手機(jī)版|
二維碼|
大氣層的演化與全球氣候變化
隨著地球本身及其大氣層的演進(jìn)，地球質(zhì)量逐漸增加，大氣層逐漸增厚，來自宇宙空間和人類產(chǎn)生的溫室氣體難以逃逸，致使溫室效應(yīng)增強(qiáng)，這也是全球氣候變化的一個(gè)重要原因...[查看全部]
大氣是由具有不同物理和化學(xué)性質(zhì)的各種氣體以及懸浮于其中的不等量固態(tài)和液態(tài)小顆粒組成的，其組成見下表。
在80～90km以下，大氣成分(除臭氧和一些污染氣體外)的比例基本不變，可視為單一成分，其平均分子量為28.966。組成大氣的所有成分在大氣中均呈氣體狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生相變。
討論大氣組成時(shí)，人們經(jīng)常將所有成分按其濃度分為三類：
(1)主要成分：其濃度在1%以上，它們是氮(N2)、氧(O2)和氬(Ar);
(2)微量成分：其濃度在1ppm(10-6)~1%之間，包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氦(He)、氖(Ne)、氪(Kr)等惰性大氣成分以及水汽;
(3)痕量成分：其濃度在1ppm以下，主要有氫(H2)、臭氧(O3)、氙(Xe)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、氨氣(NH3)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)等。此外，還有一些人為產(chǎn)生的污染氣體，它們的濃度多為ppb量級(jí)。
眾所周知，氧是一切生命(人類、動(dòng)物和植物)所不可缺少的，他(它)們都要進(jìn)行呼吸或在氧化作用中得到熱能以維持生命。氧還在有機(jī)物的燃燒、腐化及分解過程中起著重要作用;另一方面植物又通過光合作用向大氣中放出氧并吸收二氧化碳。
大氣中的氮對(duì)氧起著沖淡作用，使氧不至于太濃、氧化作用不過于激烈;對(duì)植物而言，大量的氮可以通過豆科植物的根瘤菌固定到土壤中(稱為固氮)，成為植物體內(nèi)不可缺少的養(yǎng)料。
氮和氧是大氣的主要成分，但是它們對(duì)天氣現(xiàn)象卻影響很少，而二氧化碳、臭氧、甲烷、氮氧化物(N2O、NO2)和硫化物(SO2、H2S)等氣體的含量雖然很少，卻是重要的氣體成分，它們的含量、分布及其變化對(duì)氣候及人類生活產(chǎn)生較大的影響。
大氣性狀及其現(xiàn)象(天氣和氣候)是用基本要素——?dú)鉁?、氣壓、濕度、風(fēng)、云況(云狀和云量)、能見度、降水情況(降水類型和降水量)、輻射、日照以及各種天氣現(xiàn)象等來描述的，這些因子稱為氣象要素。氣象要素隨時(shí)間和空間而變化，其觀測記錄是天氣預(yù)報(bào)、氣候分析以及與大氣科學(xué)有關(guān)的科學(xué)研究的基礎(chǔ)資料。
一、氣溫
表示大氣冷熱程度的物理量稱為大氣溫度(簡稱氣溫)。由熱力學(xué)可知，氣體溫度T(絕對(duì)溫度)是分子平均動(dòng)能的量度，也是分子運(yùn)動(dòng)快慢的量度。氣溫越高，大氣分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的平均動(dòng)能越大，分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的速度也越大。
量度溫度高低的尺子(即單位)稱為溫標(biāo)。常用的溫標(biāo)有以下3種。
1、我國采用的攝氏溫標(biāo)，用℃或C表示。由其表示的溫度為攝氏溫度，常用符號(hào)t表示。攝氏溫標(biāo)以標(biāo)準(zhǔn)氣壓(1013.25hPa)下純水的冰點(diǎn)為零點(diǎn)(0℃)，沸點(diǎn)為100℃，其間分為100等分，每1等分即為1℃。
2、國際通用的絕對(duì)溫標(biāo)，以K表示。它所表示的溫度稱為絕對(duì)溫度，以符號(hào)T表示。這是理論研究常用的溫標(biāo)，該溫標(biāo)的零度(稱為絕對(duì)零度)規(guī)定為攝氏-273.16℃。因此，絕對(duì)溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為T=273.16+t≈273+t。
3、歐美國家常用的華氏溫標(biāo)，用℉表示。這種溫標(biāo)將水的沸點(diǎn)定為212℉，水的冰點(diǎn)定為32℉，并將這兩點(diǎn)之間分成180等分，每1等分表示1℉。華氏溫標(biāo)與攝氏溫標(biāo)之問的關(guān)系為F=9t/5+32。
二、氣壓
托里拆利實(shí)驗(yàn)證明，大氣有壓力，并且每一物體受到的大氣壓力等于壓在物體上的大氣柱重量。氣象上的氣壓是指大氣的壓強(qiáng)，靜止大氣中某地的氣壓是該地單位面積七大氣柱的重量。當(dāng)大氣有垂直加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣壓值與單位面積上大氣柱的重量之間有一定差異，但一般大氣的垂直加速很小，可將其看作靜止大氣。
目前常用的氣壓單位有2種。
一種是國際單位Pa(帕斯卡)，1Pa等于1m2面積上受到1N(牛頓)的壓力，即1Pa=1N·m-2。為方便起見，氣象上常采用百帕(hPa)來表示氣壓，1hPa=100Pa。
另一種單位足毫米水銀柱高度(mmHg)，它來源于測定大氣壓強(qiáng)的水銀柱氣壓表。氣象上規(guī)定，溫度為0℃，緯度為45℃的海平面氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1(標(biāo)準(zhǔn))大氣壓=760mmHg=1013.25hPa。
在過去的氣象書籍中，經(jīng)常用毫巴(mb)作為氣壓的單位，它與hPa和mmHg的關(guān)系是1mb=1hPa=3/4mmHg。
三、大氣濕度
大氣濕度是表示大氣中水汽含量多少的物理量。它是一個(gè)重要的氣象要素，因?yàn)樗c大氣中的云、霧、降水的形成密切相關(guān)。常用的濕度參量有以下幾種。
1、水汽壓(e)
水汽壓是大氣中所含水汽的分壓力。大氣是混合氣體，在常溫、常壓下可近似看作理想氣體。根據(jù)道爾頓氣體定律，可把大氣壓力看成干大氣和水汽壓力之和，即p=pd+e，其中pd表示干大氣氣壓，e的單位與氣壓p一樣，也用hPa表示。
2、飽和水汽壓(E)
假定在一個(gè)封閉容器中，下部盛放了純液態(tài)水，上部為大氣，其氣壓為p，純水和大氣具有相同的溫度。設(shè)最初容器中的大氣是干燥的，則液態(tài)水將開始蒸發(fā)，有水汽不斷進(jìn)入水面上方的大氣中，這時(shí)大氣的壓強(qiáng)就會(huì)因水汽的分壓力(e)而逐漸升高。然而，當(dāng)水汽壓P增加到某一限度值E時(shí)，氣態(tài)水和液態(tài)水就不再增加和減少，水和水汽達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，蒸發(fā)停止。
這種平衡稱為相態(tài)平衡，達(dá)到相態(tài)平衡時(shí)大氣中所含的水汽稱為飽和水汽，其水汽壓E稱為飽和水汽壓。當(dāng)容器中的水溫增加時(shí)，上方大氣水汽壓能容納的水汽也增加，即飽和水汽壓E隨之增加。也就是說，飽和水汽壓E表示在一定溫度下大氣中水汽的最大容量，其值隨溫度的升高而增大。
四、風(fēng)
天氣預(yù)報(bào)和日常生活中所說的風(fēng)是指大氣相對(duì)于地面的水平運(yùn)動(dòng)(實(shí)際上，大氣相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)是三維的，除水平運(yùn)動(dòng)外，還有垂直運(yùn)動(dòng)，將在后續(xù)有關(guān)章節(jié)中介紹)。它是一個(gè)水平矢量，有風(fēng)向與風(fēng)速之分。
風(fēng)向是指風(fēng)的來向，一般用16個(gè)方位或方位角(度數(shù))來表示(下圖)。以度數(shù)表示時(shí)，由北起按順時(shí)針方向量度，如北風(fēng)為0°，東風(fēng)為90°，南風(fēng)為180°，西風(fēng)為270°。
風(fēng)速是指單位時(shí)間內(nèi)大氣相對(duì)于地面移動(dòng)的水平距離，其單位常用m·s-1或km·h-1表示，也有用涅(mile·h-1)表示的。三者的關(guān)系是1m·s-1=3.6km·h-1，1mile·h-1=1.85km·h-1。風(fēng)速大小也可用風(fēng)力等級(jí)表示。1805年，英國海軍將領(lǐng)蒲福根據(jù)風(fēng)對(duì)地面(或海面)物體的影響，提出風(fēng)力等級(jí)表，幾經(jīng)修改后得到下表。
觀測表明，地球大氣在垂直方向上的物理性質(zhì)(溫度、成分、電荷、氣壓等)有顯著差異，根據(jù)這些性質(zhì)隨高度的變化特征可將大氣進(jìn)行不同類型的分層。
氣溫隨高度的變化非常明顯，但并非單一的降低或增高。按其垂直分布的具體特征，通常將大氣分成對(duì)流層、平流層、中間層、熱層和散逸層等5層。
一、對(duì)流層
對(duì)流層是地球大氣的最底層，其下邊界為地面或海面。地界(高度)隨緯度、季節(jié)等因素而變，在低緯地區(qū)平均為17~18km，中緯地區(qū)平均為10～12km，極地平均為8~9km。就季節(jié)變化而言，夏季對(duì)流層高度大于冬季。對(duì)流層的名稱首先由法國的德·波爾特于1908年提出，其意思是說這里是大氣對(duì)流的地方，大氣得以充分混合。
概括起來，對(duì)流層有以下4個(gè)主要特點(diǎn)：
1、氣溫隨高度的增加而降低，其降低的數(shù)值隨地區(qū)、時(shí)間和所在高度等因素而變。平均而言，每上升100m約降低0.65℃，這個(gè)氣溫降低速率稱為(環(huán)境)氣溫遞減率，通常以γ表示，平均值γ=0.65℃·(100m)-1。當(dāng)然，有時(shí)在某地區(qū)會(huì)出現(xiàn)氣溫不隨高度而變，甚至隨高度增加而升高(稱為逆溫)的情況。對(duì)流層頂?shù)臏囟仍诘途暤貐^(qū)平均約為190K，高緯地區(qū)約為220K。
2、大氣密度和水汽隨高度的增加而迅速遞減，對(duì)流層幾乎集中了整個(gè)大氣質(zhì)量的3/4和水汽的90%。
3、有強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)。包括有規(guī)則的垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)和無規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)，它們使大氣中的動(dòng)量、水汽、熱量以及氣溶膠等得以混合與交換。
4、氣象要素的水平分布不均勻。由于對(duì)流層大氣受地表的影響最大，因此，海陸分布、地形起伏等差異使對(duì)流層中的溫度、濕度等氣象要素的水平分布不均勻。
以上4個(gè)特點(diǎn)為云和降水的形成以及天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展提供了有利條件，因此，大氣中所有重要的天氣現(xiàn)象和過程幾乎都發(fā)生在這一層。因此對(duì)流層成為氣象科學(xué)的主要研究對(duì)象。對(duì)流層在國外還常稱它為“天氣層”。
二、平流層
自對(duì)流層頂向上至55km左右這一范圍稱為平流層。其主要特點(diǎn)如下。
1、最初20km以下，氣溫基本均勻(即隨高度基本不變);從90km到55km大氣溫度很快上升，至平流層頂可達(dá)270~290K，這主要是由于臭氧吸收太陽輻射所致。臭氧層位于10～50km，在15～30km臭氧濃度最高，30km以上臭氧濃度雖然逐漸減少，但這里的紫外輻射很強(qiáng)烈，故溫度隨高度的增加能迅速增高。
2、平流層內(nèi)大氣氣流平穩(wěn)、對(duì)流微弱，而且水汽極少，因此大多數(shù)為晴朗的天空，能見度很好。有時(shí)對(duì)流層中發(fā)展旺盛的積雨云頂部(卷云)也可伸展到平流層下部，在高緯地區(qū)有時(shí)日出前、日落后，會(huì)出現(xiàn)貝母云(也稱珍珠云)。
三、中間層
自平流層頂部向上，氣溫又再次隨高度的增加而迅速下降，至離地80～85km處達(dá)最低值(160～190K)，這一范圍的氣層稱為中層，或中間層。造成氣溫隨高度的增加而迅速下降的原因，一方面，在這一層中幾乎已沒有臭氧，另一方面，氮和氧等氣體能直接吸收的太陽輻射大部分已被上層大氣吸收掉。
在中間層，有相當(dāng)強(qiáng)烈的垂直對(duì)流和湍流混合，故又稱為高空對(duì)流層，然而，由于水汽極少，只是在高緯地區(qū)的黃昏時(shí)刻，在該層頂部附近，有時(shí)會(huì)看到銀白色的夜光云。
四、熱層
中間層頂(85km)以上是熱層，這一層沒有明顯的上界，而且與太陽活動(dòng)情況有關(guān)，其高度約在200～500km。在這一層，由于氧原子和氮原子吸收大量的太陽短波輻射，而使氣溫再次升高，可達(dá)1000~2000K。
在100km以上，大氣熱量的傳輸主要靠熱傳導(dǎo)，而非對(duì)流和湍流運(yùn)動(dòng)。由于熱層內(nèi)大氣稀薄，分子稀少，傳導(dǎo)率小，因此該層的氣溫能很快上升到幾百度。然而，由于大氣稀薄，分子間的碰撞機(jī)會(huì)極少，溫度只有動(dòng)力學(xué)意義(溫度是分子、原子等運(yùn)動(dòng)速度的量度)。如果宇航員能從宇航倉內(nèi)伸出手來，他也不會(huì)感覺到“熱”，因?yàn)闊崃窟€與分子的多少有關(guān)。
熱層的溫度有很顯著的日變化，下午的溫度可比早晨溫度高300K，甚至更多。
五、散逸層
熱層頂以上是散逸層，它是大氣的最高層。在這層中氣溫很高，但隨高度的增加很少變化。由于氣溫高，粒子運(yùn)動(dòng)速度很大，而且這里的地心引力很小，因此，一些高速運(yùn)動(dòng)的大氣質(zhì)粒可能散逸到星際空間，這就是“散逸層”名稱的由來。
根據(jù)衛(wèi)星觀測，可以推贊：出不同高度上的大氣密度，從而估計(jì)外逸層的高度。觀測表明，外逸層的高度可以從2000~3000km向外伸展到很遠(yuǎn)，并逐漸與行星空間融合。
大氣壓強(qiáng)原來是這樣發(fā)現(xiàn)的
關(guān)于大氣壓強(qiáng)，是先發(fā)現(xiàn)了大氣壓的存在，并且測量出具體的值后，把這一科學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生活呢?還是先制成了抽水機(jī)后才發(fā)現(xiàn)有大氣壓強(qiáng)的存在呢?事實(shí)是怎樣的呢? 很...[查看全部]
局地大氣環(huán)流的深入剖析
局地大氣環(huán)流類型 全球性的大氣環(huán)流是在大范圍氣壓場影響下的大氣環(huán)流，與全球性的大氣環(huán)流相比，在小范圍內(nèi)由于地形起伏，地表受熱不均等狀況等引起的氣流，叫局地環(huán)流...[查看全部]
大氣湍流對(duì)激光照射精度影響
大氣湍流效應(yīng)對(duì)激光照射器照射精度有一定的影響，理論分析和數(shù)值計(jì)算了由于大氣湍流引入的激光照射誤差隨著照射距離、大氣湍流強(qiáng)度、激光光束半徑的變化關(guān)系。結(jié)果表明...[查看全部]
城市大氣穩(wěn)定度分級(jí)模型
大氣穩(wěn)定度，它表示空氣塊在鉛直方向的穩(wěn)定程度，即氣塊是否安于原在的層次，是否易于發(fā)生對(duì)流。大氣穩(wěn)定度 眾所周知，作為城市主要公害的大氣污染除了取決于污染源...[查看全部]
