1、第五章 大气圈大气圈是包围地球的气体圈层，其厚度在几万千米以上，总质量估计在5.271015吨左右。在地球万有引力的作用下，大气圈在地面处的密度最大，向外逐渐变得稀薄，并逐渐过渡为宇宙气体，因此大气圈没有明确的外界。5.1 大气的成分、结构及运动特征N2O2ArCO2NeCH4O3H2O其它其它体积体积78.08420.9460.92340.033181041.81041.01050.012.80.001重量重量75.52323.1421.2800.05131041.01042.01050.0061.70.005低层大气成分百分比5.1.1 大气的成分 大气的主要成分是氮和氧，二者所占大气的比
2、例在99以上。氮是植物制造蛋白质的主要原料，氧是生物能量的主要来源，对生命具有重要意义。 二氧化碳是一种温室气体，对调节地球表层的温度起到关键的作用，主要来源于地球内部析气（火山、地裂缝等）、生物的呼吸、有机质的燃烧等。 臭氧主要分布在离地面2035千米的平流层中。臭氧是氧分子受到紫外线辐射后分解成氧原子，大部分氧原子很快又结合成O2，部分氧原子与氧分子结合成O3。由于臭氧吸收了太阳辐射中的大量紫外线，构成了地球的一道保护层。 大气中还有其他一些组分： H2、 CO、SO2、N2O、NO2、NO、 Kr、 Xe、 Rn等，其含量都很低。在人口比较稠密的地区或工业区CO2、CO、SO2、NO2、
3、NO的含量相对较高，是污染大气的主要成分。 在低层大气中还含有数量不等的可吸入颗粒物，主要来自岩石风化的微小颗粒、工业排放的粉尘、生物颗粒以及海水中的盐粒等。5.1.2 大气的结构 大气在垂直方向上分布是不均匀的，主要集中在大气圈的底部，大约有50%的大气集中在5千米的高度范围以下，约75%集中在10千米以下。在20003000千米的高空，大气的密度已接近宇宙空间的气体密度。 大气的物理性质在垂向上也是不一样的，按照其特征的差异可以把大气分为若干层。极光流星外层大气电离层臭氧层热层中间层平流层对流层800805020km大气垂直分层大气圈的最下一层，平均厚度在高纬度地区为89km，中纬度地区为
4、1012km,低纬度地区为1718km。夏季厚度大于冬季。对流层厚度不到整个大气圈的1，但集中了大气质量的34，大气水汽的90。对流层受地球表面的影响最大，层内对流旺盛，大气中的主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹都形成在此层内。对流层中温度一般随高度的升高而降低，垂直温度梯度（在垂直方向高度变化l00m时气温的变化值）平均为065100m。对流层顶部的温度降至零下几十度。对流层对人类的影响最大，通常所说的大气污染就是对此层而言。对流层平流层 从对流层顶部以上到大约50km左右高度为平流层。平流层中气温随高度升高初时不变，而后逐步升高到0C以上，这主要是地面辐射减少和氧及臭氧对太阳辐射吸收加热的结
5、果。这种温度分布抑制了空气对流，所以此层内气流比较平稳，是喷气式飞机飞行的理想场所。由于平流层中水汽和尘埃含量较少，因此没有对流层中那种剧烈的云雨天气现象。中间层 平流层顶以上到大约80km的一层为中间层。此层中气温又随高度升高而降低，其顶部温度可降至11383。由于垂直温度梯度大，有相当强的垂直混合。该层内水汽极少，几乎没有云层出现。热层中间层顶以上为热层。该层温度随高度增高而迅速升高。由于太阳辐射中波长小于017m的紫外线几乎全被该层中的分子氧和原子氧吸收，并且吸收的能量大部分用于气层的增温，加之气层内分子稀少，热量无法通过热量传输的方法传递出去，因此热层温度达1000K以上。热层没有明显
6、的顶部，通常认为温度从增温转为等温时为热层顶部。在太阳活动宁静时，顶高约250km，当太阳活动强烈时顶高约500km。外层热层以上的大气层。为大气圈向星际空间的过渡地带。在那里空气极为稀薄，温度随高度很少变化。由于那里地球引力很小，空气分子运动的自由度很大，使一些高速运动的空气质点不断向星际空间逃逸，故又称散逸层。5.1.3 大气环流大气圈是运动最为活跃的地球圈层，大气圈的运动包括水平方向的和垂直方向的运动，低层大气和高层大气的运动。由于大气运动的存在，才使全球大气的物质能量交换、水分输送成为可能。大气运动的产生和变化由气压的空间分布及变化所决定。气压的变化会引起风、环流和天气的变化。气压气压
7、指大气压强，通常用观测高度到大气上界的单位面积上垂直空气柱的重量表示，其单位为Pa，1Pa1Nm2。1标准大气压101325Pa=1013.2hPa。由气压定义可以看出，气压是随着高度减小的。气压随高度升高按指数律递减。风通常把空气的水平运动称为风。空气产生运动的根本原因是气压分布不均匀，即气压梯度力（单位质量空气在气压场中所受的作用力）作用下沿气压梯度力方向运动。风是矢量，有风向和风速两个要素。风向表示风的来向，地面风向用16个方位表示，每个方位各占22.5角。例如北（N）风是指由正北往东西各11.25角度的范围内吹来的风。高空风向则用360 水平方位角表示，从北起顺时针方向量度，风速指单位
8、时间内空气在水平方向移动的距离，单位为m/s。 大气圈中大规模的、有规律的气流运动称为大气环流，大气环流包括全球性的和局部性的环流。大气环流是地球气候系统的主要因素之一，对地球的区域性气候变化具有重大的作用。 大气每时每刻都在不停地运动着，其运行是极其复杂和多变的。如果从随时随地不断变化的运行状态中对时间进行平均，就可发现大气运行具有明显规律性。进行时间平均的空间分布常被看成是全球大气大规模运动的基本状态。大气环流 平均纬圈环流是指东西方向水平环流。高低空气流以纬线方向为主。低空在6090 的高纬地区为极地东风带（北半球为东北风，南半球为东南风），随冬夏太阳位置的南北移动，东风带位置也南北移动
9、，且冬强夏弱。30 60 的中纬地区为盛行西风带（北半球为西南风，南半球为西北风），西风带的位置也随季节南边移动，冬强夏弱。在030 的低纬地区为信风带（北半球为东北风，南半球为东南风），但强度夏强冬弱。 平均经圈环流是指南北方向的垂直剖面上的环流。与前述三个纬圈环流带对应的三个经线环流圈分别为：极地环流圈、中纬度环流圈和热带环流圈。 季风（季风环流）是指在一个大范围内的随季节变化的盛行风向或气压系统。季风具有明显的季节变化，而且随着方向和气压系统的季节变化，天气系统也发生明显的变化。季风形成的原因主要是海陆间的热力差异。 亚洲大陆冬季为强大的高压控制，冬季风主要为内陆向海洋的偏北气流；夏季为
10、热低压控制，夏季风则主要为海洋向陆的偏南气流，空气潮湿，多降雨，气旋 气旋是指气压低于四周的水平空气涡旋，也是气压系统中的低压 区 ， 其 中 心 气 压 值 一 般 为950hPa左右，也有877hPa的最低记录。气旋可分为热带气旋和温带气旋。热带气旋发生在南北纬520左右的高温（2930）洋面上，有源源不断的能量供给，而且是南北半球信风带的辐合区，有利于暖湿空气辐合上升。低于纬度5地区海温虽高，但地转偏向力近于0，难以形成涡旋。纬度20以上地区，地转偏向力虽更大，但海温却较低，也难以形成热带气旋。热带气旋强烈的辐合上升气流携带巨量的水汽升腾，在上升过程中水汽降温凝结，释放出巨量的能量，驱使
11、空气从外围以螺旋式向内加速流动，由外向中心运动速度越来越快，形成一个剧烈旋转的、近于对称的圆形涡旋。从内到按其结构和天气状况可划分为眼区、降水区、大风区和外围区四部分。台风眼直径10-60km，这里天气晴好；眼区外的降水区气流强烈上升，水汽上升凝结成云致雨，日降水量可达100mm以上；环形雨带外为大风区，最大风力可在12级（风速32.6ms）以上，有110ms的风速记录；外围区风力显著减弱，逐渐过渡为正常气压。中国气象部门过去把热带气旋称为台风。1989年1月1日起国家气象局决定使用国际热带气旋的规范名称和等级标准：中心附近平均最大风力小于8级者为热带低压；89级者为热带风暴；1011级者为强
12、热带风暴；12级以上者为台风（typhoon）。国外把发生在大西洋、墨西哥湾、加勒比海和北太平洋东部的热带气旋称为飓风（hurricane）。温带气旋具有锋面结构，直径可达10002000 km，在北半球温带气旋的南部以偏南气流为主，北部以偏北气流为主。在气旋的东部，暖湿气团爬升在北部干冷团之上，因暖气团起主导作用，暖、冷气团之间的界面为暖锋。锋面上有暖锋系，锋下方有宽广的降水区；在气旋的西部，冷空气向南移动而插在南面的暖空气之下。冷暖气团之间的界面为冷锋，锋面上有冷锋云系，锋下方降水区较窄。温带气旋在西风带都是自西向东移动的。 大气降水是指从云层中降落地面的液态或固态的水，有雨、雪、雹等多种
13、形式。降水量是指降水在水平面上的未经蒸发、渗流或其它损失的积聚深度，以毫米为单位。 降水的形成需要云层中形成的水颗粒能够克服空气的阻力和上升气流的顶托作用，并且在降落过程中未被蒸发殆尽，才能降落地面。 降水强度是指单位时间内的降水量。通常把24小时内的降水量来区分降水强度。将24小时内的降水量200mm分别称为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨。 大气降水5.2 风的作用风的作用是指气流对地球表面物质的动力作用及其相关的过程。主要表现在破坏地表岩石，使之破裂、粉碎、磨蚀，并把地表的松散物质搬运到其他地方沉积下来，形成特殊的地貌景观。风的这些作用过程统称风成作用。遮天蔽日的沙尘暴破坏力极强
14、的龙卷风 吹蚀作用 由气流压力的直接作用，使地面松散岩石遭到破坏、粉碎或被吹走的作用。 磨蚀作用 风夹杂着一些硬颗粒对地面岩石的破坏过程成为磨蚀作用。 风的吹蚀作用和磨蚀作用通常是一起发生作用的。6.2.1 风的破坏作用由于风所携带的碎屑物从地面往上颗粒逐渐变小，其磨蚀能力也是从地面往上逐渐减弱，其结果是形成一些特殊的风蚀地貌。风的磨蚀作用风蚀蘑菇 搬运能力与风力的大小成正比 搬运距离与风力和碎屑物的粒度有关 粉尘或粘土颗粒可以随大气环流搬运到地球表面的任何地方 搬运的方式主要有滚动、跳动和悬浮等 在搬运的同时也进行着各种破坏作用6.2.2 风的搬运作用内蒙古雅不赖山口的沙河 由风的沉积作用所
15、形成的堆积物称为风成堆积，其特点是： 成分 主要是长石、石英所组成的碎屑物 颜色 各种各样，黄色、灰色、白色居多 分选性 较好，粒度随风向展布 磨圆度 较好 中国西部是世界上最典型的风成堆积物6.2.3 风成堆积 荒漠漆 由于毛细水的大量蒸发，使铁、锰氧化物残留在荒漠表面形成荒漠漆 风蚀型地貌之一 戈壁 风蚀型地貌之二 雅丹6.2.4 风成地貌由于风的长期作用，细小的碎屑物被风搬运到其他地方，保留砾石和一些粗碎屑，构成戈壁滩。覆盖着荒漠漆的戈壁滩雅丹在维吾尔语中的原意是“具有陡壁的小山包”。由于风的磨蚀作用，小山包的下部往往遭受较强剥蚀作用，并在重力作用下形成陡壁。雅丹地貌堆积型地貌 堆积型地
16、貌之一 沙漠 新月形沙丘 排状沙堤 风成沙波纹撒哈拉沙漠 斜层理的形成可以是风的作用，也可以是流水的作用。 风向的改变可以形成交错层理 斜层理的特点是：斜层理上部与层面斜交，下部与层面相切。大型风成斜层理斜层理堆积型地貌之二 风成黄土美国南达科达州的风成黄土风成地貌之三 盐土荒漠5.3 荒漠化过程及对策5.3.1 荒漠化过程 荒漠化过程是一个地域的生物生产能力严重下降，生态系统贫瘠化，并引起土地载畜量、作物产量、人类健康水平严重下降的一系列不良连锁反应的过程。其直接的表现就是土地退化，荒漠扩大。正在沙化的土地中国土地荒漠化面积262.2万平方千米全球土地荒漠化面积3600万平方千米荒漠分布于除
17、南极大陆之外的所有大陆上气候干燥的高度干旱地区，并主要分布在南北半球的1045的纬度带上。全球荒漠主要集中在三种地区：1. 副热带高压带控制区，如撒哈拉地区、阿拉伯半岛、墨西哥西北部、澳大利亚西部等；2. 内陆干旱盆地，如中亚地区、我国西部、蒙古、美国西部等；3. 寒流经过的沿海地区，如南美西部海岸、非洲西南部海岸等。全球荒漠化地区分布 荒漠化过程是从风的破坏作用开始的，风对地表物质的破坏、搬运和沉积，构成了荒漠化全部过程。 风以惊人的准确性选择地表岩石最薄弱处进行破坏，并把细小的碎屑颗粒搬运走，堆积到特定的位置，造成破坏型的荒漠和堆积型的荒漠。戈壁荒漠的形成过程风的持续作用5.3.2 影响荒
18、漠化过程的因素 影响荒漠化的因素比较复杂，但归根结底无非是自然因素和人为因素两大类。在自然因素中，由于地球长期的演化使地球的表层系统基本处于一种动态平衡的状态，因此改变平衡条件是促使荒漠化进行的主要因素，而荒漠化地区的地质背景则是荒漠化能否进行的基本条件。遭受强烈风化作用的地区，表面岩石疏松的地区，土壤贫瘠的地区都是荒漠化容易发生的地区。影响荒漠化过程的最主要因素：气候条件 干旱的气候条件是荒漠化过程得以进行的最主要因素。干旱气候使荒漠化地区的降水量达不到植物生长的最低要求，抑制植物的生长，造成植物生产量的严重减少，使风的作用加剧，并导致荒漠化。 干旱是一种在时间上渐进式、效果上累加式的破坏，
19、干旱的气候在减少降水量的同时加大了蒸发量，形成一种恶性循环。 受到大气环流的影响，在南北半球的副热带高压带控制区由于降水量极少，加上优势风的长期作用，在这两个地区形成了全球最大的荒漠带。撒 哈 拉 沙 漠墨西哥沙漠景观美国亚利桑那州的地貌景观 大陆内部的盆地因远离大洋而降水量很少，加上盆地效应形成干旱气候，也是容易造成荒漠化的地区。影响荒漠化过程的另一个因素：人为破坏过度放牧是荒漠化的一个重要的人为因素，绝大部分牧区都是生态环境比较脆弱的地区，草原下面往往就是贫瘠的土地，一旦放牧量超过草场的承载量，草原在风的作用下，大量的水分就会被带走，使草场的生态平衡遭受破坏，环境急剧恶化，造成荒漠化。乱砍
20、滥伐森林，开垦新的耕地，也是破坏生态平衡，造成荒漠化的一个重要原因。植被是保持土壤中的水分，防止风的侵蚀作用最有效的防护层，破坏植被无疑是在破坏自己的家园。正在逼进的沙漠5.3.3 荒漠化的对策1977年9月，联合国国际荒漠化大会通过了一项行动计划，要求各国政府在合理利用土地，保护和增加生物资源和水资源的基础上采取广泛的措施，并处理好生物、社会、经济和政治问题，力争在20世纪末制止荒漠化的发展。近年来全球荒漠化过程非但没有受到抑制，反而愈演愈烈，引起国际社会的广泛关注。一些旨在遏制荒漠化进程的工程项目和研究项目正在各国开展，我国在治理荒漠化过程方面取得了令人瞩目的成绩。 遏制荒漠化发展的对策最
21、主要的方法就是固沙，其主要措施包括以下几个方面： 拟定合理的放牧、耕作和林业开发计划，防止植被的破坏； 发展有助于限制沙漠入侵的土地利用方式； 实施阻止沙漠推进的生态工程； 资助防止荒漠化扩展的相关基础研究； 普及防止荒漠化进程的科学知识，提高民众的防护意识。 过度放牧、开垦耕地、乱砍滥伐是造成植被破坏，加剧荒漠化进程的主要的人为因素，因此拟定合理的放牧、耕作和林业开发计划，防止植被的破坏，是抑制荒漠化进程的首要对策。 发展有助于限制沙漠入侵的土地利用方式。比如在荒漠化严重的地区进行经济林木的种植及水土保持措施，陕北地区的小流域综合治理已经取得了显著的效果。 实施阻止沙漠推进的生态工程是一项有利于子孙后代的伟业，我国的三北防护林体系经过几代人的努力，现在已经初具规模，对遏制荒漠化进程起到了巨大的作用。资助防止荒漠化扩展的相关基础研究和普及防止荒漠化进程的科学知识，提高民众的防护意识也是不可或缺的一环。塔里木沙漠绿化实验基地 在一些特殊的地段可以采用一些特殊的固沙办法，防止流沙的破坏作用。敦煌鸣沙山月牙泉
