问题研究 何时“蓝天”常在
【设计思路】
大气的组成是本章的主要内容之一。随着人类活动强度的不断加强,人类活动对大气组成的影响越来越大。随之而来的大气污染现象不断加剧,大气污染特别是大气重污染对人类健康以及人类活动的危害不容忽视。研究大气污染及其治理问题,有利于培养学生的大气环境保护意识,也有利于培养学生的人地协调观。因此,教材在问题研究部分设计了有关大气重污染的内容。对于这个内容,社会的关注度比较高,为了增加问题研究的趣味性和吸引力,教材选用了“何时“蓝天’常在”这个话题。
此问题研究主要是让学生关注大气环境,关注大气污染现象,了解大气重污染程度及污染原因,通过发达国家大气污染治理的案例,让学生知道治理大气污染需要经历较长的时间。
教材将问题研究设计为四个步骤:认识大气污染现象;了解我国大气污染的形成原因;了解发达国家治理大气污染的措施和所用时间;讨论我国“蓝天”常在所需要采取的措施和花费的时间。
由于学生对大气污染的定义、大气污染的程度指标、我国大气重污染的成因,以及发达国家的大气污染治理等内容缺乏了解,教材补充了必要的扩展知识。这些扩展知识,主要是为了学生能够顺利进行问题研究而准备的。条件允许的情况下,这些知识也可由学生自己准备。
对于第一步认识大气污染现象,教材安排了大气污染的定义、影响因素、空气质量级别划分等内容,以便学生进行后续的研究。为了让学生知道大气污染程度的指标,教材引入了空气质量指数,介绍了影响空气质量指数的大气污染物。
对于第二步了解我国大气污染的形成原因,教材从自然原因和人为原因两个角度选取了一些我国近些年大气污染较为严重的原因。此外,教材还引导学生寻找其他原因。原因多种多样,这正说明大气污染的复杂性,可为后续讨论作铺垫。
对于第三步了解发达国家治理大气污染的措施和所用时间,教材提供了两个典型案例。一个是美国洛杉矶1943年的“光化学烟雾”事件,它是汽车尾气排放造成大气污染的典型案例;另一个是英国1952年的“伦敦烟雾事件”,它是燃煤造成大气污染的典型案例。每个案例都介绍了主要治理办法和最终空气达标时间。由此可知,发达国家治理大气污染都经历了漫长的过程。
对于第四步讨论我国“蓝天”常在所需要采取的措施和时间,教材设计了一个开放性的问题。对于这个问题,不必强求学生的观点有多么的科学,主要以培养学生的相关能力为主,如培养学生查找和整理资料的能力、提出问题和分析问题的能力、与人交流的能力等。
【实施建议】
本问题研究在教学总体上可以遵循“问题的提出-研究思路探讨-根据资料与所学知识开展研究形成对策-表达探究成果”。具体教学过程中要注意以下四点。
一、大气污染问题是突出的环境问题。党的十九大报告明确提出要“坚持全民共治、源头防治,持续实施大气污染防治行动,打赢蓝天保卫战”。教学中教师要引导学生深刻理解和体会本问题研究的现实意义,通过提供不同区域大气污染状况的视频和图片等资料,结合本地区大气质量现状,加强学生感性认识,提高学生探究的积极性和主动性。
二、研究中教师一方面要用好教材提供的典型资料;另一方面要鼓励、引导学生查找相关资料。引导学生在查找资料、分析问题的过程中感悟人类活动对大气环境的影响;调用已有知识发现问题并探讨解决问题的措施,体验所学知识在解决问题中的价值,增强解决问题的信心;同时意识到个人行为、公众参与在保护和改善大气质量方面的重要作用。
三、本研究内容涉及物理、化学、生物等学科知识,学生可以邀请其他老师一起参与研究。跨学科的综合研究有助于丰富和深化对大气污染现象的认识和对相关措施的理解。
四、本研究重在过程,教师的评价要考虑学生的研究结果(提出措施和时间),更要关注学生在研究过程中表现出的科学精神、研究方法、研究态度,以及对大气污染现状表达出的强烈关注等。为了拓展学生研究的广度和深度,教师可以采取小组合作、分组合作的方式开展活动。
研究思路
本问题研究的实施主要分为以下四个步骤。
1.认识大气污染现象
教师首先可以请学生就自己的日常见闻谈一谈对大气污染的感受和看法,以及获得这些信息的主要渠道。然后结合资料1的内容,补充相关信息源如专业网站、书籍杂志和论文等,引导学生多途径收集有关大气污染的资料,以更全面、更深刻地了解主要污染物、污染源及其对环境造成的危害。
此外,教师可以鼓励学生围绕社会热点问题,如霾现象或本地区的大气环境现状,更深入地探究。引导学生通过网络查询、走访气象和环境监测等部门获取有关大气环境质量的信息。
2.了解我国大气重污染形成的原因
本步骤的探究体现了学生的综合思维水平。大气污染的形成需要一定的大气条件和较高的污染物(颗粒物污染物和有害气体等)浓度,其本质是人类活动排放的大气污染物超过了大气环境的自净能力。教师可以首先引导学生收集和了解我国大气重污染形成的原因,然后按自然原因和人为原因加以区分和归纳。自然原因主要着眼于大气污染发生地的气象和地形条件;人为原因主要考虑本地污染源,如工业生产、机动车尾气、建筑施工、冬季取暧烧煤等排放的二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等大量有害物质,还要考虑污染物的远距离输送等。
此外,大气污染现象是多种多样的,形成过程也非常复杂,在不同区域、不同季节表现不同。教师可以在上述分析的基础上引导学生关注大气污染现象发生的时空尺度差异,即原因的“因时因地而异”。例如,从时间尺度看,大气污染的形成与我国所处的社会发展阶段密切相关。我国的经济发展用30年走过了发达国家200年的历程,大气污染也因此就有了积聚特征,经历了从粉尘污染时代到粉尘与硫酸盐污染时代,再到现在的粉尘污染与硫酸盐、硝酸盐的新型复合污染时代。从空间尺度看,我国京津冀、长江三角洲和珠江三角洲等地区,交通污染源已经成为大气污染的首要原因;而西部一些大工业城市,工业污染源仍占首位。
3.了解发达国家治理大气污染的措施和所用的时间
本步骤的探究体现了学生的综合思维水平和地理实践力,重在对信息的梳理与整合。建议学生着重收集有关英国、美国、德国和日本等发达国家治理大气污染的措施和所用时间。从中认识治理大气污染不是一蹴而就的,需要经历一个较长的阶段。在此过程中教师引导学生:(1)了解不同国家不同发展阶段防治大气污染采取的具体措施;(2)结合各国大气主要污染物及其来源,思考上述措施能够奏效的可能原因;(3)关注不同国家治理措施的相似性和差异性,从中找出具有普遍意义的措施;(4)结合我国现阶段国情思考这些措施对改善我国大气环境质量的启示。
4.讨论我国“蓝天”常在所需要采取的措施和时间
本步骤重在培养学生的综合思维能力和人地协调观。大气污染是一项复杂的系统工程,教师可以引导学生在分析我国大气重污染形成原因以及发达国家治理大气污染的措施和时间的基础上,首先探讨解决大气污染问题的有效途径;然后采取小组合作学习的形式,每组围绕一个主题,多角度、有针对性地提出标本兼治的治理措施和所需时间;最后在全班交流。此外,由于大气污染的治理具有很强的区域性、综合性和整体性特点,教师引导学生可以案例为载体,对不同空间尺度(国家、地区)产生大气污染的主要污染物及来源作具体分析,还可以邀请物理、化学和生物老师一起参与,开展跨学科的综合研究。学生讨论的观点体现了区域认知和综合思维,也体现了人地协调观的水平
上述四个步骤有着紧密的逻辑关系。学生对大气污染现象的时空特点认识越全面,对原因的了解越翔实透彻,对防治措施的讨论也越具针对性。
【知识拓展】
资料1 大气污染及其危害
教材给出了大气污染的定义及其存在的时空差异,并介绍了空气污染指数与空气质量的内在关系。提出了两个要求:
1.概括大气污染的特点和危害;
2.讨论影响我国大气污染的主要因素。
防治大气污染、改善大气质量首先要从认识大气污染的特点和危害开始。学生可以根据大气污染的本质是排放的大气污染物超过大气环境容量(自净能力),并结合材料得出结论:大气污染物排放负荷巨大;大气环境污染范围广;区域性大气污染问题日趋明显。
关于大气污染的危害,可以引导学生从危害人体健康、影响生物生长等方面加以说明。例如,大气是人类赖以生存的条件,有毒有害气体会随着呼吸进入体内,对人体健康产生直接伤害。再如,大气污染物会减缓生物发育速率,造成生物发育不良,降低生物抵抗力,严重时会致使动物中毒而亡。又如,大气污染物伴随酸雨进入土壤,杀害土壤中的微生物,降低土壤的肥力。此外,大气污染还极易对建筑物造成腐蚀。
对于第二个问题,学生结合材料1中“大气污染范围和强度受污染物和污染源的性质、气象条件以及地表特点等影响”可以得出结论:气象因素和地形因素是影响大气污染的主要自然因素。气象因素主要包括风速、风向、气温、湿度等。结合本章第一节中“对流层大气的垂直气温分布特点”可知,当逆温天气出现时,空气对流运动受阻,大气污染物不易扩散而大量积聚,从而造成空气质量恶化。结合本章第二节中“大气热力环流”可知,地形差异容易形成局部地区的大气热力环流,而局部气流会对当地大气污染产生显著影响。此外,在山间盆地、河谷地区以及三面环山的地区,大气污染物受地形阻碍,不易扩散,常在河谷和坡地上空回旋,易造成污染事件。教师始终要注意引导学生结合所学知识分析现实生活中的真实问题。
影响我国大气污染的主要社会经济因素可以从人口、经济、技术和环境管理等角度展开讨论。人口因素着重考虑人口密度、城镇化水平等。一般而言,人口集聚度越高的地区经济活动越频繁,对环境产生的污染也越重;经济因素着重考虑经济发展水平、地区产业结构和能源消费结构。从具体影响看,以工业和建筑业为主的第二产业比重越高,对环境的压力越大,空气质量越差。能源消费结构中,化石燃料类的能源消耗会排放大量的废气,带来严重的空气污染。我国的能源消费中煤炭消费占比60%以上,是大气污染的重要来源。技术进步可以助推技术研发创新、提高能源效率和环境管理水平,从而降低大气污染,提高空气质量。
值得关注的是,上述影响我国环境污染的主要社会经济因素是随着社会经济的发展而不断变化的。例如,城镇化水平高的地区经济发展模式更集约化,产业布局更合理化,城市居民环保意识逐渐增强,所以大气污染物排放会降低。此外,在粗放型的早期发展阶段,我国占第一位的是工业污染。工业发展成熟以后,随着经济的发展,汽车尾气逐渐成为主要的大气污染源。
资料2 我国近些年大气污染较为严重的原因
教材综合介绍了我国近些年大气污染较为严重的自然和人为原因。结合这些资料,教材提出两个思考题:
1.上述原因中哪些是人为原因,哪些是自然原因?
2.除上述原因外,造成我国近些年大气污染较为严重的原因还有哪些?
第一个问题较为简单,学生直接根据资料2即可得出结论。承接资料1的设问教师可以引导学生对这些原因作归纳。人为原因主要与我国的能源消费结构、产业结构、交通污染和城镇化速度等有关;自然原因主要与气候和气象因素有关。综合来看,造成大气污染的原因是多方面的,这与我国仍处于快速工业化中后期、产业结构和能源结构不尽合理以及极端不利气象条件等有关,是人类活动和自然因素综合作用的结果
第二个问题的开放性很强,学生可以从以下角度展开思考。(1)大气污染物的积聚性。即在我国传统的煤烟型污染尚未得到有效控制的情况下,以臭氧、细颗粒物和酸雨为特征的区域性复合型大气污染日益突出。大气中不仅有多种污染物成分,污染物之间还可以相互转换。(2)农村秸秆的燃烧。前些年,我国大部分农村在田地里集中焚烧秸秆,加重了大气污染。(3)城市规划和建设中对绿化重视度不够。(4)从技术角度看,目前科技创新的总成果中多数为生产技术创新,绿色技术创新比重较小,可用于治理空气污染的创新成果少。此外,造成大气污染较为严重的原因还与环境政策、环境监管和监督等不到位有关。
资料3 发达国家大气污染及治理案例
教材选取美国洛杉矶和英国伦敦两则案例,介绍了各自的大气污染现象及治理措施。结合这些资料,教材提出两个思考题:
1.洛杉矶的“光化学烟雾”和“伦敦烟雾事件”相比,人为原因有何不同?
2.仅考虑人为原因,试对“洛杉矶烟雾治理时间比伦敦烟雾治理时间更长”作出合理解释。
第一个问题学生结合资料3的描述可以得出结论。造成洛杉矶“光化学烟雾”的人为原因主要是城市汽车尾气排放大量碳氢化合物;“伦敦烟雾事件”的人为原因主要是煤炭燃烧产生的二氧化硫、三氧化硫和烟尘。
第二个问题需要学生结合两个城市的主要污染物及污染源作出解释。洛杉矶的“光化学烟雾”污染源主要以汽车尾气为主,随着城市汽车数量的迅猛增长,再加上交通拥堵,塞车时的废气排放量远远超过正常行驶时汽车尾气的排放量,这些都加剧了大气污染。所以对交通所致的大气污染进行有效治理需要更长的时间。“伦敦烟雾事件”的污染源主要来自工业。随着城市产业升级转型和能源消费结构优化,工业污染排放的废气量会得到有效控制,空气质量也随之改善,所以大气污染的治理周期相对较短。该问题的提出也引导学生思考大气污染的治理需“因地制宜、对症下药”,即防治大气污染的途径和措施必须充分考虑当地主要污染物及其主要来源。
形成观点并讨论
该栏目旨在考查学生的综合思维水平和地理实践力,学生的观点也体现其人地协调观的水平。教师在组织学生进行讨论时,可以采用分级评价的方法。
第二章 地球上的大气
知识拓展
【大气成分分类】
根据大气各组成成分的含量(表2-13),可以将大气的成分分为三大类。
(1)主要成分地球表面的大气主要由氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)等气体组成。氮和氧约占大气总体积的99%以上,加上氩(Ar),三者约占99.96%;其他气体含量极少,仅占0.04%。
(2)微量成分也称为次要成分,它们的含量在0.01%-1%,主要是二氧化碳(CO2)、水(H2O)、甲烷(CH4)、一氧化二氮(N20)、二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)、氢(H2)、氨(NH3)及惰性气体氦(He)、氖(Ne)、氪(Kr)等。
(3)痕量成分，其含量在0.01%以下,主要是硫化氢(H2S)、非甲烷类烃(NMHC)、臭氧(03)、二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)、过氧化氢(H202)等。
此外,距地表85千米以下的大气组成成分,一般可分为两类:一类称为定常成分,各成分之间大致保持固定比例,这些气体主要是氮(N2)、氧(O2)、氩(Ar)和微量惰性气体氖(Ne)、氪(Kr)、氙(Xe)及氦(He)等;另一类称可变成分,这些气体在大气中的比例随时间、地点而变,其中包括水汽(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)和碳、硫、氮的化合物,如一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、硫化氢(H2S)、二氧化硫(SO2)等。
表2-13大气主要成分和含量
| 主要气体成分 | 体积分数/% | 平均滞留期/年 | 分子量 |
| 氮(N2) | 78.08 | 106 | 28.02 |
| 氧(O2) | 20.95 | 104 | 32.00 |
| 氩(Ar) | 0.93 | 109 | 39.94 |
| 二氧化碳(CO2) | 0.03(可变) | 15 | 44.00 |
| 臭氧(O3) | 0.000001(可变) | ？ | 48.00 |
| 甲烷(CH4) | 0.000165 | 7 | 16.04 |
| 水汽(H2O) | 可变 | 10天 | 18 |
【高山反应】
高山反应是由于登上空气稀薄的高原地区而发生的反应。一般健康人在海拔4000米以上有头痛、头晕、恶心、呼吸困难、心跳加快等症状,也叫山晕。急性高山反应一般多发生在登山24小时内。
高度越高,空气越稀薄,气压就越低。因此,体所需要的氧气压力也随之降低。而人体所需要的氧气量仍然不变,为使血液中维持人体所需的氧气量,必须增加红细胞的含量,但人体自动增加红细胞含量需要几天的时间。因此,在刚进入山区时,会因为高度突然增高,人体来不及适应,而产生体内氧气供应不足的情形。高度越高,过渡时间越短,产生的反应就越剧烈。
人们从平原进入高原地区时,一般人需要2—3个月的时间,才能慢慢适应当地的低氧环境。
出现高山反应时,给氧及降低高度是最有效的急救处理。
【大气成分的作用】
(1)氧和氮
常温下,氮的化学性质不活泼,不能直接被植物利用,只能通过豆科植物根瘤菌,部分固定于土壤中。丰富的氧是动植物赖以生存、繁衍的必要条件。除了游离存在的氧气外,氧还以硅酸盐、氧化物、水等化合物性质存在,在高空还有臭氧及氧原子。氧分子在波长小于0.24微米的辐射作用下分解,大气中臭氧层的形成就和氧分子的分解作用有关。
(2)二氧化碳
二氧化碳主要来自火山喷发、动植物的呼吸以及有机物的燃烧、腐败等。在人口稠密的工业区,二氧化碳含量明显增高,可占空气体积的0.07%0.65%。二氧化碳能强烈吸收地表长波辐射,使地表辐射的热量不易散失到太空中,从而改变大气热平衡,导致地面和低层大气温度上升,产生温室效应。
(3)臭氧
臭氧主要分布在10-40千米的高度,极大值出现在22-27千米附近,形成臭氧层。臭氧在大气中的比例很小,但具有强烈吸收太阳紫外辐射的能力。臭氧有几个吸收带,最强的吸收带在波长022-0.32微米的紫外区。在红外区,还有47微米、9.6微米和14.1微米三条吸收光谱。
臭氧强烈吸收太阳紫外线,对大气有增温作用,并在高空形成一个暖区。大量紫外线在高空被臭氧吸收,使地面上的生物免受伤害。穿透大气层到达地表的少量紫外线,对人类和大部分生物是有益的。
(4)水汽
大气中水汽主要来源于水面蒸发和植物蒸腾,特别是海洋蒸发。水汽上升凝结后,又以降水形式降落在陆地和海洋。大气中的水汽平均每年更替约32次,即每11天更替一次。
水汽在大气中是一种可变气体。含量不仅随时间和地点变化,而且与大气环流、海陆分布密切相关。一般来说,地面大气中的水汽含量随纬度增加而减少;离海洋越远水汽含量越少;内陆沙漠上空,水汽含量接近零;在温暖的海洋或热带丛林上空,水汽含量高达3%-4%。通常水汽含量主要集中在距地面3千米范围内。从地面到高空,每升高1.52千米,水汽含量减少1/2,到5千米高度上,含量减少到地面的1/10。8-10千米以上,水汽就非常少了。
大气中水汽是唯一能发生相变的大气成分。水汽能强烈吸收和放出长波辐射能;在相变过程中还能释放和吸收热量。因此,水汽在天气变化、大气能量转换过程及大气与地面的能量交换中起着重要作用。
(5)固、液体杂质(悬浮颗粒)
大气中悬浮的固体杂质和液体微粒,也可称为气溶胶粒子。除由水汽变成的水滴和冰晶外,气溶胶粒子主要是大气尘埃和其他杂质。气溶胶粒子多集中在低层大气中,主要来源有自然源和人为源两种。自然源包括火山灰、宇宙尘埃、陨石灰烬、植物花粉孢子、岩石风化后的粉尘、森林着火后的灰烬、海水溅沫蒸发后残留在空中的盐粒等。人为源主要是人类活动和工业生产过程中排放的烟、粉尘等。
大的水溶性气溶胶粒子最易使水汽凝结,是成云致雨的重要条件。气溶胶粒子能吸收部分太阳辐射并散射辐射,从而改变大气透明度。气溶胶影响太阳直接辐射并增大散射辐射、大气长波辐射,可能破坏地球的辐射平衡。
【大气分层】
大气在垂直方向上的物理性质有显著的差异。根据温度、成分、电荷等物理性质,以及大气的垂直运动情况,可将大气分为五层。
(1)对流层
对流层是地球大气中最低的一层,其下界是地面,上界因纬度和季节而不同。根据观测,对流层的平均厚度在低纬度为17-18千米,中纬度为10-12千米,高纬度为8-9千米。对流作用的强度因季节而有所不同,因此任何纬度,尤其是中纬度的对流层厚度,夏季较大,冬季较小。例如,南京(32°N)对流层厚度在夏季约为15千米,冬季约为11千米。同大气层的总厚度比较起来,对流层非常薄,不及大气层厚度的1%。但是,由于地球引力的作用,这一层集中了整个大气34的质量和几乎全部的水汽。它具有以下三个基本特征。
①对流层中气温随高度增加而降低因为对流层空气主要依靠地面长波辐射增热,愈近地面,空气受热愈多,反之则愈少。因此,高度愈大,气温愈低。平均每升高100米,气温降低0.6℃。
②空气对流运动显著由于地面的不均匀加热,空气出现垂直对流运动。对流运动的强度因纬度和季节而不同,低纬较强,高纬度较弱;夏季较强,冬季较弱。这种对流运动,使高低层空气得到交换,近地面的热量、水汽和杂质通过对流向上空输送,从而引发一系列天气现象。
③气象要素水平分布不均匀由于对流层受地表的影响最大,而地表的性质差异也很大,因而在对流层中,温度、湿度的水平分布是不均匀的,于是可产生一系列物理过程,形成复杂的天气现象。因此,对流层与地表自然界和人类关系最为密切。
(2)平流层
自对流层顶到55千米左右为平流层。在平流层内,随着高度的增加,气温最初保持不变或微有上升,至25千米高度以上时,由于臭氧含量多,吸收了大量的紫外线,因此升温很快,并大致在50千米高空形成一个暖区。到平流层顶,气温升到-17℃— -3℃。平流层水汽含量极少,因而没有对流层内出现的那些天气现象,只是在底部有分散的贝母云(也叫珠母云,是具有珍珠彩色的云)的出现。本层气流运动平稳,并以水平运动为主,平流层因此而得名。平流层是现代民用航空飞机飞行的理想高度。
(3)中间层
自平流层顶到80-85千米是中间层。该层的特点是,气温随高度增加而迅速下降,并有强烈的垂直运动,在这一层的顶部,气温降到-83℃以下,这可能与这一层中几乎没有臭氧有关。
(4)暖层(电离层)
自中间层顶到800千米高空属于暖层。这一层的空气密度很小,在700多千米厚的大气层中只含大气总质量的0.5%。这一层的特点是,气温随高度的增加而迅速升高,据人造卫星的观测,在300千米高度上,气温可达1000℃以上。这是因为所有波长小于0.175微米的太阳紫外线辐射,都为该层中的大气物质(主要是氧原子)所吸收,并处于高度电离状态,所以暖层又称电离层。暖层中各高度上空气电离的程度是不均匀的,其中电离程度较强的有高度在100-120千米的E层和200-400千米的F层,以及介于中间层和暖层之间、只在白天出现、高度大致为80千米的D层。电离层能反射短波波段的无线电波,故在远距 离短波无线电通信中具有重要意义。
(5)散逸层(外层)
暖层顶之上,即800千米高度以上的大气层,称为散逸层。它是大气的最高层。本层是大气圈与星际空间的过渡地带。这一层的气温随高度的增加而升高。由于温度高,粒子运动很快,又因距地较远,地球引力作用较小,所以这一层的主要特征是大气质点经常散逸至星际空间。地球大气层之外,还有一层极其稀薄的电离气体,可伸展到2200千米高度,称为地冕。
【对流层中的逆温层】
在对流层大气中,一般情况下,气温是随高度的增加而降低的。但有时在某些层次可能出现气温随高度的增加而升高的现象,这种现象称为“逆温”。出现逆温现象的大气层次,称为逆温层。在逆温层中,暖而轻的空气位于冷而重的空气之上,形成一种稳定的大气层结。逆温层严重阻碍了空气的对流运动。由于这个原因,近地层空气中的水汽、杂质不能向高空扩散,也降不下来,只能飘浮在逆温层下面的空气层中。这样逆温层下面的空气层,常有雾、露、霜等天气现象出现,能见度变差。此外,逆温层下面的空气层中的污染物不能及时扩散,易造成严重的空气污染。
【臭氧空洞】
地球大气臭氧层厚度在一个标准大气压下是3毫米。科学家们把它称为300个多布森单位。但各个纬度上臭氧总量是有差异的,赤道地区相对最小,不到260个多布森单位。从赤道向高纬,臭氧总量逐渐增加,在副极地达到相对最大值,平均约400个多布森单位。这主要是因为,高空臭氧在低纬度上空强烈阳光下合成以后不断向高纬度输送。
1985年,人们未曾预料到的事情发生了。这一年,英国的南极科学家乔·福曼等人根据英国哈利湾南极站30年臭氧观测资料,发表文章称19801984年南极上空每年春季10月臭氧含量比过去有大幅度下降。这一事件引起了美国国家航空和航天管理局理查德,斯多拉斯基的兴趣,他对卫星观测的浩繁数据进行了分析,证实了这个事实,并且形象地提出了“臭氧空洞”的概念。因为全球其他地区臭氧量并没有显著减少,相对来说,南极地区臭氧层就好像出现了一个“空洞”。所以,实际上并不是说南极春季臭氧空洞中一点臭氧都没有。后来,世界气象组织为了消除混乱,统一了标准,建议规定大气中臭氧总量减少到220个多布森单位以下,才称为出现了臭氧空洞。
一般来说,每年8月中下旬开始,南极臭氧含量开始减少,9月下旬减少速度明显加快,并开始出现臭氧空洞。一般在10月上旬前后臭氧空洞达到最深,面积达到最大。然后慢慢恢复增加,一般11月底或12月初迅速恢复到正常数值,即280-300个多布森单位。
【热辐射和辐射光谱】
辐射是具有能量的称为光量子的物质以横波形式在空间传播的一种形态,传播时所具有的能量称为辐射能。物体在辐射时,要消耗能量。若辐射能的来源是依赖从外界获得能量或由物体内能的消耗,这种辐射称为热辐射。任何高于绝对零度的物体都发出热辐射。辐射能既然以波动形式传播,就具有一定的波长。不同波长的辐射构成了辐射光谱。
【太阳常数】
在地球大气外距离太阳一个天文单位(日地平均距离D=1.496×108千米)的地方,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(用S0表示)。世界气象组织(WMO)在1981年推荐太阳常数的最佳值为1367瓦每平方米。太阳常数这个名词,早在1837年就已提出。但其是否真是一个常数,多年来尚存有争论。事实上,太阳常数并非保持恒定。地球公转而引起的日地距离变化可使大气上界太阳辐射强度出现±3.5%的变化；太阳物理状况的日际变化和太阳周期活动也可能导致其出现±1%的变化。但从气候学观点出发,可以把太阳常数当作一个平均数对待。
【太阳辐射在大气中的减弱过程】
大气对太阳辐射有一定的吸收、散射和反射作用,太阳光谱中不同的波长受到不同程度的削弱。吸收作用主要削弱紫外和红外部分,对可见光影响较小。散射和反射作用受云层厚度、水汽含量、大气悬浮微粒粒径和含量的影响很大。晴天时,起散射作用的主要是空气分子,波长较短的蓝紫光被散射,使天空呈蔚蓝色;阴天或大气尘埃较多时,起散射作用的主要是大气悬浮微粒,散射光长、短波混合,天空呈灰白色。由于大气的选择性吸收和散射作用,太阳辐射在量与质方面都受到影响。地面紫外线几乎绝迹,可见光缩减至40%,而红外线却升高至60%。反射对各种波长没有选择性,所以反射光呈白色。云层有强烈的反射作用,平均反射率为50%-55%;实际反射率受云层厚薄制约,当云层厚度在50-100千米时,太阳辐射几乎全部被反射。
【直接辐射、散射辐射和总辐射】
到达地面的太阳辐射有两部分:一部分是以平行光线的形式直接投射到地面上,称为太阳直接辐射;另一部分是经过散射后自天空投射到地面,称为散射辐射。两者之和称为总辐射。
太阳直接辐射的强弱和太阳高度角及大气透明度有关。太阳高度角的大小决定于一天中的时刻、季节和纬度,因此直接辐射量有日变化、年变化和纬度变化。大气中的云滴、灰尘、烟雾等都能减少直接辐射。
散射辐射的强弱也和太阳高度角及大气透明度有关。太阳高度角增大时,到达近地表层的直接辐射增强,散射辐射也就相应地增强:相反,太阳高度角减小时,散射辐射也弱。一日内正午前后最强。一年内夏季最强。大气透明度不好时,参与散射作用的质点增多,散射辐射增强;反之,减弱。云也能强烈地增大散射辐射。
总辐射的变化取决于太阳高度、大气透明度、云量等因素。总辐射有明显的日变化和年变化。在一天之内,夜间总辐射为零,日出后逐渐增加,正午达到最大值,午后又逐渐减少,日出前达极小值。在一年中总辐射强度在夏季最大,冬季最小。总辐射随纬度的分布,一般是纬度愈低,总辐射愈大;反之就愈小。
【地面反射率】
投射到地面的太阳辐射,并非完全被地面吸收,其中一小部分被地面反射。反射部分的辐射量占总辐射量的百分比,称为反射率。地面性质不同,反射率差别很大(表2-14)。显然,反射率越大,吸收越少。尽管总辐射相同,地表吸收并不相等,这是导致近地面温度分布不均匀的原因之一。
表2-14不同性质地面对太阳辐射的反射率（注:h为太阳高度角。）
| 地面性质 | 反射率/% | 地面性质 | 反射率/% |
| 裸地 | 10-25 | 棉地 | 20-22 |
| 沙地、沙漠 | 25-40 | 雪(干或洁) | 75-95 |
| 草地 | 15-25 | 雪(湿或脏) | 25-75 |
| 森林 | 10-20 | 海面(h＞25°) | ＜10 |
| 稻田 | 12 | 海面(h小) | 10-70 |
【大气获得能量的结构】
(1)对太阳辐射的直接吸收
大气中吸收太阳辐射的物质主要是臭氧、水汽和液态水,占大气体积99%以上的氮和氧对太阳辐射的吸收微弱。平流层以上主要是臭氧和氧气对紫外辐射的吸收,平流层至地面主要是水汽对红外辐射的吸收。大气对太阳辐射的吸收带大部分位于太阳辐射波谱两端的低能区,仅占太阳辐射能的18%左右。据估计,对流层大气由于直接吸收太阳辐射而带来的增温,每天不足1℃。因此,对于大气对流层而言,太阳辐射不是主要的直接热源。
(2)对地面辐射的吸收
地表吸收了到达大气上界太阳辐射能的50%,变成热能,温度升高,而后以大于3微米的长波(红外)向外辐射。这种再辐射能量的75%-95%被大气吸收,只有极少部分波长为8.5-12微米的辐射通过“大气窗”逃逸回宇宙空间。可见,地面是大气的第二热源。地面长波辐射几乎全被近地面40-50米厚的大气层所吸收。如果没有这些能量,近地面平均气温将降低40℃,致使绝大多数生命不能生存。
(3)潜热输送
海面和陆面的水分蒸发使地面热量得以输送到大气层中。一方面水汽凝结成雨滴或雪时,放出潜热给空气;另一方面雨滴和雪降到地面不久又被蒸发,吸收热量,这个过程交替进行。潜热输送年总量,大陆表面平均为1130兆焦每平方米,大洋表面约为3430兆焦每平方米,即洋面约是陆面的3倍。全球表面年平均潜热输送约为2760兆焦每平方米,占辐射平衡的84%。可见,地-气间的能量交换主要是通过潜热输送完成的。换言之,大气依靠水汽凝结释放潜热而得到的能量最多。
(4)感热输送
陆面、水面温度与低层大气温度并不相等,因此地表和大气间便由感热交换而产生能量输送。在地球表面能量转换过程中,当地表温度高于低层大气时,将出现指向大气的感热输送。反之,感热输送方向将指向地面。就全球平均而言,无论是陆面或者洋面,感热交换的结果总是由地表向大气输送能量,年平均感热输送为540兆焦每平方米,约占全球辐射平衡的16%。
【辐射差额(辐射平衡)】
辐射差额是指所考虑的系统在一定时间内辐射能收入和支出的差值,因为此差值一般不等于零,所以称为辐射差额,或称为辐射平衡或净辐射。
(1)地面辐射差额
地面由于吸收太阳辐射而获得能量,同时由于地面有效辐射而损失能量。在某一段时间内单位面积的地面吸收辐射与放出辐射之差,称为地面辐射差额。地面辐射差额可为正值,也可为负值。若地面辐射能的收入大于支出,则为正,反之为负。在一天内,辐射差额在白天为正值,夜间为负值。辐射差额由正值变为负值和由负值变为正值的时间,分别为日落前和日出后一小时左右。
(2)地-气系统辐射差额
把地面和大气看成一个系统,则此系统的辐射差额称为地-气系统的辐射差额。在这个系统中,收入部分是地面和大气所吸收的太阳辐射,而支出部分则是辐射到宇宙空间去的地面和大气长波辐射。地-气系统的辐射差额是随纬度增高而由正值转变为负值的,在35°S-35°N间地-气系统的辐射差额为正值,在此范围以外的中、高纬度地区为负值。辐射差额的这种分布,也正是产生高、低纬度之间大气环流和洋流的基本原因。
【温室气体和《京都议定书》】
温室气体允许太阳短波辐射透入大气底层(对流层),并阻止地面和底层大气中的长波辐射逸出大气层,从而导致大气底层保持较高的温度。地球大气层中主要的温室气体有水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、臭氧、氯氟烃等30余种气体。
自然界本身存在温室气体,使得地球表面能保存热量,温度适合生命生长。然而,工业革命以后,由人类活动引起的二氧化碳等温室气体排放增多,使得全球变暖加剧。全球变暖有两大特征:一是地球平均温度上升;二是地球的极端天气事件如台风、暴雨、干旱等发生频率增加,破坏力加剧。温室气体对全球气候变化的贡献中,二氧化碳约占65%,甲烷占17%,氧化亚氮约占6%,其他温室气体占12%。氢氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫这三种人造气体的吸热能力远远大于原本自然界存在的温室气体。
为了将大气中的温室气体含量稳定在一个适当的水平,进而减缓剧烈的气候变化对人类造成的伤害,1997年12月,《联合国气候变化框架公约》参加国在日本京都制定了《京都议定书》。《京都议定书》规定对6种温室气体进行削减控制,它们分别是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化合物、全氟碳化合物和六氟化硫。2005年2月16日,《京都议定书》正式生效。这是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放。
【大气热力环流的其他案例】
(1)海陆风
海陆风是由于海陆热力差异引起的,但影响范围局限于沿海,风向转换以一天为周期。白天,陆地增温比海面增温快,陆面气温高于海面气温,因而形成局地环流,下层风由海面吹向陆地,叫海风,上层则有反向气流。夜间,陆地降温快,地面冷却,而海面降温缓慢,海面气温高于陆面,海岸和附近海面间形成与白天相反的局地环流,下层风由陆地吹向海面,叫陆风。
(2)山谷风
山谷风的形成原理跟海陆风类似。白天,山坡接受太阳光热较多,成为一只小小的“加热炉”,空气增温较多;而山谷上空,同高度上的空气因离地较远,增温较少。于是山坡上的暖空气不断上升,并在上层从山坡流向谷地上空,谷底的空气则沿山坡向山顶补充,这样便在山坡与山谷之间形成一个热力环流。下层风由谷底吹向山坡,称为谷风。到了夜间,山坡上的空气受山坡辐射冷却影响,“加热炉”变成了“冷却器”,空气降温较多;而谷地上空,同高度的空气因离地面较远,降温较少。于是山坡上的冷空气因密度大,顺山坡流入谷底,谷底的空气因汇合而上升,并从山谷上空向山顶上空流去,形成与白天相反的热力环流。下层风由山坡吹向谷底,称为山风。
【形成风的力】
(1)水平气压梯度力
当空间存在着气压梯度时,空气便受到沿气压梯度方向的作用力。在气压梯度存在时,作用于单位质量空气上的力称为气压梯度力。气压梯度力可分为垂直分量和水平分量两部分。但垂直分量几乎和重力相平衡。水平气压梯度力是由热力或机械的原因造成,它使空气从较高的气压区流向较低的气压区,它的大小与单位距离上的气压差有关。等压线分布图上,等压线愈密集,气压梯度就愈强,风速也愈大。
只要水平面上存在气压差异,就有气压梯度力作用在空气上,使空气由高压区流向低压区。因此,可以说,水平面上存在气压差异,是空气产生水平运动的直接原因。
(2)地转偏向力
地球自转的角速度分为垂直和水平两个方向的分量。水平方向分量对地球上任何作水平运动的物体产生一个与其运动方向相垂直的作用力,这就是地转偏向力。
当空气在气压梯度力作用下运动时,地转偏向力使气流产生偏向。在北半球,气流偏向运动方向的右方;在南半球,气流偏向左方。作用于相同质量和速度但在不同地点运动的物体的地转偏向力,其大小是不同的。地转偏向力在赤道为零,随纬度的增加而加大,在两极达最大值。
(3)惯性离心力
惯性离心力是物体在作曲线运动时所产生的由运动轨迹的曲率中心沿曲率半径向外作用的力。惯性离心力的方向与空气运动方向相垂直,并由曲线路径的曲率中心指向外缘。
(4)摩擦力
空气和地面之间,以及处于运动状态不同的空气层之间都会相互发生作用,对气流运动产生阻力,这种力称为摩擦力。气层之间产生的阻力,称为内摩擦力;地面对气流产生的阻力,叫外摩擦力。在摩擦力作用下,空气运动的速度减小,并引起地转偏向力相应减小。
摩擦力的大小在不同高度的大气中是不同的。高度愈大,作用愈弱,近地面层(地面至30-50米)摩擦力最大,到1-2千米以上,摩擦力的影响就可以忽略不计。
【大气环流的分类】
大气环流是指大气圈内空气作不同规模运动的总称,是形成各种天气和气候的主要因素。由于不同纬度及不同地表状态所受太阳热量不均匀,再加上地球转动的影响,大气形成各种类型的环流。大型的有行星风系、季风等;小型的有海陆风、山谷风等。
【海陆风的范围、交替时间、出现条件和意义】
以水平范围来说,海风深入大陆,在温带为15-50千米,热带最远不超过100千米;陆风侵入海上最远20-30千米,近的只有几千米。以垂直厚度来说,海风在温带约为几百米,热带也只有1-2千米,只是上层的反向风常常要更高一些;至于陆风则要比海风浅得多,最强的陆风,厚度只有200-300米,上层的反向风可达800米。在我国台湾地区,海风厚度较大,约为560-700米,陆风为250-340米。
海陆风交替的时间随地方条件及天气情况而不同。白天,陆地温度高于海洋;夜里,海洋温度高于陆地。一般来说,陆地温度高于海洋的时间,约为下午2-3时,这时候的海风最强。此后温度逐渐下降,海风便随着减弱,约在晚上910时,海陆温差没有了,海风也就停止了。夜里,陆地温度降得快,海洋温度比陆地下降得慢些,因此,在晚上9-10时以后,陆上变冷了,海上反而暖些。海陆温差的趋向改变了,海陆风的方向也改变了。从晚上9-10时的一度平静无风之后,微弱的陆风就开始了;这以后,海陆温差逐渐增大,陆风也越来越强;大约夜里2-3时,温差最大,陆风也最强。天亮后,陆地渐渐暖起来,海陆温差越来越小,陆风逐渐减弱;约在上午9-10时,海陆温差又消失了,陆风随着终止。
就这样,随着海陆昼夜温差的不断改变,一般来说,白天出现的海风,下午2-3时最强,夜间出现的陆风,夜里2-3时最强;上午9-10时和晚间9-10时,海陆温度几乎相同,温度差别消失,海风和陆风便消失了。
海风和陆风消失的时间,也正是从海风转为陆风(晚上9-10时)或从陆风转为海风(上午9-10时)的过渡时间。
海陆风必须在静稳的天气条件下才可以看得到,如果有强烈的天气系统,如飑线、风暴一类的天气系统出现时,就看不到海陆风的现象了。此外,如果是阴天,陆风吹刮的时间往往拖延很长,而海风出现的时间便一直推后下去,有时甚至推迟到12时左右才开始。
海风登陆带来水汽,使陆地上湿度增大,温度明显降低,甚至形成低云和雾。夏季沿海地区比内陆凉爽,冬季比内陆温和,这和海风有关。所以海风可以调节沿海地区的气候。
【《大气污染防治行动计划》】
《大气污染防治行动计划》,简称“大气十条”,由国务院在2013年9月出台,涉及燃煤、工业、机动车、重污染预警等十条措施,又被称为“空气国十条”。《大气污染防治行动计划》提出奋斗目标:经过五年努力,全国空气质量总体改善,重污染天气大幅度减少,京津冀、长三角、珠三角等区域空气质量明显好转;力争再用五年或更长时间,逐步消除重污染天气,全国空气质量明显改善。
其他导入情境
【第一节】
新闻情境
2017年10月25日凌晨,我国自主研发的“旅行者”3号临近空间飞行器,在新疆逐步上升到海拔21千米的临近空间,在空中飞行了四个多小时,开展了临近空间环控生保、天地通信、空间环境数据采集等实验项目。“旅行者”3号由一个氦气气球吊起,下方携带吊舱。值得关注的是,吊舱内搭载了生命保障系统,内置一只活体小乌龟,随飞行器一起进入临近空间。
21千米高的临近空间大气环境与近地面有哪些不同?为何需要给小乌龟准备专门的生命保障系统?
【第二节】
一、实验情境
请采用小组合作的方式做如下实验。
实验材料:
长方形玻璃缸(长100厘米,宽30厘米,高40厘米)、塑料薄膜(略大于玻璃缸口)、一盆热水、一盆冰块、一束香、火柴或打火机等。
实验步骤:
1.将一盆热水和一盆冰块分别放置在玻璃缸内的两端;2.用塑料薄膜将玻璃缸上部盖严;3.在塑料薄膜上开一个小洞,注意小洞要开在冰块的正上方;4.点燃一支香,将点燃一端插入小洞内;5.观察烟雾在玻璃缸内是如何飘动的。
你发现了什么现象?
你能在身边找到和实验类似的现象吗?日常生活中的大气又是如何运动的?大气运动有什么规律吗?大气运动的能量来自哪里?
二、新闻情境
2008年8月19日,北京奥运会帆船比赛期间,某网站有一则“精确预报捕天时,完美服务助帆航”的天气资讯。内容如下。
“18日上午风力较大,对比赛有利,下午风力会逐渐减少,比赛可以提前2小时举行”这是青岛气象局提供的预报。18日早晨刮起了西北风,风力较大,上午11时帆船比赛准时进行。(按照常规,每天的帆船比赛都是下午1点开始进行。)由于内陆气温不断升高,海陆风对西北风的风力起到一定的抑制作用,18日下午风力逐渐减小,15时以后,风力减弱到6级左右,同时风向转为西南风。实际情况与天气预报完全吻合。由于比赛提前进行,比赛完成率为81%。
你知道什么是海陆风吗?资讯中的“内陆气温不断升高”与海陆风有什么关系?为什么这则资讯中说“海陆风对西北风的风力起到一定的抑制作用”?