大气物理学-第1次课 - 副本.ppt

大气物理学 主讲教师： 杨素英 1、大气物理学课程简介 主要内容 课程性质与任务 学科发展简史 主要参考书 课程性质与任务 定义 主要研究地球大气各种物理现象和过程。 大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。 分支 大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学 课程性质与任务 研究方法 通过观测或者实验获取大气状态和过程的资料，应用物理学、化学和大气科学本身的理论分析这些资料，总结大气过程规律性，并指导实践。 课程学习目的 了解和掌握大气物理学的基础知识和基础理论，为学习后行课、专业课打下坚实的基础。 课程性质与任务 学习内容 大气成分和结构特征 大气静力学 大气辐射学 大气热力学 学科发展简史 1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶~20世纪中叶） 参考书目： 2、地球大气的演化 2、地球大气的演化 地球大气以氮、氧为主。这在迄今为止所有已发现的天体大气中是唯一的。 地球已经有46亿年的历史，在漫长而曲折的演化过程中，今天地球大气成分和结构已经发生了很大的变化。 本次课所要讲授的内容 地球大气是怎样起源的呢？ 怎样从原始大气状态演变为现代大气的呢？ 2、地球大气的演化 银河系与河外星系 太阳系 地球形成 地球构造图 2、地球大气的演化 地球大气的演化大致分为三个阶段 原始大气：地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质H2、He和CO为主。太阳风（高速物质流）和地球的升温作用使得原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸失散。 次生大气：在45-20亿年前，地球逐渐冷却后,由于造山运动、火山喷发伴随从地幔中释放出来的地壳内部原来吸附的气体，形成了次生大气，其主要成分是CO2、CH4、NH3和H2O。 现代大气：大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测），形成原始海洋，生命就在原始海洋的汤液中形成。以氮气和氧气为主。 2、地球大气的演化 综上，生命的出现和生物圈的形成在地球大气的演变过程中起了重要作用。而生命能够在地球上出现，是和合适的日地距离有关。 1）适宜的日地距离使地球表面温度合适，水能完成水汽、液水和冰循环，为生命存在提供吸收养分等的介质。 2）水汽光解产生少量氧，海洋和少量氧的存在为生命出现创造了条件。 3）生命的出现反过来又改变了地球大气的成分，形成以氮、氧为主的大气。 4）臭氧强烈吸收太阳紫外辐射，保护地球上的生命，并使平流层增温，从而改变高层大气的热力结构。 3、地球大气成分及分布 地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质（称为大气气溶胶 ） 组成的。 即包括含有多种成分的干空气（简称干洁大气）、水汽和气溶胶粒子。 3.1 干洁大气（干空气） 定义：除水汽以外的纯净大气。 研究的范围：90km以下的均和层，特别是对流层的大气。 均和层：在90km以下，干空气的成分和各成分之间的比例是不变的，即各成分之间是均匀混合的（湍流混合的结果） 3.1 干洁大气（干空气） 分类 1）按照各成分在大气中的浓度分为： 主要成分、微量成分和痕量成分 2）按照平均滞留时间分为： 准定常成分、可变成分和平均寿命短于一 年的变化很快的气体成分 主要成分、微量成分和痕量成分 主要成分：包括N2、O2、Ar和CO2，浓度在300ppmv以上； 微量成分：如CH4 ，浓度在1~20ppmv； 痕量成分：浓度在1ppmv以下，如O3、H2、NOX、硫化物、人为产生的氟氯烃类化合物。 后两者合称为次要成分；次要成分含量虽然低，但会显著影响人类；具有化学活性和大多是温室气体（CO2、O3、CH4）。 大气的组成饼图 准定常成分、可变成分和平均寿命短于一年的变化很快的气体成分 准定常成分：平均寿命大于1000a，各成分之间大致保持固定的比例，主要包括N2、O2、Ar，及微量惰性气体； 可变成分：平均寿命为几年~十几年，其所占的比例随时空变化，如CO2、CH4、H2、N2O和O3； 平均寿命短于一年的：一些碳、硫、氮的化合物，可能产生很大危害。 3.1 干洁大气（干空气） 及其它特征 1）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分； 2）平均分子量： 90km以下，空气平均分子量为28.966，不随高度变化；90km以上，随高度递减。具体如下图 3.1 干洁大气（干空气） 及其它特征 3）空气密度：标准状态（p=1013.25hPa, t=0℃）下，干空气密度为1.29kg/m3 3.1 干洁