大气概论-新1(ppt文档).ppt
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1、第一章第一章 行星大气和地球大气的演化行星大气和地球大气的演化太阳系:由太阳、九大行星、64个行星的卫星,大量的小星体(彗星及小行星),行星际间的介质。太阳系内层包含太阳,水星,金星,地球,火星:外层的行星为木星,土星 ,天王星,海王星和冥王星:这些行星都以太阳为中心以椭圆轨道轨道公转,虽然除了水星和冥王星的十分接近于圆。行星轨道中或多或少在同一平面内(称为黄道面黄道面并以地球公转轨道面为基准)。黄道面与太阳赤道仅有7度的倾斜。冥王星的轨道大都脱离了黄道面,倾斜度达17度。下面的图从一个特定的高于黄道面的透视角显示了各轨道的相对大小及关系(非圆的现象显而易见)。它们绕轨道运动的方向一致(从太阳
2、北极上看是逆时针方向);除金星和天王星外自转方向也如此。在太阳系的九大行星中拥有大气的有:水星(Mercury)、金星(Venus)、地球、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)、海王星(Neptune)、冥王星(Pluto),仅有水星因其大气过于稀薄,一般认为不具有大气。所有的类木行星(气态行星)都有大气,并且它们本身就是主要由气体组成,而类地行星(固态行星)则未必,有的有而有的没有。在卫星中,月球、火卫一等卫星不具有大气;但是土卫六、海卫一等卫星却有大气存在。国际天文学联合会大会2006年8月日投票决定,不再将传统九大行星之一的冥王星视为行星
3、,而将其列入“矮行星”。许多人感到不解,为什么从儿时起就一直熟知的太阳系“九大行星”概念如今要被重新定义,而冥王星又因何被“降级”?“行星”这个说法起源于希腊语,原意指太阳系中的“漫游者”。近千年来,人们一直认为水星、金星、地球、火星、木星和土星是太阳系中的标准行星。世纪后,天文学家陆续发现了天王星、海王星和冥王星,使太阳系的“行星”变成了颗。此后,“九大行星”成为家喻户晓的说法。冥王星是一颗大行星吗?不过,新的天文发现不断使“九大行星”的传统观念受到质疑。天文学家先后发现冥王星与太阳系其他行星的一些不同之处。冥王星所处的轨道在海王星之外,属于太阳系外围的柯伊伯带柯伊伯带,这个区域一直是太阳系
4、小行星和彗星诞生的地方。世纪年代以来,天文学家发现柯伊伯带有更多围绕太阳运行的大天体。比如,美国天文学家布朗发现的齐娜娜(),就是一个直径和质量都超过冥王星的天体。柯伊伯带(Kuiper Belt)柯伊伯柯伊伯带 全称为艾吉沃斯艾吉沃斯-柯伊伯带(英语:柯伊伯带(英语:Edgeworth-Kuiper Edgeworth-Kuiper beltbelt;EKBEKB,一般简称作柯伊伯带,或译作古柏带、库柏带,一般简称作柯伊伯带,或译作古柏带、库柏带等)等)点环为柯伊伯带(柯伊伯带(Kuiper BeltKuiper Belt)。柯伊伯带位于太阳系的尽头,其名称源于荷兰裔美籍天文学家柯伊伯(Ku
5、iper)。早在上世纪50年代,柯伊伯和埃吉沃斯(Edgeworth)就预言:在海王星轨道以外的太阳系边缘地带,充满了微小冰封的物体,它们是原始太阳星云的残留物,也是短周期彗星的来源地。1992年,人们找到了第一个柯伊伯带天体柯伊伯带天体(KBOKBO);如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现,宽度从数千米到上千公里不等。许多天文学家认为:由于冥王星的个头和柯伊伯带中的小行星大小相当,所以冥王星应该被排除在太阳系行星之外,而归入柯伊伯带小行星的行列当中;而冥王星的卫星则应被视作其伴星。不过,因冥王星是在柯伊伯带理论出现之前被发现的,所以传统上仍被认为是行星。无论如何,柯伊伯带的存在现已是公认的
6、事实,但“柯伊伯带为什么会存在?”等种种疑问成为太阳系形成理论的许多未解谜团的一部分。布朗等人发现的齐娜,使传统行星定义遭遇巨大挑战。国际天文学联合会大会通过的新行星定义,意在弥合传统的行星概念与新发现的差距。大会通过的决议规定,“行星”指的是:1、围绕太阳运转;2、自身引力足以克服其刚体力而使天体呈圆球状;3、能够清除其轨道附近其他物体的天体。在太阳系传统的“九大行星”中,只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合这些要求。冥王星由于其轨道与海王星的轨道相交,不符合新的行星定义,因此被自动降级为“矮行星”。在距离太阳4050个天文单位的位置,低倾角的轨道上,过去一直被认为是一
7、片空虚,太阳系的尽头所在。但事实上这里满布着大大小小的冰封物体,热闹无比,就是柯伊伯带。柯伊伯带是现时我们所知的太阳系的边界,是太阳系大多数彗星的来源地。柯伊伯带上的这些物体是怎么成形的呢?如果按照行星形成的吸积理论来解释,那就是他们在绕日运动的过程中发生碰撞,互相吸引,最后粘附成一个个大小不一的天体,形成现在的样子。可是这个理论有个致命的问题!如果在柯伊伯带目前的位置,要形成直径上千公里的天体,那么柯伊伯带上物体的总质量至少要是地球质量的10倍以上。可是目前推估的柯伊伯带总质量,不过只有地球质量的十分之一。其他99%的质量,难道凭空消失了?1.原始大气:以氢、氦、二氧化碳为主要气体2.次生大
8、气(还原大气):以二氧化碳、甲烷、氨、水汽为主要气体。3.现代大气:氮、氧、氩为主要气体成分。地球大气的演化:Marvelous atmospheric phenomenaTornado 龙卷风LandspoutIsabelHurricane(Typhoon)StormcloudLightingBow photoHailnGrapefruit from a hailSnowstormFrontrange-snowDamage from bad weatherDamage by hurricaneThe flood due to the rainstorm From a tornadoEndea
9、vor of Human beings to study WeatherSatellite for meteorolgical observationDistribution of the cosmicsounding全球声纳探测The instrument prepared for LaunchRadar for probing stormNew development of GPS meteorologyProbe on the air by aeroplaneThe evidence of the global charge第二章第二章 地球大气的成分及分布地球大气的成分及分布2.1 干
10、洁大气干洁大气n大气中的气体成分,除去水汽的部分,被称作干洁大气,简称 干空气。n干空气中的氮、氧、氩在气体中的比例在85km以下基本不变,是准定常的。并且所占比例很高。为主要成分n大气还有很多成分,其在大气中所占比例不高,有些甚至是很微弱,其中多数该种气体与人类的活动有很大关系。(如下表)地球大气的主要成分(体积)名称体积%主要成分准定常成分氮气(N2)78.084氧气(O2)20.947氩气(Ar)0.934可变成分二氧化碳(CO2)0.032次要成分惰性气体氦气(He)5.2410-4氖气(Ne)1.8210-4氪气(Kr)1.1410-4氙气(Xe)8.710-6氡(Rn)微量可变成分
11、二氧化硫(SO2)1.010-4一氧化二氮(N2O)2.710-5一氧化碳(CO)6.010-61.010-5氢气(H2)5.010-5臭氧(O3)1.010-61.010-5水蒸气(H2O)0.14.0甲烷(CH4)1.810-41、干空气的状态方程干空气的状态方程:式中:Pi为第i种成分的分压,V为气体体积,ni为第i种气体成分的摩尔数,R为气体常数,T为绝对温标。又由道尔顿定律:n式中:P 总压强,n 气体的总摩尔数,平均摩尔质量定义为:M=m/n =ni Min,其中 m=质量;Mi=第i 分气体的摩尔质量。2、碳的化合物碳的化合物 碳化合物应作为单独的循环进行考虑,因为它不是相互联系
12、的化合物:二氧化碳CO2;一氧化碳CO;甲烷CH4;氟氯化碳化合物;其他等 (1)二氧化碳是大气空气的主要成分之一二氧化碳是大气空气的主要成分之一。它的主要来源是含碳物质的燃烧。这既包括自然过程(森林火灾,也包括人类活动,矿物燃料的燃烧等),动物呼吸和有机物质的腐烂;它的主要汇是植物碳水化合物的光合作用以及在海洋中逐渐浸透到深层的溶解性和碳酸钙CaCO3,沉积物的形成。根据质量作用定律,碱性(低浓度pH)使平衡式向右边推栘。因此,大气中CO2和海洋上层溶解的CO2之间的平衡是与它们水分中的pH值紧密联系的。在水中,二氧化碳很容易溶解产生弱碳酸,然后又进入离解平衡由于工业的发展和森林覆盖面积的减
13、少(CO2的一个重要汇),引起二氧化碳增加,使大气中二氧化碳含量有规律的增加(如下图),目前,它的浓度约在330ppm左右但是每年仍以近lppm(PartsofPerMillion)的速率增加:这种情况引起了人们的关注。因为这种气体对辐射通过大气是有影响的.二氧化碳浓度的变化(2)虽然CO能够被氧化为CO2,但这需要大气中强烈的化学条件(如燃烧,爆炸等),一般不能满足。因此,这两种气体是互不影响的,CO有它自己的一种循环形式,是受生物控制的,也就是它似乎主要是靠洋面上的微生物产生的。而主要的汇大概是靠土壤中细菌的分解。另外一个来源是由于不完全的燃烧。而另外一个汇,则是光合作用和通过与平流层中氢
14、氧基的化学反应引起的摧毁作用。CO是一种比较丰富而稳定的气体。但是在城市和森林中它却成为非常易变的气体(受当地汇和源的影响)。(3)CH4是受一种生物循环控制的比较丰富和稳定的气体。它的产生是由于沼泽地、湿地和稻田等的腐烂物质所致。这种气体的汇目前还不清楚,可能是由于氧化作用或生物的毁灭。其次可能是平流层中OH的破坏。(4)氟氯化碳化合物在化学工业发展以前,大气中没有这种气体。由于制冷设备、电冰箱与香雾剂的大量使用,使大气中氟氯化碳化合物含量飞速增长,尤其是CFCs中的氟里昂-11(CFCl2-11或F-11)和氟里昂-12(CF2Cl2或F-12)二种成份。这二种气体有明显的温室效应。它们在
15、对流层中非常稳定,与其它大气成份不发生化学反应,一直垂直输送到平流层大气中,在太阳短紫外辐射(A0.24m)的光化作用下,分解出氯气(C1)(5)其它的碳化合物包括另外的碳氢化合物,以及甲醛等的有机物质。由于它们对目前的主要环境问题来说,不太重要,所以,不准备进行讨论。Cl即与O3,进行下列化学反应3、臭氧臭氧臭氧含量主要分布在10一50公里的大气中(平流层),极大值在20一25公里附近。对流层大气中的臭氧含站只占整层大气臭氧量不到十分之一,但分析研究表明,其温室效应仍很显著(9.6微米有吸收带)。从1913年Fabry和Buission第一次测量大气臭氧总量,1924年Dobson臭氧分光光
16、度计问世以来,现已由世界气象组织正式全球臭氧观测网,进行大气臭氧总量与臭氧垂直分布的地面与探宅观测。同时,气象卫星探测臭氧总量也获得成功。大气臭氧含量除了用一般的气体浓度量表达外,通常用臭氧厚度表示,它是指垂直大气柱内所有的臭氧被压缩指垂直大气柱内所有的臭氧被压缩到标准状况下的等效厚度,单位为厘米到标准状况下的等效厚度,单位为厘米。有时也用另一单位称为Dobson单位,缩写为D.u.:在际准状况下,等效厚度为10-3厘米的臭氧相当于1D.U.。大气臭氧总量有明显的地区和季节变化,其范围约从200D.U.到450D.U.下图是16581980年臭氧平均总量的全球分布。赤道地区上空的臭氧(平均总量
17、约为240D.U.)。这是全球臭氧极小值的地区,由赤道向两极,总量逐渐增加,在北半球650一700N和南半球600一650S纬地区极大,而北半球的臭氧总量又大于南半球年平均值可超过280DU.。(1)臭氧的产生与破坏臭氧的产生过程主要是氧气的光致分解造成的,氧气吸收太阳紫外辐射而被离解。首先,氧吸收schumann-Runge连续吸收范围(吸收带0.17一0.18微米)的紫外辐射后可以发生下列反应:在大气上层(大约120公里以上)太阳的schumann-Runge连续吸收范围的辐射很强。太阳辐射向下深入大气时,因被吸收而越来越弱,到大约85公里处,实际上已下降为零。在85公里以下,Lyman-
18、辐射,Herzberg(吸收中心0.25微米)连续光谱,和0.17一0.18微米范通的SchumannRunge带开始起作用。氧气光致离解产生的氧原子是大气臭氧的主要源。在大气中,下列反应是重要的:臭氧也会因吸收太阳紫外辐射而破坏。臭氧吸收Hartley带范围的太阳辐射后会产生如下反应:(2)对流层内的臭氧早期大气污染研究中,已经注意到臭氧污染的严重性,但是真正对大尺度范围对流层臭氧的系统研究却是最近几年。臭氧作为一种强氧化剂强氧化剂,在许多对流层大气化学过程中起重要作用,例如许多有机化合物的分解氧化,二氧化硫的氧化、氮氧化物的转化过程都与臭氧有关。臭氧是光化学烟雾的成因之一和重要指标。地表附
19、近的臭氧是一种重要的污染大气成分一种重要的污染大气成分,其浓度增加将直接危害生态环境,另一方面,臭氧在9.6微米范围的大气红外窗区有一个很强的红外吸收带,使对流层臭氧成为一种非常重要的温室气体一种非常重要的温室气体。对流层臭氧增加将使地表增地表增温温。由于这些紧迫的实际环境问题使得对流层臭氧研宄越来越受到普遍重视。最近几年的研究发现,产生臭氧的光化学过程不仅发生在城市污染大气中,也会发生在干净对流层大气中,这种光化学过程产生的臭氧在数量上可能超过平流层注入的量,是对流层臭氧的主要来源。对流层大气中,产生臭氧的光化学过程与氮氧化物、碳氢化合物以及一氧化碳的光化学反应有关。大气中的氮氧化物主要是N
20、O和NO2,产生臭氧的主要是NO2存在。只要有NO2存在,下列反应在对流层大气条件下容易产生臭氧但是NO可与臭氧很快反应生成NO2,这一反应是一个快速循环过程,其净效果不产生臭氧。如果在NO2光化分解的同时,有其它反应物消耗NO,则将有臭氧产生,非甲烷烃和一氧化碳可能成为这种重要的反应物。主要反应过程是,上述反应是一个快速循环过程,其净效果是:在上式中,NMHC代表非甲烷烃,R表示大分子碳-氢自由基,CARB大分子碳化合物。与一气化碳有关的反应是:上式反应的净效果是:很显然,上述光化学反应过程的臭氧产生率取决于大气中氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的浓度以及太氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳的浓度
21、以及太阳紫外辐射的强度阳紫外辐射的强度。近几年已有不少研究者根据上述反应机制建立起光化学摸式来计算对流层臭氧光化学产率。很遗憾,由于不同作者采用的氮氧化物和碳氢化合物的浓度差别比较大,文献报导的对流层臭氧光化学产生率有较大的变化范围,对流层垂直气柱内臭氧平均光化学产生率约为:(1一10)1011个分子/厘米2/秒。美国大气与海洋管理局的环境研究实验室的模式给出,考虑到人为排放的氮氧化物和碳氢化合物,夏季对流层垂直气柱内臭氧平均光化学产生率可达21012个分子/厘米2/秒,而冬季只有21011个分子/厘米2/秒。如果只考虑自然排放的氮氧化物,则相应的数字分别是:1.21012个分子/厘米2/秒与
22、1.21011个分子/厘米2/秒。尽管模式计算结果误差较大,我们仍然可以得出结论,在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学在夏季对流层臭氧的光化学产量要比平流层注入量大得多;而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多;而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多;而在冬季对流层臭产量要比平流层注入量大得多;而在冬季对流层臭氧的光化氧的光化氧的光化氧的光化 学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些学产生量与平流层注入量相当或略大一些。大气臭氧浓度的变化是最早引起人们注意的全球尺度的大气成分浓度变化。
23、尽管臭氧在大气中的含量很少,但它对地球气候以及地表生态环境的影响却是非常大的。大气臭氧的重要性表现在两个方面,一方面是它对辐射和气候的辐射和气候的辐射和气候的辐射和气候的作用作用作用作用,另一方面是在大气化学中的作用大气化学中的作用大气化学中的作用大气化学中的作用。大气臭氧主要集中平流层,它对太阳紫外辐射的强烈吸收使得到达地面的对生物有杀伤力的短波辐射(波长小于0.3微米)保持在较低的强度,从而保护着地面生物和人。所以平流层臭氧层常被称为“臭氧保护层臭氧保护层臭氧保护层臭氧保护层”。平流层臭氧对太阳紫外辐射的吸收是平流层的主要热源平流层的主要热源平流层的主要热源平流层的主要热源,平流层臭氧的分
24、布在很大程度上决定了平流层的温度结构,从而对地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气地球大气环流和地球气候候候候的形成起着重要作用。(3)臭氧的分布下图为臭氧量随纬度季节变化(地面观测与卫星观测)(4)臭氧洞南极臭氧洞是近几年来使科学界困惑,社会各界普遍关注的重大科学难题。所谓南极臭氧洞是指在南极的春天(每年l0月),南极大陆上空气柱臭氧总量急剧下降,形成一个面积与极地涡旋相当的气柱臭氧总量很低的地区,这个所谓洞表现为:一是从空间分布的角度来看,随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分布的角度来看,随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分布的角度来看,随着纬度增加气柱臭氧总一是从空间分
25、布的角度来看,随着纬度增加气柱臭氧总量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值,进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值,进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值,进入量逐渐增加在南极环极涡旋外围形成臭氧含量极大值,进入环极涡旋后,气柱臭氧总晕突然大幅度下降,形成气柱臭氧环极涡旋后,气柱臭氧总晕突然大幅度下降,形成气柱臭氧环极涡旋后,气柱臭氧总晕突然大幅度下降,形成气柱臭氧环极涡旋后,气柱臭氧总晕突然大幅度下降,形成气柱臭氧总量低值区总量低值区总量低值区总量低值区。另一方面是是是是从从从从9 9月到月到月到月到1010月南极地区气柱臭氧总月南极地区气柱臭氧总月南极地区气
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