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22大气的热力状况

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  太阳辐射透过地球大气到达地球表面,在地球表面和大气之间进行着一系列的能量转换,形成地球表面复杂的大气热力状况,维持着地球表面的热量平衡。

大气的热力作用
  地球上许许多多与人类生活和生产密切相关的大气现象,都与大气的热力作用有关。大气的热力作用主要表现为大气对太阳辐射的削弱作用和大气的保温效应。

(一)大气对太阳辐射的削弱作用 投射到地球上的太阳辐射,要穿过厚厚的大气,才能到达地球表面。由于大气对太阳辐射的吸收、反射和散射作用,从而削弱了到达地面的太阳辐射。


  人眼能看见的可见光区(波长在0.4~0.76微米之间),占太阳辐射总能量的50%;紫外线区(波长小于
0.4微米)占太阳辐射总能量的7%;红外线区(波长大于0.76微米)占太阳辐射总能量的43%。

  大气对太阳辐射的吸收具有选择性。平流层大气中的臭氧,主要吸收太阳辐射中波长较短的紫外线。对流层大气中的水汽和二氧化碳等,主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光却吸收得很少,大部分可见光能够透过大气射到地面上来。由此可见,大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的。


在太阳辐射的可见光中,波长较短的蓝、紫色光最容易被空气分子所散射,所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。

  大气中的云层和较大颗粒的尘埃,能将投射到其上的太阳辐射的一部分,又反射回宇宙空间。云的反射作用最为显著。云层越厚,云量越多,反射越强。在夏季,多云的白天,气温不会太高,就是因为云的反射减少了到达地面的太阳辐射。
  当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时,太阳辐射的一部分便以这些质点为中心,向四面八方散射开来,从而使一部分太阳辐射不能到达地面(图2.4)。
  大气对太阳辐射的反射、散射和吸收作用,削弱了到达地面的太阳辐射。但是,不同纬度地区又有差异。太阳高度越大的地区,太阳辐射经过大气的路程越短,被大气削弱得越少,最后到达地面的太阳辐射就越多;反之越少(图2.5)。这是太阳辐射由低纬向两极递减的原因之一。

(二)大气的保温效应 地面吸收太阳辐射能而增温,同时地面又把热量向外辐射。由实验得知,物体的温度越高,辐射中最强部分的波长越短;反之越长。由于地球表面的温度比太阳低得多,所以地面辐射的波长比太阳辐射长得多,其能量主要集中在红外线部分。因此,相对于太阳短波辐射来说,地面辐射为长波辐射。
  对流层大气中的水汽和二氧化碳等,吸收红外线长波辐射的能力很强。因此,地面放出的长波辐射除极少一部分透过大气返回宇宙空间外,绝大部分(75%~95%)都被对流层大气中的水汽和二氧化碳等吸收,使大气增温。所以,地面是对流层大气主要的直接热源。
  大气在增温的同时,也向外放出红外线长波辐射。大气辐射除一小部分向上射向宇宙空间外,大部分向下射向地面,其方向与地面辐射正好相反,故称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面,这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量,对地面起到了保温作用。天空有云,特别是有浓密的低云时,大气逆辐射更强。

  综上所述,地球大气对太阳短波辐射几乎是透明体,大部分太阳辐射能够透过大气射到地面上,使地面增温;大气对地面长波辐射却是隔热层,把地面辐射放出的热量绝大部分截留在大气中,并通过大气逆辐射又将热量还给地面。人们把大气的这种作用,称为大气保温效应(图2.6)。
  地球大气对太阳辐射的削弱作用和对地面的保温作用,既降低了白天的最高气温,又提高了夜间的最低气温,从而减小了气温日较差。由于大气的保温效应,才使地球表面平均气温提高到15℃,形成适宜人类生存的温度环境。如果没有大气的保温效应,地球表面的平均气温将会下降到-18℃,那么地球上的绝大多数生态系统将不复存在。

全球的热量平衡
  地面和大气之间,除上述辐射能的转换外,还有其他热能形式的转换(如潜热输送①、湍流输送②等)。就整个地球多年平均状况来看,地球(地面和大气)收入的热量与支出的热量是相等的(图2.7),即热量收支平衡。这就使全球的平均气温比较稳定。但由于人类活动不断地向大气中输入二氧化碳等气体,造成的大气保温效应将会使地球的热量收支失去平衡,可能导致全球气候变暖。全球变暖又会引起一系列的生态变化,进而影响全球的经济结构。这一问题,已引起全世界科学家、各国政府和公众的普遍关注。

活动
1.在晚秋或寒冬,为什么霜冻多出现在晴朗的夜晚?为什么人造烟幕能起到防御霜冻的作用?
2.观察图2.8,仅从地球大气的热力作用,说明为什么地球表面温度的昼夜变化不像月球那样强烈。


作者:along 来源:本站原创 发布时间:2004年07月29日
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