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1、原生大气：在地球凝聚诞生的早期，氢、氦、氖等气态物质组成了早期的原生大气层。原生大气寿命很短，在地球形成后不久就消失了，这是因为被强烈的太阳辐射向外不断散射的粒子流形成的太阳风吹得无影无踪了；再一个原因是地球刚形成时，质量还不大，引力较小，加上内部放射性物质衰变和物质熔化引起能量转换和增温，使分子热运动加剧，氢、氦等低分子量的气体便逃逸到宇宙空间去了。一般认为早期地球上曾有一阶段不存在大气圈。次生大气：地球刚形成时，温度比较低，并无分层结构。后来由于地球的重力收缩和放射性衰变致热等，才使地球内部温度升高，出现熔融现象，在重力作用下，物质开始分离，地球内部较轻的物质逐渐上升，外部一些较重的物质逐

2、渐下沉，形成一个密度较大的地核。后来地球温度不断下降，地球冷凝成固体。这时内部高温促使火山频频爆发，产生出二氧化碳、甲烷、氮、水汽、硫化氢和氨等具有较重分子量的气体，在地球引力的作用下逐渐积蓄在地球周围，形成了围绕地球的次生大气。地球的水圈，也正是在这个阶段由水汽凝结降落而形成的。大约在地球形成1015亿年，岩石圈、大气圈和水圈已经演化成形。现代大气：在地热、太阳能的作用下，简单的无机物和甲烷等化合生成氨基酸、核苷酸等有机物并逐步演化为蛋白质。大约在35亿年前，海洋中形成了简单的原始生物（细菌），属于厌氧型的生物，并逐渐演化产生叶绿素，进行光合作用，这就是水体中出现的最早自养生物藻类。随着紫外

3、线的光解和光合反应，大量的氧生成了，使地球上开始了生命活动的历程。此时海洋有效地阻挡了致命的紫外线辐射，使原始生命在海洋中繁衍起来。最后高空氧逐渐增多，在光解作用下产生了臭氧层，它使透过大气的紫外线大为减少，促使植物进入海洋上层，又增加了光合反应的机会，更促进植物生命的大大发展。随着这种相互间的协调和增益过程，直到4亿年前，生命终于跨过了漫长的岁月，从海洋登上了陆地。大气也演变成今天的样子。可见，生命也正是在大气的参与和保护下，通过以光合作用为主的复杂的过程而形成的。第一节 大气的组成和垂直结构一、大气的组成现代大气是由一些永久气体、水汽、雾滴、冰晶和尘埃等混合组成的，这种混合物一般分为三类：

4、干洁大气、水汽和气溶胶粒子。1干洁大气 不含水汽和气溶胶粒子的混合空气称为干洁大气。（1）氮和氧（2）臭氧（3）二氧化碳2大气中的水汽3气溶胶粒子 气溶胶是指大气中处于悬浮状态的土壤、肥料、浓烟、盐等的小颗粒，火山和宇宙尘埃、微生物、植物孢子和花粉、小水滴、冰晶等。二、大气的垂直结构大气总质量约为5.31015t，其中有50%集中在离地5.5km以下的层次内，在离地361000km的大气层只占大气总质量的1%。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气从地面到大气上界分为5层。即：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。1 对流层对流层是靠近地表的大气最底层。它的厚

5、度随纬度和季节的不同而有变化。就纬度而言，低纬度平均为1718km，中纬度为1012km，高纬度只有89km。就季节而言，夏季厚、冬季薄。对流层的厚度同整个大气层相比，虽然十分薄，不及整个大气层厚度的1%。但由于地球引力，使大气质量的3/4和几乎全部的水汽都集中在这一层。云、雾、雨、雪、风等主要大气现象都发生在这一层中，它是天气变化最为复杂的层次，因而也是对人类生产、生活影响最大的一层。对流层的主要特征：（1）温随高度增加而降低。（2）空气具有强烈的对流运动。（3）气象要素水平分布不均匀。2平流层平流层位于对流层顶到距地面约5055km的高度。平流层是地球大气中臭氧集中的地方，尤其在2025k

6、m高度上臭氧浓度最大，所以这个层又称臭氧层。平流层的特征：（1）气温随高度的上升而升高。（2）空气以水平运动为主。（3）水汽含量极少，大多数时间天气晴朗。3中间层中间层是从平流层顶到距地面85 km的高度。这一层的特征是气温随高度的增加迅速降低，气流有强烈的垂直运动，故又称高空对流层。其顶部的气温可降至-113-83 。其原因是这一层中几乎没有臭氧存在，但能直接吸收波长更短太阳辐射的氮和氧又大部分被其上层大气（热层）吸收了。层内的二氧化碳、水汽等更稀少，几乎没有云层出现。仅在7590km高度有时能见到一种薄而带银白色的夜光云，但机会很少。这种夜光云有人认为是由极细微的尘埃组成。在此层的6090

7、km高度上，有一个只在白天出现的电离层叫D层。4热层热层又称暖层，位于中间层顶以上。该层气温随高度增加而迅速增高，这是由于波长小于0.175m的太阳紫外辐射都被该层的大气（主要是原子氧）吸收的缘故。热层没有明显的顶部，通常认为在垂直方向上，气温从向上增温至转为等温时为其上限。有人观测热层顶部约在250500km，也有人认为可达800km。热层的主要特征：（1）气温随高度的增加迅速升高。（2）空气处于高度电离状态。据探测，暖层中各高度上的空气电离的程度是不均匀的。其中最强的有两层，即E层和F层。E层约位于90130km，F层约位于160350km。F层在白天还可分为F1和F2两区。据研究高层大气

8、（60km以上）由于受到太阳的强烈辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气中能产生电流和磁场，并可反射无线电波。从这一特征来说，这种高层大气又可称为电离层，正是由于高层大气中电离层的存在，人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。此外，在高纬地区的晴夜，热层中可以出现彩色的极光。这可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下，向南北两极移动，所以极光常出现在高纬度地区的上空。5散逸层这是大气的最高层，又称外层，是大气圈与星际空间的过渡带。这一层中气温随高度的增加很少变化。由于温度高，空气粒子运动速度很快，又因距地

9、心很远，受地心引力很小，所以大气粒子常可散逸至星际空间。同时也有宇宙空间的气体分子闯入大气，二者可保持动态平衡。第二节 大气污染由于人类活动或自然过程，使排放到大气中的物质的浓度及持续时间足以对人类及动植物的健康、设施或环境产生不利影响，破坏了生态系统和人类及动植物的生活生存条件的现象，称为大气污染。据世界观察研究所发布的世界环境状况报告指出：世界环境正在恶化，大气污染已成为全球十大环境问题之一。环境专家已测出260余种危害人体的挥发性有机物。如果让这种趋势继续发展，自然界将失去供养人类的能力。引起大气环境污染的物质主要来自两方面：一是自然界各种自然过程如火山爆发、森林大火等产生的，即“自然源

10、”；二是人类生产和生活过程产生的，即“人工源”。引起大气污染广泛而严重的主要是“人工源”，因此人们所指的污染源通常指的是“人工源”。一、 大气污染源1工业污染源 工业生产过程中产生的大气污染物是大气中污染物的主要来源，这类排放源的特点是大而集中。据统计，我国工业企业的烟尘和SO2排放量占全国总排放量的84%。2交通运输污染源 汽车、火车、轮船、飞机等交通运输工具与工厂相比，具有小型、分散、流动等特点，但其数量宠大，污染物排放总量也相当可观。特别是对人体危害极大的一氧化碳和氮氧化物，交通运输的排放量占总排放量的一半以上。例如，美国1970年统计全国排放一氧化碳1.47亿t，其中交通运输排放量占7

11、6%。飞机排放的污染物，目前虽然还不算很大，但随着航空事业的发展，在平流层飞行的飞机将不断增加，喷射的污染物会在平流层长期滞留，并逐渐进入臭氧层，从而将会对臭氧层产生不利影响。3农业污染源 农业生产过程中，因农药、化肥等使用不当，也会对大气产生严重的污染，对农业产品及产品质量也有不良影响。4生活污染源 生活污染源主要是指：家庭炉灶及取暖设备在燃烧过程中向大气排放的污染物质。由于其数量大、分散广、排放高度低，使排放的污染物常弥漫于居住区周围。污染物基本上是燃料（主要是煤）燃烧产生的烟尘、CO2、SO2等。特别是由于工业发展带来的城市人口集中，生活用煤产生的污染物数量相当可观，成为城市低空中大气污

12、染不可忽视的污染源。我国北方城市，冬季取暖用煤是城市大气污染的重要原因。二、大气污染物大气中除水汽在05%之间变化外，微小尘埃和微生物在大气中逐年增多，特别是近百年来，大工业的兴起、现代化生产的发展，把大量有害物质排放到大气中。它们可以是气态、液态或固态的微粒，通常分为七大类：1含硫化合物 大气中含硫化合物有：SO2、SO3、H2SO4、H2S、硫醇、亚硫酸盐、硫酸盐和有机硫化合物等。2含氮化合物大气中含氮化合物有NH3、N2O、NO、NO2等，氮氧化合物是大气中主要污染物之一，通常以NO、NO2危害最大。3碳氧化合物 大气中碳氧化合物主要来源于燃料的燃烧，污染物主要包括CO和CO2。4碳氢化

13、合物 由碳元素和氢元素组成的化合物称为碳氢化合物。大气中的碳氢化合物通常是指可挥发的碳氢化合物，又称烃类。它们主要是烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃等，其中CH4和C20H12是主要污染物。5含卤素化合物 大气中以气态存在的含卤素化合物大致可分为三类：卤代烃、其它含氯化合物和氟化物。6光化学氧化剂 光化学氧化剂是由天然源和人工源排放的氮氧化物和碳氢化物在阳光照射下，发生光化反应生成的。它主要包括：臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、二氧化氮（NO2）、醛类、过氧化氢（H2O2）等能危害人类和动植物，具有刺激性（如引起眼睛酸、痛、流泪等）、氧化性的物质，其中臭氧和PAN是最主要的。7颗粒物 颗粒物是

14、气溶胶、总悬浮颗粒物（TSP）、飘尘、降尘、可吸入颗粒物的统称。大气中除了包含有各种气体成分外，还悬浮有各种不同尺度的液态和固态的微粒。这种气体和粒子共存的体系称为气溶胶。将大气中的气溶胶称为大气气溶胶粒子。大气中的烟、尘乃至悬浮的微生物，花粉等皆可为大气气溶胶粒子，其粒径在0.002100m之间。总悬浮颗粒物（TSP）是指用标准大容量采样器在滤膜上收集到的粒子总质量。是我国大气环境质量标准中的质量指标，其粒径绝大多数小于100m，多数为10m以下。按颗粒物自然沉降特性分为降尘和飘尘，降尘是指粒径大于10m的微粒，飘尘是指粒径小于10m的微粒。可吸入颗粒物是指粒径小于10m的粒子。粒径越小，在

15、大气中停留时间越长，被吸入人体的几率越高。粒径大的颗粒易被鼻腔和咽喉所阻挡而沉积于上呼吸道，而粒经小的颗粒可进入呼吸道深部。粒经大于2m的粒子大部分留在了上呼吸道；小于2m的粒子可以一直到达肺部无纤毛区，对人体健康造成极大危害，因此目前可吸入颗粒物已取代总悬浮颗粒物成为大气环境质量标准的主要指标之一。三、大气污染的影响大气污染给人类和自然界带来了极大的危害，其危害除了前面在“污染源”和“污染物”中提到的对人类健康等方面的危害外，还涉及到许多其它方面。1对农业生产的危害农业生产的正常进行需要一定质量的大气为基本条件。各种来源的污染物输入大气，使大气质量发生相应变化。如果大气污染物浓度超过了农业的

16、允许水平，对农业生产将造成不良影响。如农作物减产，产品品质下降，价值降低等。常见的危害农业生产的污染物，按其毒副作用过程的不同，大体可分为氧化类、还原类或酸性类、碱性类或有机类、无机类等几大类。氧化类：臭氧、过氧乙酰硝酸酯（PAN）、NO2、Cl2等。还原类：SO2 、H2S、CO、甲醛等。酸性类：HF、HCl、HCN、SO3、SiF4等。碱性类：NH3等。有机类：C2H4、甲醇、苯、酚等。无机类：重金属及其氧化物、粉尘、烟尘、尘土等。各类大气污染物对植物不仅毒副作用的过程不同，而且毒性强弱也有很大差别,可分为从强到弱的A、B、C三级。如A级有HF、SiF4、C2H4、PAN等，B级有SOX、

17、NOX、硫酸烟雾、硝酸烟雾等，C级有甲醛、H2S、CO、NH3、HCN等。一般而言，就全世界范围来看，对植物影响最大的大气污染物主要是：SO2、O3、PAN、Cl2、HF、C2H4和NOX等。大气污染物对植物的危害除了与污染物的浓度和接触时间有关外，还与植物本身对污染物的抗性有关。一般把对某种大气污染物抗性最小的即最敏感的植物作为此种污染物的指标植物。如SO2的指标植物是紫苜蓿，氟化物和臭氧的指标物分别是唐菖蒲和烟草等。当然，大气污染物对植物是否造成危害及严重程度还与所处环境有关，如与气温、光照、水分、风向、风速、逆温、地形地貌等影响污染物扩散的环境因素有关。2对全球气候的影响人类每年向大气中

18、排放数亿吨的污染物，在一定程度上改变了低层大气的结构和性质，影响了地球表面对太阳辐射的收支状况，对天气、气候产生影响。（1） 酸雨酸雨是指pH5.6时的降水。空中降水本来是中性的，而酸雨含酸量一般超过正常含量几十倍，最低时pH值可达1.5。酸雨主要是由于大量的二氧化硫，在潮湿而污浊的空气中，与水膜接触后形成亚硫酸水溶液，进一步被大气中的金属离子催化氧化成硫酸而形成酸雨。它的毒性比SO2和氮氧化物大好多倍，被称为“天空中的死神”。酸雨的危害概况：欧洲大气化学监测网近20年连续监测结果表明，欧洲雨水的酸度每年增加10%，很多西北欧国家的酸雨pH值多为4.04.5，日本的降雨pH也已达4.34.4。

19、我国酸雨也日趋加重，1982年全国普查，酸雨面积约占国土面积的6.8%，酸雨城市主要出现在长江以南。重庆酸雨的pH值达4.04，广州市的酸雨pH值最低为3.69（1984年），贵阳为4.07。酸雨的危害是多方面的：首先，它使河流、湖泊酸化。挪威南部有1.3万km2的湖面无鱼，北欧和北美有2000个左右湖泊的物种绝迹。其次是危害植物生长，双子叶作物受害大于单子叶作物，尤其是根类作物，pH值在2.03.0可引起叶片伤害。1989年欧洲经济委员会和联合国环境规划署联合调查，发现有0.5亿km2的森林由于酸雨的危害出现枯萎。第三，降低土壤肥力，使土壤酸化。瑞典一些森林土壤的pH值降低了0.30.7，北

20、欧和北美在半个世纪前已发现土壤酸化。第四，严重腐蚀城市建筑物、机器、桥梁和艺术品。（2） 温室效应温室效应是指大气吸收地面长波辐射之后，也同时向宇宙和地面发射辐射，对地面起保暖增温作用。大气中能够强烈吸收地面长波辐射，从而起温室效应的气体称为温室气体，它们主要有二氧化碳、甲烷、臭氧、一氧化碳、氟里昂以及水汽等；除水汽以外，其它温室气体在自然大气中含量都极少（氟里昂还是人类制造出来的），因此，人为释放如不加以限制，便容易引起全球大气迅速变暖。根据对南极和格陵兰冰盖中密封气泡的CO2浓度测定，工业革命以前CO2浓度一直是比较稳定的，大约是28010-6左右，如按现在CO2浓度增长速度（年增长率大于

21、1.010-6,有的年甚至增长了1.510-6），大约到2100年前后可达到560-6，即比工业革命前增加了一倍。气温也将上升1.03.5，升温将主要集中在高纬度地区，南北两极的冰将加快融化。（3） 臭氧层遭破坏臭氧主要分布在平流层的1050km的范围内，尤其在1530km高度上臭氧浓度较大。目前由于人类制造出来的氯氟烃化合物，正在大量破坏臭氧层中的臭氧分子，使两极地区臭氧层明显变薄，南极上空春季甚至出现臭氧空洞（臭氧浓度只有正常值的1/3左右），紫外线大量通过大气层，使人患皮肤癌和白内障的机会增大。此外紫外线还能严重伤害植物，降低海洋生物的繁殖能力。目前已知影响臭氧层的化学反应物大约有一万种

22、。近年来发现，广泛用于各种雾化剂、除臭剂和制冷剂的氟里昂（CFCl3和CF2Cl2），对臭氧层的破坏特别严重， Cl和O3发生反应后，可以重新产生Cl，使O3不断分解。因此大气上层只要出现少量的Cl原子，就会带来严重影响。此外还有氮氧化物也能和臭氧发生反应使臭氧分解。四、大气污染的防治1 合理布局工业，减少污染物排放2 改进燃烧方法和燃料构成3 采用区域采暖集中供热4 减少交通废气污染5 合理使用农药和化肥6 造林绿化第二节 大气与农业在大气中，对农业生产影响较大的气体成分有二氧化碳、氮、氧、臭氧、水汽等。这里主要介绍一下二氧化碳对农业生产的影响。CO2是植物光合作用制造有机物的主要原料；植物

23、在光合作用过程中吸收CO2，又通过呼吸作用释放出CO2 。地球上，每年参与光合作用的CO2大约有1100亿t。科学家很早就发现光合作用在低光强下受光的限制，而在高光强下却要受CO2的限制。如果田间CO2浓度过低时将对作物的光合作用产生不利影响。在光合作用旺盛时，农田植被群体中常出现CO2不足的问题。农田中CO2的来源主要是大气和土壤。作物光合作用所需的CO2主要靠大气供给。一、 CO2浓度变化对农作物的影响1CO2浓度增高对不同类型植物的影响光合作用固定C元素的途径有C3、C4和景天科酸代谢型。增加CO2浓度，C3类植物无论在弱光还是强光下，光合作用均能得到促进，因此森林底层受荫蔽的植物，群体

24、过密的作物都能增加产量。2CO2浓度增高对植物光合率与生产力的影响增加CO2浓度，从长期来看可以延迟叶片衰老，使叶片有较长的时间维持活跃的光合作用，这对增产是有利的。3CO2浓度增高对植物水分利用率的影响植物每获得1个分子的CO2，叶片将通过同一扩散路径，失去几百个分子的水，光合作用吸收CO2同蒸腾失去水分的比值称为光合水分利用率。增加CO2浓度可减少小麦蒸腾约80%，玉米、高粱约68%。对14种作物的398次观测表明，平均减少蒸腾36%。一方面减少用水，另一方面增加光合率，结果使水分利用率相应地也提高了。二、CO2增加后对农业计划与措施的调整1作物类型的调整根据专家研究，增加大气中CO2浓度

25、，块茎是受益最大的，其次是籽粒。因此，作物类型将要做相应改变。增加CO2浓度，C4植物受益较少，所以C4植物如玉米、高粱、甘蔗等的地位将可能相应下降。2育种的考虑培育抗倒伏、不分孽过多的作物（如小麦）品种等，因为增加CO2后作物的生物量将增加，易发生倒伏现象。3耕作措施的考虑（1）因增加CO2而促进了早期生长，将更早地耗尽土壤中的水分，故在耕作措施上应相应地调整。（2）由于CO2充分，水分利用率高，作物的种植密度可以相应提高。（3）CO2后作物对肥料的要求更高，故应增加肥料的供应。4作物的分布区域CO2浓度的增加，使水分利用率提高，作物生长所需水量将减少，因此在缺水或缺少灌溉的地区，可以种植一

26、些原来不能种植的作物，并能获得高产。增加CO2浓度将增加植物的耐盐性。因为CO2浓度高可使作物多固定C元素，以增加碳水化物的供应，从而缓解盐害，使某些植物在中等盐渍地区能比原来长得快些，在原来不能生长的盐渍地能够生存下来。换言之，增加CO2浓度，可使植物略向多盐的地区扩展。如果某地含盐量逐年增加，则该植物能在该地区多种植几年。第二章 辐 射第一节 辐射的基本知识一、辐射与辐射能1辐射辐射是以电磁波形式传递能量的一种方式。自然界中的一切物体，只要其温度高于绝对零度，就会不停地以电磁波的形式向外传递能量，这种传递能量的方式称为辐射。以辐射方式传递的能量称为辐射能，简称辐射。辐射是能量传播方式之一，

27、也是太阳能传输到地球的惟一途径。电磁波可用波长（）、频率（）表示。波长常采用单位m（微米）或nm（纳米）；频率单位为Hz（赫兹）。各种频率的电磁波在真空中传播的速度（C）相等，称为光速C=3108m/s。电磁波的波长、振动频率和传播速度的关系为：（=c/）JY（2.1）从上式可看出，频率高的电磁波的波长较短，频率低的电磁波的波长较长。2 辐射能辐射的粒子学说认为，电磁辐射是由许多具有一定质量、能量和动量的微粒组成。这些微粒称为量子或光量子（quantum）。每个量子所具有的能量e（energy）与其频率成正比，波长成反比。它们之间的关系为：e=h 或 e=hc/ （2.2）式中h是普朗克常数，

28、h=6.6310-34Js。由式中可看出, 波长越短的光每个光量子所具有的能量越大，反之波长越长的光每个光量子所具有的能量越小。单个光量子所具有的能量非常小，量级是10-19 ，在实际应用中非常不方便，因此爱因斯坦（Einstein）提出采用每mol（阿伏加德罗常数6.021023）的光量子为单位，用Ei表示。例如波长0.4m和0.5m的一个爱因斯坦（Ei）所具有的能量，分别为299.2kJ和239.4kJ。在气象学中，通常以焦尔（J）作为辐射能的单位。自然界物体在单位时间、单位面积上发射或吸收的辐射能量称辐射通量密度E（Energy），单位是W/2。3 物体对辐射的吸收、反射和透射自然界中，

29、不论何种物体，在向外发射辐射的同时，必然会接受到周围物体向它投射过来的辐射。但投射到物体上的辐射并不能全部被吸收，其中一部分将被反射。如果物体是透明的，则还有一部分将透过物体。物体吸收的辐射与投射于其上的辐射之比，称为吸收率a（absorptivity）；物体反射的辐射与投射于其上的辐射之比，称为反射率r（reflectivity）；物体透过的辐射与投射于其上的辐射之比，称为透射率t（transmissivity）。对均匀介质而言，它们之间的关系为：a+r+t=1 （2.3）a，r，t是01之间无量纲数，分别表示物体对辐射吸收、反射和透射的能力。同种物体对不同波长的辐射有不同的吸收率、反射率和透射率，这种特性称为物体对辐射吸收、反射和透射的选择性。吸收率等于1的物体称为黑体。如果某物体对所有波长的辐射都能全部吸收，即a=1，则称此物体为绝对黑体；如果只对某一波长的辐射全部吸收，即 a=1， 则此物体对该波长为黑体。如果某物体的吸收率是小于1的常数，并且不随波长而改变，这种物体称为灰体。自然界并不存在绝对黑体和绝对灰体，但为了研究方便，可将某些物体在一定的波长范围内，近似地看作黑体或灰体，例如在814m波段内，黑而潮湿的土壤具有大约0.970.99的吸收率，故可近似地把它看为黑体。应当注意，这里定义的黑体与一般所谓的黑颜色物体是有区别的。物体的颜色只表明它反射