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1、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
2、力学 大气辐射学 大气热力学,1）近代大气物理学起始阶段（18世纪中叶20世纪中叶）,1752，美国Franklin第一次用风筝探明雷击的本质就是电。,1871，英国物理学家Rayleigh解释了天空兰色的 现象,学科发展简史,1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题,1859-1901，这两位德国物理学家开创了辐射定律,Max Karl Ernst Ludwig Planck（1858-1947）德国物理学家，量子力学的开创人,（1824-1887）德国物理学家,1880-1881，英国物理学家J.Aitken等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。1911，.发明云室，因此
3、获1927年诺贝尔物理学奖。是云雾物理的基础和开端。,2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）,1）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。,1946年，美国物理学家I.Langmuir发现干冰可以催化云产生降水,后来，B.Vonnegut发现碘化银可作为人工冰核，促使云降水物理学获得了重大发展。,2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大气湍流学科的发展,3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学的研究,参考书目：,1.盛裴轩,毛节泰等.大气物理学,北大出版社,2003 2.许绍祖主编.大气物理学基础.气象出版社,19913.周秀骥等编著.高等大气物理学.气象
4、出版社,19914.美 J、M 华莱士，P.V.霍布斯著.大气科学概观.上海科学技术出版社，1981,2、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,银河系中心,银河系与河外星系,太阳系,地球形成,50亿年前，地球的轮廓已初步形成。最初是个火球。随着地球逐步冷却，较重的物质沉到中心，形成地核；较轻的物质浮在上面，冷却后形成地壳。其结构见下
5、图,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
6、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。,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、地球大气成分及分布,3.1 干洁大气（干空气）,定义：除水汽以外的纯净大气
7、。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120ppmv；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
8、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28.96
9、6，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 干洁大气（干空气）,重要气体成分的作用1）主要气体氮、氧 对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候变化没有什么作用。2）微量、痕量气体水汽、CO2、O3a)水汽 是云和降水的源泉；在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度；是地球系统的水循环中起重要角色
10、。,地表上的水 全球年水量平衡,b)CO2c)O3 写两篇读书报告，题目分别为“CO2及全球变暖”、“O3和O3洞”,3.2 大气中的水汽,大气中水汽特征决定了其在大气科学研究的复杂性 和特殊性。水汽 存在三相变化，与成云致雨形成息息相关，因此决定了水汽是大气中最为活跃的气体，因此给与单独研究；,湿空气湿度表示大气中水汽量多少的物理量，称为湿度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。,3.2 大气中的水汽,3.2 大气中的水汽,表示大气湿度的物理量 1、混合比r与比湿q 2、水汽压 e（饱和水汽压）3、饱和差 4、水汽密度（绝对湿度）5、相对湿度 6、露点和霜点,上述大气湿度的
11、表示方法中，水汽压（e）、比湿（q）、水汽混合比（）、露点等基本上表示了空气中水汽含量的多少。而相对湿度、饱和差、温度露点差则表示了空气距离饱和的程度。,总 结,混合比r：一定体积湿空气中，水汽与干空气的质量比。单位：g/g或者g/kg.比湿q：一定体积湿空气中，水汽与湿空气的质量比。实际大气中，两者近似相等。,水汽压 e：大气中水汽的分压强饱和水汽压：一定温度下水汽的凝结率和蒸发率处于动态平衡时的水汽压。分为水面和冰面饱和水汽压,饱和水汽压（物理解释）,空气和水汽 水水体表面层内的分子处于动乱状态，其中有的离开水面成为水汽分子，有的水汽分子撞击水面，并被水面吸附。这样凝结和蒸发同时发生。在给
12、定的某一温度下，当凝结和蒸发达到同一速率时，将处于平衡状态。此时空气和水汽的温度等于液水温度，而且没有水分子从一个相态区转移到另一个相态区的净变化。液面上方就称为处于水汽饱和状态，这种情况下的水汽分压强就称为饱和水汽压。类似的我们也可以得到冰面饱和水汽压(给出定义）。,饱和水汽压定义 在温度一定的情况下，单位体积空气中能容纳的水汽数量有一定的限度，如果水汽含量达到了这个限度，空气就呈饱和状态，这时的空气，称为饱和空气。饱和空气中的水汽压，称为饱和水汽压(E).,饱和差 在某一温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差(d)：d=Ee，d表示实际空气距离饱和的程度，在研究水面蒸发时常用到
13、d，它可指出水分子的蒸发能力。(d0,subsaturation),相对湿度 所谓相对湿度(f)，就是空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的比值(用百分数来表示)，即：fe/E100%,意 义：相对湿度直接反映了空气距离饱和的程度。相对湿度越大，越接近饱和，当达到100%时，空气就达饱和状态，此时水汽就要开始凝结。,露点 在空气中水汽含量不变，在一定的气压条件下，使空气冷却到达饱和时的温度，称为露点温度，简称露点(Td)。它的单位与气温相同。例如上海某日14时的气温为30，对应的饱和水汽压为42.5mb，当时的实际水汽压为31.7mb，很明显，这时的空气是未饱和的。如果实际水汽压不变，气压
14、也不变，只有降低空气温度才能使空气达到饱和。而饱和水汽压为 31.7mb时的气温为25，故只有当温度由30降到25时，空气才由未饱和状态变为饱和状态。因此，上海该日14时的露点是25。,气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低(TdT)。只有空气达饱和时，露点温度才和气温相等(Td=T)。因此，根据T和Td的差值，还可大致判断空气距离饱和的程度。,水汽密度（绝对湿度）：单位体积的湿空气中水汽的质量。,3.3 干空气和湿空气的状态方程,一、理想气体状态方程,2、地球上自
15、然状态下的空气可看作理想气体,二、干空气状态方程,1、方程推导,设体积为V、温度为T的干空气中，含有 n 种气体成分，其中第i种 成分的状态方程为：,对以上n个式子求和，有,考虑到,并令,，则有,90km以下，,令,Rd称为干空气比气体常数,（3）式可化为,2、比气体常数,三、湿空气状态方程,1、方程推导,干空气和水汽状态方程分别为,把（5）代入上式（6），有,（4）+（7）得,即,（7）/（8），得,考虑到,（9）式近似为,把（10）代入（8），有,若令,则（11）式化为,若令,则（11）式化为,（11）（13）为湿空气状态方程的三种形式，其中最常用的为公式（13）,2、虚温,是关于温度、水
16、汽压和压强的函数。为了能在湿空气状态方程中使用，并且使其与干空气状态方程具有类似的简单形式所引入的参量。定义式为,四、常用的湿度参量间关系,一块体积为V、温度为T的湿空气中，水汽和干空气状态方程分别为,（6）/（14），得,一块体积为V、温度为T的湿空气中，水汽和湿空气状态方程分别为,（6）/（11），有,3.4 大气气溶胶粒子,1、大气气溶胶粒子 气溶胶：是指大量十分细小的固体或液体粒子均匀地分布在气体（常为空气）里构成的稳定混合物。大气气溶胶：大气与悬浮在其中的固体或液体微粒子共同组成的混合物。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒子。,2、分类 1）云降水学分类（按半径分类）2）大气环境学分类,爱
17、根核：半径1微米。,TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、灰、等。,地面常见大气气溶胶种类和名称,尘：机械粉碎过程直接形成的固体颗粒质粒群分散于空气当中，尺度为m量级。烟：燃烧氧化过程产生的固体颗粒或气体转化为固体或液体的混合物，尺度1m。熏烟：燃烧或其他物理化学过程（升华蒸馏）产生的固体絮状颗粒，尺度1m。雾：气体凝结凝华或液体分离形成的液滴质粒群，尺度1-20 m。霾：固态质粒在潮解条件下并与湿度变化呈稳定平衡的部分和完全水溶性质粒群，尺度1m。烟雾：烟和雾的联合质粒群体，有光化学反应，尺度0.5m。,3、气溶胶质粒的形状和尺度,等轴状：球体和规则、不规则的多面体片状：叶、箔、鳞
18、、盘线状：柱、针、线,0.01,0.1,1.0,10.0,It presents 3 modes:-nucleation:radius is between 0.002 and 0.05 mm.They result from combustion processes,photo-chemical reactions,etc.-accumulation:radius is between 0.05 mm and 0.5 mm.Coagulation processes.-coarse:larger than 1 mm.From mechanical processes like aeolian
19、 erosion.fine particles(nucleation and accumulation)result from anthropogenic activities,coarse particles come from natural processes.,Aerosol Size Distribution,photos from Gunther Helas,MPIC,Natural biogenic aerosol particles Wherever you have trees or vegetation,these particles are there.,P.S.:Are
20、 these particles spherical?Are they Sulfates?Soil Dust?Sea Salt?,Aerosol Types and Origin,Aerosol particles larger than about 1 mm in size are produced by windblown dust and sea salt from sea spray and bursting bubbles Aerosols smaller than 1 m are mostly formed by condensation processes such as con
21、version of sulfur dioxide(SO2)gas(released from volcanic eruptions)to sulfate particles and by formation of soot and smoke during burning processes.After formation,the aerosols are mixed and transported by atmospheric motions and are primarily removed by cloud and precipitation processes.,气溶胶特征尺度分类,
22、粗质粒：通过机械破碎、乳化分散过程直接形成的质粒，也叫做一次气溶胶或原生质粒，半径尺度1m细质粒：通过气体转化形成的颗粒以及这些颗粒经过碰并、聚合、沾附等物理效应增长形成的质粒,也叫做二次气溶胶或次生质粒，半径尺度1m,4、气溶胶质粒的浓度,单位体积空气中所含有一定尺度范围内质粒的参数，如：个数、表面积、体积和质量数浓度 表面积浓度 体积浓度和质量浓度,数浓度,定义：单位体积空气中所含有一定尺度范围内的质粒个数，ni(d)。量纲：l-3，(cm-3)，(m-3)数值范围：100-106（个/cm3）南极大气：10（个/cm3）清洁的大陆地区：102（个/cm3）城市工业区：105-106（个/
23、cm3）,质量浓度,定义：单位体积空气中所含有一定尺度范围内的质粒的总质量。量纲：(mg/m3),(g/cm3)总质量：M=(/6)(ni d3),ni为质粒数浓度清洁的大陆地区：1 g/m3城市污染大气：2000 g/m3工业重污染区：5000 g/m3,大气气溶胶浓度,局地气溶胶的增加与自然条件和人为有关，一般陆地高于海洋，城市高于农村,5、全球气溶胶的分类,一般分三类：大陆型、海洋型、背景型分四类：大陆型、海洋型、乡村型、城市型或 大陆型、海洋型、背景型、平流层型,七类实测气溶胶特征值,九类气溶胶,沙漠气溶胶海洋气溶胶远陆气溶胶对流层中上层气溶胶极地气溶胶生物气溶胶云过程气溶胶生物质燃烧
24、气溶胶平流层气溶胶,6、大气气溶胶粒子的源和汇 1）源,据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。包括海水飞沫（见下图）、气粒转换、风扬沙尘、火山爆发,大气气溶胶的源,土壤、岩石风化及火山喷发的尘埃烟尘及工业粉尘海沫破裂干枯成核气-粒转化微生物、孢子、花粉等有机物质点宇宙尘埃,2）汇 即气溶胶粒子被移出大气的过程。,按是否有水质粒参与，分为干移出、湿移出,干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程。包括重力下沉、附粘移出。湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长下沉、碰并下沉。,7、气溶胶粒子在大气过程中的作用,在云雾降水中
25、的作用 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN或IN 对大气辐射过程的影响吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂直分布。对大气光学特性的影响 对太阳光的散射和吸收，会影响大气能见度，还会影响天空颜色。一些光学现象的出现，也与它们的作用有关。对大气电学特性的影响对大气化学过程中的作用,成核作用,异质核化：有异质核存在时的核化现象。,7、大气气溶胶的气候效应,虹和霓含七种色光的太阳光线，射入大气中的水滴(雨滴或雾滴)，各种色光经历折射和反 射后，可在雨幕或雾幕上形成彩色光弧环。当光弧环对观测者所张的角半径约42度，光环的彩色排序是内紫外红时，称为虹。在虹的外面，有
26、时还出现较虹弱的彩色光环，光环对观测者所张的角半径约为52 度，彩色环的排序与虹相反即内红外紫，称为霓或副虹。虹和霓都要背对太阳而立才能观察到。在夏日的傍晚，西方放晴而东方天空有云 雨时，最易看到虹和霓。,折射和反射,内红外紫的晕是阳光或月光透过云中的冰晶时发生折射和反射形成,形成内紫外红的彩环称为华，是均匀云滴(水滴或冰晶)的衍射,4）对大气电学特性的影响 气溶胶粒子捕获小离子而成为大离子，由于大离子迁移率小，故大气电场中的传导电流减小,在大气化学过程中的作用。气溶胶粒子在大气的许多化学过程中起作用。,第三节 大气的垂直结构大气上界：物理现象上界为 1200km(极光出现高度）；大气密度上界
27、为20003000km(接近于星际气体密度1个/cm3的高度）,分层标准：（1）按温度随高度的变化,（2）按大气成分是否混合均匀（或称按空气平均分子量随高度变化）分：均匀层、非均匀层,（3）按电离状况分,（4）按O3浓度分：臭氧层（1050km)非臭氧层,（5）按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分,一、按温度随高度的变化 分为对流层、平流层、中层、热层、外层,1、对流层（12km以下）,在赤道地区对流层顶的高度约18千米，中纬度地区约12千米，极地地区约8千米。夏季的对流层厚度大于冬季。以南京为例，夏季的对流层厚度达17公里，而冬季只有11公里，冬夏厚度之差达6公里之多。特点：,1)、温度随高
28、度的增加而降低，气温递减率为6.5/km,定义气温递减率：高度每升高单位高 度气温降低的度数。,2)、对流层中的垂直运动显著。,3)、集中了80%的大气质量和几乎全部水汽,4)、云雾降水均发生在此层,5)、受地表影响最强烈，空气属性的水平分布很不均匀,2、平流层（12km55km),1)25km以下温度递减率接近零，25km以上温度随高度明显增加,2)平流层气流运动主要以水平运动为主.,3)水汽极少，颗粒物极少，能见度极好。,4）大气污染物进入平流层后能长期存在,3、中层（85 km),1）层内温度随高度增加而下降,2）空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。,4、热层（550k
29、m),1)温度随高度增加而上升,2)高度电离。,3）带电粒子运动受地球磁场的作用明显。,5、外层（大气上界）,2）大气成分可以散逸到星际空间。,1）随高度升高气温增加不显著,二、按电离状况分,地壳和大气中的放射性物质主要对低层大气的电离起作用，而它们的作用较弱，而宇宙线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用，且作用较强。因此，大气中离子浓度低层低，高层高，据此分为,中性层（60km以下)电离层（60km以上）,三、按地磁场对带电粒子运动作用明显与否分,1、非磁层（500km以下）,由于空气较稠密，带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配,2、磁层（500km以上）,本层内存在大量带电粒子，空气又稀薄，粒子间碰撞稀少，所以，带电粒子的运动主要受地磁场控制,
