大气物理学
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学科位置
按研究范畴大体可划分为： 自然科学：数、理、化、天、 地、生、工 程 与材料科学、 信息科学、管理科学
社会科学
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地球科学
包括 大气科学 、海洋科学、地理学、地 质学等
大气科学
基础学科：大气物理学、大气化学、大气动力学、天 气学、气候学、大气探测学
应用学科：农业气象学、水文气象、医疗气象、污染 气象、人工影响天气等
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3 km
三、大气气溶胶粒子
1、定义：
大气中分散、悬浮有液体或固体微粒 时的气体和悬浮物的总体系称为大气气 溶胶。而其中的悬浮物就称为气溶胶粒 子。
尺度范围：1nm-100μ m
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2、分类 1）云降水学分类（按半径分类）
爱根核：半径在0.01到0.1微米之间。 大核：半径在0.1到1微米之间。 巨核：半径大于1微米。
1871，英国物理学家 Rayleigh解释了天空 兰色的 现象
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1908，德国物理学家G.Mie 解决了球形粒子的散射问题
1859-1901，这两 位德国物理学家 开创了辐射定律
Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858-1947） 德国物理学家，量子力学的开 创人
G.R.Kirchhoff （1824-1887） 德国物理学家
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•他们的计算结论是：作为“大爆炸”过程的遗迹， 目前宇宙中应普遍存在温度约5K的背景黑体辐射。 •1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探 测者卫星观测数据表明，该辐射的谱分布与 2．735K的黑体辐射完全相合，天空不同方向的相 对温差小于十万分之一。这就证明了背景辐射的 黑体性和普适性。这种“背景辐射”的存在是 “大爆炸”模型最令人信服的证据之一。 通过现代物理学理论，可以模拟宇宙在大爆炸后 110-43秒的状态，但对于此时刻之前还没有新的 理论将万有引力和广义相对论二者之间结合起来。
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2）大气物理学高速发展阶段（20世纪中叶以来）
具有重大实际应用问题的需要大大加速了大气物理学的发展。 1）1946年，美国物理学家ngmuir, V.J.Schaefer发 现干冰可以催化云产生降水
2）需要掌握大气环境演变规律，促使大气边界层与大
气湍流学科的发展
3）卫星、雷达等遥感技术的发展，推动了大气辐射学
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4、重要气体成分的作用
1）主要气体—氮、氧
对生命活动有重要意义，但对天气、 百万年尺度的气候变化没有什么作用。
2）微量、痕量气体—水汽、CO2 、O3 a)水汽 是云和降水的源泉； 在全球能量平衡中起重要作用，影响 地面和空气温度； 是地球系统的水循环中起重要角色。 39
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地表上的水 – 全球年水量平衡
从低层到高层依次为N2 、O、 He、 H
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第二节 大气组成
一、气体成分 90km以下干洁大气均匀混合，称为均匀层 1）按浓度时空变化是否明显来分， 分为： 定常成分：浓度的时空变化不明显 的 气体成分。主要包括N2、O2、惰性气体
可变成分：定义略。例如，水汽、 CO2、O3、CH4等
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2）按浓度
二、地球与宇宙
银河系与河外星系
银 河 系 中 心
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太阳系
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2006年08月24日北京时间晚间9:30，第26届国际天文学联合会IAU 大会就有关行星新定义的决议草案进行了表决，通过新的行星定义。 国际天文从而确认太阳系只有8颗行星，冥王星遭到彻底“降级”。 冥王星被排除在行星行列之外，而将其列入“矮行星”。现在太阳 系的天体包括：八大行星，矮行星和小天体。
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44 Fig. 1-4, p. 7
45 Fig. 1-3, p. 6
Increase in catastrophic flood events
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Global average sea level has risen and ocean heat content has increased
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干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气
的过程。包括重力下沉、附粘移出。
湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响
而下沉到下垫面移出大气的过程。包括凝长 下沉、碰并下沉。
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4、大气气溶胶粒子在大气过程中的作用
1）在云雾降水中的作用； 可作为水汽凝结和凝华以及水滴冻结的核 心，即部分大气气溶胶粒子可作为CCN（cloud condensation nuclei)或IN (ice nuclei) 2）对大气辐射过程的影响； 吸收和散射太阳辐射，影响大气温度的垂 直分布。
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Increase in frequency and intensity of droughts
Source: 48 OSTP
Snow cover and ice extent have decreased
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复习
大气物理 行星大气 地球大气的演化 现代大气的组成
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大气污染
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+ CCN +

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膨胀理论
上世纪70年代，美国科学家Alan Guth、Paul Steinhardt和美籍俄裔天文学家Andreas Linde 提出从大爆炸后110-35秒开始的110-32秒内宇宙 极速膨胀为原来的11050倍，然后减缓为近乎常 速。认为宇宙处于开放与封闭系统的边缘状态。

可解释大爆炸学说不能解释的宇宙常速膨胀和 宇宙的均匀性等问题，被广大理论天文学家认同。
主要气体：浓度≥1%，包括N2、O2、Ar
微量气体：1ppm—1%，包括CO2、 CH4 、Ne 、 He、 Kr、 水汽（2 ppm— 4%
痕量气体：＜ 1ppm，包括（见表）
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Table 1.1
U.S. Standard Atmosphere.
Content (% by volume) 78.084 20.948 0.934 0.333 18.18× 10-4 5.24× 10-4 1.5× 10-4 1.14× 10-4 0.5× 10-4 0.27× 10-4 0.19× 10-4 0-12× 10-4 0.089× 10-4 0.004× 10-4 0.001× 10-4 0.001× 10-4 0-0.04× 10-4 0.0005× 10-4 0.00005× 10-4 Traces
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Constituent gas Nitrogen (N2) Oxygen (O2) Argon (Ar) Carbon dioxide (CO 2) Neon (Ne) Helium (He) Methane (CH 4) Krypton (Kr) Hydrogen (H2) Nitrous oxide b (N2O) Carbon monoxideb (CO) Ozone (O3) Xenon (Xe) Ammoniab (NH3) Sulfur dioxide b (SO2) Nitrogen dioxide b (NO2) Water vaporb (H2O) Nitric Oxideb (NO) Hydrogen Sulfideb (H2S) Nitric acid vapor
UV-A
UV-B
315~400
280~315
基本不吸收
吸收大约90％
UV-C
200~280
全部吸收
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全球年总降水量=500000 km3 3 全球年总蒸发量=500000 km
陆地年总降水量=110000 陆地年总蒸发量= 70000 km3 3 余40000 km
----------- ----------------地面
的研究
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第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化
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第一节 宇宙、地球、大气的 起源和演化 一、宇宙的起源 大爆炸学说
•按照Friedmann等人的理论，Russian American physicist George Gamow 和他的 学生American physicists Ralph Alpher and Robert Herman （1940s）认为过去必定 存在一个有限的时刻，那时宇宙中的物质被 压缩为极高密度的状态，这个时刻被称为 “大爆炸”，也就是宇宙起源的时刻。
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b) CO2 c) O3
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The current concentration of CO2 is about 365 ppm (part per million), as compared to the pre-industrial concentration of about 285 ppm. This is an increase of about 28%. This increase is primarily due to the burning of fossil fuels (also some loss of biomass)

上世纪90年代以来，观测天文学家对该理论有 不同看法，认为宇宙应该是一个开放系统。

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膨胀理论图示：白点代表星系，膨胀后相互远离
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宇宙无限论：
•在17世纪，Galilei、Newton 在经典力学 体系的基础上，建立了宇宙无限无边的理论， 即宇宙的体积是无限的，没有空间边界，无 限的天体分布在无限的空间之中。
2）大气环境学分类
TSP、降尘、PM10、PM2.5、尘粒、粉尘、 灰霾、等。
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3、大气气溶胶粒子的源和汇
1）源
据估计，全球气溶胶质粒主要是自 然界产生的，人工来源仅为自然来源的 五分之一。 包括海水飞沫（见下图）、气粒转 换、风扬沙尘、火山爆发