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第三章 大气圈与气候系统 大气圈与气候系统 连续包围地球的气态物质称为大气，大气是自然环境的重要组成部分和最活跃的因素，在地理环境和能量转化中充当着十分重要的角色，大气层中天气系统的生成与消亡，以及发展和运动，是全球气候的基础。 大气层保护着生物免受辐射，还为动植物维持生命提供着需要。 第一节 大气的组成和热能 一、大气的成分 地球大气是多种物质的混合物，由干洁空气、水汽、悬浮尘粒或杂质组成。 定常成分：N2 O2 Ar 和微量惰性气体 Ne Kr Xe He 等 可变成分（气体在大气中的比例随时间地点而变）：水汽 二氧化碳 臭氧 碳、硫、氮的化合物等 （一） 干洁空气的成分及其性质 通常把除水汽、液体和固体杂质外的整个混合气体称为干洁空气。简称干空气。它是地球大气得主体，主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，此外还有少量氢、氖、氪、氙、臭氧等稀有气体。 1· 氮和氧 N 2约占大气容积的78％。常温下，N 2的化学性质不活泼，不能被植物直接利用只能通过植物的根瘤菌，部分固定于土壤中。N 2对太阳辐射远紫外区0.03～0.13 具有选择性吸收。02占地球大气质量的23％，按体积比占21％。除了游离态外，氧还以硅酸盐、氧化物、水等化合物形式存在。 2· 二氧化碳 只占大气容积的0.03％，多集中在20km高度以下，主要由有机物燃烧、腐烂和生物呼吸过程产生。二氧化碳对太阳短波吸收很少，但能强烈吸收地表长波辐射，致使从地表辐射的热量不易散失到太空。对地球有保温作用，但近年来随着工业的发展和人口的增长，全球二氧化碳含量逐年增加，改变了大气热平衡，导致地面和低层大气平均温度升高，引起严重的气候问题。 3· 臭氧 主要分布在10～40km的高度处，极大值在20～25km附近，称为臭氧层。臭氧虽在大气中的含量很少，但具有强烈吸收紫外线的能力。研究表明，人们大量使用氮肥以及作冷冻剂和除臭剂使用的碳氟化合物（氟利昂）所造成的污染是平流层的臭氧遭到破坏。臭氧层的破坏能引起一系列不利于人类的气候生物效应，因而受到广泛关注。 （二）水汽 （三） 固、液体杂质 大气悬浮固体杂质和液体微粒，也可称为气溶胶粒子。除由水汽变成的水滴和冰晶外，主要是大气尘埃和其他杂质。 大的水溶性气溶胶粒子最易使水气凝结，是成云致雨的重要条件。气溶胶粒子能吸收部分太阳辐射并散射辐射，从而改变大气透明度。它对太阳辐射的影响和增大散射辐射、大气长波逆辐射，都有可能破坏地球的辐射平衡。 二、大气的结构 （一）大气质量 1、 大气上界 大气按其物理性质来说是不均匀的，特别是在铅直方向变化急剧。在很高的高度上空气十分稀薄，气体分子之间的距离很大。在理论上，当压力为零或接近于零的高度为大气顶层，但这种高度不可能出现。因为在很高的高度渐渐到达星际空间，不存在完全没有空气分子的地方。 气象学家认为，只要发生在最大高度上的某种现象与地面气候有关，便可定义这个高度为大气上界。因此，过去曾把极光出现的最大高度（1200km）定为大气上界。物理学家、化学家则从大气物理、化学特征出发，认为大气上界至少高于1200km，但不超过3200km，因为在这个高度上离心力以超过重力，大气密度接近星际气体密度。所以在高层大气物理学中，常把大气上界定在3000km。 2· 大气质量 大气高度虽然不易确定，大气质量却可以从理论上求得。假定大气是均质的，则大气高度约为8000m，整个大气柱的质量为 m0＝p0 H＝1.125×10－3×8×105 ＝1013.3g/cm2 p0为标准情况下（T＝0oC，气压为 1013.25hPa）大气密度。 （二） 大气压力 1· 气压 定义从观测高度到大气上界上单位面积上（横截面积1cm2）铅直空气柱的重量为大气压强，简称气压。 地面的气压值在980～1040hPa之间变动，平均为1013hPa。气压有日变化和年变化，还有非周期变化。气压非周期变化常与大气环流和和天气系统有关，且变化幅度大。 2· 气压的垂直分布 气压大小取决于所在水平面的大气质量，随高度的上升，大气柱质量减少，所以气压