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地球大气的演化 & 大气垂直分层

已有 83 次阅读2020-10-9 09:17 |个人分类:气象基础知识笔记

地球大气的演化
地球大气的演化大体分为原始大气、次生大气(还原大气)和现代大气(氧化大气)三个阶段;
  1. 原始大气地球形成初期的原始大气应是以宇宙中最丰富的轻物质H2,He和CO为主,由于太阳风和地球升温的作用使原始大气逐渐向宇宙空间膨胀并逃逸散失;
  2. 次生大气地球逐渐冷却以后,由于造山运动,火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体,形成了次生大气,其主要成分是CO2,CH4,NH3和H2O等;
  3. 现代大气现代地球大气以氮气和氧气为主。

大气垂直分层

一、按大气温度随高度分布的特征
      可把大气分成对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。 
       1、对流层:对流层是大气的最下层。
         (1)高度:它的高度因纬度和季节而异。
就纬度而言,低纬度平均为1718公里;中纬度平均为1012公里;高纬度仅89公里。就季节而言,对流层上界的高度,夏季大于冬季。
        (2)对流层顶:当温度递减率减小到2K/km或更小时的最低高度,称为对流层顶。 
        (3)特点:
    • 温度随高度的增加而减少,气温递减率Г为6.5/km。其原因是太阳辐射首先主要加热地面,再由地面把热量传给大气,因而愈近地面的空气受热愈多,气温愈高,远离地面则气温逐渐降低。
    • 对流层中的对流运动(垂直运动)显著。地面性质不同,因而受热不均。暖的地方空气受热膨胀而上升,冷的地方空气冷缩而下降,从而产生空气对流运动。对流运动使高层和低层空气得以交换,促进热量和水分传输,对成云致雨有重要作用。
    • 集中了80%的大气质量和几乎全部水汽。因此伴随强烈的对流运动,产生水相变化,形成云、雨、雪等复杂的天气现象。因此,对流层与地表自然界和人类关系最为密切。
    • 云雾降水均发生在此层,天气复杂多变;(天气层) 
    • 受地表影响最强烈,空气属性(温度、气压、湿度、风向、风速、辐射等)的水平分布很不均匀。
    • 紫外线被平流层臭氧吸收,大气对可见光几乎为透明的;地面吸收可见光,地面为主要热源,离地面越远,气温越低。
    • 注:气温递减率:高度每升高单位高度气温降低的度数 
     2、平流层(12km-55km)  
    • 25km以下温度递减率接近零,25km以上温度随高度明显增加,每米约能升温2°C; 
    • 50km高度附近气温达到最大值(约-3℃),即为平流层高度;
    • 平流层气流运动主要以水平运动为主;空气助力小,无对流;
    • 水汽极少,颗粒物极少,能见度极好;有臭氧,现代民用航空飞机可在平流层内飞行。
    • 大气污染物进入平流层后能长期存在。
    • 臭氧吸收紫外线
    3、中层(~85km
    • 层内温度随高度增加而降低;到85km左右的中间层顶(气压约为0.1hPa),温度下降到约为-83℃~-113℃,是地球大气中最冷的部分;因为该层臭氧含量极少,不能大量吸收太阳紫外线,而氮、氧能吸收的短波辐射又大部分被上层大气所吸收,故气温随高度增加而递减。
    • 空气的垂直对流运动强,故又称之为高空对流层或上对流层。这是由于该层大气上部冷、下部暖,致使空气产生对流运动。但由于该层空气稀薄,空气的对流运动不能与对流层相比。
    • 中间层顶部尚有水汽存在,可出现很薄且发光的“夜光云”,在夏季的夜晚,高纬度地区偶尔能见到这种银白色的夜光云。
    • 没有热效应
    4、热层(~550km[电离层]
    • 温度随高度增加而上升;据人造卫星探测,在300公里高度上,气温可达1000℃以上。这是由于所有波长小于0.175微米的太阳紫外辐射都被该层的大气物质所吸收,从而使其增温。
    • 高度电离;这一层空气密度很小,在270公里高度处,空气密度约为地面空气密度的百亿分之一。由于空气密度小,在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,氧分子和部分氮分子被分解,并处于高度电离状态,故暖层又称电离层。电离层具有反射无线电波的能力,对无线电通讯有重要意义。
    • 带电粒子运动受地球磁场的作用明显;
    • 热层温度趋于常数的高度是热层顶。
    • 这一层大气密度很小,在700公里厚的气层中,只含有大气总质量的0.5%
    • N2O2被电离-----有热效应
     5、外层[散逸层][外逸层]~大气上界)
    • 它是大气的最高层,高度最高可达到3000公里。也是大气层和星际空间的过渡层,但无明显的边界线。
    • 随高度升高气温增加不显著;
    • 大气成分可以散逸到星际空间。由于气温很高,空气粒子运动速度很快,又因距地球表面远,受地球引力作用小,故一些高速运动的空气质点不断散逸到星际空间,散逸层由此而得名。
    • 空气极其稀薄,大气质点碰撞机会很小。
    • 根据宇宙火箭探测资料表明,地球大气圈之外,还有一层极其稀薄的电离气体,其高度可伸延到22000公里的高空,称之为地冕。地冕也就是地球大气向宇宙空间的过渡区域。人们形象地把它比作是地球的“帽子”。
二、按大气成分随高度分布特征分
 1、均匀层
    • 包括对流层、平流层和中间层,
    • 90km以下,大气均匀混合的,组成大气的各种成分相对比例(体积比、摩尔比)不随高度而变化(垂直、水平方向保持不变)[除臭氧等可变成分外]
    • 均匀层的平均分子量为28.966/摩尔,为一常数。
    • 对流+湍流+扩散----------------大气均匀混合
2 非均匀层
    • 90km以上,组成大气的各种成分的相对比例,是随高度的升高而发生变化的,比较轻的气体如氧原子、氢原子、氦原子等越来越多,大气就不在是均匀的混合了,平均分子量不再是常数,因此,把这层叫做非均质层。
    • 平均摩尔质量随高度减小;
    • 重力分层+光解化学-------------大气不均匀混合
三、按大气中电离气体运动受地磁场制约的情况分层
   1、非磁层:(500km以上)
          由于空气稠密,带电粒子的运动主要受粒子间的碰撞支配
   2、磁层:(500km-1000km
本层内存在大量带电粒子(大气基本是完全电离的),空气又稀薄,粒子间碰撞稀少,所以,带电粒子的运动主要受地磁场控制,沿着地球的磁力线做回旋运动。背日面地磁场被向后拉得很长,形状近似圆柱体。
磁层顶:在太阳风和磁层之间的薄薄的边界层。
四、按大气的电离特征
地壳和大气中的放射性物质主要对低层大气的电离起作用,而它们的作用较弱,而宇宙线和太阳紫外线辐射对高层大气起作用,且作用较强。因此,大气中离子浓度低层低,高层高,据此分为:中性层(60km以下) 电离层(60km以上)。
1、中性层 [非电离层]
     在海平面以上60km以内的大气,基本上没有被电离处于中性状态的大气层。
2、电离层   
60km以上至500~1000km的高度(中层+热层),这一层大气在太阳紫外线的作用下,大气成分开始电离,形成大量的正、负离子和自由电子,所以这一层叫做电离层,这一层对于无线电波的传播有着重要的作用。

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