大气科学基础(教案)

《大气科学基础(教案)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、大气科学基础理论提示：包围着地球的气体外壳称为地球大气，简称大气。地球大气的组成包括各种气体及悬浮其中的液态和固态微粒。大气的总质量约为5.136×1018kg，仅相当于地球质量的百万分之一。地球大气对地球上的生命有着重要的作用，在大气中所发生的物理现象及物理过程都与人类活动有着密切的关系，为了研究大气中所发生的物理现象及物理过程，首先必须对大气的基本性质和特点有一概括的了解。理论解释：一、大气的起源与组成1.1大气的起源（1）原始大气阶段根据天文学中的一种假说，地球是由宇宙中的弥漫星云凝聚而成的。星云中的主要成分是氢和氦，它们大约占98%。星云凝聚时，气体被禁锢在地球内部

2、，当地球进一步收缩，气体便被排挤到表面上来。但是，当时地球温度很高，气体分子的动能很大，加上太阳风的作用，以致地球引力不足以吸引住气体，它们大量地向宇宙空间逃逸散失。因此有人判断，大约在45亿年前，地球形成的初期或晚些时候，地球上是没有大气的。（2）次生大气阶段随着地球的逐渐冷却，表面形成了原始地壳，而被吸附或保藏在地球内部的一些液体和气体则通过火山活动的形式逸出地球表面。逸出的气体主要是氢气、水汽、二氧化碳以及氮、硫及其化合物。因为地壳相对是冷的，气体一到表面就很快冷却，其中大部分水汽凝结成水，形成水圈。这个阶段的大气主要成分是甲烷、氢气；次要成分是水蒸汽，氨、硫化氢。（

3、3）大气向氧化性气体转化阶段这一阶段，水蒸汽继续凝结入海洋。同时大气上层中的水汽分子受到太阳紫外线的照射而发生光化学分解，分解为氢和氧。氢由于很轻，多数从地球大气向外逃逸到宇宙空间，而氧较重可留在大气中。氧是一种非常活泼的元素，当氢气分压降到很低时，还原性气体化合物如甲烷、氨，开始氧化成二氧化碳、氮。氮惰性大，就积聚起来。所以，大气中的氮和二氧化碳不断增加。这一阶段的大气主要成分是氮；次要成分是水蒸汽、二氧化碳和氧。（4）现代大气形成阶段这个阶段是大气圈现今面貌的形成阶段，也是地球演化过程中生命形成阶段。地球上的氧气主要是植物的光合作用产生的，正是生物圈的作用导致了地球大气

4、的进一步演化。生命的形成是与平流层臭氧密切相关的。据估算，大约到了4亿多年前，大气中氧的浓度达到现在浓度的十分之一。当大气中氧逐渐增加是，就导致了高层大气中臭氧层的形成，从而过滤掉太阳辐射中的紫外部分。随着臭氧层的发展，透过大气达到地面的紫外线越来越少，逐渐使植物移向水面，最后出现在陆地上。植物的光合作用使二氧化碳逐渐减少，氧气逐渐增多，并在这样的演变过程中逐渐达到了一种平衡。从火山喷发出来的氮，部分进入到地壳的硝酸盐中，由于氮的化学惰性，并且在水中不易溶解，所以大部分仍保留在大气中，因此，氮的含量在大气中就逐渐占了很大的比重。这就是现在以氮和氧为主要成分的大气环境。1.2

5、现代大气的组成现在地球大气是多种气体及飘浮其中的固态、液态颗粒物所组成的混合物。大气成分由干洁空气、水汽及气溶胶粒子三部分组成。（1）干洁空气通常将不包含水汽的纯净大气称为干洁大气。所谓“纯净”指不含悬浮于大气中的固态、液态颗粒物即气溶胶粒子。早在18-19世纪，物理学家和化学家已经确定了大气的主要成分为氮、氧、水汽、二氧化碳及若干稀有气体。需要强调的是，自工业革命以后，特别是最近几十年以来，地球大气中的微量成分已经发生并正在继续发生引人注目的变化。微量气体的这种变化有些是自然现象，有些是人为活动造成的。最突出的例子是大气中的温室气体的增加。这种变化通过大气辐射过程有可能给

6、未来的地球气候环境造成深刻的影响。此外，还有一些大气中本来没有而纯属人为产生的污染成分，如氯氟碳化物、氢氟碳化物等。（1）水汽从占地球大气总质量的百分比而言，水汽仅排在第四位，但是水汽是大气中最重要的成分之一。首先水汽是唯一可以在常温、常压情况下发生相变的大气成分，它与云、雾、雨、雪等天气现象以及虹等大气光象密切相关。其次，从大气辐射学和气候变化的角度看，水汽是大气中最重要的温室气体。水汽在大气中的含量变化将对全球和局地天气气候产生重大影响。大气中水汽的85%来自海洋的蒸发，15%来自江河、湖泊的蒸发以及生物圈土壤、植物的蒸腾作用；大气中的水汽又可以通过凝结、凝华形成降水而

7、离开大气回到生物圈和水圈，这就构成了大气中水的循环。（2）气溶胶地球大气中除了气体成分之外，还含有大量的固态和液态颗粒物质即气溶胶。一般认为，大气气溶胶粒子的直径在几个纳米到几十微米之间。大气气溶胶浓度的分布受地理位置、地形、地表性质、距离污染源的远近及气象条件的限制。一般而言，大气气溶胶的浓度城市大于农村，陆地大于海洋，高度越高浓度越小。气溶胶的主要作用有以下几点：1）形成凝结核和冰核。2）影响地气系统的辐射。3）影响大气能见度。4）在大气的许多化学过程中起作用。二、大气铅直分层在垂直方向上，大气的物理性质是不均