第1章 大氣的組成和結構

1、1/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院第一章第一章 大氣的組成和結構大氣的組成和結構中國民航大學空管學院2021/10/29中國民航大學中國民航大學 韓博韓博2/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院第一節(jié)第一節(jié) 大氣大氣組成組成 第二節(jié)第二節(jié) 大氣結構大氣結構第四節(jié)第四節(jié) 標準大氣標準大氣第三節(jié)第三節(jié) 空氣狀態(tài)方程空氣狀態(tài)方程3/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院4/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院5/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院地球表面的外層是多種氣體混合組成的空氣，受地球重力作用，圍繞地球占有一定的空間，稱為地球大氣，簡稱大

2、大氣氣 （Atmosphere）。大氣不停地運動，不斷地變化，呈現(xiàn)出各種各樣的天氣天氣 （Weather）現(xiàn)象。大氣的狀態(tài)用氣溫、氣壓、濕度、風、云、降水、能見度等氣象要素氣象要素 （Meteorological Element）表示。 地球大氣6/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院1、干潔空氣（、干潔空氣（Dry Air）除水汽、氣溶膠以外的整個混合氣體。主要為N2、O2。2、水汽（、水汽（Water Vapor）垂直和水平分布差異較大；大氣中唯一能發(fā)生相變的成分，來源于地面，含量變化。容積計約占05%。3、氣溶膠粒子（大氣雜質）（、氣溶膠粒子（大氣雜質）（Aerosols）水汽

3、水汽凝結物凝結物水滴和冰晶懸浮的固體固體微粒微粒煙粒、鹽粒、塵粒、各種凝結核以及帶電離子等。第一節(jié) 大氣組成7/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院1、干潔空氣N2占大氣質量的78%，O2占大氣質量的21%.8/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院1、干潔空氣臭氧（臭氧（O3）主要分布于1050km高度的平流層大氣中，極大值在2035km之間。O3可以強烈吸收太陽紫外線輻射（短波輻射）而增溫，改變大氣溫度的垂直分布，同時也使地球生物免受了過多紫外線（Ultraviolet）的照射。O3是對是對天氣影響較大的成分天氣影響較大的成分9/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管

4、學院干潔大氣之不同緯度臭氧濃度平均垂直分布曲線（a）4月月（b）10月月10/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院干潔大氣之 CO2CO2Q 吸收地面受熱后放出的長波輻射，對地球具有“溫室效應”（Green House Effect）的作用。Q 對天氣影響較大的成分。對天氣影響較大的成分。Q 二氧化碳含量分布特點： 工業(yè)區(qū)多、農村少 同一地區(qū)冬季多、夏季少 夜間多、白天少 陰天多、晴天少11/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院水汽在大氣中所占的比例很小，僅0.1% 3%，卻是大氣中最活躍的成分。水對于地球上生命的意義。2、水汽12/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空

5、管學院2、水汽13/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院水汽的分布：水汽的分布：大氣中的水汽含量隨高度的增加而逐漸減少減少。水平地理分布不均。 約50%的水汽集中在約2km以下，約大于90%的水汽集中在5km以下；99%的水汽集中在對流層。 水汽是成云致雨的物質基礎，故大多數(shù)復雜天氣均出現(xiàn)在中低空，高空晴朗。2、水汽14/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院水汽之對天氣的影響：水汽對天氣的影響：水汽對天氣的影響：Q 水汽相變產生云、霧、露、霜、雨、雪、雹等天氣現(xiàn)象。Q 相變過程中放出或吸收熱量，影響地面和空氣的溫度。Q 水汽與氣溫及天氣變化關系密切：大氣運動中的水汽通過狀態(tài)

6、變化傳輸熱量。15/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院（1）定義）定義 氣溶膠氣溶膠 (Aerosols) 質粒質粒指懸浮在大氣中的固體微粒和水汽凝結物。（2）對天氣的影響：）對天氣的影響：Q固體雜質可充當水汽的凝結核，在云、霧、降水等的形成過程中起著重要的作用。Q在一定的天氣條件下，氣溶膠粒子常聚集在一起，形成霾、風沙浮塵等視程障礙現(xiàn)象，使大氣透明度變差；Q吸收、散射和反射地面和太陽輻射，影響大氣溫度；3、大氣氣溶膠3、大氣氣溶膠16/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院3、大氣氣溶膠3、大氣氣溶膠17/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院 1、大氣垂直分層依

7、據(jù)、大氣垂直分層依據(jù) 2、大氣分層及各層特征、大氣分層及各層特征第二節(jié) 大氣結構18/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院 T 為溫度變化量 Z 為高度變化量一、大氣垂直分層的依據(jù)氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率的定義：氣溫垂直遞減率的定義：TZ 東 XZ天Z北 YTT+TZZ+Z19/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院一、大氣垂直分層的依據(jù)氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率 等溫層逆溫層普遍分布TTTZZZ20/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院一、大氣垂直分層的依據(jù)氣溫垂直遞減率 已知某地的地面氣溫為已知某地的地面氣溫為T0 (C)，可大致推算該地可大

8、致推算該地Z (m) 高度上的氣溫高度上的氣溫TZ (C) : TZ = T0 Z在對流層對流層中，平均取 = 0.65 C/100 m，則 TZ = T0 0.65Z100 或 TZ = T0 0. 0065ZT0Z天TZZ北 Y氣溫垂直遞減率的應用21/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院一、大氣垂直分層的依據(jù)氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率的應用 已知某地的已知某地的Z1 (ft)高度上氣溫為高度上氣溫為T1 (C)，可大致推算該地，可大致推算該地Z2 (ft) 高度高度上的氣溫上的氣溫T2 (C) : T2 = T1 (Z2 Z1)在對流層對流層中，平均取 = 2 C/1, 00

9、0 ft，則 T2 = T1 2Z2 Z11, 000T1東 XZ天T2Z2北 YZ1Z2-Z122/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院大氣層狀結構：Q 對流層（Troposphere）Q 平流層/同溫層（Stratosphere）Q 中間層（Mesosphere）Q 暖層/電離層（Thermosphere）Q 外逸層（Exosphere）二、大氣垂直分層結構23/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院80 90km50 60km8 9km10 12kmATMOSPHERIC LEVELSTroposphereStratosphereMesosphereTropopause

10、ThermosphereExosphere大氣的分層大氣的分層暖暖 層層散散 逸逸 層層對對 流流 層層平平 流流 層層中中 間間 層層對對 流流 層層 頂頂17 18km1 600 km垂直分層的高度24/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院1、對流層、對流層對流層是緊貼地面的一層，它受地面的影響最大。因為地面附近的空氣受熱上升，而位于上面的冷空氣下沉，發(fā)生對流運動，故得名對流層。對流層頂高度：對流層頂高度： 平均說來，低緯度對流層頂高、高緯度對流層頂?shù)?。同一地區(qū)，對流層頂高度夏季高于冬季。二、大氣垂直分層結構25/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院 對流層集中了約75

11、%的大氣質量和90%以上的水汽。 對流層大氣熱量的直接來源主要是空氣吸收地面發(fā)出的長波輻射，靠近地面的空氣受熱后熱量再向高處傳遞。 對流層中，水汽和二氧化碳對大氣溫度變化的影響最大。1 對流層26/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院對流層三大重要特征：對流層的三個主要特點：對流層的三個主要特點：Q 氣溫隨著高度的增高而降低氣溫隨著高度的增高而降低Q 具有強烈的對流和湍流運動具有強烈的對流和湍流運動Q 各氣象要素水平分布不均勻各氣象要素水平分布不均勻 因為大氣不能吸收太陽短波輻射，但地因為大氣不能吸收太陽短波輻射，但地面能吸收太陽輻射而升溫并放出長波輻面能吸收太陽輻射而升溫并放出長波

12、輻射，大氣主要通過吸收地面的長波輻射射，大氣主要通過吸收地面的長波輻射和通過對流、湍流等方式和通過對流、湍流等方式 從地面吸收熱從地面吸收熱量才能升溫，因而越接近地面的大氣得量才能升溫，因而越接近地面的大氣得到的熱量越多，造成對流層的氣溫隨高到的熱量越多，造成對流層的氣溫隨高度升高而降低。度升高而降低。低層空氣由于從地面得到熱量使之受熱上升，低層空氣由于從地面得到熱量使之受熱上升，高層冷空氣下沉，從而造成對流層內存在強高層冷空氣下沉，從而造成對流層內存在強烈的垂直混合作用。熱帶地面溫度高，垂直烈的垂直混合作用。熱帶地面溫度高，垂直混合能到很高高度，對流層頂高度高；極地混合能到很高高度，對流層頂

13、高度高；極地地面溫度低，垂直混合作用弱，對流層頂高地面溫度低，垂直混合作用弱，對流層頂高度低。度低。氣象要素水平分布不均勻。氣象要素水平分布不均勻。由于各地緯度和地表性質的差異，地由于各地緯度和地表性質的差異，地面上空空氣在水平方向上具有不同物面上空空氣在水平方向上具有不同物理屬性，溫、壓、濕等要素水平分布理屬性，溫、壓、濕等要素水平分布不均勻，從而產生各種天氣過程和天不均勻，從而產生各種天氣過程和天氣變化。氣變化。 27/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院多數(shù)天氣發(fā)生在對流層中，多數(shù)天氣發(fā)生在對流層中，包括云、降水和風，特別是包括云、降水和風，特別是引起對流云發(fā)展的垂直氣流。引起

14、對流云發(fā)展的垂直氣流。1 對流層28/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院Q對流層下層對流層下層（離地面1500m高度以下）又名摩擦層摩擦層，空氣運動受地形擾動和地表摩擦作用最大，氣流混亂。Q中層中層（摩擦層頂?shù)?000m高度）空氣運動受地表影響較小，氣流相對平穩(wěn)，可代表對流層氣流的基本趨勢，云和降水大多生成于這一層。Q上層上層（從6000m到對流層頂）受地表影響更小，水汽含量很少，氣溫通常在0以下，各種云多由冰晶或過冷水滴組成。Q1500m高度以上的大氣因為幾乎不受受地表摩擦作用的影響-自由大氣自由大氣。對流層中按氣流和天氣現(xiàn)象分布的特點，可分為上中下三個層次：對流層中按氣流和天氣

15、現(xiàn)象分布的特點，可分為上中下三個層次：1 對流層29/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院在對流層的頂部直到55km，氣流運動相當平衡，而且主要以水平運動為主，故稱為平流平流層層。 平流層頂?shù)臍鈮杭s1hPa。平流層下部溫度隨高度變化很小，平流層上部因為存在臭氧層，臭氧吸收太陽紫外輻射使大氣溫度增加。 2、平流層30/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院平流層的重要特征：Q大氣很穩(wěn)定，空氣的垂直運動很微弱，多為平流運動。Q水汽和雜質含量很少，幾乎沒有對流層中所出現(xiàn)的各種天氣現(xiàn)象。Q大氣透明度高，天氣晴朗，飛行氣象條件好。31/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院平流

16、層的重要特征：Q 氣溫隨高度的升高而升高。Q 水平風速大：冬季極地有時出現(xiàn)80米/秒以上的強風。Q 大氣層結穩(wěn)定，垂直運動受到抑制。Q 空氣阻力小，顛簸極少。Q 大氣密度小，對飛機的空氣動力性能有影響；天空黯淡。Q 高空主導環(huán)流：夏季以極地為高壓中心的東風環(huán)流中高緯度盛行東風；冬季以極地為低壓中心中高緯度盛行西風。32/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院平流層對飛行的影響Q有利方面：氣流平穩(wěn)、空氣干潔、能見度好、飛行阻力小，有利于大型飛機飛行。Q不利方面：發(fā)動機效率降低，飛機對操縱的反映遲緩。33/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院 3、中間層、熱層、外逸層中間層中間層

17、在5085km高度，是大氣中最冷的部分。水汽極少，雖然不穩(wěn)定，但是沒有什么天氣現(xiàn)象。熱層（電離層）熱層（電離層）在85km800km以上，太陽輻射中的強紫外輻射造成了熱層的高溫。雖然溫度是最高，但是大氣極其稀薄。34/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院暖層頂以上的大氣統(tǒng)稱為外逸層外逸層，又叫外層。它是大氣的最高層，高度離地表800km以上，厚度可達20003000km。外逸層中溫度很高，空氣十分稀薄，受地球引力場的約束很弱，一些高速運動著的空氣分子可以掙脫地球的引力和其它分子的阻力散逸到宇宙空間。 3、中間層、熱層、外逸層、中間層、熱層、外逸層35/27中國民航大學中國民航大學 空

18、管學院空管學院第四節(jié) 標準大氣Q標準大氣標準大氣是鉛直方向上，溫度、氣壓和密度按一種假定的規(guī)律分布的模式大氣，是根據(jù)實測資料，用簡化方式近似的表示大氣溫度、壓力和密度的平均分布。Q制作目的：出于比較飛機性能和設計大氣數(shù)據(jù)儀表的需要。Q在設計飛行器、飛行器的設備和儀表時，在訂正飛行試驗數(shù)據(jù)時，都要以預先規(guī)定好的，隨高度固定分布的大氣物理狀態(tài)為根據(jù)，這樣才能得到可以相互比較的儀表示度、飛行試驗數(shù)據(jù)和空氣動力數(shù)據(jù)。36/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院由國際民航組織（ICAO）統(tǒng)一采用的32公里以下標準大氣的主要數(shù)據(jù)是：1、干潔大氣，垂直方向上成份（各種氣體的比例）不改變，平均分子量為28.9644；2、具有理想氣體的性質（服從方程pV=nRT）；3、標準海平面的重力加速度為g0=9.80665m/s2；標準大氣主要特性：37/27中國民航大學中國民航大學 空管學院空管學院4、在平均海平面上，氣溫為T0=15C=288.16K ；氣壓為P0=1013.25hPa =760mmHg=1個大氣壓=1013.25mb；空氣密度為0=1.225kg/m3；5、 處于流體靜