1、http:/ 大气概述一、定义主要研究地球大气现象与过程的物理机制和规律。大气现象与过程：大气中流体运动、光象、电象、热现象、相变过程、辐射过程。二、分支大气动力学、大气光学、大气电学、大气热力学、云降水学、大气辐射学三、大气物理学发展简史1、近代大气物理学起始阶段（18 世纪中叶20 世纪中叶）意大利天文学家 伽利略(16 世纪 )：温度计。 意大利数学及物理学家 托里塞利(17 世纪) ：水银气压计。法国数学及哲学家 帕斯卡和笛卡尔(17 世纪) ：气压随高度变化。英国科学家 霍克(17 世纪)：风速计。德国物理学家 华氏(18 世纪)：定华氏温标。法国化学家 查尔斯(18 世纪)：温度与
2、固定体积空气的关系。瑞典天文学家 摄氏(18 世纪)：定摄氏温标。美国科学家 富兰克林(18 世纪 )：防风筝入雷暴证明闪电来源。瑞士地质及气象学家 笛绍高斯(18 世纪) ：毛发湿度计气象参数（温、压、湿、风等）的度量与天气现象的关系开始被建立。1752, 美国 Franklin 第一次用风筝探明雷击的本质就是电.1871, 英国物理学家 Rayleigh 解释了天空兰色的现象.1908 年，德国物理学家 G. Mie 解决了球形粒子的散射问题18591901 年这两位德国物理学家开创了辐射定律：Max Karl Ernst Ludwig Planck （18581947）德国物理学家量子力
3、学的开创人G.R. Kirchhoff （18241887） 德国物理学家云物理学研究的形成 云物理的基础和开端：18801881，英国物理学家 J. Aitken 等指出了凝结核在雾滴形成中的重要作用。1911，T.R.Wilson 发明云室，因此获 1927 年诺贝尔物理学奖。 云物理学是研究云的形成过程及其组成、性质、结构和分布，它是 20 世纪 40 年代就已形成的一门分支学科。2、大气物理学高速发展阶段（20 世纪中叶以来）具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。(1)云物理学1946 年，美国物理学家 I.Langmuir, V.J.Schaefer 发现干冰可以催化
4、云产生降水。B.Vonnegut 发现碘化银可作为人工冰核大大激励了科学家们进行人工影响云雨的勇气与信心，促使云降水物理学获得了重大发展。到了 90 年代，由于云和降水的物理过程和化学过程研究的掀起，云物理学增添了不少研究新内容，因此，云物理学也称为云降水物理学。由于旱涝灾害和雹灾等气候和天气灾害的严重性，人工增雨、消雹作业在许多地区的开展，使得云降水物理学获得新的发展，特别是人工影响天气试验的成功，说明在局部地区，人类可以在某种程度上控制天气的变化。因此，云降水物理学的建立以及人工影响天气的试验的成功也是 20 世纪大气科学的重大研究进展之一。(2) 大气污染与边界层物理由于大气边界层是大气
5、污染的主要源地，而大气边界层主要特点是它的湍流性，因此，http:/ 20 世纪 60 年代开始，关于边界层结构、特性的探测和分析研究得到很大发展，并且应用到大气环境的研究，特别是开展了大气边界层污染物扩散特性的研究；到了 8090 年代，边界层大气污染的区域输送及模拟，大气污染的预测和调控机理的研究得到很大发展。因此，边界层物理学应用到大气环境的分析、模拟、预测和调控，这也是 20 世纪大气科学的一个重要应用研究成就。3. 大气辐射学第二次世界大战以后，随着分子光谱学和光谱分析技术的发展，大气各种成分的辐射特性及其在大气中的传输研究在 20 世纪 5O60 年代掀起高潮，并且，这些研究广泛应
6、用于气象卫星对地球和大气的天基遥感。这不仅使其它大气科学分支学科大大发展，也使得大气物理学本身得到发展。到了 20 世纪 9O 年代，大气辐射的测量已成为大气和地球系统天基遥感的重要手段，这是 20 世纪大气科学应用研究的重要进展之一。大气辐射在气候系统中的作用：由于在 20 世纪 8O 年代以后，温室气体 CO2 和痕量气体 O3、CH4,在大气中浓度的改变引起全球增暖和人类生存环境的变化，并对全球环境变化产生了严重影响，这个问题引起世界上许多国家科学家的关注，因此，关于这些气体浓度改变的气候效应的研究使得大气辐射学的研究迅速发展。这不仅使得大气物理学的研究更深入，也使得大气物理过程与大气动
7、力过程的研究相结合。第一节 大气的起源和演化1.1 地球的形成 Origin of the Solar System and EarthCloud of gas and space dust (nebula) began to contract about 4.6 billion years ago2006 年 08 月 24 日北京时间晚间 9:30，第 26 届国际天文学联合会 IAU 大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。国际天文从而确认太阳系只有 8 颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳系的天体包括：八大行星，
8、矮行星和小天体。1.2 大气的演化 第一代大气：氢、氦、氖等气体组成，称为原始大气阶段（Primordial Atmosphere） 。 第二代大气：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽，称为次生大气阶段（Secondary Primitive Atmosphere） 。 现代大气：氮和氧气为主，称为今日大气阶段（Current Atmosphere） 。地球大氣的源起大气演化1、原始地球上无大气、无海洋；火山爆发频繁发生。2、火山喷发形成原始大气，主要由水汽、CO2、氮和硫或硫化物。没有氧气。大量水汽造成长时间降雨，持续了几千年（推测） ，形成原始海洋，生命就在原始海洋中形成。3、生命的光合作用使大
9、气圈中出现了氧气。约 2030 亿年前，原始植物开始通过光合作用释放少量的 O2，随着 O2 的大量增加，导致高空大气形成 O3 层，从而过滤了太阳的紫外辐射，这样使得大量植物从海洋深处逐渐向陆地推进，最后形成愈来愈多的 O 愈来愈少的辐射 接受更多的可见光 更加丰富的植物 释放更多的 O2。大约在 4 亿年前，伴随着地球生物的演化过程，才逐渐形成现在地球大气的状态。 从火山喷发出来的氮，由于其化学惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大气中，成为现代大气中的主要气体成分。http:/ 大气组成地球大气是由多种气体以及漂浮于其中的固态、液态等颗粒物质组成的。2.1 气体成分90km 以下干洁大
10、气均匀混合，称为均匀层。2.1.1 90km 以下大气的气体成分 1）按大气成分在大气中的停留时间可分为：定常成分：浓度的时空变化不明显的气体成分。寿命在 104107a，主要包括 N2、O2 、惰性气体（Ar 等） 。可变成分：寿命几年到几十年。例如，CO2、O3、CH4，H2 等。快变成分：短寿命（小于 1 年） ，如 H2O，CO，NO，NO2 ，HNO3，SO2，H2S 和气溶胶等。2）按浓度（单位为体积混合比）来分，分为：主要气体：浓度1%，包括 N2、O2、Ar微量气体：1ppm1%，包括 CO2、CH4 、Ne、 He、 Kr、水汽痕量气体： 1ppm2.2.2 90km 以上大
11、气1）空气分子大部分都发生离解；2）空气成分随高度的分布逐渐变成按分子量 或原子量大小排列。从低层到高层依次为 N2、O 、 He、 H2.2.3 有关概念及其它特征1）干洁大气: 不含水汽和悬浮颗粒物的大气称为干洁大气。 2）相变特征：在地球大气温、压条件下，水汽是唯一能发生相变的气体成分。 3）空气密度标准状态（p=1013.25hPa, t=0）下，干空气密度为 1.29kg/m34）平均分子量http:/ 以下，空气平均分子量为 28.966，不随高度变化；90km 以上，随高度递减。2.2.4 重要气体成分及其主要作用1）主要气体氮、氧对生命活动有重要意义，但对天气、百万年尺度的气候
12、变化没有什么作用。2）微量、痕量气体水汽、CO2 、O3水汽是云和降水的源泉；在全球能量平衡中起重要作用，影响地面和空气温度；是地球系统的水循环中起重要角色。大气中的水汽含量http:/ 28 万亿吨9526.6 万亿吨。全球平均气柱内的水汽总量为 27kg/m2水汽的空间分布 水汽绝大部分集中在对流层下半部，随高度增加而急剧减少，水汽实际上随地区和季节的差异有很大的变化。 水汽是天气变化中的重要角色，如果没有水汽，云雾雨雪等天气现象就不存在。 水汽在大气化学变化中也起着非常重要的作用。二氧化碳 Carbon Dioxide如果地球周围不被大气层包围的话，地球表面的等效温度大约是19。但实际观
13、测到的地球表面温度约为 15。远高于辐射平衡温度，这主要是由于大气的存在使地球表面的平衡的温度升高了。大气对太阳的短波辐射是透明的，而对地球表面的长波辐射不太透明，其性质如同温室的玻璃一样。所以，一般把大气的这种保温作用又称为“温室效应”。把具有温室效应的气体统称为“温室气体”。大气中的主要温室气体不是大气的主要成分，而是水汽，CO2，CH4，N2O，CFCs。自然界的温室气体使地球保持适当的温度（平均15） ，而适于人类和生物生存。但是当他们的浓度增加，将会使地球温度升高，改变气候及其他气象要素，特别是降水。 温室气体浓度增加，使全球平均地表温度升高，严格地说，这是在自然温室气体浓度之上增加的“增强温室效应” ，人们经常把” 增强”二字省略，但不应忘记。 http:/
