酸沉积
“酸”本质上是任何subslance释放氢离子(H +)当溶解在水中。向积极和大气微量成分分离负离子当溶解在水中,有些是不同程度的酸性。大气水是最强的酸溶解硫酸(H2S04)和硝酸(HN03)。许多其他已确定大气中的酸性物质,如二氧化硫(S02)、有机酸、盐酸(HCl),二氧化碳(co2),甚至水本身,但这些物质是相对较弱的酸或出席浓度相对较小,因此通常不明显有助于测量酸度。对于任何解决方案,有一个平等的浓度溶解的积极的和消极的离子电荷,和一个典型的离子平衡cloudwater和降水
[H +] + [Na +] + [NH4 +] +[土壤离子]=(正离子)
= 2 [S04 =] +[不,——]+ [Cr] + [HCOj -](负离子)
Na ~”和Cl ~离子来自溶解海盐气溶胶,通常出现在近似等于浓度。土壤NH4”解散氨,“离子”是指钙和镁阳离子通常与碳酸盐相关联
(HC03 ~)在土壤尘和S04 =和HN03 ~是硫酸和硝酸。由于离子平衡总是保持在大气水域,H +的浓度
[H +] = 2 [S04 =] + [N < V] + [HCO3 -] - [NH4 +](土壤离子)
因此氢离子的浓度与硫酸盐的浓度成正比,硝酸盐、碳酸氢盐(溶解二氧化碳),氨,carbonate-laden土壤灰尘cloudwater溶解和沉淀。测量H +浓度变化在几个数量级,因此对数pH值范围内用于量化酸度水平水pH值= log10 (H +)
使用pH值范围,降低pH值在一个单元对应一个10倍增加酸度或H +浓度。同时,随着pH值降低,氢离子的浓度和酸度增加。纯水与大气co2平衡pH值在5.6附近,但硫酸的浓度、硝酸盐、氨、或土壤阳离子在云计算和雨水通常大大超过溶解二氧化碳的浓度,甚至在偏远地区。典型的“干净”的大气水的pH值4.5至5.5。在污染地区,小灵通在降水范围从3到4,和在一些低水含量云,小灵通低至2 - 3被测量。
酸的形成。硫酸和硝酸反应是由大气氧化剂与硫和氮氧化物排放(S02,而不是),它们的副产品bet雷竞技 燃烧和其他工业活动。占主导地位的反应将S02转化为硫酸包括与过氧化氢反应(H202)云和氢氧自由基(HO)在空气中。硝酸由何鸿燊N02氧化产生的自由基,同时在夜间多相反应涉及臭氧、N02, N03自由基。大气氧化剂负责酸形成通过一系列复杂的生产光化学反应,一些生成酸溶解气体成分之间的化学反应发生在大气云层或气溶胶。通常,发出没有,,转化为硝酸在一天或更少,和S02转化为硫酸在几天后发射。氧化剂的浓度和化学反应的时间尺度变化与季节、纬度、时间,太阳光强度、背景NOj和有机化合物的浓度,和许多其他化学和气象因素。
强酸具有亲水性,因此hygroscopically增长或与水蒸气结合形成“霾”气溶胶含有硫酸,硝酸,和不同程度的中和氨(NH3),尤其是当大气相对湿度高于60 - 70%。通常情况下,氨和硝酸存在气体和气溶胶在大气中硫酸,而分区主要成浓缩的气溶胶。这些硫酸、硝酸和含铵气溶胶粒子构成云凝结核的一个重要部分(CCN),因此acid-containing气溶胶极易进入云。
在云降水形成因此包含溶解CCN连同其他可溶性气体HN03和氨等。
不良的影响。在高浓度或曝光,引起许多不良反应,表面酸性的解决方案。结合其他污染物,酸沉积对水生导致潜在的有害影响,农业和森林生态系统。化学变化归因于沉积从大气中酸度的测定在森林生态系统和地表水。
酸的浓度在湖泊与大气酸的浓度和沉积率和高浓度的酸在湖泊和溪流可以影响鱼类种群。与风险相关的健康影响acid-containing微粒在人类仍然是一个区域的不确定性自当前的研究这些影响太局限于明确辨别人类的剂量反应关系。酸沉积从大气中已经显示出加速恶化的暴露金属,绘制完成,混凝土或石表面。
在工业化地区,硫酸和硝酸的浓度在云水和降水是50到100倍值测量的地区不受逆风人为污染物排放的影响。沉积硫和氮的相对浓度酸是与硫和氮污染物的相对发射率在更大的领域。
在降水酸度的数量由大量的气象和化学因素的影响较大,以及前体硫和氮污染物的排放速率。因此彻底了解大规模气象学、云动力学和微观物理学和大气化学需要完全量化,研究大气酸性
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dional组件,分别的水平速度,Vh。定义的变量,橙汁
Dt,成为代理的垂直速度,w, p (x, y)坐标系统。
大规模的运动,速度的垂直分量通常是几个数量级小于水平速度,和垂直加速度可以忽视一个好的近似。垂直分量的动量方程然后减少诊断方程,可以表示为
dp p
与R气体常数为空气和T温度。
这个坐标系统的质量连续性方程
最后,热力学能量方程
与Cp的定压比热空气。非绝热加热场变量问率。平流层,Q是典型的辐射加热率和可以计算其他相关变量的函数,了解radiatvely活性物种的分布,如臭氧、水蒸气和二氧化碳(古蒂,1995)。
方程(1)(4)代表了原始方程在(x, y, p)坐标系和形式的定方程组变量u, v,, < D和t .这些方程本质上是非线性的,必须整合与合适的时间初始和边界条件。原始方程的直接解决方案需要使用复杂的数值技术数字计算机上实现。
至关重要的关系,可以从原始方程(见Pedlosky(1979)推导]Ertel涡度的潜力而言,n,即为无摩擦、绝热条件。二世,是由n = - (£+ /) V©
注意,在情商。(6)中表达的全导数现在笛卡尔坐标系统(x, y, z)
同时,V在情商。(6)现在的三维梯度算子(x, y, z)坐标系统p密度,t相对涡度(速度V的旋度)和©潜在的温度。无摩擦,绝热流动,这种关系需要运动后二世是守恒的。身体上,潜在的涡度是代表的比例的旋转流体涡列列的深度。潜在的涡度守恒可压缩流体可以被认为是类似于固体的角动量守恒。这个保护财产II代表一个非常强大的约束运动,特别是在低平流层情商的地方。(5)是一个时间尺度的合理近似约10天。n的分布在一个等熵面(即。,一个常数潜在表面温度)代表一个守恒动态示踪,稍后我们将看到的,提供很多有用的洞察运输的性质。
2垂直温度结构
地球大气层的传统方法分离成截然不同的地区特点起源于垂直温度结构的考虑。中纬度地区的参考温度曲线如图1所示的函数几何高度使用编译的数据,美国标准大气(1976)。平流层和对流层之间的区别的垂直温度曲线实在是太显而易见了。注意,在对流层中,温度T,随高度增加而减小z,对流层顶的水平。相比之下,低平流层的温度几乎是常数,然后通过中间高度增加而增加,平流层直到到达平流层顶的水平。正是这种差异温度递减率r,结果在这两个之间的差异稳定特征地区的大气。
大气是静态稳定,如果在空气包裹在竖直维度绝热地流离失所,包裹上的净力倾向于恢复
比典型的对流层,航空包裹可以运输之间的垂直表面和对流层顶的时间尺度上几天甚至只需几分钟的非常强烈的对流活动与最大的雷暴(华莱士和霍布斯,1977)。
这个稳定分层相对缓慢的垂直混合是一个重要的影响平流层循环,产生长时间居住在平流层,推导了长寿的成分如氯氟化碳(CFC) [appproximately CFC-12 CFC-11 50年和100年,两个最丰富的氯氟化碳化合物(世界气象组织,1994)]。这里,长期使用,化学变化的特征时间尺度是非常比与运输相关的成分。
3 ZONAL-MEAN气候学的温度和纬向风
zonal-mean气候学(空间平均恒定纬度)值的温度和纬向风(东西方组件)作为高度和纬度的函数显示在图2 a和2 b,分别。检查温度截面如图2所示为标志的揭示了冬季和夏季半球之间的温度差异在平流层。注意,赤道上空的对流层顶发生在高度远高于在极地和明显的不连续或“优惠”发生在对流层顶在中纬度地区。在低,夏季平流层温度增加从赤道到北极。相比之下,有一个中间纬度温暖带(Rama-nathan和格罗斯,1978)低,冬季平流层。最冷的温度发生在南极地区在冬季低平流层。北方极地表现出更多的动态变化在冬季和通常不那么冷。在平流层温度升高单调从冬季到夏季。
相应的纬向风截面如图2 b。注意的存在东风(从东向西)夏季半球和西风在同温层(自西向东)。夏天的季节逆转东风冬季西风在每个半球观察到平流层环流的显著特征。冬季的轴线,西风气流的地方倾斜向极与平流层的高度下降导致低平流层高纬度的地方,所谓的极夜的喷气机。
4 ZONAL-MEAN经向环流
纬向平均经向(南北组件)和垂直风,平均而言,至少一个数量级小于前一节中描述的纬向风。一个有用的描述循环的子午面(纬度和高度),最初是由Murgatroyd派生和单例(1961)。
图3示意图流线冬至传热循环的条件。年代,夏天南极和W冬季北极(从Dunkerton, 1978)。
70公里
60 30 EO
30 60
图3示意图流线冬至传热循环的条件。年代,夏天南极和W冬季北极(从Dunkerton, 1978)。
这个循环是现在通常被称为传热循环。在概念上很有用,它说明了实际意义上的大众运动在子午面。Murgatroyd编纂的最初使用净辐射加热率和单至日条件下,Dunkerton(1978)派生的垂直速度必须平衡这加热率。从大规模连续性,考虑相应的子午速度计算。图3显示了合成流线推断由Dunkerton(1978)从速度场计算。子午面展品的大规模平流层环流上升运动在夏天半球与缓慢(季节性或更长时间尺度)经向漂移和沉降在冬天极(安德鲁斯et al . 1987年)。科里奥利扭矩与经向漂移影响的生产夏天(冬天)zonal-mean东风(西风)在平流层如图2 b所示。
5波运动
的描述大规模平流层环流讨论前两部分是纬向平均的角度指出。然而,波状的干扰(通常被称为“波”),从对流层垂直传播产生偏离纬向对称,被认为是重要的在确定循环和平流层的成分的运输。
重要的偏离气候地带性意味着状态如图2 a和2 b发生由于突然的变暖,quasibiennial振荡(QBO)和半年度振荡(SAO)。后两种现象发生的这些目前认为结果至少部分从垂直传播开尔文,Rossby-gravity和/或重力波。QBO表现为振荡的纬向风交替西风带和东风在赤道平流层。振荡的周期不同,但平均约27个月。巴西也是一个振荡的赤道纬向风交替西风带和东风带,但是这种现象发生在平流层(和更低的中间层)每半年考察顾名思义。机制负责QBO和巴西有很大的不同。感兴趣的读者被称为安德鲁斯et al。(1987)为进一步的细节。
突然的变暖现象发生在几年与异常振幅的增强垂直传播,世界范围的扰动进入冬季平流层。重大气候变暖事件的特点是快速增加极地温度(50至70 K在一周或更少)和冬季西风的严重中断极地漩涡带状东风取代纬向西风在高纬度地区。这些气候变暖事件可以发生在南半球,尽管通常南半球气候变暖事件往往是少比他们的同行在北半球壮观。
各种不同类型的波(e。g。重力波,罗斯比波,开尔文波,Rossby-gravity波;看到安德鲁斯et al。(1987),为进一步描述这些和其他类型的波)通常是杰出的恢复机制,负责生产波浪般的动作。特别是,重力波和罗斯比波扮演最重要的角色对选民的大规模运动和随之而来的交通中观察到平流层。
重力波的恢复力是浮力,它正比于N2,结果稳定密度分层在大气中。重力波传播的最重要的一个后果上升到平流层是他们的角色在决定平流层飞机的结构。重力波传播向上和“打破”(林德恩,1981)在某种程度上在平流层或中间层。断裂发生在振幅随着重力波的增长,最终产生一个不稳定的递减率与合成动荡和混合。动力沉积发生的破坏过程和有效地创建了一个净拖累区域动力预算和减慢zonal-mean流。重力波打破低平流层的分离被认为有助于对流层和平流层飞机如图2 b所示。以类似的方式,重力波在中间层对减速和关闭在中间层在平流层的气流。
罗斯贝波恢复力最终结果的纬向梯度科里奥利参数,/,
在Q是地球的旋转角速度和< fi是纬度。罗斯贝波负责大部分的不可逆quasi-horizontal运输发生在温带冬季平流层的过程称为罗斯贝波打破(Mclntyre和帕默,1984),这是完全不同的从重力波破坏过程进行了讨论。轮廓Ertel常量值的潜在的涡度,二世,一个等熵面(一个常数0表面)当Eq代表材料行。(5)是有效的。罗斯贝波断裂发生波放大,和材料线扣和不可逆转的变形。图解说明的过程中可以看到图4 A和4 b。这个序列的数据描述的条件midstratosphere(约30公里)1979年1月在平流层变暖。图4中的阴影区域和极地涡旋相关很好,这是几乎集中在极1月17日,1979年。十天后(图4 b),大幅度波导致的极地涡流舌头伸长低电位从涡涡度空气被画在阿留申群岛反气旋(65°N附近集中,此时150°W),和离散部分的舌头被分散在反气旋。Mclntyre和帕尔默(1983)建造这些等熵分布的二世从气象分析数据,并把它们作为一个潜在的“粗粒度”视图在平流层涡量分布。
并发的观察臭氧(Leovy et al ., 1985)表明一个非常高度的相关性与潜在的涡量分布和证明的基本正确性Mclntyre罗斯比破浪范式和帕尔默(1983)的运输和混合extra-tropical平流层。
6总结
地球大气层是一层薄薄的气体旋转的行星和外部迫于微分由太阳辐射加热。有些大型循环的简化图在这里介绍的平流层分为两个组成部分为了方便,纬向平均的表示和波状的扰动的贡献。这里描述的纬向平均环流是热驱动空气包裹加热和提升在低纬度地区,慢慢飘向极,最后冷却,在高纬度地区下行。同时,波状的扰动传播向上产生偏离纬向平均的状态。这些干扰交通和混合热、动力和选民。读者应该明白化学转换不仅也发生改变平流层的合成,但也会影响辐射加热随着成分的变化(主要是臭氧的变化、水蒸气和二氧化碳)。还应该指出,空气进入和离开平流层的过程(stratospheric-tropospheric交换过程)是比这里描述复杂得多。最近的一次全面审查stratospheric-tropospheric交换可以在海下吨et al . (1995)。平流层应被视为一个非常复杂的系统中,辐射,化学和动力学过程相互交互确定的结构和组成。
图4中潜在的涡量分布在850 k等熵面(a) 1月17日1979年1月27日,1979年和(b)。极极射赤面投影与外层纬度圈20°N(从Mclntyre和帕默,1983)。
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