大氣科學(xué)概論課件第二地球大氣的成分及分布

1、,第二章 地球大氣的成分及分布,,地球大氣是迄今為止以發(fā)現(xiàn)的天體 大氣中惟一以氮、氧為主，水可以以氣體、 液體、固體三態(tài)出現(xiàn)的大氣。 地球大氣的演變簡述如下： 地球在46億年前形成，它形成時(shí)是沒有大氣的。地球大氣的演變可分為原始大氣，次生大氣和現(xiàn)代大氣三個(gè)階段。,,原始大氣：（46億年前） 由于太陽風(fēng)和地球升溫的作用，原始大 氣是一

2、些輕物質(zhì)：H2，He、CO… 次生大氣：（45—20億年前） 由于地球逐漸冷卻，造山運(yùn)動(dòng)、火山噴發(fā)和從地幔中釋放出地殼內(nèi)原來吸附的氣體形成次生大氣（CO2，CH4，NH3，H2O）…現(xiàn)代大氣：（6億年前） 以N2、O2為主,,地球上的生命是何時(shí)才有的？ ?原始和次生大氣均沒有O2。30億年前O2很少，或只有 由水汽光解作用產(chǎn)生極少量的氧氣。在無氧的條件下

3、產(chǎn) 生的原始生命，既要躲避太陽輻射，又需光合作用，因此 最初的生命是在10米下的海洋表面，一些厭氧生物產(chǎn)生O2。 ?６億年前，大氣O2濃度達(dá)到現(xiàn)在的1％，（生物史上第一關(guān)鍵濃度），高空臭氧層增加，削弱了紫外線，生命到達(dá)水面。 ４億年前，大氣濃度達(dá)到現(xiàn)在的十分之一，植物茂盛生長，生 命由海洋到陸地, O2更多。 ?同時(shí)動(dòng)植物的呼吸和死亡又會(huì)消耗O2產(chǎn)生CO2

4、，這個(gè)演變過程逐漸達(dá)到了一種平衡。CO2從３億年前的3000ppm下降到280ppm，生物也從海洋到陸地，從低級(jí)到高級(jí)不斷發(fā)展繁衍下去。,,2.1大氣成分的組成和分類 2.1.1 大氣成分的組成： 大氣是由多種氣體組成的混合氣體， 包括N2、O2、Ar、 CO2、CH4、O3、H2… 水汽、大氣氣溶膠。,,,,2.1.2 大氣成分的組成和分類

5、 2.1.2.1 按濃度分類：　　主要成分： N2 、 O2、 Ar、CO2 （>300ppmv) 　　 微量成分： CH4等（1--20ppmv)　　痕量成分： O3 、 H2 、氮氧化合物 、 硫化物及氟氯化烴（<1ppmv),,2.1.2.2 按平均停留時(shí)間分類： 不變成分： （>1000年） 　　 N2 、 O 2 、 A

6、r 、 Ne、He 、 Kr 、 Xe等 可變成分： （幾—十幾年) 　　CO2 、H 2、CH4、N2O 、 CO 、 O3、NH3、NO2、 SO2、H2S…水汽、大氣氣溶膠 快變成分：（<1年）　　碳、硫、氮的化合物 　　微量成分和痕量成分一般也是壽命短的成分，它們至少有兩個(gè)特點(diǎn)：有化學(xué)活性，多為溫室氣體。,,由于大氣中存在著空氣的垂直運(yùn)動(dòng)、水平

7、 運(yùn)動(dòng)、湍流運(yùn)動(dòng)和分子擴(kuò)散，使不同高度、不 同地區(qū)的空氣得以進(jìn)行交換和混合，因而從地面 開始向上直到90km處，空氣主要成分（除水汽臭 氧和若干污染氣體外）的比例基本上是不變的。 因此，在90km以下可以把干潔空氣當(dāng)成分子量為28.97的“單一成分”來處理。,,2.2 干潔大氣 干潔大氣的定義： 通常把除水汽、大氣氣溶膠以外的其余大氣稱為干潔大氣，簡稱干空氣。

8、下面介紹對(duì)氣象影響較大的干潔大氣,,2.2.1 碳的化合物(CO2、CH4以及氟氯烴化合物） 一、CO2： 1、來源：人工源：地面燃燒、工業(yè)活動(dòng)，生物體的呼吸和 生物尸體腐化都排出CO2。　　　 呼吸作用：[CH2O]n+nO2=nCO2+nH2O (包括動(dòng)植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使CO2還原） 自然源：CO2分壓大于大氣CO2分壓的海水。（如熱帶和低緯

9、地區(qū)的海洋是大氣的源，放出CO2）,,人工匯：植物的光合作用減少CO2 光合作用：nCO2+nH2O=[CH2O]n+nO2 自然匯：CO2分壓小于大氣 CO2分壓的海水?！?（如高寒冷地區(qū)的海洋是大氣的匯，吸收大氣中的CO2 ）　　全球平均，是大氣向海洋輸送CO2。 深海的水流能把海水中的部分CO2從高緯流向低緯，部分CO2還變成碳酸鹽礦物（貝殼）沉到大海。因此，C

10、O2是在地殼、大氣層、海洋和生物圈之間循環(huán)的。,,2、 CO2的含量變化： 大氣中主要原因是由燃燒煤、石油、天然 氣，化學(xué)燃料等燃料引起； 次要原因是火山爆發(fā)及碳酸鹽礦物、淺地層里 釋放CO2 ，原子武器試驗(yàn)把放射性碳帶進(jìn)大氣等?！　?　　 隨著19世紀(jì)初工業(yè)的發(fā)展及世界人口的增長，全球大氣中的CO2含量在逐年增加?！D2.1為過去一千年來CO2的含量變化曲線,,,3、作用：

11、 CO2吸收太陽輻射很少，卻能強(qiáng)烈地吸收地 面長波輻射，使地面和空氣不致于因放射輻射而 失熱過多。因此它們都有使空氣和地面增溫的效應(yīng)。 （溫室效應(yīng)） 這樣一來，當(dāng)濃度不斷增加會(huì)改變大氣的熱量平衡，導(dǎo) 致大氣底層和地面的平均溫度上升，而全球氣候的變化將直接 影響人類的生存環(huán)境。 CO2增多引起的溫室效應(yīng)，使兩極冰川融化，致使海平面升高，危及沿海城市，使海

12、岸地區(qū)土地鹽堿化，增加開發(fā)難度，溫度升高還使一些山頂?shù)姆e雪融化，使以積雪融化為水資源的河流水量減少，甚至發(fā)生斷流現(xiàn)象，影響這些地區(qū)的生產(chǎn)活動(dòng)。,,二、 CH4：（甲烷） 甲烷分子式CH4，最簡單的有機(jī)有機(jī)物。 甲烷是無色無味，極難溶于水的可燃性氣體。甲烷 在自然界分布很廣，是天然氣、沼氣、坑氣及煤氣的主要成分之一。   CH4主要是由湖泊、沼澤里的生物體腐敗后被細(xì)菌分解而成。大氣

13、中CH4的80%來自地表生物源，是在嚴(yán)格無氧環(huán)境中產(chǎn)生的。,,CH4不僅是溫室氣體，又是一種化學(xué)活性 氣體，在大氣中容易被氧化而產(chǎn)生一系列氫 氧化物和碳?xì)溲趸衔铩?CH4的濃度近一兩百年來有明顯的增加， 值得重視。,,三、氟氯化碳化合物 　 氟氯化碳化合物由氯、氟、碳原子組成， 以CFCS表示?！?其中氟里昂-11（CFC３）、氟里昂-12（CF２C２），

14、由于性質(zhì)非常穩(wěn)定無毒，被人們作為制冷劑、噴霧發(fā) 射劑和發(fā)泡劑、電子元件清洗劑長期使用，在對(duì)流層中濃度逐年積累，能做長距離輸送并向上進(jìn)入平流層。,,CFCS在平流層能光化學(xué)分解成Cl,起到破 壞臭氧層的作用，同時(shí)還是溫室氣體，在地氣 系統(tǒng)輻射收支中的作用不容忽視。 其中，氟氯烴化合物減少臭氧的反應(yīng)： 當(dāng)CFCS在平流層被光化學(xué)分解成Cl，　　　　 Cl+O3→ ClO

15、+O2 　　　　ClO+O→ Cl+O2　　　　 O3+O→２O2 ClO和 Cl未減少，只起催化作用。,,2.2.2 臭氧 雖然臭氧在大氣中所占的比例極小，但因 它對(duì)太陽紫外輻射（0.2—0.29μm)有強(qiáng)烈的吸收作用，所以是臭氧大氣中最重要的微量成 份之一。 1995.9.16聯(lián)合國大會(huì)作出決定，把每年的9.16作為國際保護(hù)臭氧層日。,,一、臭氧的作用： 1、臭氧層阻擋了強(qiáng)

16、紫外輻射到達(dá)地面,保護(hù)了地面上的生命。 強(qiáng)紫外輻射有足夠的能量使包括DNA在內(nèi)的重要生物分子分解，增高患皮膚癌、白內(nèi)障和免疫缺損癥的發(fā)生率，并能危害農(nóng)作物和水生生態(tài)系統(tǒng)。少量的紫外線對(duì)地面上的生命有殺菌作用，是人類生存的保護(hù)傘。,,2、臭氧層吸收的太陽紫外輻射能量 使平流層大氣增溫，對(duì)平流層的溫度場(chǎng)和 大氣環(huán)流起著決定性的作用?！?如果平流層的臭氧濃度下降，將引起平流層上部 的溫度下降，平

17、流層下部和對(duì)流層的溫度上升?！?因此，臭氧層對(duì)建立大氣的垂直溫度結(jié)構(gòu)和大氣的輻射平衡起重要作用。臭氧層吸收了部分太陽輻射能，估計(jì)使地面的平均溫度降低1—2oC。,,二、臭氧的產(chǎn)生：　 氧氣在太陽紫外輻射作用下發(fā)生光致離解， 光致離解產(chǎn)生的氧原子是大氣臭氧的主源。　 O2+hγ→O+O

18、 O+O2+M→O3+M O+O+M→O2+M M為第三種分子（如N2），作用是維持反應(yīng)過程的動(dòng)量和能量守恒。 三、臭氧的消失： 　　　 O3+hγ→ O2+O　　　 O3+O→2 O2可見，影響O3生成的兩大因素：太陽紫外線、O

19、2的含量,,四、臭氧的空間分布： 1、垂直分布：　　　 測(cè)量臭氧垂直分布 的方法很多，可在 地面或衛(wèi)星上遙測(cè)， 也可用氣 球或火箭 直接收集資料?！　笤诮孛鎸映粞?含量很少◇從10km高度開始 逐漸增加,,◇在12-15km以上含量增加得特別顯著， 在20-30km高度處達(dá)最大值， ◇再往上

20、則逐漸減少，到55km高度上就極少 了。 why?,,造成這一現(xiàn)象的原因： 由于在大氣的上層中，太陽短波的強(qiáng)度很大， 使得氧分子解離增多，因此氧原子和氧分子相遇 的機(jī)會(huì)很少，即使臭氧在此處形成，由于它吸收 一定波長的紫外線，又引起自身的分解，因此在 大氣上層臭氧的含量不多。 在20—30km高度這一層中，既有足夠的氧分子， 又有足夠的

21、氧原子，這就造成了臭氧形成的最適宜 條件，故這一層又稱臭氧層。,,2、水平分布： 用臭氧厚度表示 總臭氧含量，單位是多普森單位DU,即1DU=10-3大氣厘米見圖,,◇北半球，大部分地區(qū)臭氧層的厚度春 季變大，秋季變小。高緯的季節(jié)更明顯， 最大臭氧帶靠近極地。 ◇南半球，各緯度的季節(jié)變化比較小。最大 臭氧帶在春季的中高緯地區(qū)。 　　◇全球臭氧總量變化范圍200—300DU,平均3

22、00DU,南極春季少至100DU,這就是臭氧洞。Why?,,若按光化學(xué)平衡理論，氣柱臭氧的極大 值應(yīng)出現(xiàn)在太陽輻射強(qiáng)烈的夏季赤道區(qū)域， 但實(shí)際觀測(cè)并非如此。見圖：,,臭氧最大濃度在北極和南極的60o左右?！?臭氧總量不僅和光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，還和大氣運(yùn) 動(dòng)有關(guān)。臭氧主要在赤道生成，通過大氣環(huán)流向 高緯輸送，這種極向環(huán)流冬春季最大,并在極地 變成下沉氣流，形成臭氧高濃度層。 影響臭

23、氧濃度的因素，大氣高層以光化學(xué)作用為主；低層大氣以動(dòng)力輸送為主。所以低層大氣的臭氧含量和天氣系統(tǒng)發(fā)生了聯(lián)系。,,近幾十年根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)，全球 臭氧濃度及氣柱總量有緩慢下降的趨勢(shì)。 這些變化可能和人類的主要活動(dòng)地區(qū)有關(guān)。 大 氣中的一些氣體，如ＮOx，Cl等能和臭氧發(fā) 生光化學(xué)反應(yīng)。,,五、臭氧洞：　 1985年，英國南極站的大

24、氣科學(xué)家有了一個(gè) 驚人的發(fā)現(xiàn)：臭氧洞！ 臭氧洞的含義： ◇臭氧總量在60oS附近地區(qū)的環(huán)極渦旋形成低值區(qū)； ◇從時(shí)間序列上在9－10月臭氧總量突然大幅下降形成低谷。,對(duì)臭氧洞成因的研究，目前主要在兩個(gè)方面： 1、大氣動(dòng)力原因： 南極冬季環(huán)極渦旋作用 2、大氣化學(xué)原因： 氟氯烴等化合物的破壞作用。 南極臭氧洞的成因很復(fù)

25、雜至今仍未完全清楚?！　?995年，中科院周秀驥等根據(jù)衛(wèi)星資料，在青藏高原夏秋季節(jié)又發(fā)現(xiàn)一臭氧低值區(qū)！,,思考題： 1、大氣由哪些成分組成？ 2、什么是干潔大氣？主要成分、微量成分、 痕量成分有哪些？ 3、對(duì)氣象影響較大的干潔大氣有哪些？ 綜述題： 1、關(guān)于CO2 CO2的特性、CO2含量的變化，CO2的變化對(duì)人類生活有什么影響、CO2的其他最新資料…