文档介绍：第五章气候变化的大气化学原理
教学内容:
§1大气的辐射传输过程
§2大气温室效应的科学原理简介
§3 温室气体与全球气候变化
§4臭氧层破坏问题
§1 大气的辐射传输过程
★地球大气系统的能源主要是太阳辐射。
(一)太阳辐射
太阳以电磁波的形式向外传递能量,称为太阳
辐射。
太阳辐射所传递的能量称为太阳辐射能。
特点:太阳表面温度约6000K,其辐射能绝大部
— ㎛之间,因而称为短波
辐射。(对流层大气和地面温度为250 — 300K,辐射波长主要在 3 — 120 ㎛之间,为长波辐射)。
◆太阳辐射强度:单位时间内垂直投射在单位面
积上的太阳辐射能。
1、大气上界的太阳辐射
◆太阳常数(S0):在日地平均距离上,大气
顶界垂直于太阳光线的单位面积上每分钟接受
的太阳辐射,称为太阳常数,即 1367W/m2 。
◆到达大气上界的太阳辐射取决于:
太阳高度——太阳辐射强度与太阳高度的正弦
成正比(朗伯定律);
日地距离——水平面上的太阳辐射强度与日地
距离的平方成反比;年变化约7%;
可照时数——太阳辐射强度与可照时数成正比,
夏强冬弱。
2、太阳辐射在大气中的减弱过程
◆大气的吸收:能吸收太阳辐射的物质包括臭氧、
氧、水汽、二氧化碳、云、雨滴、气溶胶粒子等,
它们选择性吸收太阳辐射(太阳光谱的两端)。
◆大气的散射和反射:
空气质点小,选择散射短波辐射;而水滴、尘埃
等质点大,散射无选择性,称为漫射。散射波长
集中于可见光波段。
云层、气溶胶粒子等有较强的反射作用,如云层平均反射率达50—55%。
上述三种方式中,反射作用最主要,其次是
散射,而吸收作用最小,它们共使到达地面的太
阳辐射减弱了约一半。
3、到达地面的太阳辐射
◆包括两部分:直接辐射(S)和散射辐射(D),
两者之和称为太阳总辐射(S+D)。
◆直接辐射:其强弱受太阳高度和大气透明度影响。
贝尔(Beer)削减定律
S = I0 P m I0:太阳常数;P:大气透明度;
m:大气质量。
直接辐射有日变化、年变化和纬度变化。
◆散射辐射:其强弱受太阳高度、大气透明度、
云的特性(云量、云状)和海拔高度等影响。
◆太阳总辐射
影响直接辐射和散射辐射的因素,也是
影响总辐射的因素,所以总辐射也有日变化、
年变化和纬度变化。
在我国,年总辐射量最高的地区是海拔
高度大的西藏(212—252W/m2),干旱少
云的新疆、青海、黄河流域次之(159—212
W/m2 ),而云、雨较多的长江流域与华南
大部却较少(119—159W/m2 )。
4、地面对太阳辐射的反射
到达地面的总辐射一部分被地面吸收,另一部分被反射。反射部分占总辐射量的百分比称为反射率(r)。
反射率的大小取决于:
地面性质(水面、陆面);
地面状态(颜色深浅、粗滑、干湿)。
陆面反射率约10—30%,洁白的新雪反射率可达90—95%;水面反射率平均约10%。
(二)地面辐射与大气辐射
地面和大气在吸收太阳辐射的同时,又按
其自身温度日夜不停地向外放射长波辐射。
1、地面辐射:地面以电磁波的方式向上发射指向大气的辐射,称为地面辐射。其波长为3
— 80㎛, ㎛。
地面辐射大小主要取决于地面温度(平均300K)。白天地面吸收太阳辐射多于放射的辐射而增温;夜晚没有太阳辐射,地面因辐射而降温。
“大气窗”——地面辐射绝大部分( 75 —95%)被大气吸收,—12 ㎛的部
分,可穿过大气层逃逸到宇宙空间,所以称此
波段为“大气窗”。
2、大气辐射:
大气主要靠吸收地面辐射而增温。大气按
其自身温度,以电磁波的方式向四面八方发射
长波辐射,称为大气辐射。它的波长为 7 —
120㎛,最大辐射能量波长在15 ㎛。
其大小取决于大气温度、湿度和云天状况。
3、大气的保温效应:
大气辐射向下指向地面的部分,方向与地面辐射相反,称为大气逆辐射。大气逆辐射几乎全部为地面所吸收,这对地面因辐射而损耗的能量得到一定的补偿,所以大气对地面有保温作用。这种作用称为大气保温效应或温室效应。
(三)地气系统的辐射平衡
把地面和对流层看作一个统一体,称为地
气系统。地气系统在一定时间内辐射能收入与
支出的差,称为地气系统净辐射,即:
Rs=(S+D)·(1-r)+qa-F∞
式中, Rs—地气系统净辐射; qa —大气吸收的太阳辐射; F∞—地气系统长波射出辐射。
地气系统净辐射随纬度而变,低纬为正值,
有热量剩余;高纬为负值,热量亏损,以南、
北纬30°附近为转折点。高低纬地区之间的气
温差异,推动大气环流和洋流的运动。