第四章大氣圈

第四章大氣圈本章重點(diǎn)：大氣圈各圈層特征、大氣運(yùn)動(dòng)、氣候變遷。本章難點(diǎn)：大氣環(huán)流。第一節(jié)大氣圈的物質(zhì)組成地球的外部圈層大氣圈存在的主要證據(jù)和現(xiàn)象：1.藍(lán)色的天空；2.白云；3.風(fēng)；4.流星1.藍(lán)天：選擇性散射（瑞利散射：散射能力與光波波長(zhǎng)的四次方成反比，波長(zhǎng)愈短的波，散射愈強(qiáng)烈

）。2.白云：云是由水滴和空氣中的粉塵組成，直徑較太陽(yáng)光波長(zhǎng)都長(zhǎng)，所有的波長(zhǎng)都是平均地被散射的（邁以散射），因此，云是白色的。

當(dāng)云層越來(lái)越厚時(shí)，小水滴越來(lái)越多，幾乎連成一片，太陽(yáng)光和邁以射散的光不能或者很少能穿透云層，白云就變成烏云。

3.風(fēng)：有風(fēng)說(shuō)明有物質(zhì)的存在，因?yàn)轱L(fēng)是由于大氣不同部位的壓力差造成的。在真空中不能形成風(fēng)。4.流星：隕石穿過(guò)大氣層時(shí)，由于其速度太快，與大氣摩擦產(chǎn)生熱使其燃燒起來(lái)形成。地球是特殊的行星，因地球引力，外圍包著一層有一定厚度的連續(xù)不斷的氣態(tài)物質(zhì)，成為地球最外面的一個(gè)圈層，即大氣圈（大氣層）。大氣圈沒(méi)有明顯的上界，在赤道上方高42000千米和兩極上方高28000千米的高空仍有大氣存在的痕跡。大氣是人類(lèi)和生物賴(lài)以生存必不可少的物質(zhì)條件，也是使地表保持恒溫和水分的保護(hù)層，同時(shí)也是促進(jìn)地表形態(tài)變化的重要?jiǎng)恿兔浇?。中?guó)古代賢哲通過(guò)呼吸及煙、云等現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)到氣是一種物質(zhì)，天和氣之間存在著某種聯(lián)系。古希臘學(xué)者把氣看作構(gòu)成物質(zhì)的基本組成元素；達(dá)·芬奇有了空氣和真空的概念，能利用空氣的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)明風(fēng)的形成；伽利略通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明空氣是有質(zhì)量的；18世紀(jì)70年代后，氮?dú)?、氧氣、惰性氣體和其它幾種成分陸續(xù)被認(rèn)識(shí)。地球大氣由多種氣體的混合物組成，主要成分是氮和氧，共占99%，其中氮占大氣體積的78%，氧占21%，此外還有氫、二氧化碳、臭氧、水汽和固體雜質(zhì)等，只占1%。在高出海平面80~90千米以下的空間內(nèi)的大氣質(zhì)量占整個(gè)大氣圈質(zhì)量的99.999%以上，其余部分質(zhì)量甚微，但分布空間可達(dá)地面幾千萬(wàn)米以上。高層大氣的物質(zhì)組成，從下到上氮、氧、氦、氫為主，并從以分子狀態(tài)為主到以原子、離子狀態(tài)為主。大氣的組成成分基本上是恒定的。氮是一種不易與其它物質(zhì)化合的中性氣體，是植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源。植物通過(guò)土壤細(xì)菌（固氮菌）攝取大氣中的氮；閃電作用可析出氮。通過(guò)生物的燃燒以及脫氮作用回到大氣中。氧是化學(xué)性質(zhì)上高度活躍的元素，也是人類(lèi)和動(dòng)物生存的主要元素。在氧化過(guò)程中，它易于和其它元素化合。通過(guò)光合作用和呼吸作用實(shí)現(xiàn)在大氣和生命中交換。大氣中的水汽和固態(tài)雜質(zhì)主要存在于大氣低層，是產(chǎn)生天氣現(xiàn)象的必要條件之一。二氧化碳在大氣中有重要作用，因?yàn)樗鼘?duì)太陽(yáng)輻射吸收甚少，但卻能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，同時(shí)又向周?chē)諝夂偷孛姘l(fā)射長(zhǎng)波輻射，從而使地層大氣因接受熱輻射而變暖。綠色植物在光合作用過(guò)程中，利用大氣中的CO2，在水的參與下將它轉(zhuǎn)化為固態(tài)的碳水化合物，這正是人類(lèi)食物的重要來(lái)源。過(guò)去300年，CO2增加了25%，主要是人類(lèi)引起的化石燃燒、森林砍伐及土地利用形式的改變。第二節(jié)大氣圈的分層一、大氣圈的分層大氣在垂直方向的分布是極不均勻的，整個(gè)大氣圈內(nèi)大氣的成分、溫度、密度等物理性質(zhì)都有明顯的變化，稱(chēng)為大氣在垂直方向上的差異。據(jù)此將大氣圈分為五層。大氣圈分層的主要依據(jù)：

(1)物質(zhì)組成；

(2)大氣溫度變化；

(3)電荷；(4)大氣運(yùn)動(dòng)。

由地表往上可分為五個(gè)次級(jí)圈層：（1）對(duì)流層；（2）平流層；（3）中間層；（4）暖層；（5）散逸層（擴(kuò)散層）二大氣圈各層的基本特征1對(duì)流層：平均厚度12km，含大量水蒸氣和塵埃。⑴溫度隨高度的增加而降低，平均每上升100m氣溫約下降0.65℃。⑵空氣的對(duì)流強(qiáng)度，因緯度而變化，低緯地區(qū)對(duì)流強(qiáng)、影響高度大，高緯地區(qū)對(duì)流作用弱；夏季較強(qiáng)，冬季較弱。⑶天氣變化復(fù)雜多變，風(fēng)、霜、雨、雪、雹、霧等氣象現(xiàn)象均發(fā)生于此層。⑷氣象要素的水平分布不均勻。受地表海陸分布、地形起伏影響，對(duì)流層中溫度、濕度等水平分布是不均勻的。2平流層：從對(duì)流層頂?shù)降乇硪陨?5km的范圍。幾乎不含水蒸氣、塵埃，無(wú)天氣現(xiàn)象。⑴氣流運(yùn)動(dòng)相當(dāng)穩(wěn)定，且以水平方向上的運(yùn)動(dòng)為主；⑵氣溫隨著高度增高最初保持不變或微上升，大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升溫；

⑶有臭氧（O3）存在。臭氧層距地面20至30千米，介于對(duì)流層和平流層之間。這一層主要是由于氧分子受太陽(yáng)光的紫外線(xiàn)的光化作用造成的，使氧分子變成了臭氧。臭氧層能大量吸收太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)，對(duì)對(duì)流層和地表起著保護(hù)層的作用。

臭氧空洞：人類(lèi)大量使用的氯氟烷烴化學(xué)物質(zhì)（如制冷劑、發(fā)泡劑、清洗劑等）在大氣對(duì)流層中不易分解，當(dāng)其進(jìn)入平流層后受到強(qiáng)烈紫外線(xiàn)照射，分解產(chǎn)生氯游離基，游離基同臭氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴(yán)重破壞。3中間層：從平流層頂?shù)降乇硪陨?5km的范圍。這層氣溫再次隨高度升高而迅速下降，因而氣流的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)相當(dāng)強(qiáng)烈，故又稱(chēng)高空對(duì)流層。中間層水汽含量極少，幾乎沒(méi)有云層出現(xiàn)。4暖層（電離層）：從中間層頂?shù)降乇硪陨?00km的范圍。⑴此層大部分氣體分子在太陽(yáng)紫外線(xiàn)和宇宙線(xiàn)作用下發(fā)生電離，形成具有較高密度的帶電粒子。帶電粒子能反射電磁波，對(duì)地球上的無(wú)線(xiàn)電通訊有重要意義；⑵氣溫隨高度增加而急劇上升；⑶高緯度地區(qū)上空可出現(xiàn)極光。5擴(kuò)散層（散逸層）：從暖層頂?shù)酵鈱涌臻g。物質(zhì)多以原子、離子狀態(tài)存在。是地球物質(zhì)向宇宙空間擴(kuò)散的部位。第三節(jié)大氣圈中的物質(zhì)轉(zhuǎn)換

一、地球和宇宙物質(zhì)的相互交換通過(guò)大氣圈進(jìn)行。地球形成時(shí)，星云中的原始大氣（氫、氦）早已散失殆盡?，F(xiàn)代的大氣，一般認(rèn)為其成分是從地球內(nèi)部析出的?；鹕絿姵龅臍怏w主要是水蒸氣。它在紫外線(xiàn)的作用下，分解為氫和氧，氧受地球引力作用而保存下來(lái)，氫則散失到宇宙中去。地球的物質(zhì)也從宇宙得到補(bǔ)充。如隕石的絕大多數(shù)都變成氣體和塵埃（大氣圈中塵埃的主要來(lái)源之一）。二、大氣圈是地球自身各圈層間物質(zhì)轉(zhuǎn)換最活躍的場(chǎng)所。

⑴大氣圈中的少量氮向生物體、水、巖石和土壤中轉(zhuǎn)移，同時(shí)也有少量氮中地球內(nèi)部及腐爛生物遺體中析出，進(jìn)入大氣中。

⑵地球上的氧，95%固定在巖石里面，還有一些存在于生物體內(nèi)和溶解在水中，游離在大氣中的氧氣只是極少部分。人和動(dòng)物呼吸吸入氧氣呼出二氧化碳。地面上廣泛發(fā)生的氧化作用和碳酸化作用，則使大氣中的氧和二氧化碳轉(zhuǎn)移到巖石、土壤和水中。

⑶綠色植物的光合作用，使吸入的二氧化碳中的碳固定在植物體內(nèi)，并釋放出氧氣。⑷集中分布在對(duì)流層下部的水蒸氣，海洋、河流、湖泊等水體的蒸發(fā)和植物葉面的蒸騰。水蒸氣又會(huì)凝結(jié)成細(xì)微的水滴懸乎在空中，形成云、霧。進(jìn)而通過(guò)降雨回到地面水體中。第四節(jié)大氣運(yùn)動(dòng)一、氣象要素及其特征氣象要素是指表明大氣特征的物理狀態(tài)和物理現(xiàn)象的各種要素，包括氣壓、氣溫、風(fēng)、云、降水量、蒸發(fā)量、能見(jiàn)度、輻射、日照、大氣光現(xiàn)象等。（一）氣壓：即大氣壓強(qiáng)，指單位面積承受大氣的力。1平方米地面上的氣壓，可以看成是截面為1平方米的平面上伸到大氣圈上界的空氣柱地實(shí)際重量。氣壓的形成，根本原因是大氣的氣體分子受到地球的引力，且愈近下層，空氣聚集得愈致密，故下層的空氣密度也愈大，壓強(qiáng)也愈大，反之愈小。氣壓隨高度升高遞減。1氣壓的空間分布：A在垂直方向上隨高度增加而遞減。遞減速度與空氣密度和重力加速度有關(guān)。B氣壓在水平方向上的分布也很不一致。通常把某一水平面上的氣壓分布稱(chēng)為水平氣壓場(chǎng)，用等壓線(xiàn)來(lái)表示。低氣壓（低壓）：指在同一高度上中心氣壓低，周?chē)鷼鈮焊?，由閉合等壓線(xiàn)構(gòu)成的低氣壓區(qū)。氣流從周?chē)蛑行妮椇仙仙?，容易造成云和降?/p>

。高壓區(qū)（高壓）：指在同一高度上中心氣壓高，周?chē)鷼鈮旱?，由閉合等壓線(xiàn)構(gòu)成的高氣壓區(qū)。氣流從中心向周?chē)椇舷鲁?，一般天氣晴好。低壓槽和高壓脊：低壓槽?nèi)以上升氣流為主，常出現(xiàn)陰雨天氣。高壓脊內(nèi)以下沉氣流為主，天氣以晴為主。鞍形氣壓場(chǎng)：兩個(gè)高氣壓和兩個(gè)低氣壓交錯(cuò)相對(duì)的中間區(qū)域。氣流不穩(wěn)定，天氣陰沉。氣壓場(chǎng)的幾種基本形式2氣壓隨時(shí)間的變化：主要受氣溫的日變化和年變化所引起。夜間氣溫下降，空氣變冷，地面氣壓升高；白天地面氣壓下降。從全年看，大陸上冬季氣壓高，夏季氣壓低；海洋上氣壓的年變化則相反。（二）、氣溫：是指空氣冷熱程度。通常所說(shuō)氣溫是指從距地面1.5米高處的百葉箱內(nèi)測(cè)得的空氣溫度。氣溫的高低，實(shí)質(zhì)上是空氣分子平均動(dòng)能大小的表現(xiàn)。氣溫存在日變化和年變化。氣溫的空間分布包括氣溫的水平分布與垂直分布。（三）濕度：就是空氣的濕潤(rùn)程度，它表示空氣中水汽的含量。風(fēng):

空氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)。氣象上常指空氣的水平運(yùn)動(dòng)，并用風(fēng)向、風(fēng)速來(lái)表示。云:

懸浮在空氣中的大量水滴和冰晶組成的可見(jiàn)聚合體。在常規(guī)氣象觀測(cè)中要測(cè)定云狀、云高和云量。降水:

從云中降落的液態(tài)水和固態(tài)水,如雨、雪、冰雹等。蒸發(fā):

液體表面的氣化現(xiàn)象。氣象上指水由液體變成氣體的過(guò)程。輻射:

能量或物質(zhì)微粒從輻射體向空間各方向發(fā)送過(guò)程。氣象上通常稱(chēng)太陽(yáng)輻射為短波輻射，地球表面輻射和大氣輻射為長(zhǎng)波輻射。日照:

表示太陽(yáng)照射時(shí)間的量。氣象上通常提供的是觀測(cè)到的實(shí)照時(shí)數(shù)。能見(jiàn)度：人的正常視力所能看到的目標(biāo)物的最大距離。二、大氣運(yùn)動(dòng)1大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力：來(lái)自于太陽(yáng)輻射所產(chǎn)生的氣壓差。因氣壓差而形成熱力環(huán)流。2大氣環(huán)流：是指具有世界規(guī)模的、大范圍的大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。大氣環(huán)流反映了大氣運(yùn)動(dòng)的基本格局，并孕育和制約著較小規(guī)模的氣流運(yùn)動(dòng)。它是各種不同尺度的天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和移動(dòng)的背景條件。3地轉(zhuǎn)偏向力：由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生作用于運(yùn)動(dòng)空氣的力，稱(chēng)為地轉(zhuǎn)偏向力，簡(jiǎn)稱(chēng)偏向力。它只在物體相對(duì)于地面有運(yùn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生(實(shí)際不存在)，只能改變(水平運(yùn)動(dòng))物體運(yùn)動(dòng)的方向，不能改變物體運(yùn)動(dòng)的速率。相對(duì)于物體前進(jìn)方向來(lái)說(shuō)，在北半球地轉(zhuǎn)偏向力向右，在南半球則偏向左。4全球大氣環(huán)流⑴低緯熱帶環(huán)流圈：是指在赤道與南緯30°、北緯30°之間形成一個(gè)低緯的大氣環(huán)流系統(tǒng)。赤道地區(qū)空氣以垂直上升為主，且上升氣流常帶有較多水氣，到高空后易冷凝降雨，故造成“赤道無(wú)風(fēng)帶”和濕熱多雨氣候。在近地表，形成低緯信風(fēng)帶。⑵中緯的中緯環(huán)流圈和高緯的極地環(huán)流圈由極地高壓帶到副極地低壓帶之間形成偏東風(fēng)，稱(chēng)“極地東風(fēng)帶”；由副熱帶高壓帶到副極地低壓帶形成偏西風(fēng)，稱(chēng)“中緯西風(fēng)帶”。三、天氣和天氣系統(tǒng)天氣是指某一地區(qū)、某一時(shí)刻的大氣物理狀況。天氣系統(tǒng)是具有一定的溫度、氣壓或風(fēng)等氣象要素空間結(jié)構(gòu)特征的大氣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

一個(gè)地區(qū)某一時(shí)刻的天氣，是由該地區(qū)大氣中不同的各類(lèi)天氣系統(tǒng)（如高壓、低壓、氣旋、反氣旋等）的移動(dòng)、變化所引起的，而各天氣系統(tǒng)之間又是相互作用、相互交織著的，共同形成不同形態(tài)的天氣狀況。1主要天氣系統(tǒng)A氣團(tuán)：是指一定范圍內(nèi)，在水平方向上物理屬性（溫度、濕度、穩(wěn)定度等）相對(duì)比較均勻的大塊空氣。暖氣團(tuán)一般水汽含量豐富，所以當(dāng)冷、暖氣團(tuán)相遇時(shí)，暖氣團(tuán)往往被冷空氣抬升，降溫冷卻，常在高空形成云、雨。B鋒：兩個(gè)不同性質(zhì)的氣團(tuán)相接觸所形成的狹窄過(guò)渡區(qū)域稱(chēng)為鋒。鋒面在水平和垂直方向上都有一定的空間范圍。鋒區(qū)極易形成云、雨。鋒可分為冷鋒、暖鋒、準(zhǔn)靜止鋒和錮囚鋒等。C氣旋與反氣旋：氣旋：中心氣壓低、周?chē)鷼鈮焊叩拇蟪叨瓤諝怃鰷u稱(chēng)為氣旋。在北半球，氣旋風(fēng)是圍繞其中心作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的；南半球則相反。氣旋是由于鋒面上或密度不同的空氣分界面上發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)一步發(fā)展形成的。氣旋常常帶來(lái)大風(fēng)和降水天氣。在低緯度熱帶地區(qū)形成的氣旋稱(chēng)為熱帶氣旋。它是由于熱帶洋面上局部聚集的濕熱空氣大規(guī)模上升，低層周?chē)目諝庀蛑行牧鲃?dòng)，在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成的空氣大漩渦，直徑約200~1000km。常有狂風(fēng)暴雨天氣。按國(guó)際熱帶氣旋名稱(chēng)和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分為熱帶低壓（中心附近最大風(fēng)力6~7級(jí)）、熱帶風(fēng)暴（8~9級(jí)）、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴（10~11級(jí)）、臺(tái)風(fēng)（≥12級(jí)）。反氣旋：中心氣壓高，周?chē)鷼鈮旱停瑲饬鲝闹行某薯槙r(shí)針?lè)较颍ū卑肭颍┫蛩闹軠u旋式流散的天氣系統(tǒng)，稱(chēng)為反氣旋（又稱(chēng)高氣壓）。主要因地面受熱不均，引起氣壓差別所造成。多屬晴朗穩(wěn)定的天氣。北半球氣旋與反氣旋示意圖第五節(jié)氣候及其變化的原因一氣候及氣候帶氣候：對(duì)一個(gè)地區(qū)多年天氣狀況的綜合統(tǒng)計(jì)特征。30年的時(shí)間長(zhǎng)度作為描述氣候狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)段。地球上的氣候有著十分顯著的空間分布。氣候分類(lèi)一般包括兩級(jí)，第一級(jí)是氣候帶?？刂茪夂虻淖钪饕蛩貫樘?yáng)輻射和大氣環(huán)流，因而氣候帶是沿緯度帶分布的。第二級(jí)是氣候型，不同的氣候型主要由空間尺度較小的因子如海陸分布、地形等所致。全球氣候包括若干氣候帶，每個(gè)氣候帶又可分成若干氣候型。全球劃分為四類(lèi)七個(gè)氣候帶：熱帶（南北回歸線(xiàn)之間）、亞熱帶（南、北緯25°~35°）、溫帶（南、北緯35°~60°）、寒帶（南、北緯60°到極區(qū)）。赤道地區(qū)垂直氣候分帶在山區(qū)，氣候也隨高度而變化，形成垂直氣候帶。二、氣候變化氣候在地球演化的歷史過(guò)程中的不斷變化。目前《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》中氣候變化的定義：經(jīng)過(guò)相當(dāng)一段時(shí)間的觀察，在自然氣候變化之外由人類(lèi)活動(dòng)直接或間接地改變?nèi)虼髿饨M成所導(dǎo)致的氣候改變。氣候變化主要表現(xiàn)為三方面：全球氣候變暖（GlobalWarming）、酸雨（AcidDeposition）、臭氧層破壞（OzoneDepletion），其中全球氣候變暖是人類(lèi)目前最迫切的問(wèn)題，關(guān)乎到人類(lèi)的未來(lái)。度量氣候變化通常用相對(duì)于氣候平均狀態(tài)的變幅，變幅可正可負(fù)，可大可小，有些為周期性，有些為非周期性變化。對(duì)于氣候變化，由于時(shí)間尺度的不同、研究的方法不同，又分為地質(zhì)時(shí)期氣候變化、歷史時(shí)期氣候變化和近代氣候變化。歷史時(shí)期氣候變化：是指有人類(lèi)文明以來(lái)的氣候變化。近代氣候變化：是指有氣象觀測(cè)記錄以來(lái)的氣候變化。地質(zhì)時(shí)期氣候變化：是長(zhǎng)時(shí)間尺度的，主要根據(jù)地球的地質(zhì)演變、古生物化石、地貌演變、地球化學(xué)等方面來(lái)推斷。以氣溫高低作為標(biāo)志，在地球演化歷史上，全球氣溫有過(guò)大幅度升降。存在大冰期和大間冰期。三、氣候變化的影響因子觀點(diǎn)：1太陽(yáng)輻射量的變化；2地球旋轉(zhuǎn)軸傾斜度變化；3太陽(yáng)系繞銀河系旋轉(zhuǎn)到一定區(qū)域時(shí)，太陽(yáng)輻射受星際塵埃阻擋；4外來(lái)隕石撞擊地球，形成大量塵埃阻擋太陽(yáng)輻射。從1970年代起，人們從整個(gè)行星地球去研究氣候的形成及其變化的原因，即從“氣候系統(tǒng)”的概念來(lái)認(rèn)識(shí)氣候的形成和變化。氣候受制于地球各個(gè)圈層的相互作用，除受太陽(yáng)輻射影響外，還與?！?dú)庀嗷プ饔谩⑺斔?、海陸分布、大陸地形、冰雪覆蓋、植被分布、人類(lèi)活動(dòng)等因素有關(guān)。補(bǔ)充知識(shí)：一、溫室效應(yīng)（花房效應(yīng)）：1概念：是大氣保溫效應(yīng)的俗稱(chēng)。是指大氣通過(guò)對(duì)輻射的