中国矿业大学（北京）：《环境地学》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 大气圈 Atmosphere

四意次气圈 第一节地球大气的组成和结构 第二节大气圈的能量与物质运动 第三节人类活动对大气圈的影响 及其环境效应 第四节区域大气环境与空气资源保拍

第一节 地球大气的组成和结构 第二节 大气圈的能量与物质运动 第三节 人类活动对大气圈的影响 及其环境效应 第四节 区域大气环境与空气资源保护

第一节地球大气的组成和结构 如何确定大气圈的 太阳 存在 未散射光(黄) 未散射光(黄) 大气圈:是指因地球的 U 引力而聚集在地表周 围的气体圈层。 s←8 未散射光(黄) 大气圈存在的主要证据 s s s 北现象: 散射光(蓝) 散射光(蓝) 1、蓝色的天空 人 地球 这是由于大气中的一些非常细小物质成分,如气体、粉尘等,它们的直径较 阳光的波长小得多,因此,蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地 被选择散射。这种散射称瑞利散射

第一节 地球大气的组成和结构 一、如何确定大气圈的 存在 大气圈：是指因地球的 引力而聚集在地表周 围的气体圈层。 大气圈存在的主要证据 或现象: 1、蓝色的天空 这是由于大气中的一些非常细小物质成分，如气体、粉尘等，它们的直径较 阳光的波长小得多，因此，蓝色的散射量较之于其他任何一种颜色能更多地 被选择散射。这种散射称瑞利散射

2、白云 如果形成散射的粒子的 形状是球形的,而且 并不比阳光的波长小, 所有的浪长都是平均 地被散射的,这种散 射称迈耶散射。因此, 云是白色的 有风就说明有物质的存在 因为风是由于大气不同部位 的压力差别造成的。如果在 真空中就不会有风了

2、白云 如果形成散射的粒子的 形状是球形的，而且 并不比阳光的波长小， 所有的波长都是平均 地被散射的，这种散 射称迈耶散射。因此， 云是白色的。 3、风 有风就说明有物质的存在， 因为风是由于大气不同部位 的压力差别造成的。如果在 真空中就不会有风了

4、流星 流星就是陨石穿过大气 层时,由于其速度太快 与大气摩擦产生热使陨 石燃烧起来

4、流星 流星就是陨石穿过大气 层时，由于其速度太快， 与大气摩擦产生热使陨 石燃烧起来

二、大气的物质组成 (-)古人的认识 列子:天是气的集聚体,天不会塌下,即杞人忧天。 宋应星:盈天地皆气也,两气相轧而成声者,风是也。物 之充气者,如其激水然,气与水,同一易动之物。 达芬奇:已有了空气和真空的概念。 伽里略:证明空气与其他物质一样有质量。 拉瓦锡(1743-1794):指出空气是氮和氧的混合物 (二)地球大气的物质组成 1大气总的质量:5×1018kg 2大气的密度:123×103g/cm3(15℃,海平面 3大气的组成:按体积计(按质量计)氮,78.09%(7551%) 氧,20.94%(23.15%)氩,0.93%(1.28%)其他 0.04%(006%)

二、大气的物质组成 （一）古人的认识 列子：天是气的集聚体，天不会塌下，即杞人忧天。 宋应星：盈天地皆气也，两气相轧而成声者，风是也。物 之充气者，如其激水然，气与水，同一易动之物。 达.芬奇：已有了空气和真空的概念。 伽里略：证明空气与其他物质一样有质量。 拉瓦锡（1743－1794）：指出空气是氮和氧的混合物 （二）地球大气的物质组成 1.大气总的质量：5×1018kg 2.大气的密度：1.23×10-3g/cm3 （15℃，海平面） 3.大气的组成：按体积计（按质量计）氮，78.09％（75.51％） 氧，20.94％（23.15％）氩，0.93%（1.28％）其他， 0.04％（0.06％）

亚里斯多德的猜想和伽利略的设想 古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想:我们这 个世界是由四个壳层组成的,而这四个壳 层又分别由四种原质构成,它们是:土 (实心球)水海洋)空气(大气和火 不可见的外层在闪电的闪光中它偶而成 为可见的)。他说,这些壳层之外的宇宙 是由神秘的、纯粹的第五种原质构成,他 把它叫做“以太”。在这样一幅图象之中 是没有“真空”(即“无物”)的位置的: 在土的尽头,水就开始出现;土和水的尽 水压机 头,气开始出现;火开始于气的尽头;而 在火的尽头,以太又紧接着开始出现,它 直延续到宇宙的终级。 利疃的探索的一生的晚年对这个谜感到兴趣。显然大 然对真空的厌恶只是到一走的限度为让,陈此之外他不奇 再得

亚里斯多德的猜想和伽利略的设想 古希腊哲学家亚里斯多德曾经猜想：我们这 个世界是由四个壳层组成的，而这四个壳 层又分别由四种原质构成，它们是：土 (实心球),水(海洋),空气(大气)和火(一个 不可见的外层,在闪电的闪光中,它偶而成 为可见的)。他说，这些壳层之外的宇宙 是由神秘的、纯粹的第五种原质构成，他 把它叫做“以太”。在这样一幅图象之中， 是没有“真空”(即“无物”)的位置的： 在土的尽头，水就开始出现；土和水的尽 头，气开始出现；火开始于气的尽头；而 在火的尽头，以太又紧接着开始出现，它 一直延续到宇宙的终级。 伽利略的探索的一生的晚年,对这个谜感到兴趣。显然,大自 然对真空的厌恶只是到一定的限度为止,除此之外,他不可能 再得出任何结论了

托里拆利、维瓦尼的实验与气压计 伽利略的学生托里拆利( Evangelista Torricel和维瓦尼 incenzo viviani)在1644年真的进行了这个实验。 选 题素輦精康是第已的倍21在至1操￥过在第 盘中,然 送时异禁次 揸时禁门签囊续 面只高760毫米时,汞就不 个高度了 气压 讦”說这样做成的 是什么使汞桂保持一定的高度呢?维豆尼提出,这星玉大 压在 个有单命 的思想,因 概念,空气是没有重 是现 奇明百,10 个量度,也就是说,:这水 就等芋截面与之相同、高度为众海平 这样 爱上鑫鑫豆京 经莫望的盒 的高度就好 是8′

伽利略的学生托里拆利(Evangelista Torricelli)和维瓦尼 (Vincenzo Viviani)在1644年真的进行了这个实验。他们选 用了汞(汞的密度是水的13.5倍)。他们在一根约一米长的 玻璃管里灌满汞，把开口的一端塞住，侄过来立在盛汞 的盘中，然后拿开塞子。这时汞开始从管子流到盘里， 但当管内汞面降低到比盘内汞面只高760毫米时，汞就不 再从管里流出，而一直保持这个高度了。第一个“气压 计”就是这样做成的 是什么使汞柱保持一定的高度呢？维瓦尼提出，这是由于大 气的重量向下压在盘中的液体上。这是一个具有革命性 的思想，因为按照亚里斯多德的概念，空气是没有重量 的，它只不过在土球的外面占有它自己固有的范围。但 是现在人们开始明白，10米高的水柱或760毫米高的汞柱 为大气的重量提供了一个量度，也就是说，这水柱或汞 柱的重量就等于截面与之相同、高度为从海平面到大气 顶部这样一个空气柱的重量。如果空气具有有限的重量， 大气就一定会有有限的高度。这样，如果在大气层的各 个高度上密度处处相同的话，大气层的高度就恰好是8公 里左右。 托里拆利、维瓦尼的实验与气压计

玻意耳、巴斯卡的实验与大气压 760mm 但是,1662年玻意耳证明情况 不可能是这样因为压力会使空气 的密度增大。玻意耳把一个形管 子直立起来,J形管较高的一端是 敞口的,从这个口倒进一些汞, 汞就会把小量的空气囚锢在较矮 一边的封闭端内。当他再多灌入 气压 些汞时,那个空气包就收缩。 破意耳发现,与此同时,它的压 强增大了,这是因为观察到当汞 越来越重时,空气包的收缩却越 来越少。根据实际测量,玻意耳 证明,气体体积减小半,压强 就增大一倍。 玻意耳实验示意图

但是，1662年玻意耳证明,情况 不可能是这样,因为压力会使空气 的密度增大。玻意耳把一个J形管 子直立起来，J形管较高的一端是 敞口的，从这个口倒进一些汞， 汞就会把小量的空气囚锢在较矮 一边的封闭端内。当他再多灌入 一些汞时，那个空气包就收缩。 玻意耳发现，与此同时，它的压 强增大了，这是因为观察到当汞 越来越重时，空气包的收缩却越 来越少。根据实际测量，玻意耳 证明，气体体积减小一半，压强 就增大一倍。 玻意耳、巴斯卡的实验与大气压

由于索气毫压时会鉴编以在海平面上奢气一定最稠密 自数学家已卡画 laise pascal 证实了这个情况1648年 让他的姻兄弟帕 lorin perier 着个气压计登上一座高约15公里的 山,并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的倩 况 近代对高空大气的探索 独增如公果至压播就将版行原来的10 琵 在19公里 空气所能持的 760毫米降低为76 在38公里的 将降低为76 迷:而套57公里的 降低为076毫米,等等 羟,空气压强就会反仅相当 0000000076毫米汞柱

由于空气受压时会收缩，所以在海平面上空气一定最稠密， 而沿着指向大气层顶部的方向，随着高层空气重量的减小， 空气变得愈来愈稀薄，法国数学家巴斯卡(Blaise Pascal) 第一个证实了这个情况，1648年，他让他的姻兄弟帕瑞 (Florin Perier)带着一个气压计登上一座高约1.5公里的 山，并请他在登高时随时注意气压计中汞柱高度下降的情 况 近代对高空大气的探索 理论计算表明，如果温度在整个高度上处处相同，那么，高 度每增加公里，空气压强就将减小为原来的1/10。换句 话说，在19公里的高空，空气所能支持的汞柱高度将从 760毫米降低为76毫米；在38公里的高空，将降低为7.6 毫米；而在57公里的高空，将降低为0.76毫米，等等。 在170公里的高空，空气压强就会仅仅相当于 0.000000076毫米汞柱

实际上,所有这些数字都只是近似的,因为空气的温度是随 高度而变化的。不过,这些数字确实能使图象变得清楚- 些,而且我们可以看到,大气层并没有明确的边界,它只 是逐渐稀薄下去,一直到变成几乎一无所有的宇宙空间 人们曾经探测到160公里高空处的陨星光迹,那里的大气 压只有地球表面的几百分之一,而空气的密度却只有十亿 分之一。但这一点点空气就足以使它们那一点点物质因摩 擦而燃烧到白炽。由受到外层空间高速粒子的轰击而发 出冷辉光的气体所形成的极光棗北极光,则位于海平面以 上800-1000公里的高空。 直到十八世纪末期,人们所能接触的高层大气似乎还从未超 过高山的山顶页。1892年设计出了带有仪器、无人乘坐的 气球,这些气球能够上升得更高,从过去从未探索过的高 空气层带回那里大气的温度和压强的情报

实际上，所有这些数字都只是近似的，因为空气的温度是随 高度而变化的。不过，这些数字确实能使图象变得清楚一 些，而且我们可以看到，大气层并没有明确的边界，它只 是逐渐稀薄下去，一直到变成几乎一无所有的宇宙空间。 人们曾经探测到160公里高空处的陨星光迹，那里的大气 压只有地球表面的几百分之一，而空气的密度却只有十亿 分之一。但这一点点空气就足以使它们那一点点物质因摩 擦而燃烧到白炽。由于受到外层空间高速粒子的轰击而发 出冷辉光的气体所形成的极光棗北极光，则位于海平面以 上800-1000公里的高空 。 直到十八世纪末期，人们所能接触的高层大气似乎还从未超 过高山的山顶。1892年设计出了带有仪器、无人乘坐的 气球，这些气球能够上升得更高，从过去从未探索过的高 空气层带回那里大气的温度和压强的情报