第四章大氣圈

第四章大氣圈本章重點：大氣圈各圈層特征、大氣運動、氣候變遷。本章難點：大氣環流。第一節大氣圈的物質組成地球的外部圈層大氣圈存在的主要證據和現象：1.藍色的天空；2.白云；3.風；4.流星1.藍天：選擇性散射（瑞利散射：散射能力與光波波長的四次方成反比，波長愈短的波，散射愈強烈

）。2.白云：云是由水滴和空氣中的粉塵組成，直徑較太陽光波長都長，所有的波長都是平均地被散射的（邁以散射），因此，云是白色的。

當云層越來越厚時，小水滴越來越多，幾乎連成一片，太陽光和邁以射散的光不能或者很少能穿透云層，白云就變成烏云。

3.風：有風說明有物質的存在，因為風是由于大氣不同部位的壓力差造成的。在真空中不能形成風。4.流星：隕石穿過大氣層時，由于其速度太快，與大氣摩擦產生熱使其燃燒起來形成。地球是特殊的行星，因地球引力，外圍包著一層有一定厚度的連續不斷的氣態物質，成為地球最外面的一個圈層，即大氣圈（大氣層）。大氣圈沒有明顯的上界，在赤道上方高42000千米和兩極上方高28000千米的高空仍有大氣存在的痕跡。大氣是人類和生物賴以生存必不可少的物質條件，也是使地表保持恒溫和水分的保護層，同時也是促進地表形態變化的重要動力和媒介。中國古代賢哲通過呼吸及煙、云等現象，認識到氣是一種物質，天和氣之間存在著某種聯系。古希臘學者把氣看作構成物質的基本組成元素；達·芬奇有了空氣和真空的概念，能利用空氣的運動來說明風的形成；伽利略通過實驗證明空氣是有質量的；18世紀70年代后，氮氣、氧氣、惰性氣體和其它幾種成分陸續被認識。地球大氣由多種氣體的混合物組成，主要成分是氮和氧，共占99%，其中氮占大氣體積的78%，氧占21%，此外還有氫、二氧化碳、臭氧、水汽和固體雜質等，只占1%。在高出海平面80~90千米以下的空間內的大氣質量占整個大氣圈質量的99.999%以上，其余部分質量甚微，但分布空間可達地面幾千萬米以上。高層大氣的物質組成，從下到上氮、氧、氦、氫為主，并從以分子狀態為主到以原子、離子狀態為主。大氣的組成成分基本上是恒定的。氮是一種不易與其它物質化合的中性氣體，是植物營養的主要來源。植物通過土壤細菌（固氮菌）攝取大氣中的氮；閃電作用可析出氮。通過生物的燃燒以及脫氮作用回到大氣中。氧是化學性質上高度活躍的元素，也是人類和動物生存的主要元素。在氧化過程中，它易于和其它元素化合。通過光合作用和呼吸作用實現在大氣和生命中交換。大氣中的水汽和固態雜質主要存在于大氣低層，是產生天氣現象的必要條件之一。二氧化碳在大氣中有重要作用，因為它對太陽輻射吸收甚少，但卻能強烈地吸收地面輻射，同時又向周圍空氣和地面發射長波輻射，從而使地層大氣因接受熱輻射而變暖。綠色植物在光合作用過程中，利用大氣中的CO2，在水的參與下將它轉化為固態的碳水化合物，這正是人類食物的重要來源。過去300年，CO2增加了25%，主要是人類引起的化石燃燒、森林砍伐及土地利用形式的改變。第二節大氣圈的分層一、大氣圈的分層大氣在垂直方向的分布是極不均勻的，整個大氣圈內大氣的成分、溫度、密度等物理性質都有明顯的變化，稱為大氣在垂直方向上的差異。據此將大氣圈分為五層。大氣圈分層的主要依據：

(1)物質組成；

(2)大氣溫度變化；

(3)電荷；(4)大氣運動。

由地表往上可分為五個次級圈層：（1）對流層；（2）平流層；（3）中間層；（4）暖層；（5）散逸層（擴散層）二大氣圈各層的基本特征1對流層：平均厚度12km，含大量水蒸氣和塵埃。⑴溫度隨高度的增加而降低，平均每上升100m氣溫約下降0.65℃。⑵空氣的對流強度，因緯度而變化，低緯地區對流強、影響高度大，高緯地區對流作用弱；夏季較強，冬季較弱。⑶天氣變化復雜多變，風、霜、雨、雪、雹、霧等氣象現象均發生于此層。⑷氣象要素的水平分布不均勻。受地表海陸分布、地形起伏影響，對流層中溫度、濕度等水平分布是不均勻的。2平流層：從對流層頂到地表以上55km的范圍。幾乎不含水蒸氣、塵埃，無天氣現象。⑴氣流運動相當穩定，且以水平方向上的運動為主；⑵氣溫隨著高度增高最初保持不變或微上升，大約到30km以上，氣溫隨高度增加而顯著升溫；

⑶有臭氧（O3）存在。臭氧層距地面20至30千米，介于對流層和平流層之間。這一層主要是由于氧分子受太陽光的紫外線的光化作用造成的，使氧分子變成了臭氧。臭氧層能大量吸收太陽光中的紫外線，對對流層和地表起著保護層的作用。

臭氧空洞：人類大量使用的氯氟烷烴化學物質（如制冷劑、發泡劑、清洗劑等）在大氣對流層中不易分解，當其進入平流層后受到強烈紫外線照射，分解產生氯游離基，游離基同臭氧發生化學反應，使臭氧濃度減少，從而造成臭氧層的嚴重破壞。3中間層：從平流層頂到地表以上85km的范圍。這層氣溫再次隨高度升高而迅速下降，因而氣流的垂直對流運動相當強烈，故又稱高空對流層。中間層水汽含量極少，幾乎沒有云層出現。4暖層（電離層）：從中間層頂到地表以上800km的范圍。⑴此層大部分氣體分子在太陽紫外線和宇宙線作用下發生電離，形成具有較高密度的帶電粒子。帶電粒子能反射電磁波，對地球上的無線電通訊有重要意義；⑵氣溫隨高度增加而急劇上升；⑶高緯度地區上空可出現極光。5擴散層（散逸層）：從暖層頂到外層空間。物質多以原子、離子狀態存在。是地球物質向宇宙空間擴散的部位。第三節大氣圈中的物質轉換

一、地球和宇宙物質的相互交換通過大氣圈進行。地球形成時，星云中的原始大氣（氫、氦）早已散失殆盡。現代的大氣，一般認為其成分是從地球內部析出的。火山噴出的氣體主要是水蒸氣。它在紫外線的作用下，分解為氫和氧，氧受地球引力作用而保存下來，氫則散失到宇宙中去。地球的物質也從宇宙得到補充。如隕石的絕大多數都變成氣體和塵埃（大氣圈中塵埃的主要來源之一）。二、大氣圈是地球自身各圈層間物質轉換最活躍的場所。

⑴大氣圈中的少量氮向生物體、水、巖石和土壤中轉移，同時也有少量氮中地球內部及腐爛生物遺體中析出，進入大氣中。

⑵地球上的氧，95%固定在巖石里面，還有一些存在于生物體內和溶解在水中，游離在大氣中的氧氣只是極少部分。人和動物呼吸吸入氧氣呼出二氧化碳。地面上廣泛發生的氧化作用和碳酸化作用，則使大氣中的氧和二氧化碳轉移到巖石、土壤和水中。

⑶綠色植物的光合作用，使吸入的二氧化碳中的碳固定在植物體內，并釋放出氧氣。⑷集中分布在對流層下部的水蒸氣，海洋、河流、湖泊等水體的蒸發和植物葉面的蒸騰。水蒸氣又會凝結成細微的水滴懸乎在空中，形成云、霧。進而通過降雨回到地面水體中。第四節大氣運動一、氣象要素及其特征氣象要素是指表明大氣特征的物理狀態和物理現象的各種要素，包括氣壓、氣溫、風、云、降水量、蒸發量、能見度、輻射、日照、大氣光現象等。（一）氣壓：即大氣壓強，指單位面積承受大氣的力。1平方米地面上的氣壓，可以看成是截面為1平方米的平面上伸到大氣圈上界的空氣柱地實際重量。氣壓的形成，根本原因是大氣的氣體分子受到地球的引力，且愈近下層，空氣聚集得愈致密，故下層的空氣密度也愈大，壓強也愈大，反之愈小。氣壓隨高度升高遞減。1氣壓的空間分布：A在垂直方向上隨高度增加而遞減。遞減速度與空氣密度和重力加速度有關。B氣壓在水平方向上的分布也很不一致。通常把某一水平面上的氣壓分布稱為水平氣壓場，用等壓線來表示。低氣壓（低壓）：指在同一高度上中心氣壓低，周圍氣壓高，由閉合等壓線構成的低氣壓區。氣流從周圍向中心輻合上升，容易造成云和降水

。高壓區（高壓）：指在同一高度上中心氣壓高，周圍氣壓低，由閉合等壓線構成的高氣壓區。氣流從中心向周圍輻合下沉，一般天氣晴好。低壓槽和高壓脊：低壓槽內以上升氣流為主，常出現陰雨天氣。高壓脊內以下沉氣流為主，天氣以晴為主。鞍形氣壓場：兩個高氣壓和兩個低氣壓交錯相對的中間區域。氣流不穩定，天氣陰沉。氣壓場的幾種基本形式2氣壓隨時間的變化：主要受氣溫的日變化和年變化所引起。夜間氣溫下降，空氣變冷，地面氣壓升高；白天地面氣壓下降。從全年看，大陸上冬季氣壓高，夏季氣壓低；海洋上氣壓的年變化則相反。（二）、氣溫：是指空氣冷熱程度。通常所說氣溫是指從距地面1.5米高處的百葉箱內測得的空氣溫度。氣溫的高低，實質上是空氣分子平均動能大小的表現。氣溫存在日變化和年變化。氣溫的空間分布包括氣溫的水平分布與垂直分布。（三）濕度：就是空氣的濕潤程度，它表示空氣中水汽的含量。風:

空氣相對于地面的運動。氣象上常指空氣的水平運動，并用風向、風速來表示。云:

懸浮在空氣中的大量水滴和冰晶組成的可見聚合體。在常規氣象觀測中要測定云狀、云高和云量。降水:

從云中降落的液態水和固態水,如雨、雪、冰雹等。蒸發:

液體表面的氣化現象。氣象上指水由液體變成氣體的過程。輻射:

能量或物質微粒從輻射體向空間各方向發送過程。氣象上通常稱太陽輻射為短波輻射，地球表面輻射和大氣輻射為長波輻射。日照:

表示太陽照射時間的量。氣象上通常提供的是觀測到的實照時數。能見度：人的正常視力所能看到的目標物的最大距離。二、大氣運動1大氣運動的動力：來自于太陽輻射所產生的氣壓差。因氣壓差而形成熱力環流。2大氣環流：是指具有世界規模的、大范圍的大氣運動狀態。大氣環流反映了大氣運動的基本格局，并孕育和制約著較小規模的氣流運動。它是各種不同尺度的天氣系統發生、發展和移動的背景條件。3地轉偏向力：由于地球自轉而產生作用于運動空氣的力，稱為地轉偏向力，簡稱偏向力。它只在物體相對于地面有運動時才產生(實際不存在)，只能改變(水平運動)物體運動的方向，不能改變物體運動的速率。相對于物體前進方向來說，在北半球地轉偏向力向右，在南半球則偏向左。4全球大氣環流⑴低緯熱帶環流圈：是指在赤道與南緯30°、北緯30°之間形成一個低緯的大氣環流系統。赤道地區空氣以垂直上升為主，且上升氣流常帶有較多水氣，到高空后易冷凝降雨，故造成“赤道無風帶”和濕熱多雨氣候。在近地表，形成低緯信風帶。⑵中緯的中緯環流圈和高緯的極地環流圈由極地高壓帶到副極地低壓帶之間形成偏東風，稱“極地東風帶”；由副熱帶高壓帶到副極地低壓帶形成偏西風，稱“中緯西風帶”。三、天氣和天氣系統天氣是指某一地區、某一時刻的大氣物理狀況。天氣系統是具有一定的溫度、氣壓或風等氣象要素空間結構特征的大氣運動系統。

一個地區某一時刻的天氣，是由該地區大氣中不同的各類天氣系統（如高壓、低壓、氣旋、反氣旋等）的移動、變化所引起的，而各天氣系統之間又是相互作用、相互交織著的，共同形成不同形態的天氣狀況。1主要天氣系統A氣團：是指一定范圍內，在水平方向上物理屬性（溫度、濕度、穩定度等）相對比較均勻的大塊空氣。暖氣團一般水汽含量豐富，所以當冷、暖氣團相遇時，暖氣團往往被冷空氣抬升，降溫冷卻，常在高空形成云、雨。B鋒：兩個不同性質的氣團相接觸所形成的狹窄過渡區域稱為鋒。鋒面在水平和垂直方向上都有一定的空間范圍。鋒區極易形成云、雨。鋒可分為冷鋒、暖鋒、準靜止鋒和錮囚鋒等。C氣旋與反氣旋：氣旋：中心氣壓低、周圍氣壓高的大尺度空氣漩渦稱為氣旋。在北半球，氣旋風是圍繞其中心作逆時針方向旋轉的；南半球則相反。氣旋是由于鋒面上或密度不同的空氣分界面上發生波動，進一步發展形成的。氣旋常常帶來大風和降水天氣。在低緯度熱帶地區形成的氣旋稱為熱帶氣旋。它是由于熱帶洋面上局部聚集的濕熱空氣大規模上升，低層周圍的空氣向中心流動，在地轉偏向力的作用下形成的空氣大漩渦，直徑約200~1000km。常有狂風暴雨天氣。按國際熱帶氣旋名稱和等級標準，分為熱帶低壓（中心附近最大風力6~7級）、熱帶風暴（8~9級）、強熱帶風暴（10~11級）、臺風（≥12級）。反氣旋：中心氣壓高，周圍氣壓低，氣流從中心呈順時針方向（北半球）向四周渦旋式流散的天氣系統，稱為反氣旋（又稱高氣壓）。主要因地面受熱不均，引起氣壓差別所造成。多屬晴朗穩定的天氣。北半球氣旋與反氣旋示意圖第五節氣候及其變化的原因一氣候及氣候帶氣候：對一個地區多年天氣狀況的綜合統計特征。30年的時間長度作為描述氣候狀態的標準時段。地球上的氣候有著十分顯著的空間分布。氣候分類一般包括兩級，第一級是氣候帶。控制氣候的最主要因素為太陽輻射和大氣環流，因而氣候帶是沿緯度帶分布的。第二級是氣候型，不同的氣候型主要由空間尺度較小的因子如海陸分布、地形等所致。全球氣候包括若干氣候帶，每個氣候帶又可分成若干氣候型。全球劃分為四類七個氣候帶：熱帶（南北回歸線之間）、亞熱帶（南、北緯25°~35°）、溫帶（南、北緯35°~60°）、寒帶（南、北緯60°到極區）。赤道地區垂直氣候分帶在山區，氣候也隨高度而變化，形成垂直氣候帶。二、氣候變化氣候在地球演化的歷史過程中的不斷變化。目前《聯合國氣候變化框架公約》中氣候變化的定義：經過相當一段時間的觀察，在自然氣候變化之外由人類活動直接或間接地改變全球大氣組成所導致的氣候改變。氣候變化主要表現為三方面：全球氣候變暖（GlobalWarming）、酸雨（AcidDeposition）、臭氧層破壞（OzoneDepletion），其中全球氣候變暖是人類目前最迫切的問題，關乎到人類的未來。度量氣候變化通常用相對于氣候平均狀態的變幅，變幅可正可負，可大可小，有些為周期性，有些為非周期性變化。對于氣候變化，由于時間尺度的不同、研究的方法不同，又分為地質時期氣候變化、歷史時期氣候變化和近代氣候變化。歷史時期氣候變化：是指有人類文明以來的氣候變化。近代氣候變化：是指有氣象觀測記錄以來的氣候變化。地質時期氣候變化：是長時間尺度的，主要根據地球的地質演變、古生物化石、地貌演變、地球化學等方面來推斷。以氣溫高低作為標志，在地球演化歷史上，全球氣溫有過大幅度升降。存在大冰期和大間冰期。三、氣候變化的影響因子觀點：1太陽輻射量的變化；2地球旋轉軸傾斜度變化；3太陽系繞銀河系旋轉到一定區域時，太陽輻射受星際塵埃阻擋；4外來隕石撞擊地球，形成大量塵埃阻擋太陽輻射。從1970年代起，人們從整個行星地球去研究氣候的形成及其變化的原因，即從“氣候系統”的概念來認識氣候的形成和變化。氣候受制于地球各個圈層的相互作用，除受太陽輻射影響外，還與海—氣相互作用、水汽輸送、海陸分布、大陸地形、冰雪覆蓋、植被分布、人類活動等因素有關。補充知識：一、溫室效應（花房效應）：1概念：是大氣保溫效應的俗稱。是指大氣通過對輻射的