地球上的大气

"揭秘风的奥秘：从地面到高空，大气如何塑造我们的天气？ 地球大气由不同分层组成，受热不均驱动热力环流近地面风受气压梯度力、地转偏向力和摩擦力共同作用，风向与等压线呈45°夹角高空气流则因摩擦力减小逐渐与等压线平行北半球风向始终右偏，风矢符号通过风向杆和风羽精准表达风速与来向海拔升高导致风速增大、风向偏转，这一原理也影响着大气污染扩散理解大气运动和分层结构，是解锁天气变化的关键密码" 。

地球上的大气

• 大气的组成与垂直分层
  • 大气的组成
    • 干洁大气
      • 氮气
        • 氮是生物体的基本元素
      • 氧气
        • 氧是生命活动必需的物质
      • 二氧化碳
        • 植物光合作用的原料；吸收地面辐射的能力强，使气温升高
      • 臭氧
        • 吸收紫外线，使大气增温；减少到达地面的紫外线，对生物起保护作用
    • 水汽
      • 水的相变产生天气现象，同时伴随潜热释放；成云致雨的必要条件
    • 杂质
      • 凝结核，成云致雨的必要条件
    • 人类活动影响大气成分：例如化石燃料的燃烧，会释放二氧化碳，毁林会减少二氧化碳的吸收；
  • 大气的垂直分层（依据温度、密度、大气运动状况划分）
    • • 高层大气
        • 气温：随高度增加先下降后上升
          • 自平流层顶部开始，由于没有吸收紫外线的臭氧，气温下降；随后，由于大气吸收了更短波长的太阳紫外线，温度上升
            • 80～500 km的高空有若干电离层，能反射无线电波，对无线电通信有重要作用
      • 对流层
        • 温度：随海拔升高而降低，下热上冷
          • 地面是低层大气主要的直接热源
        • 大气运动：对流--低纬度受热多，对流旺盛，对流层高度为17-18㎞；高纬度8-9㎞
        • 天气：气流上升，冷却凝结，易成云致雨
          • 该层集中几乎全部的水汽、杂质；对流运动
      • 平流层至50～55 km高空
        • 温度：随高度升高而升高，上热下冷（逆温，大气层结稳定）
          • 在22～27 km范围内的臭氧层，吸收大量太阳紫外线
        • 大气运动：平流
          • 上热下冷
            • 利于航空飞行
        • 天气：无云雨现象，能见度好
          • 水汽、杂质含量很少，气流平稳
• 大气的受热过程和大气运动
  • 大气受热过程
    • • 能量来源
        • 直接来源：地面长波辐射
        • 根本来源：太阳短波辐射
      • 三个过程
        • 太阳暖大地，大地暖大气：大气还大地
      • 大气的两个作用
        • 削弱作用
          • 反射
            • 大气中的尘埃、水滴和云层对各种波长的太阳辐射无选择性反射
          • 散射
            • 有选择性：可见光中波长较短的蓝、紫光易被空气分子、微小尘埃散射
            • 无选择性：颗粒较大的尘埃、雾粒、小水滴对各种波长的太阳辐射无选择性散射
          • 吸收
            • 有选择性：臭氧、氧原子吸收紫外线；水汽、二氧化碳吸收红外线
        • 保温作用
          • 地面辐射经过大气时，几乎全部被对流层中的水汽和二氧化碳所吸收，使得大气增温，并产生了大气辐射，其中射向地面的部分为大气逆辐射，一定程度上补偿了地面辐射损失的热量
      • 应用
        • 气温
          • 从受热过程分析：太阳（纬度）--大气（天气、成分变化、运动）--下垫面（比热容-海陆；反射率-冰川等；热交换-地形、洋流；人类活动
        • 昼夜温差
          • 1.纬度：低纬地区＞高纬地区(原因：太阳高度高纬低、日变化小)2.季节：中纬度夏季＞冬季3.地形地势：凹地(如盆地、山谷)＞凸地(如小丘、山顶)；高原大于海拔低的平原。4.下垫面性质：陆地＞海洋；沙土＞粘土、深色土＞浅色土、干松土壤＞潮湿紧密；旱地＞水田。5.天气状况：晴天＞ 阴天
  • 热力环流
    • 基本知识
      • 基本概念
        • 气压
          • 作用在单位面积上的大气压力，即在数值上等于单位面积上向上延伸到气上界的垂直空气柱所受到的质量。
        • 等压面
          • 垂直空间上气压相等的点组成的面
        • 等压线
          • 同一水平面上各气压相等的点的连线
      • 基本规律
        • P=ρgh（海拔越高，气压越低；密度越大，气压越高）注：h是距大气层上界的距离，不是海拔
        • 近地面：热低压；冷高压
        • 同一水平面：空气由高压流向低压
    • • 过程
        • 冷热不均
          • T:A＞B＞C＞D
        • 垂直运动
          • 上升：阴雨，日较差小；下沉：晴天，日较差大
        • 水平气压差
          • P:B＞A＞C＞D
            • • 等压面凸向：高高低低
          • 垂直气压差：冷源垂直气压差大
        • 水平运动
          • 风
            • 影响因素：温差，水平气压梯度力，摩擦力，距风源地远近，地形，叠加与抵消
      • 应用
        • 城市风
          • • 成因：由于城市居民生活、工业生产和交通工具释放大量的人为热量，导致城市气温高于郊区，形成城市热岛，引起空气在城市上升，在郊区下沉，近地面风由郊区吹向城市，在城市与郊区之间形成城市热力环流
            • 影响与应用：将污染严重的企业和卫星城建在城郊间的局地热力环流之外。（污染企业的布局既要考虑城市热岛环流，也要考虑盛行风的向。污染企业应布局在盛行风的下风向，或与盛行风向相垂直的郊外。）
            • “五岛”效应：①热岛-市区气温经常比郊区高。②混浊岛--市区污染物比郊区多，能见度低。③干岛-市区空气中水分偏少，湿度较低。④湿岛-夜晚市区近地面的水汽含量高于郊区。⑤雨岛-区降水多于郊区。
        • 海陆风
          • • 成因：白天陆地比海洋增温快，近地面陆地气压低于海洋，风从海洋吹向陆地，形成海风；夜晚陆地比海洋降温快，近地面陆地气压高于海洋，风从陆地吹向海洋，形成陆风
            • 影响与应用：海陆风使海滨地区气温日较差减小，夏季气温低，空气较湿润，降水增多；海风风速大于陆风风速。
        • 山谷风
          • • 成因：白天山坡比同高度的山谷升温快，气流上升，气压低，暖空气沿山坡上升，形成谷风；夜晚山坡比同高度的山谷降温快，气流下沉，气压高，冷空气沿山坡下滑，形成山风
            • 夜晚谷底降温，逆温，夜雨的成因：夜晚四周的冷空气沿山坡下沉沉到谷底，谷底暖空气被迫抬升，造成夜晚盆地底部气流上升较旺盛,形成夜雨。
  • 风
    • 概念
      • 空气的水平运动
    • 要素
      • 风向（风的来向）
      • 风速
      • • 风矢由风向杆和风羽组成。风向杆指出风的来向，有8个方位；风羽是指垂直在风向杆末端右侧(北半球)的短划线和小三角，用来表示风速，一道短线代表1级风，一道长线代表2级风，一面三角旗帜代表8级风。
    • 受力分析
      • 水平气压梯度力
        • 方向：高压指向低压；垂直于等压线
        • 影响：风向；风力：等压线密集，水平气压梯度力越大，风力越大
      • 地转偏向力
        • 方向：北右南左
        • 影响：只影响风向
      • 摩擦力
        • 方向：与风向相反
        • 影响：削减风力；摩擦力越大，风速小，地转偏向力的作用越小，偏角越小
    • 画风向
      • • 水平气压梯度力用虚线；风向用实线
• 大气污染
  • 概念
    • 大气污染是指自然或人为原因，使大气中某些成分超过正常含量，或有毒有害物质进入大气，对人体健康、生态系统等造成危害的现象。评价空气质量选取的主要污染物有细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化碳、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。
  • 原因
    • 自然原因
      • 气象：包括风速、风向、气温、湿度等，当逆温天气出现时，空气对流运动受阻，大气污染物不易扩散而大量积聚，从而造成空气质量恶化。） 地形：地形差异容易形成局部地区的大气热力环流,从而对当地大气污染产生显著影响；此外大气污染物受地形阻碍，不易扩散，造成污染事件。
    • 人为原因
      • 人口：人口集聚度越高的地区经济活动越频繁，对环境产生的污染也越重； 经济：以工业和建筑业为主的第二产业比重越高；能源消费以煤炭消费为主 技术：技术进步可以提高能源效率和环境管理水平,从而降低大气污染。 城镇化水平高的地区经济发展模式更集约化,产业布局更合理化,城市居民环保意识渐增强，所以大气污染物排放会降低。
    • 其他
      • （1）大气污染物的积聚性。(2)农村秸秆的燃烧。(3)城市规划和建设中对绿化重视度不够。 （4）从技术角度看,目前科技创新的总成果中多数为生产技术创新,绿色技术创新比重较小,可用于治理空气污染的创新成 （5）还与环境政策、环境监管和监督等不到位有关。
  • 措施
    • 减少排放：控制污染源（汽车尾气达标排放；调整能源消费结构；提高能源利用率等）
    • 增强吸收：植树造林，加强绿化
    • 增强稀释：合理安排工业布局和城镇功能分区；建生态廊道
    • 其他：增强意识，加强监督
• 近地面的风
  • 近地面的风向画法（1-2）与受力分析（1-3） 1.水平气压梯度力：与等压线垂直，高压指向低压 2.风向：北右，南左；偏角于水平气压梯度力45°夹角 3.地转偏向力：北半球在风向的右侧，南在左侧；垂直于风向 4.摩擦力：与风向方向相反
    • 北半球
  • 2.风向和风力随海拔的变化原理
    • 北半球
      • 随着海拔升高，空气运动所受的摩擦力变小，风速增大;风向受地转偏向力的影响增大，北半球风向逐渐向右偏转(如图),南半球风向逐渐向左偏转。 风向风向与等压线的夹角逐渐变小，与水平气压梯度力的偏角变大，在高空与等压线平行。
• 高空中的风
  • 高空中的风向画法（1-2）与受力分析（1-3） 1.水平气压梯度力：与等压线垂直，高压指向低压 2.风向：北半球向右偏，南半球向左偏；最终与等压线平行 3.地转偏向力：北半球在风向的右侧，南在左侧；垂直于风向
    • 北半球