干洁大气.ppt

干洁大气干洁大气 迄今为止，地球大气是所发现的迄今为止，地球大气是所发现的 天体大气中天体大气中唯一唯一以氮、氧为主，水可以以氮、氧为主，水可以 以气体、液体、固体三态出现的大气，以气体、液体、固体三态出现的大气，适合生命体生存的同时也存在各种天气现象。适合生命体生存的同时也存在各种天气现象。地球大气的演变简述如下：地球大气的演变简述如下：地球在地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气亿年前形成，它形成时是没有大气的。地球大气的演变可分为的。地球大气的演变可分为原始大气原始大气，次生大气次生大气和和现代大气现代大气三个阶段。三个阶段。原始大气原始大气：（46亿年前亿年前）由于太阳风和地球升温的作用，由于太阳风和地球升温的作用，原始大气是一些轻物质：原始大气是一些轻物质：H2，He、CO 次生大气次生大气：（4520亿年前）亿年前）由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和从由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和从 地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成次生大气次生大气（CO2，CH4，NH3，H2O）现代大气现代大气：（6亿年前）亿年前）以以N2、O2为主为主现代大气现代大气:1ppmv=10-6L/L 1ppmm=10-6g/g 1pptv=10-9L/L 小知识：小知识：地球上的生命由来？地球上的生命由来？原始和次生大气均没有原始和次生大气均没有O2。30亿年前亿年前O2很少，很少，或只有由水汽光解作用产生极少量的氧气。在无氧的或只有由水汽光解作用产生极少量的氧气。在无氧的 条件下产生的原始生命，既要躲避太阳辐射，又需光合条件下产生的原始生命，既要躲避太阳辐射，又需光合 作用，因此最初的生命是在作用，因此最初的生命是在10米下的海洋表面，一些厌氧米下的海洋表面，一些厌氧 生物产生生物产生O2。亿年前，大气亿年前，大气O2浓度达到现在的百分之一，（生物史浓度达到现在的百分之一，（生物史 上第一关键浓度），高空臭氧层增加，削弱了紫外线，生命上第一关键浓度），高空臭氧层增加，削弱了紫外线，生命 到达水面到达水面。亿年前，大气亿年前，大气O2浓度达到现在的十分之一，促使植物茂盛生浓度达到现在的十分之一，促使植物茂盛生长，长，O2更多，生命由海洋到陆地。同时动植物的呼吸和死亡又会更多，生命由海洋到陆地。同时动植物的呼吸和死亡又会消耗消耗O2产生产生CO2，在这个演变过程中逐渐达到了一种平衡。，在这个演变过程中逐渐达到了一种平衡。CO2从亿年前的从亿年前的3000ppm下降到下降到280ppm，生物也从海洋到，生物也从海洋到陆地，从低级到高级不断发展繁衍下去。陆地，从低级到高级不断发展繁衍下去。2.1 大气成分的组成和分类大气成分的组成和分类 2.1.1 大气成分的组成大气成分的组成：大气是由多种气体组成的混合气体，大气是由多种气体组成的混合气体，包括包括N2、O2、Ar、CO2、CH4、O3、H2水水汽、大气气溶胶。汽、大气气溶胶。即大气是由即大气是由干洁大气干洁大气、水汽水汽和和大气气溶胶大气气溶胶组成。组成。由于大气中存在着空气的垂直运动、水平由于大气中存在着空气的垂直运动、水平 运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同 地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面 开始向上直到开始向上直到90km处，空处，空气主要成分（除水汽臭氧气主要成分（除水汽臭氧 和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。因此，在因此，在90km90km以下可以把干洁空气当成以下可以把干洁空气当成分子量为分子量为28.9728.97的的“单一成分单一成分”来处理。来处理。2.1.2 大气成分的分类大气成分的分类 2.1.2.1 按浓度分类：按浓度分类：主要成分：主要成分：N2、O2、Ar、CO2 （300ppmv)微量成分：微量成分：CH4等等（1-20ppmv)痕量成分：痕量成分：O3、H2、氮氧化合物、氮氧化合物、硫化物及氟氯化烃硫化物及氟氯化烃（1000年）年）N2、O2、Ar、Ne、He、Kr、Xe等等 可变成分：可变成分：（几（几十几年十几年)CO2、H2、CH4、N2O、CO、O3、NH3、NO2、SO2、H2S水汽水汽、大气气溶胶大气气溶胶 快变成分：快变成分：（1年）年）碳、硫、氮的化合物碳、硫、氮的化合物 2.2 干洁大气干洁大气 干洁大气的定义：干洁大气的定义：通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余 大气称为大气称为干洁大气干洁大气，简称，简称干空气干空气。包括：包括：碳的化合物碳的化合物(CO2、CH4以及氟氯烃化合物以及氟氯烃化合物)O3 硫的化合物硫的化合物 (SO2、H2S及硫酸盐类及硫酸盐类)氮的化合物氮的化合物(NO、NO2、N2O3、N2O5及及NH3、N2O)等等。下面介绍对气象影响较大的干洁大气下面介绍对气象影响较大的干洁大气 CO2和和O3：2.2.1 CO2：CO2的分子结构：的分子结构：（CO2仅占大气成分总质量的仅占大气成分总质量的0.05%）一、来源：一、来源：人工人工源源：地面燃烧地面燃烧、工业活动工业活动、生物体的呼吸生物体的呼吸和和 生物尸体腐化生物尸体腐化都都排出排出CO2。呼吸作用呼吸作用：CH2On+nO2=nCO2+nH2O(包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可包括动植物的呼吸，但白天植物的光合作用可使使CO2还原）还原）自然自然源源：CO2分压大于大气分压大于大气CO2分分压的压的海水海水。（如热带和低纬地区的海洋是大气中的（如热带和低纬地区的海洋是大气中的CO2的源，放出海洋的源，放出海洋 中的中的CO2）人工人工汇汇：植物的光合作用植物的光合作用减少减少CO2 光合作用光合作用：nCO2+nH2O=CH2On+nO2 自然自然汇汇：CO2分压小于大气分压小于大气 CO2分压的分压的海水海水。（如高寒冷地区的海洋是大气中的（如高寒冷地区的海洋是大气中的CO2的汇，吸收大气中的汇，吸收大气中 的的CO2）全球平均，是大气向海洋输送全球平均，是大气向海洋输送CO2。深海的水流能把海水中的部分深海的水流能把海水中的部分CO2从高纬从高纬 流向低纬，部分流向低纬，部分CO2还变成碳酸盐矿物（贝壳）还变成碳酸盐矿物（贝壳）沉到大海。因此，沉到大海。因此，CO2是在地壳、大气层、是在地壳、大气层、海洋和生物圈之间循环的。海洋和生物圈之间循环的。二、作用：二、作用：（温室效应）（温室效应）CO2吸收太阳辐射很少，却能吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地强烈地吸收地 面长波辐射面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而，使地面和空气不致于因放射辐射而 失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，这样一来，当浓度不断增加会改变大气的热量平衡，导导 致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接致大气底层和地面的平均温度上升，而全球气候的变化将直接 影响人类的生存环境。影响人类的生存环境。CO2增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面增多引起的温室效应，使两极冰川融化，致使海平面升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度，升高，危及沿海城市，使海岸地区土地盐碱化，增加开发难度，温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的温度升高还使一些山顶的积雪融化，使以积雪融化为水资源的河流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。河流水量减少，甚至发生断流现象，影响这些地区的生产活动。三、三、CO2的含量变化：的含量变化：主要原因：主要原因：由煤、石油、天然气、化学燃料等燃烧引起；由煤、石油、天然气、化学燃料等燃烧引起；次要原因：次要原因：火山爆发及碳酸盐矿物、浅地层里释放火山爆发及碳酸盐矿物、浅地层里释放CO2，原子武器试验把放射性碳带进大气等。原子武器试验把放射性碳带进大气等。随着随着1919世纪初工业的发展及世界人口的增长，全球世纪初工业的发展及世界人口的增长，全球 大气中的大气中的CO2含量含量在在逐年增加逐年增加。p10图图2.1为过去一千年来为过去一千年来CO2的含量变化曲线的含量变化曲线 2.2.2 臭氧臭氧 虽然臭氧在大气中所占的比例极小虽然臭氧在大气中所占的比例极小（仅占大气（仅占大气 成分总体积比的成分总体积比的0.001-0.1ppmv)，但因，但因它对太阳紫外它对太阳紫外 辐射辐射（0.20.29m的波长）的波长）有强烈的吸收作用有强烈的吸收作用，所以臭氧是大气中最重要的微量成份之一。所以臭氧是大气中最重要的微量成份之一。1995.9.16联合国大会作出决定，把每年的联合国大会作出决定，把每年的9.16作为作为国际保护臭氧层日国际保护臭氧层日。一、一、臭氧的作用：臭氧的作用：1、臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面、臭氧层阻挡强紫外辐射到达地面,是地面上是地面上 生命的保护伞生命的保护伞。强紫外辐射有强紫外辐射有足够的能量使包括足够的能量使包括DNA在内的在内的重要生物分子重要生物分子分解，增高患皮肤癌、白内障和免疫缺损症的发生率，并能分解，增高患皮肤癌、白内障和免疫缺损症的发生率，并能危害农作物和水生生态系统。少量的紫外线对地面上的生命有危害农作物和水生生态系统。少量的紫外线对地面上的生命有杀菌作用，对人类生存起保护作用。杀菌作用，对人类生存起保护作用。2、臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使、臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层平流层 大气增温大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着，对平流层的温度场和大气环流起着 决定性的作用。决定性的作用。如果平流层的如果平流层的臭氧浓度下降，将引起臭氧浓度下降，将引起平流层上部的温度平流层上部的温度下降，下降，平流层下部和对流层的温度平流层下部和对流层的温度上升。上升。因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射能，估计使地面平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射能，估计使地面的平均温度降低的平均温度降低12oC。二、臭氧的产生：二、臭氧的产生：氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解，氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解，光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主源。光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主源。O2+hO+O O+O2+MO3+M O+O+MO2+M M为第三种分子（如为第三种分子（如N2），作用是维持反应过程的动量和），作用是维持反应过程的动量和能量守恒；太阳紫外辐射主要指波长短于能量守恒；太阳紫外辐射主要指波长短于0.24m的紫外辐射，的紫外辐射，h为普朗克常数，为普朗克常数，为频率。为频率。三、臭氧的消失：三、臭氧的消失：1、自然自然因素因素 臭氧三原子结构不稳定，太阳紫外线甚至臭氧三原子结构不稳定，太阳紫外线甚至 可见光、红外线都能分解可见光、红外线都能分解O3。O3+h O2+O O3+O2 O2 可见，可见，影响影响O3生成的两大自然因素：生成的两大自然因素：太阳紫外线太阳紫外线、O2的含量的含量。2、人为人为因素：因素：氟氯化碳化合物氟氯化碳化合物CFCS由由氯、氟、碳原子组成，氯、氟、碳原子组成，这是一类大气中根本不存在的有机化合物。这是一类大气中根本不存在的有机化合物。如如氟里昂氟里昂-11（CFCl）、氟里昂氟里昂-12（CFCl），由于，由于 性质非常稳定无毒，被人们作为制冷剂、喷雾发射剂和发泡剂、性质非常稳定无毒，被人们作为制冷剂、喷雾发射剂和发泡剂、电子元件清洗剂长期使用，在对流层中浓度逐年积累，能做电子元件清洗剂长期使用，在对流层中浓度逐年积累，能做 长距离输送并向上进入平流层。长距离输送并向上进入平流层。CFCS在平流层能光化学分解成在平流层能光化学分解成Cl,起到起到 破坏臭氧层破坏臭氧层的作用，同时还是温室气体，在的作用，同时还是温室气体，在 地气系统辐射收支中的作用不容忽视。地气系统辐射收支中的作用不容忽视。其中，氟氯烃化合物减其中，氟氯烃化合物减少臭氧少臭氧O3的反应：的反应：当当CFCS在平流层被光化学分解成在平流层被光化学分解成Cl，Cl+O3 ClO+O2 ClO+O Cl+O2 O3+OO2 ClO和和Cl未减少，只起催化作用。未减少，只起催化作用。四、臭氧的空间分布：四、臭氧的空间分布：1、垂直分布：、垂直分布：测量臭氧垂直分布的方法很多，可在地面或测量臭氧垂直分布的方法很多，可在地面或 卫星上遥测，也可用气球或火箭直接收集资料。卫星上遥测，也可用气球或火箭直接收集资料。在近地面层臭氧含量很少，在近地面层臭氧含量很少，从从10km高度开始逐渐增加，高度开始逐渐增加，在在12-15km 以上含量增加以上含量增加 得特别显著，得特别显著，在在20-30km 高度处达到高度处达到 最大值。最大值。再往上则逐渐再往上则逐渐 减少，到减少，到55km 高度上就极少了。高度上就极少了。why?造成这一现象的造成这一现象的原因原因：由于在大气的由于在大气的上层上层中，太阳短波的强度很大，使得中，太阳短波的强度很大，使得 氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少，氧分子解离增多，因此氧原子和氧分子相遇的机会很少，即使臭氧在此处形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又即使臭氧在此处形成，由于它吸收一定波长的紫外线，又 引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多。引起自身的分解，因此在大气上层臭氧的含量不多。在在2030km高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够高度这一层中，既有足够的氧分子，又有足够 的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称的氧原子，这就造成了臭氧形成的最适宜条件，故这一层又称 臭氧层臭氧层。2、水平分布、水平分布：把垂直大气柱内把垂直大气柱内 所有的臭氧压缩到所有的臭氧压缩到 标准条件下的等效标准条件下的等效 厚度表示总臭氧含量。厚度表示总臭氧含量。单位是单位是多普森多普森DU,即即1DU=10-3大气厘米大气厘米见图见图 北半球，大部分地区臭氧层的厚度北半球，大部分地区臭氧层的厚度春季春季 变大，秋季变小变大，秋季变小。高纬的季节更明显，最大。高纬的季节更明显，最大 臭氧带靠近极地。臭氧带靠近极地。南半球，各纬度的季节变化比较小。最大南半球，各纬度的季节变化比较小。最大 臭氧带在臭氧带在春季春季的中高纬地区。的中高纬地区。若按光化学平衡理论，臭氧气柱的极大值若按光化学平衡理论，臭氧气柱的极大值 应出现在太阳辐射强烈的应出现在太阳辐射强烈的夏季赤道夏季赤道区域，但区域，但 由于极向环流的影响，实际观测并非如此。见图由于极向环流的影响，实际观测并非如此。见图：臭氧最大浓度在臭氧最大浓度在北极北极和和南极南极的的6060左右。左右。臭氧总量不仅和光化学反应有关，还和臭氧总量不仅和光化学反应有关，还和 大气运动有关。臭氧主要在赤道生成，通过大气大气运动有关。臭氧主要在赤道生成，通过大气 环流向高纬输送，这种极向环流冬春季最大环流向高纬输送，这种极向环流冬春季最大,并在并在 极地变成下沉气流，形成臭氧高浓度层。极地变成下沉气流，形成臭氧高浓度层。影响臭氧浓度的因素：影响臭氧浓度的因素：大气高层大气高层以光化学作用为主，以光化学作用为主，低层大气低层大气以动力输送为主，以动力输送为主，所以低层大气的臭氧含量和天气系统发生了联系。所以低层大气的臭氧含量和天气系统发生了联系。近几十年根据卫星观测资料发现，全球近几十年根据卫星观测资料发现，全球 臭氧浓度及气柱总量有缓慢下降的趋势。臭氧浓度及气柱总量有缓慢下降的趋势。全球臭氧总量变化范围全球臭氧总量变化范围200200450DU,450DU,平均平均 300DU,300DU,而南极春季少至而南极春季少至100DU100DU！Why?五、臭氧洞：五、臭氧洞：1985年，英国南极站有惊人的发现：年，英国南极站有惊人的发现：南极上空春季的臭氧总量减少了南极上空春季的臭氧总量减少了40%以上以上 臭氧洞！臭氧洞！臭氧洞的含义：臭氧洞的含义：臭氧总量在臭氧总量在60oS附近地区的环极涡旋形成低值区；附近地区的环极涡旋形成低值区；从时间序列上在从时间序列上在910月臭氧总量突然大幅下降月臭氧总量突然大幅下降 形成低谷。形成低谷。对臭氧洞成因的研究，目前主要在两个方面：对臭氧洞成因的研究，目前主要在两个方面：1、大气动力原因：、大气动力原因：南极冬季环极涡旋作用南极冬季环极涡旋作用 2、大气化学原因：、大气化学原因：氟氯烃等化合物的破坏作用氟氯烃等化合物的破坏作用 南极臭氧洞的成因南极臭氧洞的成因很复杂很复杂至今仍未完全清楚！至今仍未完全清楚！1995年年，中科院周秀骥等根据卫星资料，在青藏高，中科院周秀骥等根据卫星资料，在青藏高原夏秋季节又发现一原夏秋季节又发现一臭氧低值区臭氧低值区！思考题：思考题：1、大气由哪些成分组成？、大气由哪些成分组成？2、什么是干洁大气？主要成分、微量、什么是干洁大气？主要成分、微量 成分、痕量成分有哪些？成分、痕量成分有哪些？3、对气象影响较大的干洁大气有哪些？、对气象影响较大的干洁大气有哪些？综述题综述题：（做在实习报告上，（做在实习报告上，500字以上）字以上）1、关于、关于CO2 CO2的特性、的特性、CO2含量的变化，含量的变化，CO2的的变化对人类生活有什么影响、变化对人类生活有什么影响、CO2的其他最的其他最新新资料资料 2、关于臭氧、关于臭氧 O3的形成、的形成、O3含量的变化、含量的变化、O3是人类的是人类的保护伞、臭氧洞、臭氧的其他最新资料保护伞、臭氧洞、臭氧的其他最新资料 查阅资料的途径：查阅资料的途径：1、图书馆的藏书、图书馆的藏书（p4大气科学类图书）、大气科学类图书）、期刊期刊气象气象气象学报气象学报应用气象学报应用气象学报 气象科技气象科技热带气象学报热带气象学报气象知识气象知识 气候变化研究进展气候变化研究进展气象学报气象学报 2、网上查询：、网上查询：百度、谷歌、专业网百度、谷歌、专业网站、图书馆的电子资源站、图书馆的电子资源