行星大氣簡介及地球大氣的成分及分布

1、行星大氣簡介及地球大氣的成分及分布,重點(diǎn)1，干、濕空氣的狀態(tài)方程2，大氣濕度的表示方法及相互轉(zhuǎn)換3，一些主要痕量成分的分布特征及在大氣過程中的作用,行星大氣：從太空看地球大氣,大氣質(zhì)量：50%在集中6km一下，99.9%集中在50km一下,從飛機(jī)（約10km高度）上看大氣,75%的地球大氣質(zhì)量集中在對(duì)流層，也即10km以下。,,大氣成分,原始大氣：H2, He， CO次生大氣：CO2， CH4，NH3，H2O現(xiàn)代

2、大氣：N2， O2現(xiàn)在地球大氣由多種氣體和大氣氣溶膠組成：準(zhǔn)定常成份：（N2， O2），（He，Ne，Ar，Kr，Xe）可變成分：H2O，CO2，CH4, N2O，CO，O3，SO2，氣溶膠，CFCs，NOx等,氣體濃度的表示方法,1，絕對(duì)濃度：kg/m^3, mg/m^3， ug/m^32. 相對(duì)濃度：混合比（體積混合比，質(zhì)量混合比)ppm part per million 百萬分之 10^-6ppb part

3、 per billion 10億分之 10^-9ppt part per trillion 萬億分之 10^-12 ppmv part per million by volume 百萬分之 10^-6ppmm part per million by mass 百萬分之 10^-6,大氣中幾種重要溫室氣體的IPCC情景,干空氣狀態(tài)方程,P=ρd Rd T,Rd=287.05J/（kg●

4、K），是干空氣比氣體常數(shù),理想氣體的狀態(tài)方程PV=nR*T=mR TR是理想氣體的比氣體常數(shù)R*是摩爾氣體常數(shù),CO2,最重要的溫室氣體主要的源：礦物燃料的燃燒和工業(yè)排放， 生物體的腐敗和呼吸作用nCO2+nH2O==[CH2O]n+nO2[CH2O]n+nO2==nCO2+nH2O主要的匯：海洋。高緯度海洋是匯，低緯度熱帶海洋是源，總體而言是匯,CH4,重要的溫室氣體主要的源：天然氣和污水,工業(yè)廢

5、水， 生物體的細(xì)菌分解的腐敗是一種化學(xué)活性氣體CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O在對(duì)流層內(nèi)均用混合，濃度約1.6ppmv,CH4 的分布,O3,重要的溫室氣體化學(xué)活性氣體吸收紫外線保護(hù)地球影響平流層對(duì)流層的輻射收支濃度表示方法：ppmm, ppmv, mPa, Dobson Unit (DU),Dobson Unit,Area covered by Column,All the ozone o

6、ver a certainArea is compressed down to0oC and 1 atm pressureIt forms a 3mm think slab,Corresponding to 300 DU.1 Dobson Unit (DU) is defined to be 0.01 mm thickness at stp,臭氧的垂直分布（蘭州探空）,解釋平流層臭氧層的基本理論,,The first a

7、ttempt to explain the presence of the ozone layer, i.e,.The region of maximum ozone number density in the lowerStratosphere is made by Chapman in 1930.,Chapman Chemistry---oxygen only,O2 + hv = 2OO + O2 + M = O3 +M,Ch

8、apman theory predicts too much ozone in the lowerstratosphere.,臭氧的季節(jié)和緯度變化,From web page: http://www.theozonehole.com,臭氧空洞形成機(jī)理,動(dòng)力原因：極渦冷且穩(wěn)定化學(xué)原因：催化反應(yīng)Cl+O3=CLO+O2CLO+O=CL+O2凈反應(yīng)O3+O=2O2Cl主要來自于CFCs （chlorofluorocarbons）

9、CFCs在紫外輻射的作用下分解出活性Cl,對(duì)流層光化學(xué)煙霧的形成機(jī)制,,To form photochemical smog, three main ingredients are needed:Nitrogen oxides (NOx=NO+NO2), Hydrocarbons (HC), Energy from the sun in the form of ultraviolet light (UV). The main

10、chemical reactions:N2 + O2=2NO 2NO +  O2--------->2NO2NO2+hv-->NO + OO+ O2--->O3 O3 + NONO2 + O2 NO(NO2) + HmCn-------->PAN and various other compounds such as RCHO, H2O2 **PAN: peroxyacety

11、l nitrate(過氧乙酰硝酸酯); RCHO(醛類) NMHC(非甲烷烴), volatile organic compounds (VOC) (揮發(fā)性有機(jī)物).,大氣中的水汽,最活躍的成分，重要的溫室氣體在大氣中的比例很?。?.1%-3%大氣中的水汽只占全球總水量的0.001%,海洋儲(chǔ)存了97.6%水汽和干空氣的混合氣體稱為濕空氣表征濕空氣中的水汽含量的物理量為空氣濕度,一些基本的空氣濕度參量,比濕： 水汽和濕空

12、氣的質(zhì)量比 q = mv/(md+mv)混合比：水汽和干空氣的質(zhì)量比r =mv/md比濕和混合比的關(guān)系q = r/(1+r),一些基本的空氣濕度參量,水汽壓： 大氣中水汽的分壓e = χvpΧv 是濕空氣中水汽的摩爾分?jǐn)?shù)，P是大氣壓強(qiáng),水汽壓與比濕和混合比的關(guān)系r = εe/(p-e), q = εe /(p-0.378e)ε= Mv/Md=0.622,一些基本的空氣濕度參量,飽和水汽壓： es（T) 一定溫度下水

13、汽和水（冰）處于相態(tài)平衡時(shí)的水汽壓 Des/dT = Lves /（RvT2）Lv 是相變潛熱，Rv水汽的比氣體常數(shù),在假定Lv為常數(shù)時(shí)（實(shí)際上Lv隨溫度的增加略有減低）平面上的飽和水汽壓es 是溫度T的唯一函數(shù),,Theoretical analysis (Kelvin’s formula) shows that the saturation vapor pressure over a cur

14、ved surface,is HIGHER than the saturated vapor pressure over a planar surface,,Where,σ is water vapor surface energy.,,深度知識(shí)（參考）,一些基本的空氣濕度參量,水汽密度： ρvρv = e /(RvT) = εe /(RdT)相對(duì)濕度： Uw,Uw = [e / es] p,t ≈ r /rs ≈ q / qs

15、,一些基本的空氣濕度參量,露點(diǎn)溫度Td 和霜點(diǎn)溫度Tf,曲率效應(yīng),一些基本的空氣濕度參量,濕空氣的狀態(tài)方程P = ρ R T = ρ Rd （1+0.608q）T,虛溫的引入Tv=（1+0.608q）TP = ρ Rd Tv,水汽分布,對(duì)流層內(nèi)水汽隨高度減少，有時(shí)可觀測(cè)到逆濕現(xiàn)象；熱帶地區(qū)大氣內(nèi)的水汽含量最多，隨緯度的增加而減少；平流層內(nèi)水汽分布比較均勻，含量較小。,Polar Stratospheric Clouds (

16、PSCs),In winter the polar stratosphere is so cold (－80℃ or below) that certain trace atmospheric constituents can condense.These clouds are called “polar stratospheric clouds” (PSCs).,(Sweden, January 2000; from NASA we

17、bsite),大氣氣溶膠,氣溶膠是指大氣中懸浮著的各種固體和液體粒子,氣溶膠的分類 1）云降水學(xué)分類（按半徑分類）,2）大氣環(huán)境學(xué)分類 TSP、降塵、PM10、PM2.5、塵粒、粉塵、灰等。,愛根核：半徑在0.01到0.1微米之間。 大 核：半徑在0.1到1微米之間。 巨 核：半徑大于1微米。,氣溶膠粒子的譜分布,譜分布：表示粒子濃度與粒子大小之間的函數(shù)關(guān)系Junge 譜：,或,廣義Γ譜（Deirm