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大气中的水.PDF
Physics Today 攫英
大气中的水
(中国科学院物理研究所 李晖、孟胜 编译自BjornStevens,Sandrine
Bony.Physics Today,2013,(6):29,原文详见http://)
地球上的气候及其变化是由水、大气循环和温度之间关系的微妙变化所导致;这些变化有些已经被人们所认识,
然而还有更多是人类目前未知的领域。
中学生都学习过大气中的水循环, 的2000 到3000 倍。大气似乎是一个 效地吸收这些波段的能量。但是云层
然而只有很少人去真正研究水是如何决 水分子不愿意待的地方;然而正是在 对太阳光谱的近红外波段并不能进行
定大气性质的。水由太阳能驱动进行 这里,水让整个世界都发生了改变。 有效吸收,因此会造成强烈的温室效
大范围的循环,决定了太阳能在地球 水由于其独特的物理性质而在大 应。大气中只有极少量的水汽会最终
表面的分布。水的重要性早为人知。 气辐射吸收中脱颖而出。一个小小的 形成雨雪,它们对地球表面的辐射吸
创世纪神话中,造物主首先将黑暗和 水分子就能吸收大量的红外辐射。由 收远小于水蒸汽。
光明分开创造了世界,然后将水与水 于分子翻动时伴随着3 个小而分立的 水的汽化焓非常大,比二氧化
汽分开创造了天空。 具有强偶极的转动惯量,因此水分子 碳、甲烷和氨气大2—3 个数量级,结
水的含量只占大气总质量的 具有大量的转动吸收模式。这些模式 果造成大气温度每相差10K 蒸汽压会
0.25% ,99.5%以汽态形式存在。这些 覆盖了从近红外到微波谱能量区域的 相差一倍。这样剧烈变化的蒸汽压会
水大概只可以将地球表面覆盖为一个 一系列的吸收谱线,这些吸收模式与 导致水汽在大气中随着蒸汽压的不同
2.5cm 厚的液体水层。作为比较,如 水分子的3 个分子振动模式耦合,形 而具有不同的饱和度。因为空气有质
果将地球上的海洋平均覆盖到地表, 成了一些增强的转动—振动吸收带。 量,所以气压随着海拔升高而降低。
可以形成的水层厚度为2.8km 。大陆 水分子对热辐射具有高效的连续 于是从低空上升的气流发生膨胀并被
表面的冰川、湖泊、河流、湿地和土 吸收性质,因而对整个红外热辐射区 冷却;而从高空下降的气流被加热,
壤中存在的淡水也是大气中水汽总量 具有超乎寻常的吸收能力。这种吸收 因此造成了竖直方向上的冷热不均。
能力一直延续到 水的热辐射吸收特性不仅有强烈
近红外区域,从 的温室效应,从而决定地表温度,而
而对低大气层的 且还能影响地球的水文循环强度和对
太阳光能也有大 流层的热力学结构。潮湿的空气对于
量吸收。 太阳光是透明的,但是可以吸收地表
大气中的水 的长波辐射。因而地表附近的空气会
汽也可以凝结成 被加热膨胀而升空,形成对流。到达
凝聚态的水,例 高空后,由于温度降低造成饱和度下降
如冰单晶 、水 而形成降水。云层对大气层的辐射吸
滴、雪花、霰和 收和反射作用也对气候有着重要影响。
冰雹等形成云 理解水与大气循环,以及地球
(见图1)。由于 气候间的关系对我们非常重要。尽
这些颗粒和热辐 管模型还不够完美,我们已经能够
图1
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