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第二章 第一节 大气的组成和垂直分层
一、大气的组成
1.大气的组成及作用
组成成分
占大气体积
作用
干洁空气
氮气
78%
地球上生物体的基本元素
氧气
21%
人类和其他生物维持生命活动所必需的物质
二氧化碳
很少
①绿色植物进行光合作用的基本原料;
②吸收地面辐射的能力强,使气温升高
臭氧
很少
①能吸收太阳光中的紫外线,使大气增温;
②减少到达地面的紫外线,对生物具有保护作用
水汽
很少,因时因地而异
水的相变,产生云、雨、雾、雪等一系列天气现象,同时伴随着热量的吸收和释放,直接影响地面和大气的温度
杂质
作为凝结核,是成云致雨的必要条件
2. 成云致雨条件: 水汽充足、 凝结核、 遇冷降温
3. 人类活动对大气的影响:人类活动排放的污染物进入大气,会影响大气的成分和含量,产生大气污染,对生态系统和人类生存造成不利影响。
4. 人类活动对温室气体二氧化碳含量变化的影响?
增加原因:化石燃料燃烧、土地利用变化(毁林)→二氧化碳含量增加
造成影响:全球变暖→冰川融化→海平面上升
应对措施:节能减排、植树造林、全球合作
二、大气的垂直分层
1.依据:大气在垂直方向上的温度、运动状况和密度。
2.各层特征比较
垂直分层
气温特点
大气运动状况
与人类关系
A对流层
随高度升高而递减,顶部气温降至-60℃
上部冷、下部热,有利于大气的对流运动
最为密切,天气现象复杂多变,人类生活在对流层的底部
B平流层
随高度升高而升高
上部热、下部冷,不易形成对流,以平流运动为主
适合航空飞行
C高层大气
随高度增加先降低后升高
有若干电离层,能反射无线电波,对无线电通信有重要作用
(1)对流层
高度范围:低纬:17~18千米中纬:10~12千米高纬:8~9千米。
主要特点:气温随高度的增加而降低(每升高100米,气温大约降低0.6℃);空气对流运动显著;天气现象复杂多变。
特点成因:地面长波辐射是对流层大气的直接热源;该层大气上部冷、下部热;几乎全部的水汽、杂质和大气中的污染物集中在该层,对流运动易成云致雨。
与人类的关系:人类生活在对流层底部,与人类关系最密切。
(2) 平流层
高度范围:从对流层顶部至50~55千米高空。
主要特点:气温随高度升高而升高;以平流运动为主;天气晴朗,能见度好。
特点成因:该层中的臭氧大量吸收太阳紫外线;该层大气上部热、下部冷,大气稳定;水汽、杂质含量很少,无云雨现象。
与人类的关系:人类生存环境的天然屏障,适合航空飞行。
(3) 高层大气
高度范围:从平流层顶部到3 000千米的高空。
主要特点:大气密度很小。
特点成因:距地面远,受到引力小。
与人类的关系:电离层能反射无线电波,对无线电通信有重要作用。
3.逆温及危害
(1)逆温现象:正常情况下,对流层的气温随高度增加而递减,且海拔每升高100 m,气温约下降0.6 ℃。但在一定条件下,对流层的某一高度有时也会出现气温随高度增加而升高的现象,或者气温随高度增加而降低的幅度小于垂直递减率,这种现象我们称之为“逆温”。如下图所示。
· 图1为对流层正常气温垂直分布状况。在晴朗无云或少云的夜晚,地面很快冷却,贴近地面的大气也随之降温。离地面越近,降温越多;离地面越远,降温越少,因而形成了自地面开始的逆温(图2)。
· 随着地面辐射冷却的加剧,逆温层逐渐向上扩展,黎明时达到最强(图3)。
· 日出后,太阳辐射逐渐增强,地面很快增温,逆温层便逐渐自下而上消失(图4、5) 。
(2) 逆温的类型(读两遍了解即可)
类型
发生的条件和过程
出现的地区
辐射逆温
在晴朗无云或少云的夜晚,地面很快冷却,贴近地面的大气层也随之降温。离地面越近降温越快,离地面越远降温越慢,因而形成了自地面开始的逆温
中高纬度地区,黎明前最强
平流逆温
当暖空气运动到冷的地面上空时,暖空气与冷地面之间不断进行热量交换,暖空气下层受冷地面影响大气温降低较快,上层降温较慢,从而形成逆温
中纬度沿海地区
锋面逆温
锋面是冷暖气团之间狭窄的过渡带,暖气团位于锋面上部,冷气团在下部,会形成逆温
冷暖气团之间的过渡带
地形逆温
由于山坡散热快,山坡上的冷空气沿山坡下沉到谷底,谷底原来较暖的空气被冷空气抬挤上升,从而出现温度的倒置现象,即地形逆温
山地、盆地和谷地
(3)影响
有利影响
逆温的出现阻碍空气对流,可以抑制沙尘暴的发生
逆温出现在高空,有利于飞机的飞行
逆温可当成一种气候资源加以利用。例如,伊犁河谷逆温出现在10月至次年3月,有效地提高了冬季谷地的温度,果树越冬可以免受冻害等
不利影响
对环境
逆温时,大气比较稳定,加重大气污染
对天气
容易产生大雾等不利天气
对交通
能见度降低,地面湿滑
第二节 大气受热过程和大气运动
一、大气的受热过程
1.两个热源
(1)地球大气最重要的能量来源:太阳辐射。
(2)近地面大气主要的、直接的热源:地面长波辐射。
2.两个过程
(1)地面增温过程:大部分A太阳辐射透过大气射到地面,使地面增温。
(2)大气增温过程:地面被加热,并以B长波辐射的形式向大气传递热量,使大气增温。
二、大气对地面的保温作用
1.吸收作用:对流层中的水汽、二氧化碳等,吸收长波辐射的能力很强(75%~95%)。
2.大气逆辐射:大气在增温的同时,也向外辐射长波辐射。大气辐射大部分向下射向地面,其方向与地面辐射方向相反,故称大气逆辐射。
3.保温作用:大气逆辐射把热量传给地面,在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量,对地面起到了保温作用。
4.大气对太阳辐射的削弱作用
作用特点
参与作用的大气成分
被削弱的辐射
形成的自然现象
反射作用
无选择性
云层、较大尘埃
各种波长的太阳辐射
夏季多云的白天,气温不太高
散射作用
有选择性
大气分子、颗粒微小的尘埃
波长较短的蓝、紫色光更容易被散射; 波长相对较长的红光和橙光,当阳光照射到云层时,会先于其他颜色显现出来
晴朗天空呈蔚蓝色; 朝霞和晚霞呈现橙红色
无选择性
颗粒较大的尘埃等
各种波长的太阳辐射
阴天、黎明、黄昏时天空呈灰白色
吸收作用
有选择性
臭氧、水汽、
二氧化碳
紫外线、红外线
5.大气对地面的保温作用
由上图可知,大气对地面保温作用的过程可归纳如下表:
名称
形成机制
热量来源
太阳暖大地
太阳辐射穿过厚厚的大气层,小部分被大气吸收或反射,大部分到达地球表面
太阳辐射
大地暖大气
地面吸收太阳辐射而增温,同时又以长波辐射的形式把热量传递给近地面大气
地面辐射
大气还大地
大气增温后形成大气辐射,其中向下射向地面的部分称为大气逆辐射,它将大部分热量还给地面
大气逆辐射
6.大气受热过程原理的应用
(1) 解释温室气体大量排放对全球变暖的影响
(2) 应用于农业生产实践:
a. 提高生产效益利用温室大棚生产反季节蔬菜,华北地区早春农民利用地膜覆盖进行农作物种植? (白天太阳短波辐射可以穿过玻璃/白色塑料薄膜,而地面吸收转化后释放出地面长波辐射,不能穿过棚顶,棚内的大气、水汽等吸收通过大气逆辐射作用后再次返还给地面,起到增温保温作用。);
b. 夏季高温时黑色地膜作用? (主要用于降温和除草,减少土壤水分蒸发,还有蔬菜的软化栽培。黑色地膜几乎不透光,杂草不能发芽和进行光合作用,因而除草效果显著。在阳光照射下。黑色底膜本身增温快,温度高,传给土壤热量少,故用于降温,还可减少土壤水分蒸发。)
c. 利用烟雾防霜冻? (由于人造烟幕相当于增加了二氧化碳的含量,能大量吸收地面辐射,从而增强了大气逆辐射,减少夜晚地面辐射损失的热量,对地面起了保温作用,能防御霜冻。)
d. 深秋农民利用燃烧秸秆制造烟雾、浇水防冻预防霜冻的原因是什么? (浇水可增加空气湿度,增强大气逆辐射;水汽凝结释放热量;水的比热容大,浇水可减少地表温度的下降速度和变化幅度,减轻冻害。)
e. 干旱区果园铺设沙或鹅卵石的作用是什么? (不但能防止土壤水分蒸发,还能反射太阳辐射,增强光合作用,增加昼夜温差,有利于水果的糖分积累等)
果树下铺设塑料薄膜的作用是什么?(利于均匀着色。果实多生长在叶子下面,要想着色,必须接触太阳光,但在繁盛枝叶下面的果实大多无法直接被阳光照射。铺设塑料薄膜可以起到反射太阳光,从而使枝叶下面的果实可以接受到阳光的照射,促进果实着色。)
(3) 利用大气的削弱作用原理分析某地区太阳能的丰歉如:高海拔地区——空气稀薄,大气的削弱作用弱,太阳能丰富;内陆地区——晴天多,阴雨天少,大气的削弱作用弱,太阳能丰富。
(4) 辐射雾:由辐射冷却形成的,多数出现在晴朗、微风、近地面水汽比较充沛且比较稳定或有逆温存在的夜间和清晨。
雾形成条件:一是冷却,二是加湿,三是有凝结核
答题模板(例题:分析某地多雾的原因)
a. 水汽来源:河湖/海洋蒸发、降水后地表湿润。
b. 降温条件:辐射冷却/平流遇冷/地形抬升降温。
c. 凝结核:人类活动排放颗粒物(如城市雾)。
d. 风力与地形:静风/盆地地形阻碍扩散。
雾的消散:一. 由于下垫面的增温,雾滴蒸发;
二. 风速增大,将雾吹散或抬升成云;
三. 是大气层不稳定,水汽上传,热量下递,近地层雾滴蒸发。
雾的影响:有利:缓解干旱地区水分不足。
不利:雾发生时能见度差,影响人们出行,甚至造成交通事故;
雾会降低空气质量,危害人体健康;
有害雾滴直接危害农作物生长;
多雾的地区,日光照射时间不足,影响(或减低)农产品的质量和产量等。
2、 大气热力环流
核心原理:
太阳辐射的差异→ 地面冷热不均→ 大气垂直运动→ 水平气压差→ 大气水平运动
1.概念:由于地面冷热不均而形成的空气环流,称为大气热力环流。
2.形成过程
(1)图a:当地面受热均匀时,空气没有相对上升和相对下沉运动。
(2)图b:当A地接受热量多,B、C两地接受热量少时,A地近地面空气膨胀上升,到上空聚积,使上空空气密度增大,形成高气压;B、C两地空气收缩下沉,上空空气密度减小,形成低气压。于是空气从气压高的A地上空向气压低的B、C两地上空扩散。
(3)图c:在近地面,A地空气上升向外流出后,空气密度减小,形成低气压;B、C两地因有下沉气流,空气密度增大,形成高气压。这样近地面的空气从B、C两地流回A地,从而形成了热力环流。
【特别提醒】
1.热力环流的形成过程
(1)温压关系(甲、乙、丙三地):
(2)风压关系:水平方向上,风总是从高压吹向低压——①②③④处风向。
3.常见形式:城市热岛环流、海陆间大气热力环流。
(1)海陆风
①成因分析:
②影响与应用:海陆风使海滨地区气温日较差较小,夏季气温低,空气较湿润,是避暑的好地方。
(2)山谷风
①成因分析:
②影响与应用:山谷(小盆地)常因夜间冷的山风吹向谷底(盆地),使谷底(小盆地)内形成逆温层,大气稳定,易造成大气污染。所以, 山谷(小盆地)地区不宜布局大气污染型工业。
巴山为什么多夜雨?
夜晚谷地中盛行上升气流,气流上升过程中降温,水汽凝结形成降水。
山谷地区如果有工业生产产生大量大气污染物的情况下,污染现象往往持续时间更长,更严重,这是为什么?
谷地地形封闭,污染物不易扩散;夜晚冷空气沿山坡下沉,堆积在谷地,形成逆温,大气较稳定,不利于污染物扩散。
(3)城市风
①成因分析:
城市热岛效应原因:
1、城市中心区污染物增加,污染气体吸收地面长波辐射的能力增强,同时大气逆辐射强;
2、城市中心区下垫面性质改变,路面硬化,绿地减少,建筑密集,城市升温快;
3、城市中心区人口密集,工业发达,汽车数量多,人们生活、生产向大气释放大量废热;
4、高层建筑增加,削减风力,热量不易扩散。
解决措施:
1、加强城市规划,建设通风廊道
2、增加城市绿地面积,水域面积
3、使用清洁能源,控制废气排放
②影响与应用:一般将绿化带布置在气流下沉处以及下沉距离以内,而将卫星城或污染较重的工厂布置于气流下沉距离之外。
三、大气的水平运动——风
1.形成过程
地面受热不均→空气上升和下沉→同一水平面上产生气压差(水平气压梯度力)→大气的水平运动(即风由高压区流向低压区)
2.形成原因
直接原因:水平气压梯度力;
根本原因:地面受热不均
地转偏向力:地球自转促使在地球上做水平运动的物体运动方向产生偏转的力。
规律:北半球右偏;南半球左偏;赤道上水平运动不偏转。
3.受力分析(北半球近地面)
符号
F1
F2
F3
类型
水平气压梯度力
摩擦力
地转偏向力
方向
垂直于等压线,由高压指向低压
与风向相反
垂直于风向,北半球向右偏转,南半球向左偏转
4.高空中的风和近地面的风比较
类型
受力
风向
图示(北半球)
高空中的风
水平气压梯度力和地转偏向力
最终与等压线平行
近地面的风
水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力
与等压线斜交
5. 风向的判断
第一步:画水平气压梯度力。其具体方法是在等压线图中,按要求画出过该点的切线并作垂直于切线的虚线箭头(由高压指向低压并且与等压线垂直,但并非一定指向低压中心),表示水平气压梯度力。
第二步:画风向。其具体方法是首先确定南、北半球,然后用左(南半球)右(北半球)手,面向水平气压梯度力的方向向右(北半球)或左(南半球)偏转30°~45°角(近地面风向可依此角度偏转,若为高空,则偏转90°,即与等压线平行),画出实线箭头,即为经过该点的风向。如下图所示(以北半球为例)。
2、风力的判读
同一幅图上,风力的大小取决于水平气压梯度力的大小,因此,等压线密集处——水平气压梯度力大——风力大。如下图,风力:A>B>C>D。
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