大气热力学

中国地质大学（北京）2023年硕士研究生入学考试《大气科学基础综合（861）》考试大纲与参考书目4. 大气动力学大气动力学基本方程组，大气运动的尺度分析及近似，自由大气中的风。

5. 大气光化学大气光化学理论，氮-氧大气的Chapman光化学平衡理论，大气气体对辐射的吸收，纬度对光解速率的影响。

6. 对流层化学与云雾降水化学对流层中羟自由基的产生；NO2,NO,和O3的基本的光化学循环；CO的大气化学；甲烷的大气化学；NOx和NOy族类；对流层臭氧的均衡和NOx的作用；对流层储存的分子；对流层O3形成过程中NOx和VOC的相对角色；简化的有机物和NOx 的化学；对流层中非甲烷有机物化学；生物源碳水化合物的大气化学；还原性氮化合物的大气化学；气相硫化合物的大气化学；卤素化合物的对流层大气化学；云化学；雾化学；降水化学；酸雨问题。

7. 大气气溶胶大气气溶胶的基本概念；气溶胶粒子的寿命；粒子尺度；尺度范围及性质；粒子浓；粒度谱分布；谱分布经验函数；气溶胶粒子的产生过程；大气气溶胶的化学组成及元素浓度谱分布；气溶胶的来源的判定与分析；气溶胶的观测实验方法。

8. 大气化学成分变化及其气候环境效应大气化学成分的变化及其成因；大气化学成分变化的证据；大气化学成分变化的势态；大气成分在气候环境系统中的作用及其引起的气候环境效应；温室气体与温室效应；光化学雾和雾霾；气溶胶的阳伞效应；环境空气质量标准；大气污染物排放标准。

参考书目1、《大气物理学》（第二版），盛裴轩等，北京大学出版社，2013.2、《大气环境化学》（第二版），唐孝炎，张远航，邵敏主编，高等教育出版社，2006.3、《Atmosperic Chemistry Physics》, Seinfeld, J.H. S.N. Pis, JOHN WHLEY & SONS, INC., 2006.备注。

大气物理学笔记一、大气的组成与结构。

1. 大气组成。

- 干洁大气：主要由氮气（约占78%）、氧气（约占21%）、氩气（约占0.93%）等组成。

这些气体在大气中的比例相对稳定，对大气的物理和化学性质有着重要影响。

- 水汽：是大气中含量变化最大的成分，其含量在0 - 4%之间。

水汽是天气现象形成的重要因素，如云、雨、雾等的形成都离不开水汽。

- 气溶胶：包括固体和液体微粒，如灰尘、烟雾、海盐等。

气溶胶对太阳辐射有散射和吸收作用，还可以作为云凝结核影响云的形成和降水过程。

2. 大气结构。

- 对流层。

- 高度：低纬度地区平均为17 - 18千米，中纬度地区平均为10 - 12千米，高纬度地区平均为8 - 9千米。

- 特点：气温随高度递减，平均递减率约为6.5℃/千米；空气具有强烈的对流运动，这是由于地面受热不均引起的；集中了大气质量的约3/4和几乎全部的水汽和杂质，天气现象复杂多变。

- 平流层。

- 高度：从对流层顶到约50千米的高度。

- 特点：气温随高度增加而升高，这是因为平流层中有臭氧层，臭氧吸收太阳紫外线辐射而使气温升高；空气以平流运动为主，气流平稳，有利于飞机飞行。

- 中间层。

- 高度：从平流层顶到约85千米的高度。

- 特点：气温随高度递减，再次出现随高度降低的情况；空气具有强烈的垂直对流运动。

- 热层。

- 高度：从中间层顶到约500千米的高度。

- 特点：气温随高度迅速增加，这是由于该层中的原子氧吸收太阳短波辐射而使气温升高；该层空气处于高度电离状态，存在大量的离子和电子，也被称为电离层，对无线电通信有重要影响。

- 散逸层。

- 高度：500千米以上。

- 特点：大气极其稀薄，分子间距离很大，一些高速运动的粒子可以挣脱地球引力的束缚而散逸到宇宙空间。

二、大气静力学。

1. 大气压力。

- 定义：大气对单位面积表面的压力。

其单位为帕斯卡（Pa），1标准大气压 = 1013.25 hPa。

- 垂直分布：大气压力随高度增加而减小，在近地面大气压力较大，随着高度升高，大气柱的质量减小，压力也随之降低。

大气物理学大气物理学是一门气象专业基础课。

学习该课程是为了使学生了解和掌握大气物理学各个方面的基础知识和基础理论，为学习专业课打下坚实基础。

本门课主要包括大气的组成和结构、大气静力学、大气辐射、大气热力学等知识。

第一章 行星大气和地球大气的演化一、要求：了解地球的演化和地球生命的起因，掌握地球大气演化的三个阶段。

二、考试内容（1） 行星大气（2） 地球大气的演化三、例题：（1）地球大气的演化大体可分为 、 和 三个阶段。

四、作业：（1）行星大气的演化主要决定于该行星距太阳的距离及重力场的强度，对吗？为什么？（2）地球具有哪些独特的条件，使它成为太阳系中唯一存在生命的星球？第二章 地球大气的成分及其分布一、要求：了解空气的主要成分、主要的气象要素；掌握湿度的表示法、状态方程、虚温、水汽和大气气溶胶的作用等概念。

二、考试内容（1）干洁大气（2）大气中的水汽（3）大气气溶胶三、例题：（1）气温15.0℃，大气压力百帕，混合比 ，求（a ）饱和水汽压，（b ）水汽压，（c ）饱和差。

（d ）相对湿度，（e ）绝对湿度，（f ）比湿。

（2）什么是大气气溶胶粒子？它在哪些大气过程中有重要作用？如果假想大气中完全不存在大气气溶胶，地球大气环境会有什么变化？（3）计算气压为1000hPa ，气温为27℃时的干空气密度和在相同温压条件下，水汽压为20 hPa 时的湿空气密度。

（4）计算垂直密度梯度，在该高度上密度为1.0千克/米3，温度为23.1℃，气温直减率为0.65℃/100米。

如果空气密度不随高度变化，那么?T z∂=∂四、作业：（1）气温为3℃,相对湿度为30％，求露点\霜点及水汽密度。

若大气压强为1005 hPa ，求比湿。

（2）计算垂直密度梯度，在该高度上密度为1.0千克/米3，温度为23.1℃，气温直减率为0.65℃/100米。

如果空气密度不随高度变化，那么?T z ∂=∂ （3）简述南极臭氧洞产生的原因。

1、大气的组成成分：氧气、2、大气的结构：根据大气运动状况、温度密度、大气成分分成三层。

最接近地表的这层叫做对流层，对流层顾名思义对流运动旺盛，什么是对流运动，同学们高中物理学过，我不多说。

流体内部由于各部分温度不同而造成的相对流动。

天气变化复杂多样，所以对流层是与人类生活最密切的大气层。

在对流层中，气温会随着高度的升高而降低。

在低纬度地区平均高度为17～18公里，在中纬度地区平均为10～12公里，极地平均为8～9公里，并且夏季高于冬季。

平流层是从大气的运动上来命名的。

平流层大气结构比较稳定，原因：我们可以看出，平流层气温的变化与对流层的变化是相反的，气温随着高度的增加而增加。

这又是为什么呢？因为在平流层的顶部有一层厚厚的臭氧层，臭氧吸收了大量紫外线后使得平流层的顶部空气温度相对较高。

下面来看高层大气。

蓝色的这条曲线代表的是高层大气气温随高度变化的规律。

我们可以看到高层大气在这个地方，趋势改变了，那么高层大气为什么会在这个地方改变了原有的变化趋势呢？高层大气底层，是平流层和高层大气的分界处，仍然具有较高的臭氧含量，因此，这里也保持了较高的温度。

高层大气中层，这里没有足以引起气温升高的臭氧，臭氧浓度低，气温降低，之后，受太阳辐射大，气温升高。

刚才说过，对流层当中，随着海拔增高，气温会不断降低，而太阳光却是从外太空来到地表的，为什么却是越接近地面，气温越高呢？这说明热源是来自地面，为什么地面会成为对流层大气的热源呢？我们接下来就学习大气的受热过程。

地球所获得的外部能量根本来源是太阳。

太阳通过太阳辐射使得地球获得源源不断地能量。

虽然只有太阳总辐射量二十亿分之一，但却是地球巨大的能量源泉。

那什么叫做太阳辐射呢？太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流，既然是电磁波，电磁波有可见的波段也有不可见的波段，这主要取决于波长。

根据太阳辐射波长的不同，将太阳辐射的波段分为三部分。

分别是。

各占多少能量。

刚才说过紫外线会被臭氧吸收，所以在高层大气当中，紫外光就被吸收了。

大气的热力学总熵1张学文马力(新疆气象科学研究所，乌鲁木齐，830002)提要在考虑了大气各化学成分的熵、扩散引起的熵增加和位温在大气中的分布以后，求得全球大气总熵为3.56x1022J/K．本文给出从位温求熵的新公式，还发现不同位温占有的大气质量遵守概率论中的Gamma分布．本文还就热力学熵与信息熵的关系作了有启发意义的讨论．关键词：熵；位温；大气热力学．一、引言地球大气共有多少物质?有多少能量?至今这类问题已经基本弄清楚了．那么大气有多少熵呢?这是近年才提出的问题．在天气学中我们对与熵密切相关的位温是早有研究了．可是把围绕全球的大气作为一个热力学系统看待，并进行相应的熵的收支平衡分析，则仅是在近10年才有所开展[1、2] .我们认为分析大气熵的总量、主要形态、收支平衡等方面的问题对认识大气演化与维持是至关重要的．它连同熵原理一起，有望使我们对大气环流与演化有新的认识．本文的中心工作是计算全球大气热力学熵的总量．这犹如过去设法计算大气的质量是多少、能量是多少那样，都是大气研究的基本工作．本文包括如下4个主要问题：·标准状态下一克空气的热力学熵；·任意位温下一克空气的热力学熵的新计算公式；·平均状态下大气中不同位温的大气质量各有多少·用以上数据算出全球大气的热力学总熵．二、标准状态的空气熵化学中把一个大气压(1013hPa)25℃的热力条件称为标准状态．这时1克分子11990年5月29日收到，1991年2月收到再改稿，自然科学基金会项目(1mol)某种化学物质的熵值是可以从有关手册、书籍中查到的．大气中的主要化学成分为氮（N2）、氧（O2）、氩（Ar）、水汽（H2O）。

现将查得[3、4]的有关克分子熵（摩尔熵）的数据统一列于表1中。

表1 计算1克空气熵的有关数据项目单位氮（N2）氧O2）氩（Ar）水汽（H2O）合计注1摩尔熵J/mol. k 191.5 205.1 154.7 188.72分子量28.0 32.0 39.9 18.03含量g 0.753 0.231 0.013 0.003 1.0004摩尔数mol 0.02689 0.00722 0.00033 0.00002 0.03460 (3)/(2)5绝对熵J/K 5.1500 1.4806 0.0504 0.0315 6.7124 (1)×(4)6信息熵nat * 0.1959 0.3270 0.0443 0.0043 0.5716*依（3）式计算时对数的底为自然数e，信息论中把这样算得的熵称为nat（纳特）表1的第1行显示大气中几种成分在标准状态下的摩尔熵界于205．1(02)一154．7 (Ar)J／mol·K之间．第二、三行分别列出对应的分子量和1克空气中的含量2．把第3行的数据分别以对应的分子量(第2行)除，则得1克空气中对应成分的摩尔数(第4行)．以摩尔数乘摩尔熵[表中(4)X(1)]，即得第5行．它表示1克空气中各种化学成分对应的熵值．其合计值为6.714J／K，它是标准状态下1克空气中各成分的熵的合计值．6.714J／K能否认为是标准状态下1克空气的熵呢?还不行．原因是当把几种纯化学成分从分离状态混合在一起时，系统内部的混乱程度加大了．熵是混乱程度的计量，所以把几种纯化学气体混合在一起时还引起了熵的加大．这就是热力学中讲的扩散过程引起的熵变化，它过去也曾作为吉卜斯佯谬来讨论．图1对这种混合过程作了说明．图1 4种气体混合后增加了熵(混乱度)(a)分隔开的4种空气成分，(b)4种气体混合成空气2水汽含量是以大气平均含水量为标准的依文献[5]，几种气体物质在同温、同压下混合在一起引起的附加熵S ∆为∑-=∆ii i x n R S ln (1)R 为通用气体常数、n i 为第i 种成分的摩尔数，而x i 是n i 与参与混合的全部气体的总 摩尔数)(∑=in n n 的比值(≤1)．对(1)式也可改写成⎪⎭⎫⎝⎛-⋅=∆∑i i i x x nR S ln (2)现在设想做一种理想实验：从混合好的空气中任取一个分子，那么取出的分子恰为第i 种成分的分子的概率q i 显然是n i /n ．即应为x i (依古典概率定义)．所以(2) 式又可写成⎪⎭⎫⎝⎛-⋅=∆∑i i i q q nR S ln (3)而上式括号中的式子对应于信息论中的信息熵[6]，换言之 信息熵）(⋅=∆nR S (4) (3)式中括号内各项的值已列于表1的第6行，并以信息熵称之．其合计为 0.5716nat ．取R=8.314J ／mol·K ，n =0.03460(表1第4行合计值，即1克空气的摩尔数)也代人(3)式得 J/K 1643.0=∆S ．这个S ∆应当与先前求得的表1中绝对熵的合计值(6.7124)相加，从而求得1克 空气在标准状态下(1013hPa ，25℃)的熵为6.8767J ／K ．三、任意状态下的空气熵如何从标准状态熵求出任意状态下的熵呢?位温与熵的关系式恰好可以用来解决此 问题。

重力场中的热力学简述及其应用
在重力场中，物体受到地球的引力作用，从而产生热力学效应。

热力学研究热量和能量的转换和传递规律，而重力场中的热力学则研究受重力场影响的系统中热量和能量的转换和传递规律。

重力场中的热力学主要应用于以下几个方面：
1. 行星大气层的热力学：重力场对大气层内气体的压强、密度、温度等参数产生影响，进而影响大气的动力学和热力学过程。

热力学分析能够帮助我们理解行星大气的结构和演化。

2. 行星内部的热力学：重力场对行星内部的物质分布和运动状态产生影响，进而影响其热力学过程。

例如，地球内部的地热能的产生和分布与地球的重力场密切相关。

3. 星际空间的热力学：重力场对星际空间中的物质运动和能量转换产生影响。

研究星际空间的热力学过程有助于理解星系的形成和演化，以及恒星和星际介质之间的相互作用。

4. 人造天体的热力学：在人造天体如卫星、航天器等的设计和运行过程中，重力场对其热力学性能和热控制产生影响。

热力学分析可以帮助确定天体上的热平衡条件，保证设备的正常运行。

总之，重力场中的热力学研究涉及到行星大气、行星内部、星际空间以及人造天体等领域，通过分析热量和能量的转换和传递规律，有助于理解和应用于这些领域中的各种现象和问题。

大气物理学（大三）第六章 大气热力学基础一、热力学基本规律1、空气状态的变化和大气中所进行的各种热力过程都遵循热力学的一般规律，所以热力学方法及结果被广泛地用来研究大气，称为大气热力学。

2、开放系和封闭系(1) 开放系：一个与外界交换质量的系统(2) 封闭系：和外界互不交换质量的系统(3) 独立系：与外界隔绝的系统，即不交换质量也不交换能量的系统。

3、准静态过程和准静力条件(1)准静态过程: 系统在变态过程中的每一步都处于平衡状态(2) 准静力条件：P ≡Pe 系统内部压强p 全等于外界压强Pe4、气块（微团）模型气块（微团）模型是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。

气块（微团）模型就是从大气中取一体微小的空气块，作为对实际空气块的近似。

5、气象上常用的热力学第一定律形式【比定压热容cp 和比定容热容cv 的关系cp= cv+R ，（R 比气体常数）】6、热力学第二定律讨论的是过程的自然方向和热力平衡的简明判据，它是通过态函数来完成的。

7、理解熵、焓（从平衡态x0开始而终止于另一个平衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增加的方向进行；等焓过程: 绝热和等压；物理意义：在等压过程中,系统焓的增加值等于它所吸收的热量）8、大气能量的基本形式：（1）内能；（2）势能；（3）动能；（4）潜热能9、大气能量的组合形式（1）显热能：单位质量空气的显热能就是比焓。

（2）温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。

（3）静力能: 对单位质量的干（湿）空气，干（湿）静力能：（4）全势能: 势能和内能之和称全势能10、大气总能量干空气的总能量: 湿空气的总能量: 二、大气中的干绝热过程1、系统（如一气块）与外界无热量交换（δQ=0)的过程，称为绝热过程。

286.0000)()(p p p p T T d ==κ（对未饱和湿空气κ= κd=R/Cp=0.286计算大气的干绝热过程） 例：如干空气的初态为p=1000hpa ,T0=300K ，当它绝热膨胀，气压分别降到900hpa 和800hpa 时温度分别为多少？2、干绝热减温率定义：未饱和湿空气块温度随高度的变化率的负值为干绝热减温率γv ，单位°/100mdp ρ1-dT c =αdp -dT c =δQ p p 2p k d V 21+gz +T c =E +Φ+U =E Lq +V 21+gz +T c =Lq +E +Φ+U =E 2p k m m C m k km K c g o pdd 100/1100/98.0/8.9≈===γ3、位温θ定义: 把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压（常取1000hpa ）时应有的温度称位温。