1、 當代的自然地理學大氣氣候全球氣候變化第3部分 適宜生物和人生存的地球大氣層十分稀薄 王允（約公元27-97）在論衡自然中提出“天地合氣，萬物自主。”17世紀初，范赫爾蒙特（Jan Baptista Van Helmont）始用“氣體（gas）一詞。現在對大氣的理解，它像外衣一樣緊緊依附在地球表面周圍，它蘊育地球環境，維護生靈，保護著人類的生存。但是，2005年7月26日升空的“發現”號航天飛機機長艾琳柯林斯提醒我們，“大氣層就像是雞蛋的蛋殼一樣，非常薄，”“我們沒有太多的空氣，我們需要保護我們所擁有的。” 大氣層上界：據極光而定的大氣的物理上界 為1200km, 若以星際空氣密度 1個/cm

2、3估算， 其上界為20003000km 世界氣象組織（WMO）規定： 高層大氣散逸層，約800 km， 溫度隨高度增加 暖層（熱離子層）約85-800 km， 吸收紫外線輻射，溫度隨高度升高 中間層，約55-85 km， 下層溫度高而成高空對流層 大氣層臭氧層 約12-52 km 平流層 ，約10-55 km， 吸收紫外線，形成高空暖區 氣流水平運動 對流層高緯度帶89km厚（夏季高）； 中緯度帶1012km厚（夏季高）； 低緯度帶1718km厚（夏季高）。 主要天氣現象都發生在對流層中 主要天氣現象都發生在對流層中但是，天氣過程及氣候狀況，都與地形及下墊面特征有密切關系衛星云圖高空云系的展布

3、，也與青藏高原和山脈的展布有一定的關系所以，有關天氣過程及氣候狀況的研究，與自然地理學有密切關系2008年2月10日24日雨雪冰凍災害 據新華社電： 民政部副部長李立國23日說,在這次低溫雨雪冰凍災害中,已造成129人死亡,4人失蹤,緊急轉移安置166萬人。農作物受災面積1.78億畝;倒塌房屋48.5萬間;直接經濟損失1516.5億元。 但國家氣象局長說，其“時間之長”，“災害之重”，是氣象部門在事前沒有預計到的。 在“全球變暖”研究中，根據科學家們設計的氣候預測模型,地球表面平均溫度到2100年左右將會上升4,還有一些科學家擔心,如果人類不采取任何措施,到2050年,地球表面的溫度可能就會比

4、現在上升4。假如氣溫上升4 地球將只剩10億人? 揚子晚報2009.3.2格陵蘭島冰原可能成“生命綠洲”。 威尼斯市可能淪為“失落的文明”。 全球變暖問題已經成了人類最關心的生存問題之一,科學家預測稱,如果人類不立即采取行動減少溫室氣體排放,那么短則到2050年,長則到本世紀末,地球表面的溫度將會上升4,并引發一系列可怕的后果:地球上大部分陸地都將變成干旱的沙漠,地球將遭遇“生物大滅絕”,只有大約10億人幸存下來。 溫度上升，許多地方將出現干旱。 海濱城市將成為“水下城市”。 據科學家稱,地球表面溫度上一次大規模上升發生在5500萬年前,當時大量被困在深海地下的冷凍甲烷和50億噸二氧化碳通過火

5、山爆發釋放到了大氣層中,使已經相當炎熱的地表溫度又上升了5到6。 頓時,極地融化長出了茂密的熱帶森林,海洋則由于溶解的二氧化碳變得充滿了酸性,大量海洋生物遭遇大滅絕。海平面上升到了比今天的海平面還高100米,南非到歐洲則全變成了一片沙漠。 科學家相信,如果地球表面的溫度再上升4,那么相似的末日慘劇會再次在地球上演。地球將遭遇“第6次生物大滅絕” 專家建議 從現在開始拯救地球防止未來陷入劫難 美國航空航天局（）說，發射“在軌碳觀測器”（）、即“嗅碳”衛星的準備期長達年，衛星墜毀令相關人員陷入沮喪。整個衛星項目耗資億美元。 ，嗅碳”衛星搜集數據，檢查二氧化碳排放源在哪里？排放量的地區分布如何？大氣

6、中消失的二氧化碳主要由陸地還是海洋吸收？哪塊大陸吸收二氧化碳最多？ 美國首顆專項探測地球大氣中二氧化碳含量并針對這種溫室氣體全面繪制分布圖的衛星2009年2月日因發射失敗而墜入南極附近海域。所以，現在 要深入研究“大氣氣候與全球氣候變化” 要改進研究的思想方法與科學技術 當代的自然地理學 大氣氣候全球氣候變化第3部分第6章 大氣成分第6章 大氣成分 大氣由多種氣體和懸浮著的固態、液態粒子混合組成。不包括水汽和固態、液態粒子的大氣稱為“干潔大氣”自太空看地球大氣層 第6章 大氣成分氣體成分分 子 量干潔空氣中的含量（%，按容積）密度臨界溫度t-3標準下的絕對值（g/m3）對干潔空氣的比值氮N22

7、8.01678.09(75.52)12500.967-147.2（33.5）氧O232.00020.95(23.15)14291.105-118.9（49.7）氬Ar39.9440.93(1.28)17861.379-122.0（48.7）二氧化碳CO244.0100.03(0.05)19771.52931.0（73.0）氖Ne20.1831.810-39000.695-228.0（26.0）氦He4.0035.2410-41780.138-258.0（2.3）甲烷CH416.042.210-4717氪Kr83.701.110-437362.868-63.0氧化氮N2O44.0160.510-

8、41978氫H22.0160.510-4900.070-239.0（12.8）氙Xe131.3000.0810-458914.52416.6（58.2）臭氧O348.00021401.624-5.0（92.3）氡Rn222.0006.010-18干潔空氣18.96610012931.0-140.7（37.2）干潔空氣成分(25km高度以下)6.1 大氣成分 大氣成分隨高度的變化 干潔大氣中氮(N2)與氧(O2)占空氣容積的99.4%。 在90km高度以下，受氣流不規則運動引起的湍流混合，各氣體成分比例基本不變，總平均分子量為28.966，可將干潔大氣看作理想氣體或均質層。 但從80km往上由于

9、太陽紫外線照射，N2和O2已有不同程度離解 在100km以上氧分子幾乎全部離解為氧原子， 250km以上N2也基本離解了。6.1 大氣成分 氧氣是地表一切生命所必需的氣體。如動植物的呼吸，要在氧化作用中得到維持生命的熱能。 此外，一切有機物的燃燒、腐敗和分解都依賴于氧，所以氧被稱為“有生命的氣體”。氮氣為惰性氣體。通過細菌和閃電作用，氮氣變為活性氮并在土壤植物、動物土壤之間轉換。在自然條件下可通過地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造為植物易吸收的化合物，是植物體內不可缺少的養料。 現在，多達70的在空氣、地表、大海間循環的活性氮源于人類活動。6.1 大氣成分 二氧化碳主要來源于火山噴發、燃料燃燒

10、、有機物腐敗及動植物呼吸等，因此CO2集中在20km高度以下，平均含量0.03%。底層大氣的CO2夏季較冬季多，城市較農村多，在大工業城市區其含量可達0.050.07%。 CO2對太陽短波輻射很少吸收卻能吸收地面與大氣間的長波輻射，對大氣和地表有一定的增溫保溫作用。CO2對全球溫暖化的貢獻率達60。 在人類生活生產過程中，排放到大氣中的CO2含量增加明顯，它對氣候變化產生的深刻影響已受到世界各國的關注。6.1 大氣成分臭氧 由氧分子分解為氧原子后和其它氧分子結合產生。主要來源于有機物的氧化和雷電作用以及高層大氣太陽紫外線作用。臭氧在低層大氣含量極低，隨高度增加、太陽紫外線逐漸加強使高層大氣臭氧

11、含量明顯增多，并在2025km達極大值后又逐漸減少，在55-60km附近臭氧含量已趨于零，因此通常將集中了地球上約90%臭氧的10-50km大氣層稱為臭氧層。 臭氧能大量吸收太陽紫外線增高臭氧層溫度，直接影響大氣溫度的垂直分布規律。同時，高空大量的有害短波輻射（以紫外線為主）被吸收使地面上生物免遭傷害，而少量穿透臭氧層的紫外線對人類和生物則大有裨益。 6.1 大氣成分 水汽 主要來源于海洋、地表各種水體(江、河、湖泊等)、土壤和潮濕物體表面的蒸發及植物蒸騰。地表水汽借助空氣的垂直交換向上輸送，所以一般隨高度增加而減少。據實測，1.52km高度上水汽含量僅為地表一半，5km高度的水汽為地表的1/

12、10，再往上更少。 但特殊（地形）狀態下水汽會隨高度而增加。大氣中的水汽含量變化范圍04%。水汽是天氣變化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面輻射并同時向周圍大氣和地面放出長波輻射，對地面和大氣溫度有一定影響。6.1 大氣成分 溶膠粒子 為大氣中懸浮著的固態、液態微粒。氣溶膠粒子與氣體介質一起稱為氣溶膠。其中的固體微粒有煙粒、鹽粒、塵埃、花粉、細菌等。集中于大氣底層的固體微粒以海浪、風沙、植物貢獻最大，約占氣溶膠粒子總質量的60%以上。 固體微粒的含量一般城市多于農村、陸地多于海洋、低空多于高空、冬季多于夏季、夜里多于白天。它能夠充當水汽凝結核心并吸收一部分太陽輻射和阻擋地表放熱，使地面

13、和空氣溫度變化振幅減小。液體微粒有水滴、過冷水滴(指氣溫低于零度仍未結成冰的水)、冰晶等。它們常聚集成云、霧使大氣能見度變低，并減弱太陽輻射和地面輻射影響地表氣溫。6.1 大氣成分 大氣污染 大氣中對人和動植物產生危害的有毒、有害物質稱為大氣污染。污染物主要來源于工業、交通運輸業、火山爆發、棄物燃燒等廢氣向大氣排放。 目前已引起人們注意的大氣污染物已不下百余種，其中對人類危害最大的是煤粉塵、二氧化硫、一氧化碳、碳氫化合物、氨和放射性物質等。日本東京南600多公里 伊豆群島的火山噴發6.1 大氣成分 大氣污染 在更高層次上的大氣污染，包括大氣中CO2濃度升高、大氣臭氧的損耗、大氣中水汽及其氣溶膠

14、物質的增多等。 大氣污染物不僅直接危及人類健康和農、林作物的正常生長，影響環境和生態，而且對天氣、氣候影響也日趨加劇。如粉塵煙霧可直接進入肺組織內部，通過血液傳遍全身甚至致癌；二氧化硫和一氧化碳成為酸雨等。 中國重慶市多年前每年的酸雨損失超過20億元。6.2 大氣成分的變化 大氣成分的變化，主要取決于地球系統中的地氣系統與水氣系統中物質交換的通量及其滯留量。 近現代大氣組分含量的變化，主要是人類活動干擾了上述復雜系統中的物質通量與物質循環，并導致若干大氣組分在大氣中的含量發生顯著的變化。6.2.1過去的大氣成分的變化 地質歷史上有過多次大氣成分明顯的變化. 地球上綠色植物的出現曾導致大氣中氧含

15、量的增多。 有人測試南極冰芯中小氣泡的成分，發現地球冰期與間冰期大氣中二氧化碳的含量是有高有低的，給人的印象,好像大氣中二氧化碳的含量升高在前，而間冰期溫暖氣候的到來在其之后。 16萬年以來CO2含量的變化6.2.2近現代的大氣成分的變化1、大氣中的碳及CO2濃度 自工業革命以來發展到近現代，由于化石燃料和水泥產品而全球大氣中的碳含量每年新增5.5 Gtc（千兆噸碳，gigatons of carbon),由于土地利用的變化而每年新增1.1 Gtc，由全球主要的凈產出和呼吸作用再生并向大氣輸入而每年減少1.3 Gtc, 因此，大氣層中每年凈增約3.3 Gtc。全球碳循環示意圖（據Hardy，J

16、.T.2003） 科學家采集南極冰芯氣泡做CO2含量的分析，得出過去千多年以來大氣中CO2含量的變化曲線,其中后50年間CO2含量的變化與美國蒙納洛瓦（Mauna Loa）站測試的大氣中CO2含量的變化相吻合。由此可見，在工業革命時代以前，大氣層中CO2的含量比較穩定在 280ppm（ LL-1）左右，但自1850年以來，則迅速增 長，其主要原因是 由化石燃料的廣泛 使用所造成的。過去1000年來冰核和大氣觀測得到的CO2濃度變化，放大圖為工業革命以來的情況，其中礦石燃料產生的CO2量以碳計（據J.H.Houghton，1996）從二次世界大戰以來，大氣中CO2的濃度幾乎增加了25%，預計在未

17、來40a中將比工業革命前增加1倍。現代大氣CO2 的增加主要是由于人類使用化石燃料（煤、石油、天然氣）以及生產水泥所導致的。另外，熱帶土地利用的改變（砍伐森林）也向大氣中釋放了相對多的CO2。這兩部分是大氣CO2的重要來源（表6.2）。作為吸收大氣CO2的主要因素，除大氣圈增加的量外，海洋吸收、北半球的森林生長以及植被的施肥效應是主要的CO2匯。CO2含量增加有利的一面是，自然植被的光合作用增強生長期延長，生產能力會有一定程度提高。CO2源 ： 化石燃料及水泥生產5.5 0.5 熱帶土地利用的變化所產生的凈釋放1.6 1.0 人工源釋放合計7.1 1.1CO2匯 ： 大氣濃度的增加3.2 0.

18、2 海洋吸收2.0 0.8 北半球森林生長吸收0.5 0.5 植被施肥1.0 0.5 氮沉降0.6 0.3 失匯0.2 2.0 表6.2 19801989年全球年收支（單位：109t C/a）（據方精云，2000）2.CH4含量 據冰芯氣泡分析千年來CH4含量的變化。美國的世界資源研究所（WRI）于2002年提出大氣中CH4的來源，有30來自家蓄，16來自固體廢氣物，13來自煤礦，16來自石油、天然氣的使用，25來自水稻農業，也就是說，其總含量的三分之二以上源自于與人類活動有關。公元1000年2000年（據IPCC, 2000） 據冰芯和近期觀測，千多年來大氣中N2O在地球大氣濃度的變化 （據

19、IPCC, 2000） 3.硫酸鹽氣體 據冰芯分析得知近400多年來，硫酸鹽氣體濃度的變化，其中后幾十年來硫酸鹽濃度的下降，也是由人類活動的某些變化所造成。 據格陵蘭冰芯，400多年來硫酸鹽氣溶膠的濃度變化（據IPCC, 2000） 全球平均CFC-11、CCL4與Cape Grim站SF6濃度的變化（IPCC,1995）1.愛爾蘭 2.俄勒岡 3.塔斯馬尼亞 4.美國NOOL/CMDL全球模式結果CFC-11、CCL4 、SF6 全球平均濃度溫室氣體工業革命前的體積分數1994年的體積分數濃度增長率(a1)大氣壽命aCO22801063581060.4CH470010917211090.6N

20、2O2751093111090.25CFC-11026810650CFC-12(CCl2F2)05031012102HCFC-22(CHClf2)0105101212.1CF4070101250,000SF60280106若干溫室氣體含量的變化（據John T.Hardy，J.T.2003） 大氣中十億分之一CO2的含量相當于2.13百萬噸碳* CO2、CH4、N2O的濃度增長率是據1984年為基礎俄羅斯和日本的科學家（2004）于1993年7月開始，在俄羅斯西伯利亞沙果特（610N、730E）濕地上空500m7000m，進行定時定期的溫室氣體含量的采樣和分析工作，另在西伯利亞那法雪必斯克（5

21、50N、830E）林地上空5007000m、亞庫茨克（620N、1300E）林地上空5005000m進行同步觀測，發現CO2的含量有明顯的季節性波動，在每年的3月下旬或4月上旬達到最高，在每年的8月上旬或下旬達到最低，在1km高空，最高與最低值的差值平均達23.3ppm，而在7km高空，最高與最低值的差值平均為10.7ppm，1993年以來到2003年為止，1km高空CO2含量的增加，還略高于7km 高空CO2含量的增加（圖67）。 1993以來，西伯利亞沙果特濕地上空空氣樣中CO2含量的變化1km高空CO2含量的增加，還略高于7km 高空CO2含量的增加 5.大氣臭氧層的損耗 自1958年對臭氧層觀察以來，發現高空臭氧有減少趨勢，70年代以來這種趨勢更為明顯。根據臭氧趨勢研究小組（OTP）和UNEP/WMO1989