《自然地理學(xué)》：大氣的組成和熱能

基本概念★大氣：指圍繞著地球的厚層氣體?！锎髿馊Γ褐复髿馑纬傻倪B續(xù)圈層?！锎髿膺^(guò)程：指大氣圈中存在的各種物理過(guò)程，如輻射過(guò)程、增溫冷卻過(guò)程、蒸發(fā)凝結(jié)過(guò)程等?！锾鞖猓耗车貐^(qū)短時(shí)間內(nèi)大氣過(guò)程和現(xiàn)象的綜合。即短時(shí)間內(nèi)風(fēng)、云、降水、溫度和氣壓等氣象要素連續(xù)變化的綜合現(xiàn)象。其特點(diǎn)是多變?！餁夂颍褐改车貐^(qū)多年間常見(jiàn)的和特有的大氣過(guò)程和現(xiàn)象的綜合。第三章大氣和氣候第一節(jié)大氣的組成和熱能成云致雨的必要條件主要成分次要成分水汽固體雜質(zhì)生物體的基本成分維持生物活動(dòng)的必要物質(zhì)植物光合作用的原料；對(duì)地面保溫吸收紫外線(xiàn)，使地球上的生物免遭過(guò)量紫外線(xiàn)的傷害成云致雨的必要條件；對(duì)地面保溫大氣組成主要作用干潔空氣O3N2O2CO2一、大氣各組成成分干潔空氣：大氣中除固體雜質(zhì)和水汽之外的全部混合氣體，稱(chēng)為干潔空氣，主要集中在從地面到90公里處。氮和氧容積占99.04％，加上氬，三者合占99.97％，此外二氧化碳、臭氧等其他氣體僅占0.03%。返回

水汽：在1.5—2km高度，水汽含量只及地面的1/2；在5km高度，只相當(dāng)于地面的1/10，再往上更少。水汽含量雖然不多，但它在大氣溫度變化范圍內(nèi)可以發(fā)生汽態(tài)、液態(tài)和固態(tài)三相轉(zhuǎn)化，人們常見(jiàn)的云、霧、雨、雪等天氣現(xiàn)象，都是水汽相變的表現(xiàn)。此外，水汽還善于吸收和放射長(zhǎng)波輻射，顯著影響大氣和地表的溫度。固體雜質(zhì)：懸浮在大氣中的固體雜質(zhì)主要有煙粒、塵埃、鹽粒等，多集中于低層大氣中。煙粒主要來(lái)源于生產(chǎn)、生活方面的燃燒；塵埃主要來(lái)自經(jīng)風(fēng)的吹揚(yáng)進(jìn)入大氣的地表松散微粒，以及火山爆發(fā)后產(chǎn)生的火山灰、流星燃燒的灰燼；鹽粒則主要是由海洋波浪飛濺進(jìn)入大氣的水滴被蒸發(fā)后形成的。固體雜質(zhì)是大氣中水汽凝結(jié)的必要條件；能吸收部分太陽(yáng)輻射，又可阻擋地面長(zhǎng)波輻射，對(duì)大氣和地表溫度有一定影響；其含量多少，還直接影響到大氣能見(jiàn)度的好壞。返回二、大氣的結(jié)構(gòu)（一）大氣壓力1、氣壓：靜止大氣中任一高度單位面積上所承受的空氣柱重量，叫大氣壓力，簡(jiǎn)稱(chēng)氣壓。氣壓的單位：以水銀柱高度來(lái)表示氣壓高低的單位，用毫米(mm)。例如氣壓為760毫米，就是表示當(dāng)時(shí)的大氣壓強(qiáng)與760毫米高度水銀柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)相等。

氣象學(xué)采用百帕（hPa）為單位,1百帕就表示在l平方厘米面積上受到0.01牛頓重力時(shí)的壓力

；當(dāng)選定溫度為0℃，緯度為45°的海平面時(shí)，氣壓為1013.25hPa，稱(chēng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。地面氣壓在980—1040hPa之間變化，平均為1013hPa；氣象學(xué)采用百帕（hPa）為單位,1百帕就表示在l平方厘米面積上受到0.01牛頓重力時(shí)的壓力

；當(dāng)選定溫度為0℃，緯度為45°的海平面時(shí)，氣壓為1013.25hPa，稱(chēng)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。地面氣壓在980—1040hPa之間變化，平均為1013hPa；根據(jù)大氣壓力隨高程變化的規(guī)律，用氣壓計(jì)測(cè)定兩點(diǎn)的氣壓差推算高差的方法。大氣壓力常以水銀柱高度表示，溫度為0℃時(shí)，在緯度45°處的平均海面上大氣平均壓力約為760毫米水銀柱。每升高約11米，大氣壓力減少1毫米水銀柱。一般氣壓計(jì)讀數(shù)精度可達(dá)0.1毫米水銀柱，約相當(dāng)于1米的高差。2、氣壓的變化：3、氣壓場(chǎng)和氣壓系統(tǒng)：①等壓線(xiàn)和等壓面：某一水平面上氣壓相等各點(diǎn)的連線(xiàn)，稱(chēng)為等壓線(xiàn)；空間氣壓相等各點(diǎn)組成的面，稱(chēng)為等壓面，它是一個(gè)起伏不平的曲面。②氣壓場(chǎng)：氣壓的空間分布稱(chēng)為氣壓場(chǎng)③氣壓系統(tǒng)的基本類(lèi)型：包括低氣壓、高氣壓、低壓槽、高壓脊、鞍（鞍型氣壓區(qū)）等等，統(tǒng)稱(chēng)為氣壓系統(tǒng)?！舻蜌鈮海汉?jiǎn)稱(chēng)低壓，其等壓線(xiàn)閉合，中心氣壓低，等壓面向下凹陷如盆地，空氣向中心輻合，氣流上升；◆高氣壓：簡(jiǎn)稱(chēng)高壓，其等壓線(xiàn)閉合，中心氣壓高，等壓面向上凸出如山丘，空氣向四周輻散，氣流下沉；◆低壓槽：簡(jiǎn)稱(chēng)槽，由低壓向外延伸出來(lái)的狹長(zhǎng)區(qū)域，或一組未閉合的等壓線(xiàn)向氣壓較高一方突出的部分。在槽內(nèi)各等壓線(xiàn)彎曲最大處的連線(xiàn)，稱(chēng)為槽線(xiàn)。槽附近空間等壓面形如山谷，空氣向槽內(nèi)輻合上升；◆高壓脊：簡(jiǎn)稱(chēng)脊，由高壓向外延伸出來(lái)的狹長(zhǎng)區(qū)域，或一組未閉合的等壓線(xiàn)向氣壓較低一方突出的部分。在脊中各等壓線(xiàn)彎曲最大處的連線(xiàn)，稱(chēng)為脊線(xiàn)。脊線(xiàn)附近空間等壓面形如山脊，空氣向外輻散；◆鞍（鞍型氣壓區(qū)）：兩個(gè)高壓與兩個(gè)低壓相對(duì)應(yīng)的中間區(qū)域，其附近空間等壓面形狀似馬鞍。對(duì)流層：對(duì)流旺盛近地面，緯度不同厚度變；高度增來(lái)溫度減，只因熱源是地面；天氣復(fù)雜且多變，風(fēng)云雨雪較常見(jiàn)平流層：氣溫初穩(wěn)后升熱只因?qū)又谐粞醵嗨搅鲃?dòng)天氣好高空飛行很適合（二）大氣分層1、對(duì)流層的厚度及特征

（1）厚度：本層厚度最簿，并隨緯度、季節(jié)而不同，在高緯地區(qū)平均：8~9km,中緯地區(qū)平均：10~12km,低緯地區(qū)平均17~18km，夏季大于冬季。（2）特征：一是溫度隨高度的升高而降低；因?yàn)樵搶拥臒崃縼?lái)自于地面的長(zhǎng)波輻射，平均氣溫遞減率為0.65oC/100m；二是具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)；因?yàn)榈孛媸軣岵痪?。三是天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變；幾乎所有的水汽、云、雨、雷、電等現(xiàn)象都發(fā)生在此層。

2、平流層的特征（1）氣溫隨高度升高的分布下層：其上界離地面約35~40km，為同溫層上層：其上界離地面約50~60km，為逆溫層，即氣溫隨高度的升高而降低。因?yàn)槠搅鲗由蠈雍写罅康某粞?，臭氧能大量地吸收太?yáng)紫處線(xiàn)而增溫；（2）氣流以水平運(yùn)動(dòng)為主，逆溫的存在，對(duì)流不易產(chǎn)生。（3）水汽、塵埃含量少，天氣晴朗，能見(jiàn)度好。平流層中臭氧的形成:O2+hv——2O(3P)O2+O+M——O3+M

同時(shí)臭氧也會(huì)因光解而破壞。

O3＋hv——O2+O

此外臭氧也能與O作用：O3+O——2O2

通常情況下，臭氧的形成和分解達(dá)到平衡，臭氧保持一定濃度，約為10ppm，結(jié)果在平流層中上部形成臭氧層。平流層中臭氧層對(duì)地球生命的重要性:

以紫外線(xiàn)對(duì)人體效應(yīng)為依據(jù)，按照波長(zhǎng)的順序?qū)⒆贤饩€(xiàn)分為紫外線(xiàn)A(320~400nm)、紫外線(xiàn)B(290~320nm)、紫外線(xiàn)C(190~290nm)。盡管紫外線(xiàn)C的危害最大，但它幾乎全部被臭氧層吸收，即使是平流層中臭氧濃度大大降低，紫外線(xiàn)C也幾乎不能到達(dá)地球。紫外線(xiàn)B能強(qiáng)烈影響人類(lèi)的基因物質(zhì)脫氧核糖核酸而導(dǎo)致皮膚衰老，產(chǎn)生曬斑，形成皮膚癌。而且這種波長(zhǎng)的紫外線(xiàn)的能量足以破壞C—H鍵，對(duì)地球上的生命及有機(jī)物均有破壞作用。正是由于臭氧層能吸收λ≤330nm的紫外線(xiàn)，因而對(duì)地球上的生物起了保護(hù)作用。但紫外線(xiàn)B的吸收與臭氧的濃度密切相關(guān)，隨著臭氧層中臭氧濃度大大降低，到達(dá)地面的紫外線(xiàn)的量大大增加，給人類(lèi)的生存帶來(lái)極大威脅，同時(shí)，危害農(nóng)作物和水生生物，所以臭氧層的破壞已引起全世界的廣泛重視和關(guān)注。NOx對(duì)臭氧層的破壞作用:

平流層中破壞臭氧層的主要NOx是NONO+O3——NO2+O2NO2+O——NO+O2總反應(yīng)為：O+O3——2O2

平流層中NO的來(lái)源有N2O及超音速飛機(jī)排放的NOx.氟氯烴類(lèi)對(duì)臭氧的破壞:O3+Cl——ClO+O2ClO+O——Cl+O2總反應(yīng)：O3+O——2O2

一個(gè)氯原子可使10萬(wàn)個(gè)O3分子被破壞，因此其危害相當(dāng)大。

Cl來(lái)源于氟氯烴，在對(duì)流層中氟氯烴具有無(wú)毒、不燃燒且有較高的穩(wěn)定性等特點(diǎn)而被廣泛用作制冷劑（25萬(wàn)噸/年）、噴霧劑（30萬(wàn)噸/年）、溶劑（18萬(wàn)噸/年）及制作泡沫塑料（26萬(wàn)噸/年）等。全世界估計(jì)年產(chǎn)量在100多萬(wàn)噸，目前世界上許多國(guó)家對(duì)禁止使用氟氯烴持積極支持的態(tài)度。但就算目前全世界都禁止使用氟氯烴，已經(jīng)散發(fā)到環(huán)境中的氟氯烴對(duì)臭氧層的破壞作用仍將持續(xù)下去。三、大氣的熱能★地球大氣系統(tǒng)的能源主要是太陽(yáng)輻射。（一）太陽(yáng)輻射◆太陽(yáng)以電磁波的形式向外傳遞能量，稱(chēng)為太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)輻射所傳遞的能量稱(chēng)為太陽(yáng)輻射能。特點(diǎn)：太陽(yáng)表面溫度約6000K，其輻射能絕大部分集中在波長(zhǎng)0.15—4.0?之間，因而稱(chēng)為短波輻射（對(duì)流層大氣和地面溫度為250—300K，輻射波長(zhǎng)主要在3—120?之間，為長(zhǎng)波輻射）。太陽(yáng)輻射中99%的能量在0.15~4um的范圍(短波輻射)，其中0.4~0.76um為可見(jiàn)光區(qū)，＞0.76um的為紅外區(qū)，＜0.4um為紫外區(qū)。其中，可見(jiàn)光占太陽(yáng)輻射總能量的50%，并以0.47um附近最強(qiáng)，紅外區(qū)占43%；紫外區(qū)的太陽(yáng)輻射能很少，只占7%。

1、大氣上界的太陽(yáng)輻射◆太陽(yáng)常數(shù)（S0）：在日地平均距離上，大氣頂界垂直于太陽(yáng)光線(xiàn)的單位面積上每分鐘接受的太陽(yáng)輻射，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)，即1367W／m2

。2、太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽(yáng)輻射不能完全到達(dá)地面。2、太陽(yáng)輻射在大氣中的減弱大氣對(duì)太陽(yáng)輻射有一定的吸收、散射和反射作用，使投射到大氣上界的太陽(yáng)輻射不能完全到達(dá)地面。大氣的吸收：能吸收太陽(yáng)輻射的物質(zhì)包括臭氧、氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、氣溶膠粒子等，它們選擇性吸收太陽(yáng)輻射（太陽(yáng)光譜的兩端）。大氣的散射和反射：空氣質(zhì)點(diǎn)小，選擇散射短波輻射；而水滴、塵埃等質(zhì)點(diǎn)大，散射無(wú)選擇性，稱(chēng)為漫射。散射波長(zhǎng)集中于可見(jiàn)光波段。云層、氣溶膠粒子等有較強(qiáng)的反射作用，如云層平均反射率達(dá)50—55％。上述三種方式中，反射作用最主要，其次是散射，而吸收作用最小，它們共使到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射減弱了約一半。（1）大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收：大氣中吸收太陽(yáng)輻射的成分主要是水汽、氧、臭氧、二氧化碳及固體雜質(zhì)。大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收是有選擇性的，主要集中在太陽(yáng)輻射光譜兩端能量較小的區(qū)域，因此大氣直接吸收的太陽(yáng)能并不多，對(duì)大氣來(lái)說(shuō)太陽(yáng)輻射不是主要直接熱源。

返回（2）大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的散射：太陽(yáng)輻射通過(guò)大氣，遇到空氣分子、塵粒等質(zhì)點(diǎn)時(shí)，都要發(fā)生散射，但散射并不像吸收那樣把輻射轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而只是改變輻射的方向，使太?yáng)輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心四面八方傳播。因而經(jīng)過(guò)散射，一部分太陽(yáng)輻射就到不了地面。如果太陽(yáng)輻射的波長(zhǎng)愈短，被散射的愈多。為何天空呈蔚藍(lán)色？主要是空氣分子在選擇地對(duì)波長(zhǎng)青色、藍(lán)色光進(jìn)行散射。（3）大氣的云層和塵埃地太陽(yáng)輻射的反射。反射能力取決于云的厚薄，薄云反射率：10~20%；厚云反射率：90%。云層的反射與散射厚云層的反射與散射3、到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射◆包括兩部分：直接輻射（S）和散射輻射（D），

兩者之和稱(chēng)為太陽(yáng)總輻射（S＋D）?！籼?yáng)總輻射在我國(guó)，年總輻射量最高的地區(qū)是海拔高度大的西藏（212—252W／m2），干旱少云的新疆、青海、黃河流域次之（159—212W／m2

），而云、雨較多的長(zhǎng)江流域與華南大部卻較少（119—159W／m2

）。（二）地面輻射與大氣輻射地面和大氣在吸收太陽(yáng)輻射的同時(shí)，又按其自身溫度日夜不停地向外放射長(zhǎng)波輻射。1、地面輻射：到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射只有一部分被地面吸收，另一部分則被地面反射出去。其吸收的太陽(yáng)輻射變?yōu)闊崮?，又以大?um的長(zhǎng)波（長(zhǎng)波輻射）向外輻射。其波長(zhǎng)為3—80?，最大輻射能量波長(zhǎng)在9.6??！按髿獯啊薄孛孑椛浣^大部分（75—95％）被大氣吸收，只有波長(zhǎng)8.4—12?的部分，可穿過(guò)大氣層逃逸到宇宙空間，所以稱(chēng)此波段為“大氣窗”。2、大氣輻射：大氣主要靠吸收地面輻射而增溫。大氣按其自身溫度，以電磁波的方式向四面八方發(fā)射長(zhǎng)波輻射，稱(chēng)為大氣輻射。3、大氣的保溫效應(yīng)：大氣輻射向下指向地面的部分，方向與地面輻射相反，稱(chēng)為大氣逆輻射。大氣逆輻射幾乎全部為地面所吸收，這對(duì)地面因輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，所以大氣對(duì)地面有保溫作用。地面輻射絕大部分（約有75~95%）被大氣（近地面40—50米厚）中的云、霧、水汽和二氧化碳等吸收。低層空氣吸收的熱量又以輻射、對(duì)流等方式傳遞到較高一層。這是對(duì)流層氣溫隨高度增加而降低的重要原因。大氣逆輻射可減少地面因長(zhǎng)波輻射而損失的熱量。這對(duì)地球表面的熱量平衡具有重要意義。它使太陽(yáng)短波輻射易于達(dá)到地面，地面長(zhǎng)波輻射卻不容易散失到宇宙空間，從而對(duì)大氣起保溫作用，使地面溫度變化不致過(guò)于劇烈。這種作用稱(chēng)大氣花房效應(yīng)或溫室效應(yīng)。CO2是無(wú)色、無(wú)毒的氣體，目前由于人類(lèi)活動(dòng)排放到大氣中的CO2的量不斷增加，而吸收CO2的森林反遭到嚴(yán)重破壞，使得大氣中CO2的濃度不斷增加。據(jù)測(cè)定，一個(gè)世紀(jì)前，大氣中CO2的含量約為284ppm,目前已達(dá)到379ppm。CO2濃度的增加，可能對(duì)全球的氣候產(chǎn)生影響，因而是目前環(huán)境科學(xué)上頗為注意的問(wèn)題之一。

◆

圖瓦盧

南太平洋島國(guó)圖瓦盧，由九個(gè)環(huán)狀珊瑚小島構(gòu)成，總面積只有26km2，最高海拔＜4.5m，總?cè)丝?.1萬(wàn)人。專(zhuān)家預(yù)言，如果地球環(huán)境繼續(xù)惡化，在五十年之內(nèi)，圖瓦盧九個(gè)小島將全部沒(méi)入海中。圖瓦盧人民成了名符其實(shí)的“環(huán)境難民”，從2002年起正式舉國(guó)遷往新西蘭。

下一個(gè)會(huì)輪到誰(shuí)呢？基里巴斯、庫(kù)克群島、瑙魯和西薩摩亞，以及馬爾代夫等由珊瑚礁構(gòu)成的低地島國(guó)，也面臨著同圖瓦盧一樣的威脅。全球第一個(gè)國(guó)家因海平面上升而遷國(guó)四、氣溫氣溫是大氣熱力狀況（即空氣冷熱程度）的數(shù)量度量。目前，氣象觀測(cè)和記錄的氣溫，是指離地面一定高度上（我國(guó)規(guī)定離地面1.5m高），放在百葉窗箱里的溫度計(jì)測(cè)得的空氣溫度。通常以攝氏（℃）和華氏（℉）兩種溫度單位表示，我國(guó)采用攝氏度數(shù)為單位。在理論研究方面，多數(shù)采用絕對(duì)溫度（或稱(chēng)開(kāi)氏溫度），以（°

A）或（°

K）表示。溫度單位換算如下：

A＝C＋273.16K＝C＋273.16（一）氣溫的時(shí)間變化大氣溫度的時(shí)間變化，包括由地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)引起的氣溫周期性變化，以及由大氣運(yùn)動(dòng)引起的非周期性變化。1、氣溫的日變化：指一天內(nèi)氣溫的高低變化，它有一個(gè)最高值（出現(xiàn)在午后兩小時(shí)左右）和一個(gè)最低值（出現(xiàn)在日出前后），氣溫日變化過(guò)程是一條正弦曲線(xiàn)。日最高氣溫與最低氣溫之差，稱(chēng)為氣溫的日較差或稱(chēng)日振幅。日較差隨緯度增高而減少，隨海拔高度增加而減少；晴天大陰天小；夏季大冬季小；大陸大海洋小。2、氣溫的年變化指一年內(nèi)氣溫的高低變化。年最高氣溫出現(xiàn)在夏至后的7月或8月，年最低氣溫出現(xiàn)在冬至后的1月或2月。一年中最熱月的平均氣溫與最冷月的平均氣溫之差，稱(chēng)為氣溫的年較差。年較差隨緯度增高而增大，隨海拔高度增加而減少；大陸大海洋??；內(nèi)陸大沿海小。氣溫的年變化反映了氣候上的冷暖，是劃分氣候季節(jié)的重要指標(biāo)。氣溫