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2017-6-11
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主讲:郑永宏
E-mail: zhengyh@whu.edu.cn
武汉大学资源与环境科学学院
第1章 大气成分、状态与结构
2017-6-11
大气是多种气体的混合物。
一、大气成分分类
第一节 大气的组成
2017-6-11
1、干洁大气
各种气体成分的临界温度都很低。
氧气(在波长小于0.24μm辐射作用下分解)
氮气(对太阳辐射远紫外光区0.03-0.13μm具有选择性吸收)
二氧化碳(对太阳辐射短波吸收很少,但能强烈吸收地面长波辐射)
臭氧(强烈吸收波长小于0.3μm太阳紫外辐射)
二、大气各成分特性
2017-6-11
大气的状态参量
空气状态通常用密度、体积、压强、温度等参量进行表示。大气海平面平均气压为1013.3hPa,气温为288.15K,密度为1.225kg/m3。
对于一定质量的空气,其体积、压强、温度之间存在函数关系。如:气团上升,压力降低,体积增大,温度降低。
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气压:指大气压强,一般用P表示。它是空气具有重量和空气分子运动的综合反映。在静止大气中,任意高度的气压值等于该高度处单位面积所承受的空气柱重量。(水银气压表、空盒气压表)
气压单位曾经用毫米水银柱高度和豪巴表示,国际上常用帕斯卡(Pa)表示,大气科学上常用百帕(hPa)表示。
气象上曾规定,当气温0℃,在纬度45°海平面上,760mm水银柱高时的大气压称为标准大气压,为1013.25 hPa。
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气温:气温是表示空气冷热程度的物理量,一般用t(摄氏温标)或T(绝对温标)表示。温度是分子平均动能大小的度量。
摄氏温标:规定在一个标准大气压下,纯水的冰点为0度,沸点为100度,其间等分100等份,每份即为1摄氏度。
华氏温标:规定在一个标准大气压下,水的冰点为32度,沸点为212度,其间分为180等份,每份代表1华氏度。
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开氏温标(绝对温标):1度的间隔与摄氏度温标完全相同,不同的是它以理论上所说的分子热运动完全停止时的温度作为零度,即-273.16℃作为零度。
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干空气状态方程:空气状态方程指气体的气压、密度和温度这三个气体的基本状态参数之间的函数关系式。如果三个量都不变,则空气处于一定状态中。
理想气体状态方程:理想气体指分子为一质点,分子仅具有质量但自身体积为零,且分子间无作用力的气体。
P=ρRT
P为气压,ρ为气体密度,T为温度,R为比气体常数。
R=R*/μ
R*=8.31 J/(mol · k)为普适气体常数;μ为分子量。
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理想气体状态方程说明了当温度保持不变,空气的体积改变与气压成反比,这种关系是物理学常见的波义耳定律;
当压力保持不变,空气体积与温度成正比,这就是一般的膨胀原理;
当体积保持不变,则该体积的压力与温度成正比,这种关系在物理上又称查理定律。
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2、水汽
大气中水汽总质量为1.24×1010g,占地球总水量的0.001%,相当于24mm厚的水层。大气中水汽具有时空变化。具三相变化,是天气变化主要角色。
水的相变和水循环过程将多个圈层联系到一起,且吸收、释放潜热和长波辐射,因此水汽含量多少直接影响地面和空气温度,影响天气和天气系统的变化和发展,此外,大气降水能清除污染。
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露点温度:湿空气在水汽含量不变条件下,等压降温达到饱和时的温度称为露点温度,简称露点(Td)。
露点的单位虽与温度一致,但它表征的是空气中水汽含量的多少。气压一定时,水汽越多,露点越高。
由于空气一般是未饱和的,故露点通常比气温低。可基于温度与露点差判断空气距离饱和的程度。
2017-6-11
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3、大气气溶胶粒子
大气气溶胶指大气与悬浮在其中的固体和液体微粒共同组成的多相体系。
大气气溶胶粒子指悬浮大气中的固体、液体微粒,包括烟粒、尘埃、盐粒、水滴、冰晶、微生物、植物的孢子和花粉等。单位体积空气悬浮的粒子数目(或物质总质量)称为数浓度(或质量浓度)。
集中在近地面1-2km,对辐射的吸收与散射、云雾降水的形成及大气污染的产生都具有重要作用,还在大气的许多光化学过程中起重要作用。
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大气密度随高度增加呈指数递减并逐渐趋于稀薄,向星际空间过渡且无明确的上界。基于物理分析确定大气上界:
根据极光(80-1200km):出现的最大高度确定大气上界为1200km;
以大气密度接近星际气体密度(1个中性气体质点/cm3)的高度作为标准,大气上界约为2000-3000km。
一、大气的上界
第二节 大气的垂直结构
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(一)按热力结构分层
一、大气的垂直分层
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