约束微弱 一些高速运动的空气质点就能散逸到星际空间 所以本层称为散逸层 根据宇宙火箭探测资料 地球大气层之外 还有一层极其稀薄的电离气体 可伸展到22000公里高度 称为地冕 这可能就是地球大气层向宇宙空间的过渡区域 从大气与地表自然环境之间关系来说 对流层具有特别重要的意义 下面将主要讨论对流层范围内的基本情况 三 大气的热力状况 地球表面处于大气圈 水圈和岩石圈的交互作用之中 进行着各种形式的运动过程 包括简单的机械运动和复杂的生命过程 其中大多数过程的能量直接或间接来自太阳辐射 太阳辐射透过地球的大气 外衣 到达地表 经过一系列能量转换之后 形成对地球生命有深刻影响的大气热力状况 地球上的气温条件是各种生物繁殖和演化的重要条件 也是决定地球上能量和物质输送 转化的重要因素 气温的空间变化是各地理要素地域分异的根本原因之一 1 辐射的基本知识 1 物体对辐射的吸收 反射和透射假设投射到物体上的总辐射为Qo 被吸收的为Qa 被反射的为Qr 透过的为Qd 则根据能量守恒原理 Qa Qr Qd Qo两边同除以Qo得 Qa Qo Qr Qo Qd Qo 1即 a r d 1 物体的吸收率 反射率和透射率大小随着辐射的波长和物体的性质而改变 黑体 能将所有波长的辐射全部吸收掉的物体即a 1 2 有关辐射的基本规律辐射能力强的物体 其吸收能力也强 黑体的吸收率最大 故它是最好的放射体 对于同一物体 如果在温度为T时 它放射某一波长的辐射 那么在同一温度下 它也吸收同样波长的辐射 任何物体在向四周放射能量的同时 也吸收能量 高温物体在单位面积上放射的能量比低温物体多 斯蒂芬 波尔斯曼定律 E T4 5 67 10 8W m2 K4 大气上界太阳辐射 可看作黑体辐射 太阳表面温度高达6000K左右 是炽热的气态球体 太阳辐射 短波辐射 地面辐射 长波辐射 大气的热力作用 1 大气对太阳辐射的削弱作用2 大气的保温效应 太阳辐射光谱 太阳辐射中辐射按波长的分布 称为太阳辐射光谱 从太阳辐射光谱图中得出什么规律 2太阳辐射太阳辐射光谱和太阳常数 1 波长过短或过长所负荷的辐射能量都很少 2 大气上界太阳辐射光谱在0 1 5um的范围 太阳辐射中99 的能量在0 15 4um的范围 其中0 4 0 76um为可见光区 0 76um的为红外区 0 4um为紫外区 3 太阳辐射能主要分布在可见光区和红外光区 其中 可见光占太阳辐射总能量的50 并以0 47um附近最强 红外区占43 紫外区的太阳辐射能很少 只占7 太阳常数 在大气上界 垂直于太阳光线的1cm2面积内 1min内获得的太阳辐射能量 称为太阳常数 1370W m2 三 大气对太阳辐射的削弱作用 1 吸收作用 O3吸收紫外线CO2 水汽吸收红外线 特点 具有选择性 2 反射作用 云层 尘埃 特点 无选择性 3 散射作用 空气分子和微小尘埃 具有选择性 大颗粒的尘埃及水滴 则无选择性 大气的吸收作用有何特点 散射类型 1 分子散射 太阳辐射遇到比其波长小的空气分子时发生的散射 辐射击的波长愈短 散射得愈强 因此当太阳辐射通过大气时 由于分子散射的结果 波长较短的光被散射得较多 雨后天晴 天空呈青蓝色 就是因为太阳辐射中青蓝色光波长较短 容易被大气散的缘故 分子散射的另一特点是 质点散射对于其光学特性来说是对称的球形 2 粗粒散射 太阳辐射遇到悬浮在空气中的尘埃 烟尘 水滴等比光的波长尺度大的粗粒时 散辐就失去了对称的形式 粗粒散射是没有选择性的 即辐射的各种波长都同样地散射 大气吸收19 大气和地面反射 散射34 Q Q 大气上界 Q1 Q2 地球 直射 Q1 Q Q2 Q 大气的削弱作用 L1 L2 Q1 Q2 S1 S2 斜射 四 大气的保温效应 1 地面辐射是大气的主要热源 地面辐射绝大部分 约有75 95 被大气中的云 雾 水汽和二氧化碳等吸收 只有波长为8 4 12um的部分 可穿过大气层进入宇宙空间 故称此波段为 大气窗 2 大气辐射 1 大气靠吸收 其吸收具有选择性 地面长波辐射而增温 1 水汽 对地面长波辐射的吸收最明显 可吸收5 8 5um 18um 红外区范围的太阳光 2 二氧化碳 吸收波段有4 3um 14 7um 尤其是在14 7um为中心的吸收带范围很广 太阳 地面 大气 大气逆辐射 地面和大气既吸收太阳辐射 又依据本身的温度向外辐射 由于地面和大气的温度比太阳低得多 因而地面和大气辐射的电磁波长比太阳辐射波长得多 其能量集中在3 120微米的红外范围内 故习惯上称太阳辐射为短波辐射 地面和大气辐射为长波辐射 据估计 约有75 95 的地面长波辐射被大气吸收 用于大气增温 只有极少部分穿透大气散失到宇宙空间 由此可见 地面是大气第二热源 气温变化必然受到地面性质的影响 地面长波辐射几乎全被近地面40 50米厚的大气层所吸收 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 这是对流层气温随高度增加而降低的重要原因 地面辐射的方向是向上的 而大气辐射方向既有向上的 也有向下的 向下的部分称大气逆辐射 逆辐射可减少地面因长波辐射而损失的热量 这对地球表面的热量平衡具有重要意义 它使太阳短波辐射易于达到地面 地面长波辐射却不容易散失到宇宙空间 从而对大气起保温作用 使地面温度变化不致过于剧烈 这种作用称大气花房效应 四 大气对地面的保温作用 1 地面辐射 地面辐射是大气的直接热源 长波辐射 2 大气辐射 长波辐射 3 大气对地面的保温作用 地面辐射 大气吸收 大气逆辐射 大气强烈吸收地面辐射 将能量贮存于大气中 不致使地面辐射的能量散失 大气辐射的大部分能量又射向地面 在一定程度上补偿了地面辐射的部分损失 什么是大气的直接热源 地面吸收 大气吸收 地面辐射 大气吸收 射向宇宙空间 射向宇宙空间 大气辐射 射向地面 大气对地面的保温作用 太阳暖大地 大地暖大气 大气还大地 短波辐射 长波辐射 太阳辐射 到达地面太阳辐射 大气吸收太阳辐射 地面辐射 大气吸收地面辐射 射向宇宙地面辐射 射向宇宙大气辐射 大气逆辐射 吸收作用反射作用散射作用 直接热源 直接热源 通过计算 如果没有大气 地表的平均温度为 230C 实际为150C 也就是说 由于大气的保温作用 使地表温度升高了380C 没有月球的大气 有大气的地球的情况 大气上界 资料 月球表面 白天在太阳直射的地方 温度可达1270C 夜晚则降到 1830C 这是生活在地球上的人类无法想象的 而地球的昼夜温差要小得多 试用大气的作用加以解释 绘图练习 自选其一 可加文字说明 1 图示大气对太阳辐射的削弱作用2 图示大气对地面的保温作用3 图示晴天与阴天的昼夜温差 大气吸收 大气反射 大气散射 太阳辐射 地面辐射 玻璃温室 大气作用 保温作用 1 白天多云时 由于云层对太阳辐射的作用增强 到达地面的太阳辐射强度 所以地面温度比晴天 2 夜间多云时 由于云层地面长波辐射 并使大气作用增强 补偿了地面辐射损失的热量 所以地面温度比晴天 晴天与阴天的昼夜温差 晴天 阴天 反射 减弱 低 吸收 逆辐射 高 为何降雨后天空呈蔚蓝色 主要是空气分子有选择地对波长青色 蓝色光进行散射 为何日出 日落时 太阳呈红色 因为太阳高度角不同 太阳光通过大气的厚度也不同 太阳高度越小 太阳光投射时所穿过的大气质量就大 垂直时 穿过的质量数为1 日出 日落时 日光通过的大气质量数最大 尤其是低层大气的水滴 灰尘等大质点多 红光 橙光散射增强 导致出现红色 霞光 大气热力作用的意义 1 缩小了气温日较差2 提高了地球表面平均温度 大气的热力状况 大气的热力状况 大气的热力作用 大气对太阳的削弱作用 大气的保温效应 太阳 地面 大气 大气逆辐射 全球的热量平衡