大氣物理學

熱力學與輻射基礎(chǔ)

課程屬性:專業(yè)基礎(chǔ)課考試方式：平時20%，期中20%，期末60%

預(yù)修課程：高等數(shù)學、普通物理學

課程性質(zhì)及考核方式

課程的性質(zhì)和任務(wù)課程性質(zhì)和目標：大氣物理學是一門氣象專業(yè)基礎(chǔ)課。學習該課程是為了使大家了解和掌握大氣物理學各個方面的基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)理論,為學習后行課、專業(yè)課打下堅實基礎(chǔ)。本門課主要介紹大氣的組成和結(jié)構(gòu)、大氣靜力學、大氣熱力學、大氣輻射等。本課程主要講述：大氣中各種氣體成分的性質(zhì)、各種氣象要素的定義與計算、大氣的垂直分層；大氣靜力學；大氣熱力學的基本概念和基本定律、各種熱力過程和溫濕參量；大氣層結(jié)穩(wěn)定度；輻射的基本概念和基本定律、太陽短波輻射在大氣中的傳輸、地球長波輻射在大氣中的傳輸；大氣的基本運動等基礎(chǔ)知識。第一章大氣概述0.1大氣物理的定義主要研究地球大氣現(xiàn)象與過程的物理機制和規(guī)律。

大氣現(xiàn)象與過程：大氣中流體運動、光象、電象、熱現(xiàn)象、相變過程、輻射過程。0.2分支大氣動力學、大氣光學、大氣電學、大氣熱力學、云降水學、大氣輻射學意大利天文學家伽利略(16世紀)：意大利數(shù)學及物理學家托里拆利(17世紀)：法國數(shù)學及哲學家帕斯卡和笛卡爾(17世紀)：英國科學家霍克(17世紀)：德國物理學家華氏(18世紀)：法國化學家查爾斯(18世紀)：瑞典天文學家攝氏(18世紀)：美國科學家富蘭克林(18世紀)：瑞士地質(zhì)及氣象學家笛紹高斯(18世紀)：氣象參數(shù)（溫、壓、濕、風等）的度量與天氣現(xiàn)象的關(guān)系開始被建立。0.3大氣物理學發(fā)展簡史近代大氣物理學起始階段（18世紀中葉~20世紀中葉）溫度計水銀氣壓計氣壓隨高度變化風速計定華氏溫標溫度與固定體積空氣的關(guān)系定攝氏溫標放風箏入雷暴證明閃電來源毛發(fā)濕度計1752,美國Franklin第一次用風箏探明雷擊的本質(zhì)就是電.1871,英國物理學家Rayleigh解釋了天空藍色的現(xiàn)象.1908年，德國物理學家G.Mie

解決了球形粒子的散射問題1859～1901年這兩位德國物理學家開創(chuàng)了輻射定律MaxKarlErnstLudwigPlanck

（1858～1947）德國物理學家量子力學的開創(chuàng)人G.R.Kirchhoff

（1824～1887）

德國物理學家大氣物理學高速發(fā)展階段（20世紀中葉以來）具有重大實際應(yīng)用問題的需要大大加速了大氣物理學的發(fā)展。1.云物理學

1946年，美國物理學家I.Langmuir,V.J.Schaefer發(fā)現(xiàn)干冰可以催化云產(chǎn)生降水。B.Vonnegut發(fā)現(xiàn)碘化銀可作為人工冰核大大激勵了科學家們進行人工影響云雨的勇氣與信心，促使云降水物理學獲得了重大發(fā)展。到了90年代，由于云和降水的物理過程和化學過程研究的掀起，云物理學增添了不少研究新內(nèi)容，因此，云物理學也稱為云降水物理學。由于旱澇災(zāi)害和雹災(zāi)等氣候和天氣災(zāi)害的嚴重性，人工增雨、消雹作業(yè)在許多地區(qū)的開展，使得云降水物理學獲得新的發(fā)展，特別是人工影響天氣試驗的成功，說明在局部地區(qū)，人類可以在某種程度上控制天氣的變化。因此，云降水物理學的建立以及人工影響天氣的試驗的成功也是20世紀大氣科學的重大研究進展之一。2.大氣污染與邊界層物理由于大氣邊界層是大氣污染的主要源地，而大氣邊界層主要特點是它的湍流性，因此，從20世紀60年代開始，關(guān)于邊界層結(jié)構(gòu)、特性的探測和分析研究得到很大發(fā)展，并且應(yīng)用到大氣環(huán)境的研究，特別是開展了大氣邊界層污染物擴散特性的研究；到了80－90年代，邊界層大氣污染的區(qū)域輸送及模擬，大氣污染的預(yù)測和調(diào)控機理的研究得到很大發(fā)展。因此，邊界層物理學應(yīng)用到大氣環(huán)境的分析、模擬、預(yù)測和調(diào)控，這也是20世紀大氣科學的一個重要應(yīng)用研究成就。

第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著分子光譜學和光譜分析技術(shù)的發(fā)展，大氣各種成分的輻射特性及其在大氣中的傳輸研究在20世紀5O～60年代掀起高潮，并且，這些研究廣泛應(yīng)用于氣象衛(wèi)星對地球和大氣的天基遙感。這不僅使其它大氣科學分支學科大大發(fā)展，也使得大氣物理學本身得到發(fā)展。到了20世紀9O年代，大氣輻射的測量已成為大氣和地球系統(tǒng)天基遙感的重要手段，這是20世紀大氣科學應(yīng)用研究的重要進展之一。

大氣輻射在氣候系統(tǒng)中的作用：由于在20世紀8O年代以后，溫室氣體CO2和痕量氣體O3、CH4,在大氣中濃度的改變引起全球增暖和人類生存環(huán)境的變化，并對全球環(huán)境變化產(chǎn)生了嚴重影響，這個問題引起世界上許多國家科學家的關(guān)注，因此，關(guān)于這些氣體濃度改變的氣候效應(yīng)的研究使得大氣輻射學的研究迅速發(fā)展。這不僅使得大氣物理學的研究更深入，也使得大氣物理過程與大氣動力過程的研究相結(jié)合。3.大氣輻射學50億年前，地球的輪廓已初步形成。最初是個火球。隨著地球逐步冷卻，較重的物質(zhì)沉到中心，形成地核；較輕的物質(zhì)浮在上面，冷卻后形成地殼。1.1行星大氣和地球大氣的演化12地球大氣生命的光合作用使大氣圈中出現(xiàn)了氧氣。約20~30億年前，原始植物開始通過光合作用釋放少量的O2，隨著O2的大量增加，導致高空大氣形成O3層，從而過濾了太陽的紫外輻射，這樣使得大量植物從海洋深處逐漸向陸地推進，最后形成愈來愈多的O愈來愈少的輻射接受更多的可見光更加豐富的植物釋放更多的O2。大約在4億年前，伴隨著地球生物的演化過程，才逐漸形成現(xiàn)在地球大氣的狀態(tài)。從火山噴發(fā)出來的氮，由于其化學惰性及其在水中的低溶解度，大部分仍留在大氣中，成為現(xiàn)代大氣中的主要氣體成分。第一代大氣：氫、氦、氖等氣體組成，稱為原始大氣階段（PrimordialAtmosphere）。第二代大氣：氮、二氧化碳、甲烷、氨和水汽，稱為次生大氣階段（SecondaryPrimitiveAtmosphere）?，F(xiàn)代大氣：氮和氧氣為主，稱為現(xiàn)代大氣階段（CurrentAtmosphere）。大氣演化小結(jié)1）按大氣成分在大氣中的停留時間可分為：定常成分：濃度的時空變化不明顯的氣體成分，主要包括N2、O2、惰性氣體（Ar等）?？勺兂煞郑簤勖鼛啄甑綆资辏诖髿庵兴急壤S時間、地點而變。例如，CO2、O3、CH4，H2等?？熳兂煞郑憾虊勖ㄐ∮?年），變化很快，如一些碳、硫、氮的化合物（H2O，CO，NO，NO2，HNO3，SO2，H2S和氣溶膠），含量雖然極微少，但由于人類活動的影響或特殊的自然條件，在某些局部地區(qū)濃度可能很大，造成危害。2）按濃度（單位為體積混合比）來分，分為：主要成分：濃度在300ppmv，包括N2、O2、Ar、CO2，其中前三種就占了空氣體積的99.996%；微量氣體：濃度約1ppmv，包括CH4、Ne（氖）、He（氦）、Kr（氪）、水汽；痕量氣體：濃度小于1ppmv，包括O3、H2、氮氧化合物、硫化物及人為污染物氟氯烴類化合物；

ppmv：partspermillionbyvolume1ppmv=10-61.2.3水汽量大氣中表示水汽量的物理量總稱為空氣濕度，它是表示濕空氣中水汽含量的多少或空氣干濕程度的物理量。地表蒸發(fā)率和大氣中形成云霧的凝結(jié)過程等，調(diào)節(jié)著空氣濕度的大小?？諝鉂穸瓤梢杂貌煌奈锢砹勘硎?，包括水汽壓、水汽密度、混合比、比濕、相對濕度和露點等。霧君和霾君都會影響能見度，其分界主要取決于空氣濕度1）水汽壓e：大氣中水汽產(chǎn)生的壓強，即水汽分壓(hPa)空氣中的水汽壓不能無限制地增加，在一定的溫度下，如果水汽壓增大到某一個極限值，空氣中水汽就達到飽和，如果超過這個極限值，將會有一部分水汽凝結(jié)成液體水，這一極限值稱為該溫度下的飽和水汽壓。飽和水汽壓es僅是溫度的函數(shù)，隨溫度升高而增大；相對于純水（冰）平面的飽和水汽壓es（

esi）；2）水汽混合比：某一體積濕空氣中水汽質(zhì)量和干空氣質(zhì)量的比值，單位是kg/kg

比濕q：水汽與濕空氣的質(zhì)量比在地球大氣中，這兩個量都小于0.04kg/kg，因此可近似認為w≈q3）相對濕度r

一定溫度和壓強下，濕空氣的水汽壓和在相同狀態(tài)下下的飽和水汽壓的比值，是水汽壓和溫度的函數(shù)。4）露點Td露點溫度指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時的溫度。形象地說，就是空氣中的水汽變?yōu)槁吨闀r候的溫度叫露點溫度。這就是為什么白天不會出現(xiàn)露水而夜間出現(xiàn)露水露點溫度本是個溫度值，可為什么用它來表示濕度呢？這是因為，當空氣中水汽已達到飽和時，氣溫與露點溫度相同；當水汽未達到飽和時，氣溫一定高于露點溫度。所以露點與氣溫的差值（即溫度露點差=T-Td）可以表示空氣中的水汽距離飽和的程度。氣溫降到露點是水汽凝結(jié)的必要條件。單位面積空氣柱里含有的水汽的總量稱為可降水量。它對應(yīng)于單位底面積空氣柱的水汽全部凝結(jié)成雨或雪降落（把空氣擠得一點水分都沒有）所能形成的降水量。如某地某時的可降水量為20mm，即空氣柱含有的水汽全部“擰干”可以形成的水柱高為20mm。6）可降水量5）水汽密度濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣的體積之比單位：kg/m3其中pi為第i種成分的分壓強，m，μ和n分別為氣體的質(zhì)量、摩爾質(zhì)量和摩爾數(shù),R*是普適氣體常數(shù)設(shè)體積為V、溫度為T的干空氣中，含有n種氣體成分，其中第i種成分的狀態(tài)方程為：mi為第i種氣體的質(zhì)量，Mi為第i種氣體的摩爾質(zhì)量考慮到并令即為干空氣的平均摩爾質(zhì)量對以上n個式子