什么是大气科学?

《什么是大气科学?》由黄建平,刘玉芝,张国龙编著

黄建平，中国科学院院士。兰州大学西部生态安全协同创新中心主任。国家杰出青年基金获得者，国家自然科学奖二等奖获得者，首届全国创新争先奖获得者，首届“做出突出贡献的中国博十学位获得者”，首届“赵九章优秀中青年科学工作奖”获得者。

多姿多彩的大气/1
蓝天白云/2
绚丽极光/5
海市蜃楼/9
七色彩虹/13
宝光异彩/18
变幻莫测的天气/22
电闪雷鸣/22
雪满长空/27
黄沙漫天/30
超强台风/34
龙吸水/39
巧夺天“功”的战争/42
赤壁之战/42
火熄上方谷/46
拿破仑东征/50
诺曼底登陆/54
美越战争/58
农耕文明中的气象/62
二十四节气/62
天气谚语/67
气候变迁与农耕文明/71
靠天吃饭的农业/74
农业防灾减灾/78
大气科学的发展历程/82
古人如何观天气/82
温度计和气压表的发明/88
地球自转与信风/94
大气科学的形成/99
……

     在宇航员从太空拍的地球照片中，地球被一层薄薄的蓝色大气包裹着。大气层有多厚？这么说吧，若将地球和大气层看作一颗剥掉蛋壳的熟鸡蛋，那么大气层的厚度仅如蛋清外面的那层薄膜一般厚。然而，这层大气的作用却非常大，没有这层大气，就没有风雨雷电，更没有生命，地球也就失去了养育生命的得天独厚的条件。我们无论站在地球上的哪一点，都时时刻刻处在大气的包围之中。日常生活中我们也会看到多姿多彩的大气现象，例如，蓝天白云、绚丽极光、海市蜃楼、七色彩虹、宝光异彩等，那么，这些大气现象是如何形成的，隐藏其后的大气科学规律又有哪些呢？我们一起来看看这些神奇的自然现象吧。 蓝天白云 地球大气由多种气体和悬浮在其中的固体或液体粒子组成。我们常在晴朗天气下看到“蓝天白云”的景象。我们不禁要问，为什么天空是蓝色的？为什么蓝色天空中的云朵是白色的？ 在大气科学中，通常把除水汽以外的大气称为干洁大气。按照各成分的含量，干洁大气的成分又可以分为主要成分、微量成分和痕量成分。大气中主要成分包括氮气、氧气、氩气以及二氧化碳等，这些气体成分的浓度在300ppmv（体积比，百万分之一）以上；微量成分如甲烷等，浓度为1～20ppmv；痕量成分主要包括臭氧、氢气、氮氧化物、硫化物等，其浓度为1ppmv。晴朗天气下，天空呈现蓝色，早上和晚上可能会出现红色的朝霞和晚霞。当大量的污染物被排放到大气中时，天空的颜色不再蔚蓝，而是呈现浑浊的黄白色。 天空蔚蓝色的成因经历了不同阶段的解释。早在19世纪中叶，英国物理学家丁达尔认为频率较高的蓝色光，容易被悬浮在空气中的微粒阻挡，向四面八方散射。1887年，德国物理学家瑞利采用分子散射理论试图解释天空是蓝色的这一现象。瑞利假设散射粒子是半径远小于入射光波长、各向同性的球状粒子，其密度大于周围环境空气密度。基于弹性固体以太学，他发现这些散射粒子的散射能力与粒子体积的平方成正比，与入射波长的四次方成反比，也就是说波长越短，频率越高，散射能力越强。1899年，瑞利再次利用英国物理学家、数学家麦克斯韦的电磁理论，得到了同样的结果。由此，形成了瑞利分子散射理论。基于瑞利分子散射理论，当太阳光通过大气时，频率较高的蓝色光和紫色光最容易被大气分子散射，而频率较低的其他颜色光则被散射得较弱。然而，由于人类眼睛对紫色光的敏感度较低，最终看到的是太阳光中被散射不错的蓝色光，便形成了人们印象中蓝色的天空。1910年，德国物理学家爱因斯坦利用当时刚刚发展的熵统计热力学理论，也进一步证明了天空呈现蓝色的原理。 P1-3