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1、第2章地球大气11第1页，本讲稿共77页第一节第一节 地球及其大气地球及其大气n宇宙中有宇宙中有10102222个星系，太阳系就是其中的个星系，太阳系就是其中的一个。一个。n太阳系由太阳系由8 8颗行星以及小行星，慧星和尘颗行星以及小行星，慧星和尘埃等组成。埃等组成。n这这8 8颗行星依次是水星，金星，地球，火颗行星依次是水星，金星，地球，火星，木星，土星，天王星，海王星星，木星，土星，天王星，海王星.太阳系、行星和地球太阳系、行星和地球第2页，本讲稿共77页太阳系行星的体积和自转方向的比较太阳系行星的体积和自转方向的比较第3页，本讲稿共77页太阳和行星的基本数据太阳和行星的基本数据第4页，本
2、讲稿共77页行星的不同性质行星的不同性质n内围星球：水星、金星、地球、火星。内围星球：水星、金星、地球、火星。这些星球是固体的，其大气有一个固体这些星球是固体的，其大气有一个固体的下垫面的下垫面n外围星球：木星、土星、天王星，海王外围星球：木星、土星、天王星，海王星和冥王星。这些星球具有固态或液态星和冥王星。这些星球具有固态或液态的核心，并逐步向气态过渡，很难定义的核心，并逐步向气态过渡，很难定义一个明确的大气下垫面。一个明确的大气下垫面。第5页，本讲稿共77页地球地球n地球离开太阳的平均距离是地球离开太阳的平均距离是1.5x101.5x108 8 km km，即即1 1个天文个天文单位。单位
3、。n地表和大气主要是被太阳加热的。地表和大气主要是被太阳加热的。n太阳的能量驱动着大气中的所有变化：冷暖和刮风、太阳的能量驱动着大气中的所有变化：冷暖和刮风、下雨。下雨。n地球表面的平均温度是地球表面的平均温度是15150 0C C，这是很幸运的，因为人，这是很幸运的，因为人类和自然界大量的生物是适应这一条件的。类和自然界大量的生物是适应这一条件的。第6页，本讲稿共77页.大气的成分大气的成分n大气的成份主要是氮（大气的成份主要是氮（N2,占占78%)，氧，氧（O2,占占21%)。还有少量的。还有少量的 H2O,CO2,O3,CH4,N2O 以及以及惰性气体惰性气体Ar,He,Ke,.n如果只
4、考虑大气中数量最多的气体，如果只考虑大气中数量最多的气体，N2,O2,那那么这二种成分的比值一直到么这二种成分的比值一直到90公里还是不变的，公里还是不变的，称为均匀混合层。称为均匀混合层。n大气中变化最大的气体是大气中变化最大的气体是H2O和和O3。第7页，本讲稿共77页 干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）干洁大气（即干空气）水汽水汽水汽水汽 悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质悬浮在大气中的固液态杂质一、干洁大气一、干洁大气一、干洁大气一、干洁大气 地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成地球大气由三个部分组成地球大气由三个
5、部分组成:干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：干洁大气的定义及其成分变化：定义：定义：定义：定义：除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的除去水汽及其他悬浮在大气中的固、液体质粒以外的整个混合气体。整个混合气体。整个混合气体。整个混合气体。第8页，本讲稿共77页 成分变化：成分变化：成分变化：成分变化：090km090km，主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。主要成分和含量比例基本保持不变。
6、90km90km以上，以上，以上，以上，氮稍有减少氮稍有减少氮稍有减少氮稍有减少,氧稍有增多氧稍有增多氧稍有增多氧稍有增多,氩和二氧化碳氩和二氧化碳氩和二氧化碳氩和二氧化碳明显减少明显减少明显减少明显减少,其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解其中氧分子和氮分子开始离解 。各种成分介绍：各种成分介绍：各种成分介绍：各种成分介绍：各成分总体状况：各成分总体状况：各成分总体状况：各成分总体状况：表表表表2-1 2-1 干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度干洁大气的成分（高度25km25km以下）以下）以下）以下）气体成分气体成分气体成
7、分气体成分所占体积（所占体积（所占体积（所占体积（%）临界温度（临界温度（临界温度（临界温度（）临界压强（大气压）临界压强（大气压）临界压强（大气压）临界压强（大气压）氮氮氮氮78.0878.0878.0878.08-147.2-147.2-147.2-147.233.533.533.533.5氧氧氧氧20.9520.9520.9520.95-118.9-118.9-118.9-118.940.740.740.740.7氩氩氩氩0.930.930.930.93-122.0-122.0-122.0-122.048.048.048.048.0二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳0.0320.0320.
8、0320.03231.031.031.031.073.073.073.073.0臭氧臭氧臭氧臭氧0.000060.000060.000060.00006-5.0-5.0-5.0-5.092.392.392.392.3干洁大气干洁大气干洁大气干洁大气100100100100-140.7-140.7-140.7-140.737.237.237.237.2第9页，本讲稿共77页 氮气氮气氮气氮气（N N N N2 2 2 2）：存在方式：存在方式：存在方式：存在方式：以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。以蛋白质的形式存在于有机体中。作用：作用：作
9、用：作用：是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料是有机体的基本组成部分，也是合成氮肥的基本原料。自然条件下自然条件下,氮气只能通过闪电雷暴作成形成氮气只能通过闪电雷暴作成形成,通过降水过通过降水过程被植物和土壤吸收利用。程被植物和土壤吸收利用。氧气氧气氧气氧气（O O O O2 2 2 2）：作用：作用：作用：作用：是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；是人类和动植物维持生命活动的极为重要的气体；积极参
10、与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程；积极参与大气中的许多化学过程；对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。对有机物质的燃烧、腐败和分解起着重要的作用。第10页，本讲稿共77页 臭氧臭氧臭氧臭氧（O O O O3 3 3 3）：时空变化：时空变化：时空变化：时空变化：时间变化：时间变化：时间变化：时间变化：最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。最大值出现在春季，最小值出现在夏季。空间变化：
11、空间变化：空间变化：空间变化：水平：水平：水平：水平：由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。由赤道向两极增加。垂直：垂直：垂直：垂直：5555555560km60km60km60km，含量极少。，含量极少。，含量极少。，含量极少。2020202025km25km25km25km，达最大值，形成臭氧层；，达最大值，形成臭氧层；，达最大值，形成臭氧层；，达最大值，形成臭氧层；1212121215km15km15km15km以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；以上，含量增加特别显著；从从从从10km10km10km10km向上，逐渐增加；向上，逐渐
12、增加；向上，逐渐增加；向上，逐渐增加；近地面，含量很少；近地面，含量很少；近地面，含量很少；近地面，含量很少；第11页，本讲稿共77页 作用：作用：作用：作用：对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。对紫外线有着极其重要的调控作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。对高层大气有明显的增温作用。二氧化碳二氧化碳二氧化碳二氧化碳（COCOCOCO2 2 2 2）：来源：来源：来源：来源：生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和生物的呼吸、化石燃料
13、的燃烧、有机物质的燃烧和生物的呼吸、化石燃料的燃烧、有机物质的燃烧和分解、火山喷发作用等。分解、火山喷发作用等。分解、火山喷发作用等。分解、火山喷发作用等。时空变化：时空变化：时空变化：时空变化：时间变化：时间变化：时间变化：时间变化：a)a)a)a)白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于白天、晴天、夏季时的二氧化碳浓度小于 黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。黑夜、阴天、冬季。b)b)b)b)工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。工业革命前小于工业革命后。第12页，
14、本讲稿共77页 空间变化：空间变化：空间变化：空间变化：水平：水平：水平：水平：城市大于农村；城市大于农村；城市大于农村；城市大于农村；垂直：垂直：垂直：垂直：0 0 0 020km20km20km20km，含量最高；，含量最高；，含量最高；，含量最高；20km20km20km20km以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。以上，含量显著减少。作用：作用：作用：作用：绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。绿色植物进行光合作用不可缺少的原料。强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐
15、射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使强烈吸收长波辐射（地面辐射、大气辐射），使 地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生地面保持较高的温度，产生“温室效应温室效应温室效应温室效应”。第13页，本讲稿共77页二、水汽二、水汽二、水汽二、水汽 来源：来源：来源：来源：主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面主要来自江、河、湖、海、潮湿陆面的水分蒸发以及植物表面的蒸腾。的蒸腾。的蒸腾。的蒸腾。第14页，本讲稿共77页 时间：
16、时间：时间：时间：夏季多于冬季夏季多于冬季夏季多于冬季夏季多于冬季 空间：空间：空间：空间：一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。一般低纬多于高纬，下层多于上层。时空变化：时空变化：时空变化：时空变化：作用：作用：作用：作用：在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。在天气气候变化中扮演了重要角色。能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大气放能强烈吸收地面放射的长波辐射并向地面和周围大
17、气放 出长波辐射，出长波辐射，出长波辐射，出长波辐射，对大气起着对大气起着对大气起着对大气起着“温室效应温室效应温室效应温室效应”。第15页，本讲稿共77页 大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种大气中悬浮着的各种固体和液体微粒固体和液体微粒固体和液体微粒固体和液体微粒（包括气溶胶粒子和大（包括气溶胶粒子和大（包括气溶胶粒子和大（包括气溶胶粒子和大气污染物质两大部分）。气污染物质两大部分）。气污染物质两大部分）。气污染物质两大部分）。三、大气中的杂质三、大气中的杂质三、大气中的杂质三、大气中的杂质 气溶胶粒子气溶胶粒子气溶胶粒子气溶胶粒子：定义：定义：定义：定义：分类：分类：分
18、类：分类：液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒液体质粒、固体质粒 固体质粒的来源：固体质粒的来源：固体质粒的来源：固体质粒的来源：有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为有机质数量较少，大多为植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌植物花粉、微生物和细菌等；等；等；等；大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在大气中沉降速率极小、尺度在10101010-4-4-4-4mmmm到到到到100m100m100m100m之间的固态之间的固态之间的固态之间的固态和液态微粒。和液态微粒。和液态微粒。
19、和液态微粒。第16页，本讲稿共77页 无机质数量较多，无机质数量较多，无机质数量较多，无机质数量较多，主要来源于：主要来源于：主要来源于：主要来源于：尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪尘粒、烟粒、海洋中浪 花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃花飞溅的盐粒，流星飞逝后留下的灰烬，火山尘埃等。等。等。等。作用：作用：作用：作用：吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，使空气温度增高，但也削弱了到达地吸收太阳辐射，
20、使空气温度增高，但也削弱了到达地 面的太阳辐射；面的太阳辐射；面的太阳辐射；面的太阳辐射；缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而缓冲地面辐射冷却，部分补偿地面因长波有效辐射而 失去的热量；失去的热量；失去的热量；失去的热量；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；降低大气透明度，影响大气能见度；充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝结核，对云、雾及降水形成有重要意义。充当水汽凝
21、结核，对云、雾及降水形成有重要意义。第17页，本讲稿共77页 大气中的污染物质大气中的污染物质大气中的污染物质大气中的污染物质：定义：定义：定义：定义：由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分由于人类活动或自然过程，使局部、甚至全球范围的大气成分发生对生物界有害的变化。发生对生物界有害的变化。发生对生物界有害的变化。发生对生物界有害的变化。分布：分布：分布：分布：空间上空间上空间上空间上垂直：主要集中在垂直：主要集中在垂直：主要集中在垂直：主要集中在3km3km以下的低层大
22、气中；以下的低层大气中；以下的低层大气中；以下的低层大气中；水平：水平：水平：水平：城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。城市多，农村少；陆地多，海洋少。时间上：时间上：时间上：时间上：冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。冬季多，夏季少；清晨和夜间多，午后少。第18页，本讲稿共77页 火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。火山爆发、风吹扬沙和沙尘暴、雷击森林失火等。来
23、源：来源：来源：来源：自然过程形成。自然过程形成。自然过程形成。自然过程形成。人为过程造成。人为过程造成。人为过程造成。人为过程造成。工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、工业和交通上煤炭、石油、天然气的使用，农业上化肥、农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。农药的喷施，生活上制冷采暖的排放与泄漏等。第19页，本讲稿共77页大气中的可变化成分大气中的可变化成分1、水汽水汽1、水汽：占大气总质量的水
24、汽：占大气总质量的0.25%0.25%，浓度随高度迅速减少，主，浓度随高度迅速减少，主要存在于近地面要存在于近地面3 3公里以下的层次，水汽在大气中的平均公里以下的层次，水汽在大气中的平均停留时间为停留时间为1010天。天。第20页，本讲稿共77页水汽在大气中的平均停留时间水汽在大气中的平均停留时间n如上图所示，大气中的水量是如上图所示，大气中的水量是1313个单位，每个单位，每年全球的降水量是年全球的降水量是423423个单位。个单位。第21页，本讲稿共77页2、CO2n占大气总质量的占大气总质量的0.037%。n通过动植物呼吸，有机物腐朽分解、火山喷发、化石燃料通过动植物呼吸，有机物腐朽分
25、解、火山喷发、化石燃料燃烧进入大气。燃烧进入大气。n它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学反它的消耗是植物光合作用以及与地表的岩石发生化学反应。应。CaSiO3+CO2 CaCO3+SiO2CO2+H2O+CH2O+O2n在大气中的停留时间大约是在大气中的停留时间大约是15 year year。第22页，本讲稿共77页3、O3n主要存在于大气平流层，可以吸收太阳主要存在于大气平流层，可以吸收太阳的紫外辐射，对地面生命有保护作用。的紫外辐射，对地面生命有保护作用。n对流层臭氧对人体有害。对流层臭氧对人体有害。n平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成平流层臭氧的形成是太阳紫外辐射造成的氧分子分
26、解成氧原子，氧原子与氧分的氧分子分解成氧原子，氧原子与氧分子反应生成臭氧。子反应生成臭氧。第23页，本讲稿共77页4、气溶胶、气溶胶n液态或固态微粒在空气中的悬浮体系液态或固态微粒在空气中的悬浮体系.它们能作为水滴和冰它们能作为水滴和冰晶的凝结核晶的凝结核,太阳辐射的吸收体和散射体太阳辐射的吸收体和散射体,并参与各种化并参与各种化学循环学循环,是大气的重要组成部分。它的来源包括：是大气的重要组成部分。它的来源包括：1.1.被风扬起的细沙和微尘、被风扬起的细沙和微尘、2.2.海水溅沫蒸发而成的颗粒、海水溅沫蒸发而成的颗粒、3.3.火山喷发、火山喷发、4.4.森林或其它生物体燃烧的烟尘、森林或其它
27、生物体燃烧的烟尘、5.5.人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、人类燃烧矿物燃料排放的烟尘、6.6.矿物燃料燃烧过程中排放的矿物燃料燃烧过程中排放的SO2在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子在大气中氧化后形成的硫酸盐粒子7.7.燃烧石油和天然气等排放的燃烧石油和天然气等排放的NOx，CO,CH等在大气中经过光化学反应形成等在大气中经过光化学反应形成的硝酸盐粒子的硝酸盐粒子8.8.其它大气化学过程形成的气溶胶粒子其它大气化学过程形成的气溶胶粒子n气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷气溶胶散射降低太阳辐射，导致地面变冷第24页，本讲稿共77页显微镜下的气溶胶颗粒图像显微镜下的气溶胶颗粒图像第25页，本讲稿共77页
28、显微镜下的气溶胶颗粒图像显微镜下的气溶胶颗粒图像第26页，本讲稿共77页大气成分的性质大气成分的性质第27页，本讲稿共77页行星大气的成分行星大气的成分为什么行星具有不同的大气成分？为什么行星具有不同的大气成分？第28页，本讲稿共77页地球、木星和海王星大气均存在涡旋运动，地球、木星和海王星大气均存在涡旋运动，但它们的性质不尽相同，因为后两者没有固但它们的性质不尽相同，因为后两者没有固态下垫面态下垫面第29页，本讲稿共77页第二节第二节 地球大气的演化地球大气的演化一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了宇宙。其过程有点类似于一个核弹的爆炸，一个体积无穷小、质量无穷大的质点突然爆炸形成了
29、宇宙。其过程有点类似于一个核弹的爆炸，原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。原子弹爆炸形成的最高温度相当于宇宙大爆炸一秒钟后的温度。2.1 从大爆炸理论(Big Bang)说起第30页，本讲稿共77页宇宙演化的时间尺度宇宙演化的时间尺度n宇宙的形成大约在宇宙的形成大约在150150亿年亿年前；前；n银河系形成大约在银河系形成大约在130130亿年亿年前；前；n太阳系形成在太阳系形成在5050亿年前；亿年前；n地球的生命大约是地球的生命大约是4646亿年。亿年。第31页，本讲稿共77页宇宙元素的演化宇宙元素的演化n最初的宇宙仅包含氢最初的宇宙仅包含氢(H)(H)和少量的氦和少量
30、的氦(He)(He)原子。原子。n在最初的在最初的100100亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许多中心，亿年的时间里，宇宙中的气体团集成许多中心，在万有引力的作用下，气体分别向这些中心收缩，出现许多在万有引力的作用下，气体分别向这些中心收缩，出现许多原星体。原星体。n这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其内部温度这些原星体越收缩密度越大，密度越大收缩越快，其内部温度也越来越高。当温度升高到也越来越高。当温度升高到10001000万度以上时，原星体会内部将万度以上时，原星体会内部将发生核反应，形成了发生核反应，形成了重元素重元素。这些聚变过程伴随产生大量的。这些聚变过程伴随产生大量的辐射
31、能，使原星体转变为发光的恒星体。辐射能，使原星体转变为发光的恒星体。n特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经形成特别巨大的星体，会发生爆裂，形成超新星，使已经形成的不同的元素散布到星际空间去。的不同的元素散布到星际空间去。第32页，本讲稿共77页地球的形成地球的形成n太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星太阳系是银河系中一个旋臂空间内的气体原星体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固体微体收缩而成的。原太阳系中弥漫着冷的固体微粒和气体，它们形成行星，卫星及大气。粒和气体，它们形成行星，卫星及大气。n原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳系中原地球是太阳系中原行星之一。它是原太阳系中心体中
32、运动的气体和宇宙尘借引力吸积而成。它心体中运动的气体和宇宙尘借引力吸积而成。它一边增大，一边扫并轨道上的微粒和气体，一边一边增大，一边扫并轨道上的微粒和气体，一边在引力作用下收缩。随着在引力作用下收缩。随着“原地球原地球”转变为转变为“地地球球”，地面逐渐冷却为固体，原始大气也就同，地面逐渐冷却为固体，原始大气也就同时包围地球表面。时包围地球表面。第33页，本讲稿共77页地球大气的演化地球大气的演化n地球自从它形成以来，大约地球自从它形成以来，大约4646亿年。其大气的演变亿年。其大气的演变可分为三个阶段：可分为三个阶段：原生大气，次生大气、现代大气原生大气，次生大气、现代大气。n原始大气的形
33、成和星系的形成过程密切相关。原始原始大气的形成和星系的形成过程密切相关。原始大气出现约大气出现约4646亿年，比原始人类出现（几百万年）早亿年，比原始人类出现（几百万年）早3 3个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早个数量级，比人类有文字记载的历史（数千年）早6 6个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来个数量级。因此只能在现有的科学知识加上推理来研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同研究大气演变。科学家们从不同的角度提出了不同大气演化模式。大气演化模式。第34页，本讲稿共77页2.2 原生大气n原生大气的成分是以原生大气的成分是以氢氢和少量的和少量的氦氦为主。为主。n但原生大
34、气存在不太久（大约数千万年）。但原生大气存在不太久（大约数千万年）。当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流当太阳作为年青恒星经历喷发大量物质流的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球的阶段，强大的太阳风把原始大气从地球上吹走，刮向茫茫太空。上吹走，刮向茫茫太空。第35页，本讲稿共77页2.3 次生大气n次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按次生大气主要来自地球内部，由火山喷发产生。按现代火山喷发的成分，主要是现代火山喷发的成分，主要是水汽（水汽（79%79%）、二氧）、二氧化碳（化碳（12%12%）、甲烷，）、甲烷，还有一些还有一些氨氨和和硫硫的化合物。的化合物。n次生大气中没有氧，即使有也不
35、能保留。因为当次生大气中没有氧，即使有也不能保留。因为当时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和时地面温度很高，地壳中有很多铁，氧将很快和铁反应形成氧化铁。铁反应形成氧化铁。第36页，本讲稿共77页次生大气次生大气n次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面次生大气形成时，水汽大量排入大气中，当时地面温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的温度很高，大气不稳定对流的发展很旺盛，强烈的对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等对流使水汽上升凝结形成液态水，出现江河湖海等水体，风雨闪电交加。水体，风雨闪电交加。n次生大气笼罩的时间大约次生大气笼罩的时间大约4646亿年前到亿年前到2020
36、亿年前。亿年前。最原始的生命在这个时期已经出现（大约最原始的生命在这个时期已经出现（大约3535亿年前）亿年前）。第37页，本讲稿共77页2.4 现代大气n地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧地球大气演化的一个重要特征是它从还原态朝着氧化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜化态进化。因为原始大气的主要成分是氢，可以猜测的是当时的大气含有甲烷测的是当时的大气含有甲烷(CH4)和氨和氨(NH3)，而非，而非现在丰富的现在丰富的(CO2)和和(N2O)，但没有氧。但没有氧。n为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导为什么大气朝着氧化态转化还存在争论。两个可能的机制导致大气朝
37、着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（致大气朝着氧化态演化：一个是铁质地核的形成（为什么为什么？）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，）。铁从地幔中的分离使得岩石更易于被氧化，火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如火山喷发向大气中输送更多的氧化物，如CO2、SO2等。另一个是氢的逃逸。当氢从等。另一个是氢的逃逸。当氢从CH4和和NH3分离出来分离出来并逃逸之后，大气变更易于被氧化。并逃逸之后，大气变更易于被氧化。n如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地如果一个分子要逃离地球的引力，它的动能必须超过地球的引力势能也就是球的引力势能也就是(1).(1).从（从（1 1），我们可以得到（）
38、，我们可以得到（2 2）。根据（）。根据（2 2），我们知道，在），我们知道，在500km500km的高度，该分子的的高度，该分子的逃逸速度为逃逸速度为10.77kms10.77kms-1-1.(1)(2)M M为分子质量，为分子质量，r r为该分子为该分子距地心的距离。距地心的距离。第38页，本讲稿共77页现代大气现代大气n现代大气的主要成份是现代大气的主要成份是N2、O2、H2O、CO2，O3等。其中，自由氧的出现是现等。其中，自由氧的出现是现代大气形成的重要标志。氧的出现与生代大气形成的重要标志。氧的出现与生命的出现和演化有着重要关系。命的出现和演化有着重要关系。n因此，氧气的起源成为人
39、们最为关心的因此，氧气的起源成为人们最为关心的问题。问题。第39页，本讲稿共77页2.5 氧的起源n早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于早期的大气中没有氧分子，氧元素存在于H2O和和CO2中。中。n氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从氧可以通过两种可能机制而产生：一是通过光解反应从H2O和和CO2分解分解而来；另一种是生物的光合作用。而来；另一种是生物的光合作用。n如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。如果氧起源于第一种机制，我们则必须解释大气中缺乏氢和碳的事实。尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，尽管氢的缺乏可以用向太空的逃逸来
40、解释，但这样的逃逸速度非常缓慢，并不足以解释大气中氢的缺乏。并不足以解释大气中氢的缺乏。n生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把生物的光合作用机制则没有这样的困难，也就是光合作用把H2O和和CO2转化为转化为O2，碳则存储在生（植）物中。，碳则存储在生（植）物中。nCO2+nH2O+(CH2O)n+nO2第40页，本讲稿共77页氧的起源氧的起源n最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室中摸最初的生命来自那里，并没有一定的结论。在实验室中摸拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以制造出一些拟还原大气的条件，用火花放电的方法，可以制造出一些有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大
41、分子。它们都有机大分子。但在宇宙空间也发现有有机大分子。它们都可能是生命的来源。可能是生命的来源。n因为当时没有臭氧层，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最因为当时没有臭氧层，太阳的短紫外辐射会破坏生命，最初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量初的生命只能存在于深海中。海水可以通过光解产生少量的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通的氧气，这些氧气可维持原始生命。而原始生命又可以通过光合作用产生氧气。过光合作用产生氧气。n到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生到大气中氧累积多了，臭氧层开始形成，阻挡了短紫外辐射，生命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积
42、也加快。命从海洋中发展到地面，光合作用速度加快，氧累积也加快。第41页，本讲稿共77页氧气浓度的变化氧气浓度的变化（Holton，2004）第42页，本讲稿共77页生命的演化生命的演化第43页，本讲稿共77页大气演化中的氧和臭氧大气演化中的氧和臭氧第44页，本讲稿共77页Gaia假说假说n上面的关于上面的关于“生命的光合作用产生了氧气，并为生生命的光合作用产生了氧气，并为生命本身的演化创造了一个环境命本身的演化创造了一个环境”的学说被的学说被James Lovelock称之为称之为“Gaia Hypothesis”。Gaia是是“地地球之神球之神”的意思。的意思。n但是，该假说似乎与达尔文主意
43、但是，该假说似乎与达尔文主意（Darwinism）相相矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境而改变自矛盾，后者的主要思想是生命必须为适应环境而改变自己，也就是己，也就是“适者生存适者生存”。第45页，本讲稿共77页2.6 人类活动对大气成分的影响n从上面的讨论我们可以看到，地球大气从上面的讨论我们可以看到，地球大气势在不断演变的。工业革命（势在不断演变的。工业革命（1860年）年）之前的演变可以认为是自然变化。之前的演变可以认为是自然变化。n工业革命之后，人类对大气或环境的改工业革命之后，人类对大气或环境的改变影响在加大，而且，这种影响是达到变影响在加大，而且，这种影响是达到了无法忽略的程度
44、。了无法忽略的程度。第46页，本讲稿共77页人类活动对以下大气成分的改变影响显著人类活动对以下大气成分的改变影响显著1.1.化石燃料和生物体的燃烧导致大气中化石燃料和生物体的燃烧导致大气中CO2含量升高，煤的燃含量升高，煤的燃烧导致烧导致SO2含量升高。含量升高。2.2.汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。汽车等的大量使用导致大气中废气增加和气溶胶含量增加。3.3.人工固氮导致大气中氮的减少。人工固氮导致大气中氮的减少。4.4.人工制造的制冷剂人工制造的制冷剂CFCs的泄漏导致大气中的泄漏导致大气中CFCs含量增加，含量增加，CFCs在大气平流层分解后产生的氯造成平流层在大气平
45、流层分解后产生的氯造成平流层O3减少。减少。5.CO2等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水等温室气体的增加导致气候变暖，温度升高后大气中水汽含量增加。汽含量增加。第47页，本讲稿共77页CO2含量的增加含量的增加第48页，本讲稿共77页甲烷（甲烷（CH4）的增加）的增加第49页，本讲稿共77页最近最近1000年的温度变化年的温度变化（最近（最近150年温度升高很快）年温度升高很快）第50页，本讲稿共77页最近最近130年的温度变化年的温度变化（最近（最近30年温度升高很快）年温度升高很快）第51页，本讲稿共77页自上个世纪自上个世纪70年代末，平流层年代末，平流层臭氧急剧减少臭氧急
46、剧减少第52页，本讲稿共77页右图：南极臭氧洞在加强右图：南极臭氧洞在加强左图：在左图：在2000年臭氧洞的面积是有记录以来年臭氧洞的面积是有记录以来最大的一次，已经延伸到了南美大陆最大的一次，已经延伸到了南美大陆第53页，本讲稿共77页观测给出的全球温度的逐年变化观测给出的全球温度的逐年变化（来自（来自GISS/NASA）第54页，本讲稿共77页n根据温度的垂直变化，大气分根据温度的垂直变化，大气分为：对流层、平流层、中层、为：对流层、平流层、中层、热层等。热层等。n我们平常关心的大气层是对流我们平常关心的大气层是对流层，层，0-100-10公里。大气越往上公里。大气越往上越稀薄，最后融合到
47、宇宙空越稀薄，最后融合到宇宙空间。间。n虽然大气层没有真正的顶，一般虽然大气层没有真正的顶，一般我们认为大气层的厚度为我们认为大气层的厚度为10001000公公里。里。第三节第三节 大气的垂直结构大气的垂直结构第55页，本讲稿共77页为什么大气的垂直温度分布是这样的？为什么大气的垂直温度分布是这样的？n为什么大气温度随高度会有现在这样的为什么大气温度随高度会有现在这样的变化？这是一个需要想清楚的问题。变化？这是一个需要想清楚的问题。n如果没有特殊原因，大气温度也应该随如果没有特殊原因，大气温度也应该随高度单调递减。但现在有些层次温度是高度单调递减。但现在有些层次温度是上升的，必须有热源。在平流
48、层温度升上升的，必须有热源。在平流层温度升高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸收。收。第56页，本讲稿共77页金星和火星的垂直温度结构金星和火星的垂直温度结构VenusMars第57页，本讲稿共77页木星的垂直温度结构木星的垂直温度结构第58页，本讲稿共77页大气的密度和气压大气的密度和气压n在重力的作用下，大气分在重力的作用下，大气分子主要集中在近地面，大子主要集中在近地面，大气密度和气压随高度呈指气密度和气压随高度呈指数递减数递减n90%90%的大气质量或分子位于的大气质量或分子位于1010公里以下公里以下n标准大气压：标准大气压：76cm Hg=1013.
49、25mb=1013.25hPa 第59页，本讲稿共77页从太空看大气层从太空看大气层第60页，本讲稿共77页 对流层：对流层：对流层：对流层：厚度变化厚度变化厚度变化厚度变化空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。空间：随纬度增加，厚度降低。低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为低纬地区：平均厚度为1717171718km18km18km18km；中纬地区：平均为中纬地区：平均为中纬地区：平均为中纬地区：平均为1010101012km12km12km12km；高纬地区：平均为高纬地区：平均为高纬地区：平均为高纬地区：平均为8 8
50、 8 89km9km9km9km；时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。时间：夏季大于冬季。特点：特点：特点：特点：主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。主要天气现象均发生在此层。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。温度随高度升高而降低。（平均高度每升高平均高度每升高平均高度每升高平均高度每升高100m100m100m100m，气温下降气温下降气温下降气温下降0.650.650.650.65。）。）。）。）空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。空气具有强烈的垂直运动和不规则的乱流运动。空气具有强烈的