1、第二章 大气和海水的成分及结构1. 大气和海水的组成 一 大气的基本成分： （1） 干空气的混合物 （2） 处于三种物理状态中的任一 种的水物质 （3） 大气气溶胶悬浮在空气中 的固体和液体粒子 二. 干洁空气的成分4干空气的主要成分： 常定成分： 氮（78%), 氧（21%), 氩（0.9%). 可变成分：二氧化碳（0.033%)4干空气的次要成分： 定常成分：氖，氦，氪，氙。 可变成分：一氧化碳，甲烷，甲醛，氨，氮氧化物，硫化物，氯，氢，臭氧等。 三大气中的水物质 特点特点：含量少（占空气的 0.1-2.5%） 但变化无常。 重要性重要性：1. 形成云和降水 2. 影响大气热力学特性 3.
2、 影响电磁波（光和辐 射）的传输 4. 大气化学中的活跃物质 四大气中的微粒和污染物（1） 微尘：来源于 宇宙灰尘（流星等） 。 自然界的土壤微尘、植物花粉、火山灰尘、岩石风化、森林起火、海水溅沫的蒸发。 人类活动：燃烧、爆炸工程、水泥生产等。(2). 气溶胶粒子 悬浮在空气中的固体和液体粒子 作用: 凝结核加速水汽凝结 影响大气对太阳光的吸收和散射 影响大气和地面的温度和能见度。 (3). 污染物： CO, SO2, NO, NO2, CO2，H2S 等。 造成酸雨和温室效应。 五 海水的组成： 可溶解物质： 溶解无机盐，有机化合物 气体 不溶解物质： 以固相存在的无机或有机物， 气泡。 海
3、水中的溶解无机盐： 1. 主要成分：主要成分：11 种，以离子的形式存在于水中：种，以离子的形式存在于水中： 氯，硫酸根，碳酸根，溴，硼酸根，氟，钠，氯，硫酸根，碳酸根，溴，硼酸根，氟，钠，镁，钙，钾，锶。镁，钙，钾，锶。 它们的含量占海水总盐分的它们的含量占海水总盐分的 99.9% 以上。以上。 2. 营养盐：如硅，磷和无机氮化合物。营养盐：如硅，磷和无机氮化合物。 3. 微量元素：如汞，铅，铜，铁，锰，砷等微量元素：如汞，铅，铜，铁，锰，砷等 海水中的溶解氧和二氧化碳系统 海洋是一个很大的碳容库， 由工业生产排入大气的 CO2有 40%进入了海洋。 2. 海水的盐度和氯度 一 海水的盐度：
4、 定义定义：在 1000 克海水中，碳酸盐全部转变为氯化物， 溴和碘以氯代替，所有的有机物质全部氧化后所得固体物质的总克数。它基本上表示海水的含盐量。 单位单位：g/kg, 符号表示符号表示：S 通常海水的盐度为 35 左右。 二海水组成的恒定性： 不论海水中含盐量多少，各主要成分之间的浓度比值基本上是恒定的。 只要测出一种主要成分的含量便可按比例求出其他成分的含量， 也可求出海水的盐度。 三海水的氯度： 定义：1000 克海水中，将溴和碘以氯代替后所含氯的总克数为海水的氯度。 单位：g/kg 符号：Cl 通常海水的氯度值为 19.38 左右。四海水盐度与氯度的关系：1 通过对天然海水的实验室
5、测量得：S = 0.030+1.805 Cl2.通过氯度与海水电导率的关系得：S = 1.80655 Cl五海洋盐度的分布 1 大洋表面盐度的分布： 与降水量和蒸发量之差（与降水量和蒸发量之差（P-E）的分布规律一致。）的分布规律一致。 在热带和中高纬，在热带和中高纬，P-E 0， 盐度小盐度小 在副热带，在副热带，P-E 0， 盐度大盐度大 与大陆径流有关与大陆径流有关 大陆径流使盐度降低，所以在大江大河入海的大陆径流使盐度降低，所以在大江大河入海的 海区一般盐度小。海区一般盐度小。 大陆边沿的某些海盆如死海，里海，红海，大陆边沿的某些海盆如死海，里海，红海， 地中海，波斯湾等盐度都很大。地
6、中海，波斯湾等盐度都很大。 大洋表面盐度的分布图2 盐度的垂直分布在热带和中高纬地区，表面盐度低，向下增大。副热带地区表面盐度大，向下先是迅速减小，然后又逐渐增大。上图为太平洋准经向断面的盐度分布。 3盐度对海水物理性质的影响 (1). 海水的定压比热 (Cp) 和定容 比热（Cv）随盐度增大而减 小。 (2). 海水的蒸发潜热（L）受盐度 影响不大。和纯水差不多。 (3). 海水的饱和水汽压随盐度增加而下降。盐 度使 海水沸点升高，冰点降低。(4). 盐度增加时热传导略有减小，但粘滞系数 略有增大，盐度分布不均匀有利于扩散作 用的增强。(5). 盐度增加使表面张力加大，导电能力大大 增强，
7、3. 大气和海水的垂直结构 一大气的垂直结构 1按分子组成分层： 均匀层和非均匀层均匀层和非均匀层 2. 按温度的垂直结构分层：按温度的垂直结构分层： 对流层，平流层，中间层，热层，对流层，平流层，中间层，热层， 散逸层。散逸层。 3按电学性质分层：按电学性质分层： 非电离层，电离层，磁层非电离层，电离层，磁层。 练习1气温的观测资料如下表所示：Z(km)013510121420T(C)30 203-10 -42 -55-55-45Z(km)556585100 150200400T(C)-5-25-55-40105001000清清按按温温度度分分布布确确定定对对流流层层、平平流流层层、中中间间
8、层层和和热热层层的的位位置置。 二.海洋的垂直结构：海水温度的垂直分布和分层1.大洋暖水区和上均匀层 2.主温跃层 3.冷水区 Th0152510002000300040004. 大气和海洋的温度， 密度，压强及盐度 之间的关系一一 大大气气和和海海洋洋温温度度的的水水平平分分布布 和和季季节节变变化化 二二 大大气气压压强强的的水水平平分分布布 和和季季节节变变化化 三 大气温度，密度和压强的关系，大气状态方程 对于理想气体， 其压强 （P） 、 温度 (T) 和体积 (V) 满足状态方程 式中 n 气体的摩尔数。 R为通用气体常数。 TnRPV大气可近似为理想气体。大气可近似为理想气体。
9、如大气的平均分子量定义为如大气的平均分子量定义为 M = m/n ， 其中其中 m为大气质量，则上式可写为：为大气质量，则上式可写为： 干空气的状态方程，干空气的状态方程， Rd =287.05 Jkg-1K-1 , 称为干空气的比体常数称为干空气的比体常数, 常简写为常简写为 R MTRPTRPd四大气压强随高度的分布：四大气压强随高度的分布： 1 流体静力学方程：流体静力学方程： z+dzP+dPPmg垂直方向上垂直方向上力的平衡力的平衡z 或 流体静力学方程 gdzdPgdzdP对流体静力方程从 z 到大气顶(z=)积分, 此时 P 从 p(z） 到 p=0，可得： 即：高度 z 处的气
10、压等于该高度以上单位截面积的垂直气柱内空气的总重量。 zg d zzP)(zgdzzP)(2. 气压高度公式： 将将 P=RdT 代代入入静静力力学学方方程程的的中中，得得： 对对 P 从从 p1到到 p2，z 从从 z1到到 z2积积分分， 得得： 这这就就是是气气压压高高度度公公式式。表表明明气气压压随随高高度度呈呈指指数数递递减减。 dzTRgpdpd2112zzddzTRgepp练习练习 2. 用气压高度公式求等温大气（即温度随高度不变的大气）中气压随高度的分布。并证明等温大气无确定的上界。（可设地面 z = 0处，P = P0） 四海水密度与温度、盐度和压强 的关系。 海水密度是其温
11、度、盐度和压强的函数，常用符号S.T.P 表示，如在海表（压强为零） ，温度为 0，盐度为 35时，35.0.0=1.02813有时海水密度用S.T.P 来表示： 如35.0.0 = 1.02813 则 35.0.0 = 28.13 3.10) 1(PTSPTS通常情况下通常情况下 海水密度随温度增加而变小海水密度随温度增加而变小 海水密度随盐度增加而变大海水密度随盐度增加而变大 海水密度随压强（海深）增加而变大海水密度随压强（海深）增加而变大 海水密度一般变化较小，只有在研究某些问题时海水密度一般变化较小，只有在研究某些问题时（如海洋声学，光学问题）时或者在深海中有时（如海洋声学，光学问题）
12、时或者在深海中有时需要考虑需要考虑。 5. 高层大气简介： 25 公里或 30 公里以上的大气,按温度分层它包括了平流层、中间层、热层和散逸层。按化学成分和物理特性有臭氧层、电离层和磁层，各层物理性质有很大的不同。 一 臭氧层：1 位置： 臭氧层位于地面以上 1040 公里处。臭氧分压和数密度在 2025公里处达到最大，最大数密度约为4.81018/m3。其最大质量混合比在35km 处，大约为 15g/g.2. 臭氧含量的表示法和单位： (1). 柱密度柱密度(也称压缩厚度也称压缩厚度)： 在标准温度在标准温度(273K), 标准压强标准压强(一个大气压一个大气压) 下单位垂直距离内的臭氧厚度
13、，记作下单位垂直距离内的臭氧厚度，记作 cmSTP/km. (2). 臭氧总量臭氧总量：为单位面积上垂直大气柱内所有的：为单位面积上垂直大气柱内所有的臭氧压缩到标准温压状况下的等效厚度。臭氧压缩到标准温压状况下的等效厚度。单位为单位为cmSTP 或或 Dobson 单位单位(缩写为缩写为 D.U.)。 1 D.U.=10-3 cmSTP. 地球上各地的臭氧总量地球上各地的臭氧总量在在 200 D.U. 到到 450 D.U.之间变化。之间变化。 3臭氧层形成原因：光化反应。 O O2 2 光解生成原子氧，光解生成原子氧， 三体碰撞产生三体碰撞产生O O3： M 可以是可以是 N2 或或 O2，
14、 碰撞时它们获得热量。， 碰撞时它们获得热量。 O O3 3 的光解和还原：的光解和还原： 这四个反应达到平衡时就形成臭氧层。这四个反应达到平衡时就形成臭氧层。 OOmmhO)24. 01 . 0(2MOMOO32OOmhO23)1 . 1(232OOO4. 臭氧的辐射特性和 臭氧层的作用：臭氧强烈吸收太阳紫外辐射。(1) 对大气增温，使平流层温度向上增加。同时使地面附近温度下降。(2) 使地面上的生物免受强紫外线 的伤害。二电离层：1. 概况： 高度范围：60500 公里。 特点：此层中大气的分子或原子 呈电离状态(分解为电子和 离子)。 按电子数密度的分布细分为 D 层，E 层和 F (F
15、1, F2)层。 D 层层：位于 6090 公里，中午电子浓度最大时为1.5104cm-3. E 层层：位于 90140 公里，最大电子浓度为1.5105cm-3. F1 层层：位于 140200 公里，最大电子浓度为2.5105cm-3. F2 层层：位于 200 公里以上，最大电子浓度为1.0106cm-3.2. 电离层形成的原因： (1). 光致电离： 主要由太阳紫外辐射引起。 (2). 微粒辐射产生的电离： 太阳微粒辐射（如太阳发射的 质子或电子）及宇宙线粒子进 入大气引起的电离。 3.电离层对电磁波传播的影响： 当电磁波进入电离层后，会发生吸收、折射和反射。因此它对无线电通讯、广播、
16、电视等有重要作用。当太阳发生耀斑或太阳局部地区发生扰动时，由太阳发射出的大量紫外线、x 射线或带电粒子流会引起电离层突然扰动或电离层暴，造成无线电信号的衰弱甚至中断。三磁层： 1. 太阳风： 从日冕发出的超声速的等离子体。 速度可达 300 km/s 到 1000km/s 离子密度约为 110 个/cm3 平均温度（热运动）为 105 K 量级 成分主要是质子、电子和氦原子核，还伴有磁感应强度为 1510-9 T (特斯拉) 量级的磁场。 2. 范艾伦辐射带： 位于磁层内离地面 1000 公里以上的一个特别强的辐射带。它是等离子体圈中带电粒子的高浓度区。四极光： 极光是出现在高纬度地区高层大气
17、中的一种气体发光现象。发生在北半球的称北极光，发生在南半球的称南极光。它形状各异，有时象下垂的帘幕轻轻摆动，我国俗称“开天门” 。1. 极光的地理分布和出现高度： (1) 地理分布：在南北磁极到南北磁纬 60之间的地区。 在磁纬6045之间地区有时也能观测到极光。 (2) 出现高度：极光底部一般在100 公 里 高处 。 顶部 可 达200650 公里。 2. 极光的成因： 有多种解释，一般认为极光是由太阳发射的微粒流引起的。在地磁场的影响下，微粒流聚集在地磁场附近，与那里稀薄空气中的原子或分子相碰撞，引起类似于阴极管内稀薄气体发光一样的大气发光现象。因此，在太阳活动强烈时，极光出现较多。有大磁暴时，在较低纬度也能看到极光。
