第二章全球环境概述 全球环境包括大气圈、水圈、岩石一土壤圈和生物圈,这四个圈层就构 成了一个相互作用的大系统。在这个大系统中各个圈层间不断发生着各种各 样的物理、化学和生物化学反应。为了研究这些反应及反应过程,我们必须 首先了解各个圈层的基本结构和性质。 第一节大气圈 大气圜的结构 大气圈的层次结构通常有两种划分方法: (一)按化学组成可分为同质层和异质层。 同质层:是指从地面到80km左右的大气层。 特点:密度随高度增加而减小,成分较稳定。 异质层:是指高于80km的大气层。 特点:外来物质分散不均一,常因发生强光化学反应,产生许多带 电粒子,密度较低。 (二)按大气在垂直方向上温度变化和运动特点可分为 1、对流层:是指接近地面的一层,厚度随纬度变化而不同 特点: (1)温度随高度的增大而减小,在地面以上2km内,还会出现逆温现象, 温度随高度的增大而不变。 (2)有强烈的对流运动,由于近地面空气受地表热辐射影响向上运动,上方 冷空气下降,从而形成对流运动 (3)出现气候现象如云、雨、雪、雹等 (4)在距离地面1km~10km间的气体被视为理想气体
6 第二章 全球环境概述 全球环境包括大气圈、水圈、岩石—土壤圈和生物圈，这四个圈层就构 成了一个相互作用的大系统。在这个大系统中各个圈层间不断发生着各种各 样的物理、化学和生物化学反应。为了研究这些反应及反应过程，我们必须 首先了解各个圈层的基本结构和性质。 第一节 大气圈 一、大气圈的结构 大气圈的层次结构通常有两种划分方法： （一）按化学组成可分为同质层和异质层。 同质层：是指从地面到 80km 左右的大气层。 特点：密度随高度增加而减小，成分较稳定。 异质层：是指高于 80km 的大气层。 特点：外来物质分散不均一，常因发生强光化学反应，产生许多带 电粒子，密度较低。 （二）按大气在垂直方向上温度变化和运动特点可分为： 1、对流层：是指接近地面的一层，厚度随纬度变化而不同。 特点： （1）温度随高度的增大而减小，在地面以上 2km 内，还会出现逆温现象， 温度随高度的增大而不变。 （2）有强烈的对流运动，由于近地面空气受地表热辐射影响向上运动，上方 冷空气下降，从而形成对流运动。 （3）出现气候现象如云、雨、雪、雹等。 （4）在距离地面 1km~10km 间的气体被视为理想气体
(5)出现对流层顶,温度达到最低 2、平流层:是指对流层顶到50km的大气层,在这一层中除含有N2、O2外, 还含有O3、CO、CO2、CH4等。 特点 (1)在距离地面10~40km处,存在一臭氧层。 (2)在平流层下层(10~-12km左右)随高度增加,温度不变;在上层随高 度增加,温度升高。O3O2+OO→ (3)大气的运动多为平流运动 (4)空气稀薄,透明度好 (5)大气较稳定 (6)距离地面50km处,温度达最高值,出现平流层顶 3、中间层:是指平流层顶到85km处的大气 特点: (1)空气稀薄,随高度增加,温度降低。 (2)有强烈的对流运动。 (3)距离地面85km处,温度达最低值,出现中间层顶 4、热层:是指中间层顶到70km处的大气。 特点: (1)空气更稀薄,高度80~90km处,温度不变;90km以上,温度迅速升高。 (2)空气处于高度电离状态。由于阳光和宇宙射线作用,空气中的大部分分 子发生电离。 (3)该层对无线电通信有重大意义。 5、外逸层:是指700~3000km处的大气区域 特点 (1)空气更稀薄,温度随高度升高而升高 (2)空气和微粒可以从该层进入宇宙。由于地心引力太小
7 （5）出现对流层顶，温度达到最低。 2、平流层：是指对流层顶到 50km 的大气层，在这一层中除含有 N2、O2 外， 还含有 O3、CO、CO2、CH4等。 特点： （1）在距离地面 10~40km 处，存在一臭氧层。 （2）在平流层下层（10~12km 左右）随高度增加，温度不变；在上层随高 度增加，温度升高。O3 O2+O O3 （3）大气的运动多为平流运动。 （4）空气稀薄，透明度好。 （5）大气较稳定。 （6）距离地面 50km 处，温度达最高值，出现平流层顶。 3、中间层：是指平流层顶到 85km 处的大气。 特点： （1）空气稀薄，随高度增加，温度降低。 （2）有强烈的对流运动。 （3）距离地面 85km 处，温度达最低值，出现中间层顶。 4、热层：是指中间层顶到 70km 处的大气。 特点： （1）空气更稀薄，高度 80~90km 处，温度不变；90km 以上，温度迅速升高。 （2）空气处于高度电离状态。由于阳光和宇宙射线作用，空气中的大部分分 子发生电离。 （3）该层对无线电通信有重大意义。 5、外逸层：是指 700~3000km 处的大气区域。 特点： （1）空气更稀薄，温度随高度升高而升高。 （2）空气和微粒可以从该层进入宇宙。由于地心引力太小
大气组分及浓度表示法 气体组分N2、O2、CO2、H2O、He、Ne、 大气组分 Ar、CH4、H2、SO2、NO 颗粒物尘埃:d>10u 1、尘埃: 气溶胶:d<10 2、气溶胶:是指固态或液态微粒均匀分散在气体中而形成的稳定体系 来源:天然源:火山喷发、森林火灾、流星碎屑等 人为源:硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物等 危害:(1)引起地面或物体表面积尘 (2)降落在金属器件上,加速器件腐蚀 (3)与大气中的SO2等形成酸雾或酸性沉降物; (4)引发感冒、支气管炎等人体疾病 (5)成为影响气候的重要因素之一。如促成雨、雾的形成,增加云 层对阳光的反射能力等。 消除过程:(见复印198、199页) 大气中粒子被消除的过程语其本身大小有关,最大的粒子有相当大的沉降 速度,并可用斯托克斯定律来定量描述
8 二、大气组分及浓度表示法 （一） 气体组分 N2、O2、CO2、H2O、He、Ne、 大气组分 Ar、CH4、H2、SO2、NO2 颗粒物 尘 埃：d﹥10µm 1、尘埃： 气溶胶：d<10µm 2、气溶胶：是指固态或液态微粒均匀分散在气体中而形成的稳定体系。 来源：天然源：火山喷发、森林火灾、流星碎屑等 人为源：硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物等 危害：（1）引起地面或物体表面积尘； （2）降落在金属器件上，加速器件腐蚀； （3）与大气中的 SO2等形成酸雾或酸性沉降物； （4）引发感冒、支气管炎等人体疾病； （5）成为影响气候的重要因素之一。如促成雨、雾的形成，增加云 层对阳光的反射能力等。 消除过程：（见复印 198、199 页） 大气中粒子被消除的过程语其本身大小有关，最大的粒子有相当大的沉降 速度，并可用斯托克斯定律来定量描述
例题:已知温度为273K时,空气的粘度和密度分别为170脚gms和00013 gcm3,求粒径d=的细菌类颗粒物在空气中的沉降速度(颗粒物密 度为2gm3)(6.4*10) 三、温室效应和地球暖化 最早提出温室效应的是法国数学家傅立叶,此后人们在对水、二氧化碳 吸收光谱的基础上,建立了有关温室效应的基本理论。 (一)太阳和地球辐射间的能量平衡 地球表面在白天受日照后,温度升高,地面就成为一个长波辐射体。太阳、 地球和大气低层的云层在各自的温度范围内可看作黑体(即能全部吸收外来 电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体)。黑体的辐射度(即每单位面积和单 位时间内发射的辐射能)可用普朗克定律表示 当辐射度对波长全微分是,就可得出累积辐射度的表达式: 该表达式为斯蒂芬一波尔茨曼辐射定律,并可用曲线来表示(如图) 每条曲线下面的面积等于绝对黑体在一定温度下单位面积上所发生的累积辐 射度。辐射度的最大值所在位置的波长可按下式确定
9 例题：已知温度为 273K 时，空气的粘度和密度分别为 170 µg cm.s 和 0.0013 g cm3 , 求粒径 d=1µm 的细菌类颗粒物在空气中的沉降速度（颗粒物密 度为 2 g cm3）（6.4*10-4） 三、温室效应和地球暖化 最早提出温室效应的是法国数学家傅立叶，此后人们在对水、二氧化碳 吸收光谱的基础上，建立了有关温室效应的基本理论。 （一）太阳和地球辐射间的能量平衡 地球表面在白天受日照后，温度升高，地面就成为一个长波辐射体。太阳、 地球和大气低层的云层在各自的温度范围内可看作黑体（即能全部吸收外来 电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体）。黑体的辐射度（即每单位面积和单 位时间内发射的辐射能）可用普朗克定律表示： 当辐射度对波长全微分是，就可得出累积辐射度的表达式： 该表达式为斯蒂芬—波尔茨曼辐射定律，并可用曲线来表示（如图 ）， 每条曲线下面的面积等于绝对黑体在一定温度下单位面积上所发生的累积辐 射度。辐射度的最大值所在位置的波长可按下式确定：