大氣科學(xué)導(dǎo)論chapter01

1大氣科學(xué)導(dǎo)論北京大學(xué)物理學(xué)院大氣與科學(xué)海洋系胡永云、傅宗玫

,物理北樓558，物理北樓554助教：林繼配（）

發(fā)郵件：主題：姓名+年級(jí)+專業(yè)+學(xué)號(hào)+手機(jī)號(hào)23主要內(nèi)容1、地球大氣及其演化2、輻射與溫度3、大氣熱力學(xué)和對(duì)流運(yùn)動(dòng)4、云、降水的物理原理5、大氣化學(xué)6、大氣污染7、大氣邊界層8、大氣運(yùn)動(dòng)的基本原理9、鋒面和氣旋10、雷暴、龍卷和臺(tái)風(fēng)11、大氣環(huán)流和大洋環(huán)流12、氣候系統(tǒng)和古氣候13、全球變暖14、行星大氣及其環(huán)流4主要參考書(shū)ASurveyofAtmosphericSciences,J.M.Wallace,P.Hobbs,AcademicPressMeteorologyToday:AnIntroductiontoWeather,Climate,andtheEnvironment,C.DonaldAhrens,Brooks/Cole,6thor7theditionPrinciplesofAtmosphericPhysicsandChemistry,RichardGoody,OxfordPressThePhysicsofAtmospheres,JohnHoughton,CambridgePress,3rdedition53個(gè)網(wǎng)站鏈接Ozone:Seaice:ElNino:67課程要求14次課堂學(xué)習(xí)1次參觀考察（密云上甸子華北背景觀測(cè)站）期末考試（70-80%）14次作業(yè)：每次5個(gè)問(wèn)題（20-30%）;2個(gè)思考題，不計(jì)入分?jǐn)?shù)。8考查：參觀密云上甸子華北北京觀測(cè)站

2009-10-179順便攀登司馬臺(tái)長(zhǎng)城不到長(zhǎng)城非好漢10霜葉紅于二月花11紅葉12驚人一跳13司馬臺(tái)長(zhǎng)城14長(zhǎng)城上的模特15觀測(cè)站的狗1617Ch01、地球大氣及其演化地球及其大氣：太陽(yáng)系、行星、地球大氣的垂直結(jié)構(gòu)大氣的成分大氣的演化：從大爆炸理論（BigBang)說(shuō)起原始大氣、次生大氣、現(xiàn)代大氣氧氣的起源和演化冰雪地球地球氣候系統(tǒng)人類活動(dòng)對(duì)大氣成分的影響閱讀：ASurveyofAtmosphericSciences第1、2章181、地球及其大氣：

1.1太陽(yáng)系、行星和地球太陽(yáng)系由8顆行星以及小行星，慧星和塵埃等組成。這8顆行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星19太陽(yáng)系行星的體積和自轉(zhuǎn)方向的比較20太陽(yáng)和行星的基本數(shù)據(jù)21行星的不同性質(zhì)內(nèi)圍星球：水星、金星、地球、火星。這些星球是固體的，其大氣有一個(gè)固體的下墊面外圍星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。這些星球具有固態(tài)或液態(tài)的核心，并逐步向氣態(tài)過(guò)渡，很難定義一個(gè)明確的大氣下墊面。22地球地球離開(kāi)太陽(yáng)的平均距離是1.5x108km，即1個(gè)天文單位(1AU)。地表和大氣主要是被太陽(yáng)加熱的。太陽(yáng)的能量驅(qū)動(dòng)著大氣中的所有變化：冷暖和刮風(fēng)、下雨。地球表面的平均溫度是150C，這是很幸運(yùn)的，因?yàn)槿祟惡妥匀唤绱罅康纳锸沁m應(yīng)這一條件的。231.2、大氣的垂直結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度的垂直變化，大氣分為：對(duì)流層、平流層、中層、熱層等。我們平常關(guān)心的大氣層是對(duì)流層，0-10公里。大氣越往上越稀薄，最后融合到宇宙空間。雖然大氣層沒(méi)有真正的頂，一般我們認(rèn)為大氣層的厚度為1000公里。24為什么大氣的垂直溫度分布是這樣的？為什么大氣溫度隨高度會(huì)有現(xiàn)在這樣的變化？這是一個(gè)需要想清楚的問(wèn)題。如果沒(méi)有特殊原因，大氣溫度也應(yīng)該隨高度單調(diào)遞減。但現(xiàn)在有些層次溫度是上升的，必須有熱源。在平流層溫度升高是臭氧的吸收。25金星和火星的垂直溫度結(jié)構(gòu)VenusMars26木星的垂直溫度結(jié)構(gòu)27大氣的密度和氣壓在重力的作用下，大氣分子主要集中在近地面，大氣密度和氣壓隨高度呈指數(shù)遞減90%的大氣質(zhì)量或分子位于10公里以下標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：76cmHg=1013.25mb =1013.25hPa

28從太空看大氣層291.3、大氣的成分大氣的成份主要是氮（N2,占78%)，氧（O2,占21%)。還有少量的H2O,CO2,O3,CH4,N2O以及惰性氣體Ar,He,Ke,…..如果只考慮大氣中數(shù)量最多的氣體，N2,O2,那么這二種成分的比值一直到80公里還是不變的，稱為均勻混合層。大氣中變化最大的氣體是H2O和O3。30大氣的成分31大氣中的可變化成分

1、水汽1、水汽：占大氣總質(zhì)量的0.25%，濃度隨高度迅速減少，主要存在于近地面3公里以下的層次，水汽在大氣中的平均停留時(shí)間為10天。32水汽在大氣中的平均停留時(shí)間如上圖所示，大氣中的水量是13個(gè)單位，每年全球的降水量是423個(gè)單位。33大氣中的可變化成分

2、CO2占大氣總質(zhì)量的0.037%。通過(guò)動(dòng)植物呼吸，有機(jī)物腐朽分解、火山噴發(fā)、化石燃料燃燒進(jìn)入大氣。它的消耗是植物光合作用以及與地表的巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO2 CO2+H2O+ν<CH2O+O234大氣中的可變化成分

3、O3主要存在于大氣平流層，可以吸收太陽(yáng)的紫外輻射，對(duì)地面生命有保護(hù)作用。對(duì)流層臭氧對(duì)人體有害。平流層臭氧的形成是太陽(yáng)紫外輻射造成的氧分子分解成氧原子，氧原子與氧分子反應(yīng)生成臭氧。35大氣中的可變化成分

4、氣溶膠液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系.它們能作為水滴和冰晶的凝結(jié)核,太陽(yáng)輻射的吸收體和散射體,并參與各種化學(xué)循環(huán),是大氣的重要組成部分。它的來(lái)源包括：被風(fēng)揚(yáng)起的細(xì)沙和微塵、海水濺沫蒸發(fā)而成的顆粒、火山噴發(fā)、森林或其它生物體燃燒的煙塵、人類燃燒礦物燃料排放的煙塵、礦物燃料燃燒過(guò)程中排放的SO2在大氣中氧化后形成的硫酸鹽粒子燃燒石油和天然氣等排放的NOx，CO,CH等在大氣中經(jīng)過(guò)光化學(xué)反應(yīng)形成的硝酸鹽粒子其它大氣化學(xué)過(guò)程形成的氣溶膠粒子氣溶膠散射降低太陽(yáng)輻射，導(dǎo)致地面變冷36顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像37顯微鏡下的氣溶膠顆粒圖像38大氣成分的性質(zhì)39行星大氣的成分為什么行星具有不同的大氣成分？2.1、地球大氣的演化現(xiàn)在，地球大氣基本由N和O組織成，還有一些痕量氣體。但這只是近6億年的大氣成分。從行星演化的時(shí)間尺度來(lái)看，地球大氣成分是不斷演化的。40地球大氣的演化412.1從大爆炸理論(BigBang)說(shuō)起原子彈爆炸形成的最高溫度相當(dāng)于宇宙大爆炸一秒鐘后的溫度。4243宇宙演化的時(shí)間尺度宇宙的形成大約在150億年前；銀河系形成大約在130億年前；太陽(yáng)系形成在50億年前；地球的生命大約是46億年。44宇宙元素的演化最初的宇宙僅包含氫(H)和少量的氦(He)原子。在最初的100億年的時(shí)間里，宇宙中的氣體團(tuán)集成許多中心，在引力的作用下，氣體分別向這些中心收縮，出現(xiàn)許多原星體。這些原星體越收縮密度越大，密度越大收縮越快，其內(nèi)部溫度也越來(lái)越高。當(dāng)溫度升高到1000萬(wàn)度以上時(shí)，原星體會(huì)內(nèi)部將發(fā)生核反應(yīng)，形成了重元素。這些聚變過(guò)程伴隨產(chǎn)生大量的輻射能，使原星體轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)光的恒星體。特別巨大的星體，會(huì)發(fā)生爆裂，形成超新星，使已經(jīng)形成的不同的元素散布到星際空間去。45地球的形成太陽(yáng)系是銀河系中一個(gè)旋臂空間內(nèi)的氣體原星體收縮而成的。原太陽(yáng)系中彌漫著冷的固體微粒和氣體，它們形成行星，衛(wèi)星及大氣。原地球是太陽(yáng)系中原行星之一。隨著“原地球”轉(zhuǎn)變?yōu)椤暗厍颉?，地面逐漸冷卻為固體，原始大氣也就同時(shí)包圍地球表面。46地球大氣的演化地球自從它形成以來(lái)，大約46億年。其大氣的演變可分為三個(gè)階段：原生大氣、次生大氣、現(xiàn)代大氣。原始大氣的形成和星系的形成過(guò)程密切相關(guān)。原始大氣出現(xiàn)約46億年，比原始人類出現(xiàn)（幾百萬(wàn)年）早3個(gè)數(shù)量級(jí)，比人類有文字記載的歷史（數(shù)千年）早6個(gè)數(shù)量級(jí)。因此只能在現(xiàn)有的科學(xué)知識(shí)加上推理來(lái)研究大氣演變?？茖W(xué)家們從不同的角度提出了不同大氣演化模式。472.2原生大氣原生大氣的成分是以氫和少量的氦為主。但原生大氣存在不太久（大約數(shù)千萬(wàn)年至數(shù)億年）。當(dāng)太陽(yáng)作為年青恒星經(jīng)歷噴發(fā)大量物質(zhì)流的階段，強(qiáng)大的太陽(yáng)風(fēng)把原始大氣從地球上吹走，刮向茫茫太空。482.3次生大氣次生大氣主要來(lái)自地球內(nèi)部，由火山噴發(fā)產(chǎn)生。按現(xiàn)代火山噴發(fā)的成分，主要是水汽（79%）、二氧化碳（12%）、甲烷，還有一些氨和硫的化合物。次生大氣中沒(méi)有氧，即使有也不能保留。因?yàn)楫?dāng)時(shí)地面溫度很高，地殼中有很多鐵，氧將很快和鐵反應(yīng)形成氧化鐵。49次生大氣次生大氣形成時(shí)，水汽大量排入大氣中，當(dāng)時(shí)地面溫度很高，大氣不穩(wěn)定對(duì)流的發(fā)展很旺盛，強(qiáng)烈的對(duì)流使水汽上升凝結(jié)形成液態(tài)水，出現(xiàn)江河湖海等水體，風(fēng)雨閃電交加。次生大氣籠罩的時(shí)間大約46億年前到20億年前。最原始的生命在這個(gè)時(shí)期已經(jīng)出現(xiàn)（大約35億年前）。502.4現(xiàn)代大氣地球大氣演化的一個(gè)重要特征是它從還原態(tài)朝著氧化態(tài)進(jìn)化。因?yàn)樵即髿獾闹饕煞质菤?，可以猜測(cè)的是當(dāng)時(shí)的大氣含有甲烷(CH4)和氨(NH3)，而非現(xiàn)在豐富的(CO2)和(N2O)，但沒(méi)有氧。為什么大氣朝著氧化態(tài)轉(zhuǎn)化還存在爭(zhēng)論。兩個(gè)可能的機(jī)制導(dǎo)致大氣朝著氧化態(tài)演化：一個(gè)是鐵質(zhì)地核的形成（為什么？）。鐵從地幔中的分離使得巖石更易于被氧化，火山噴發(fā)向大氣中輸送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一個(gè)是氫的逃逸。當(dāng)氫從CH4和NH3分離出來(lái)并逃逸之后，大氣變更易于被氧化。如果一個(gè)分子要逃離地球的引力，它的動(dòng)能必須超過(guò)地球的引力勢(shì)能也就是(1).從（1），我們可以得到（2）。根據(jù)（2），我們知道，在500km的高度，該分子的逃逸速度為10.77kms-1.(1)(2)M為分子質(zhì)量，r為該分子距地心的距離。51現(xiàn)代大氣現(xiàn)代大氣的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出現(xiàn)是現(xiàn)代大氣形成的重要標(biāo)志。氧的出現(xiàn)與生命的出現(xiàn)和演化有著重要關(guān)系。因此，氧氣的起源成為人們最為關(guān)心的問(wèn)題。522.5氧的起源早期的大氣中沒(méi)有氧分子，氧元素存在于H2O和CO2中。氧可以通過(guò)兩種可能機(jī)制而產(chǎn)生：一是通過(guò)光解反應(yīng)從H2O和CO2分解而來(lái)；另一種是生物的光合作用。如果氧起源于第一種機(jī)制，我們則必須解釋大氣中缺乏氫和碳的事實(shí)。盡管氫的缺乏可以用向太空的逃逸來(lái)解釋，但這樣的逃逸速度非常緩慢，并不足以解釋大氣中氫的缺乏。生物的光合作用機(jī)制則沒(méi)有這樣的困難，也就是光合作用把H2O和CO2轉(zhuǎn)化為O2，碳則存儲(chǔ)在生（植）物中。

nCO2+nH2O+γ

(CH2O)n+nO253氧的起源最初的生命來(lái)自那里，并沒(méi)有一定的結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)室中摸擬還原大氣的條件，用火花放電的方法，可以制造出一些有機(jī)大分子。但在宇宙空間也發(fā)現(xiàn)有有機(jī)大分子。它們都可能是生命的來(lái)源。因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有臭氧層，太陽(yáng)的短紫外輻射會(huì)破壞生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通過(guò)光解產(chǎn)生少量的氧氣，這些氧氣可維持原始生命。而原始生命又可以通過(guò)光合作用產(chǎn)生氧氣。到大氣中氧累積多了，臭氧層開(kāi)始形成，阻擋了短紫外輻射，生命從海洋中發(fā)展到地面，光合作用速度加快，氧累積也加快。54氧氣濃度的變化55生命的演化56大氣演化中的氧和臭氧57Gaia假說(shuō)上面的關(guān)于“生命的光合作用產(chǎn)生了氧氣，并為生命本身的演化創(chuàng)造了一個(gè)環(huán)境”的學(xué)說(shuō)被JamesLovelock稱之為“GaiaHypothesis”。Gaia是“地球之神”的意思。但是，該假說(shuō)似乎與達(dá)爾文主意（Darwinism）相矛盾，后者的主要思想是生命必須為適應(yīng)環(huán)境而改變自己，也就是“適者生存”。2.4、冰雪地球58Timebeforepresent(Billionsofyears)冰雪地球59一些證據(jù)表明，地球在23億和6-7億年前曾經(jīng)被冰封過(guò)。碳-硅循環(huán):一個(gè)穩(wěn)定地球氣候的負(fù)反饋機(jī)制CaSiO3+CO2

CaCO3+SiO260風(fēng)化反應(yīng)（H2O）高溫加熱2.5、地球氣候系統(tǒng)地球氣候不僅僅是由大氣決定，二十余其他因素密切聯(lián)系在一起的，包括海洋、地表生物圈、冰凍圈、地殼（甚至地幔）、太陽(yáng)活動(dòng)，因此，地球氣候系統(tǒng)是由這些圈層相互作用構(gòu)成的。61TheEarthsystem62Atmosphere大氣圈Biosphere生物圈Cryosphere冰圈（冰川、兩極）Hydrosphere水圈（河湖海、降水）Lithosphere巖石圈（陸地、土壤）1026g1018~1019g1021g1024g1022g人圈Anthrosphere1014g全球海表溫度63風(fēng)驅(qū)動(dòng)的海洋表層洋流-灣流

（顏色表示溫度）64全球海洋環(huán)流65冰雪圈：兩極的陸地冰蓋66全球生物圈生產(chǎn)力分布67植被與降水和溫度的關(guān)系68地殼運(yùn)動(dòng)、地幔對(duì)流及其與大氣的相互作用69地球軌道變化和Milankovich周期70過(guò)去42萬(wàn)年CH4、CO2、溫度的變化71722.6人類活動(dòng)對(duì)大氣成分的影響從上面的討論我們可以看到，地球大氣勢(shì)在不斷演變的。工業(yè)革命（1860年）之前的演變可以認(rèn)為是自然變化。工業(yè)革命之后，人類對(duì)大氣或環(huán)境的改變影響在加大，而且，這種影響是達(dá)到了無(wú)法忽略的程度。73人類活動(dòng)對(duì)以下大氣成分的改變影響顯著化石燃料和生物體的燃燒導(dǎo)致大氣中CO2含量升高，煤的燃燒導(dǎo)致SO2含量升高。汽車等的大量使用導(dǎo)致大氣中廢氣增加和氣溶膠含量增加。人工固氮導(dǎo)致大氣中氮的減少。人工制造的制冷劑CFCs的泄漏導(dǎo)致大氣中CFCs含量增加，CFCs在大氣平流層分解后產(chǎn)生的氯造成平流層O3減少。CO2等溫室氣體的增加導(dǎo)致氣候變暖，溫度升高后大氣中水汽含量增加。CO2含量的增加7475甲烷（CH4）的增加76最近1000年的溫度變化

（最近150年溫度升高很快）77最近130年的溫度變化

（最近30年溫度升高很快）78自上個(gè)世紀(jì)70年代末，平流層臭氧急劇減少79右圖：南極臭氧洞在加強(qiáng)

左圖：在2000年臭氧洞的面積是有記錄以來(lái)最大的一次，已經(jīng)延伸到了南美大陸觀測(cè)給出的全球溫度的逐年變化

（來(lái)自GISS/NASA）8081動(dòng)畫(huà)顯示氣候模式模擬的1971-2100年溫度隨溫室氣體增加而變暖82動(dòng)畫(huà)顯示模擬的1955-2055年北冰洋海冰由于溫室氣體增加而減少83動(dòng)畫(huà)顯示的模擬CO2增加1倍和3倍時(shí)全球溫度的變化84課外閱讀關(guān)于地球大氣的演化，大家可閱讀：Walker,J.C.G.,1977:EvolutionoftheAtmosphereArticlesbyHunten,D.M.,KastingJ.F.,Ragnaud,D.,andSundquist,1993,Science,259,915-941.Lovelock,J.F.,ANDMargulis,L.,1974:Atmospherichomostasis,byandforthebiosphere:theGaiahypothesis,Tellus,26,1-9.關(guān)于行星大氣，大家可以閱讀：Chamberlain,J.W.,Hunte