大氣的受熱過(guò)程教學(xué)課件第一章大氣受熱的基礎(chǔ)知識(shí)大氣受熱的重要性大氣的受熱過(guò)程是地球氣候系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，它直接決定了我們?nèi)粘＝?jīng)歷的天氣變化和長(zhǎng)期的氣候特征。大氣受熱的不均勻分布是驅(qū)動(dòng)全球大氣環(huán)流的根本動(dòng)力，進(jìn)而影響降水、風(fēng)向和季節(jié)更替等氣象現(xiàn)象。此外，大氣受熱還維持著地球能量平衡，確保地表溫度適宜生物生存。地球生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性在很大程度上依賴(lài)于大氣熱量的合理分配，任何顯著變化都可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)功能紊亂。天氣與氣候變化大氣受熱的空間差異和時(shí)間變化是產(chǎn)生天氣系統(tǒng)和氣候帶的基礎(chǔ)能量平衡維持地球表面溫度在適宜生命生存的范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定太陽(yáng)是地球的主要熱源太陽(yáng)向地球輸送的能量主要通過(guò)電磁波傳遞，包括可見(jiàn)光、紅外線(xiàn)和少量紫外線(xiàn)。這些電磁波在真空中傳播，不需要任何介質(zhì)，因此能夠穿越太空到達(dá)地球。地球大氣層和表面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射比例直接影響全球溫度：約30%的太陽(yáng)輻射被云層和地表反射回太空大約20%被大氣層直接吸收剩余約50%被地表吸收，轉(zhuǎn)化為熱能太陽(yáng)能量驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)大氣的組成與熱容量大氣層由多種氣體混合物構(gòu)成，各類(lèi)氣體因其物理特性不同，對(duì)熱量的吸收和傳遞能力也存在顯著差異：氮?dú)猓∟?）：約78%，熱容量較低，對(duì)熱輻射吸收有限氧氣（O?）：約21%，對(duì)可見(jiàn)光幾乎透明，對(duì)紅外輻射吸收有限水蒸氣（H?O）：含量變化大，強(qiáng)烈吸收長(zhǎng)波輻射，是重要的溫室氣體二氧化碳（CO?）：含量低但增長(zhǎng)迅速，吸收地表長(zhǎng)波輻射其他微量氣體：甲烷、氧化亞氮等，溫室效應(yīng)顯著大氣溫度的垂直分布對(duì)流層（0-10公里）溫度隨高度上升而降低，平均每上升1公里，溫度下降約6.5°C。這是因?yàn)榈乇砦仗?yáng)輻射后加熱近地面空氣，而高空受熱較少。對(duì)流層含有約75%的大氣質(zhì)量和幾乎所有的水汽，是大多數(shù)天氣現(xiàn)象發(fā)生的區(qū)域。平流層（10-50公里）溫度隨高度上升而升高，這一反?，F(xiàn)象主要是由于臭氧層吸收太陽(yáng)紫外線(xiàn)輻射所致。臭氧分子（O?）吸收高能紫外線(xiàn)后釋放熱量，導(dǎo)致平流層上部溫度高于下部，形成溫度逆增現(xiàn)象。中間層和熱層（50公里以上）第二章大氣的三種熱傳遞方式熱傳遞的三種方式輻射（Radiation）能量以電磁波形式傳播，無(wú)需介質(zhì)，可以在真空中傳遞。太陽(yáng)能量主要通過(guò)輻射方式到達(dá)地球，地表也通過(guò)輻射向大氣和太空釋放熱量。傳導(dǎo)（Conduction）熱量通過(guò)物質(zhì)分子之間的直接接觸傳遞，從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞。在大氣中，傳導(dǎo)主要發(fā)生在地表與緊貼地面的空氣層之間。對(duì)流（Convection）流體（氣體或液體）因受熱膨脹密度減小而上升，冷卻收縮密度增大而下沉，形成環(huán)流。大氣中的風(fēng)和天氣系統(tǒng)很大程度上是由對(duì)流引起的。輻射：能量通過(guò)電磁波傳遞輻射是大氣熱傳遞中最基礎(chǔ)的方式，它不需要任何介質(zhì)，可以在真空中傳播。地球大氣系統(tǒng)中的輻射熱傳遞主要包括：太陽(yáng)短波輻射：主要是可見(jiàn)光和近紅外線(xiàn)，波長(zhǎng)較短，能量較高，可以穿透大部分大氣層直達(dá)地表地表長(zhǎng)波輻射：地表吸收太陽(yáng)輻射后，溫度升高，釋放紅外長(zhǎng)波輻射大氣輻射：大氣中的溫室氣體吸收地表長(zhǎng)波輻射后，向各個(gè)方向再輻射，部分向上逃逸至太空，部分向下返回地表（大氣反輻射）傳導(dǎo)：分子間直接接觸傳熱傳導(dǎo)是熱量通過(guò)物質(zhì)分子之間的直接碰撞和能量交換進(jìn)行的熱傳遞方式。在大氣受熱過(guò)程中：地表吸收太陽(yáng)輻射后溫度升高，通過(guò)分子振動(dòng)將熱量傳遞給緊貼地面的空氣分子空氣是熱的不良導(dǎo)體，傳導(dǎo)效率低，熱量在空氣中傳播速度緩慢傳導(dǎo)主要發(fā)生在最接近地表的薄層空氣中，通常限制在距地表數(shù)厘米到幾米范圍內(nèi)不同地表材料的導(dǎo)熱性能差異很大，影響傳導(dǎo)效率：金屬＞巖石＞土壤＞水＞空氣對(duì)流：熱空氣上升，冷空氣下沉對(duì)流是大氣中最活躍的熱傳遞方式，它通過(guò)空氣的實(shí)際運(yùn)動(dòng)來(lái)搬運(yùn)熱量，效率遠(yuǎn)高于傳導(dǎo)。對(duì)流過(guò)程遵循以下物理原理：熱膨脹原理空氣受熱后體積膨脹，密度減小，浮力增加，相對(duì)于周?chē)淇諝馍仙^熱變化上升氣流膨脹做功，溫度降低（絕熱冷卻）；下沉氣流受壓縮，溫度升高（絕熱增溫）熱力環(huán)流形成上升暖空氣和下沉冷空氣形成閉合循環(huán)，構(gòu)成熱力環(huán)流，大大增強(qiáng)了垂直方向的熱量交換效率對(duì)流推動(dòng)大氣循環(huán)實(shí)驗(yàn)演示：水中染料示范對(duì)流為了直觀理解對(duì)流過(guò)程，我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的水中染料實(shí)驗(yàn)進(jìn)行演示：準(zhǔn)備一個(gè)透明的水箱，注入清水在水箱一側(cè)底部放置熱源（如小型加熱器）在加熱區(qū)上方滴入少量有色染料觀察染料隨熱水上升的軌跡和形成的環(huán)流通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以清晰觀察到：加熱區(qū)的水溫升高后上升染料隨熱水流動(dòng)形成可見(jiàn)的熱力環(huán)流水流到達(dá)表面后向四周擴(kuò)散，冷卻后下沉第三章大氣受熱的實(shí)際影響地表不同物質(zhì)的受熱差異水體比熱容大，吸熱慢釋熱慢。水分子可以流動(dòng)，熱量可向深處傳遞，溫度變化緩慢穩(wěn)定。海洋是地球巨大的"熱水瓶"，調(diào)節(jié)沿海地區(qū)氣候。陸地比熱容小，吸熱快釋熱也快。熱量主要集中在表層，導(dǎo)致晝夜溫差大。不同土壤類(lèi)型和顏色對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率差異明顯。植被通過(guò)蒸騰作用消耗部分熱量，溫度升高較緩慢。森林區(qū)域晝夜溫差小于裸露地表。植被覆蓋狀況是影響局地氣溫的重要因素。不均勻受熱引發(fā)大氣運(yùn)動(dòng)地表不均勻受熱是驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)的根本動(dòng)力，它在不同空間尺度上形成各類(lèi)熱力環(huán)流：海陸風(fēng)白天陸地升溫快，形成上升氣流，海面冷空氣補(bǔ)充形成海風(fēng)；夜間陸地冷卻快，形成下沉氣流，陸地冷空氣流向海面形成陸風(fēng)。山谷風(fēng)白天山坡受熱上升氣流形成谷風(fēng)；夜間山坡冷卻，冷空氣下沉形成山風(fēng)。城市熱島效應(yīng)城市建筑與硬化表面吸熱強(qiáng)，形成"熱島"，產(chǎn)生城市內(nèi)部小環(huán)流。熱力環(huán)流案例：赤道與極地溫差驅(qū)動(dòng)全球最大尺度的熱力環(huán)流是由赤道與極地之間的溫度差異驅(qū)動(dòng)的，這種差異形成了地球大氣的基本環(huán)流系統(tǒng)：赤道地區(qū)接收太陽(yáng)輻射最多，形成強(qiáng)烈上升氣流上升氣流在高空向兩極流動(dòng)，在副熱帶地區(qū)下沉極地冷空氣在低空向赤道流動(dòng)，形成地表風(fēng)地球自轉(zhuǎn)的科氏力使這些氣流偏轉(zhuǎn)，形成復(fù)雜的三維環(huán)流系統(tǒng)熱力環(huán)流塑造全球氣候溫室效應(yīng)與大氣受熱溫室效應(yīng)是調(diào)節(jié)地球溫度的關(guān)鍵機(jī)制，其基本原理是：太陽(yáng)短波輻射穿過(guò)大氣層到達(dá)地表地表吸收輻射能量后溫度升高，釋放長(zhǎng)波（紅外）輻射大氣中的溫室氣體（如水蒸氣、二氧化碳、甲烷等）對(duì)長(zhǎng)波輻射具有較強(qiáng)吸收能力溫室氣體吸收長(zhǎng)波輻射后，向各個(gè)方向再輻射，部分返回地表這種"反輻射"效應(yīng)使地表溫度維持在較高水平全球變暖背景下的大氣受熱變化01全球溫度上升趨勢(shì)自工業(yè)革命以來(lái)，全球平均溫度已上升約1.1°C，且升溫速率不斷加快。近幾十年來(lái)，全球變暖趨勢(shì)尤為明顯，2015-2020年被記錄為有史以來(lái)最熱的幾年。02區(qū)域溫度變化不均極地地區(qū)升溫速度是全球平均水平的2-3倍，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為"極地放大效應(yīng)"。北極地區(qū)尤為顯著，夏季海冰面積持續(xù)減少。03熱浪頻率增加極端高溫事件發(fā)生頻率明顯增加，熱浪強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間也有所增強(qiáng)。如2019年歐洲熱浪、2020年澳大利亞熱浪等。海洋熱含量增加NASA衛(wèi)星監(jiān)測(cè)地表溫度變化NASA等機(jī)構(gòu)利用先進(jìn)的衛(wèi)星遙感技術(shù)持續(xù)監(jiān)測(cè)地球表面溫度變化，為氣候研究提供了寶貴數(shù)據(jù)。2016年全球地表溫度分布圖顯示：北極地區(qū)升溫異常顯著，部分地區(qū)比歷史平均值高出4-6°C大部分陸地區(qū)域呈現(xiàn)溫度正距平（高于歷史平均值）海洋升溫相對(duì)較慢但范圍廣泛，特別是厄爾尼諾區(qū)域少數(shù)地區(qū)如南極洲部分地區(qū)和北大西洋顯示溫度負(fù)距平這些衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)清晰表明，全球溫度確實(shí)在上升，且升溫模式與氣候模型預(yù)測(cè)相符。極地暖化加劇導(dǎo)致冰川和冰蓋加速融化，進(jìn)而引起海平面上升。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)揭示氣候變化現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)使科學(xué)家能夠全面監(jiān)測(cè)地球表面溫度變化。這張NASA的熱成像圖清晰顯示了全球各地區(qū)的溫度異常，紅色區(qū)域表示溫度顯著高于歷史平均值，藍(lán)色區(qū)域表示低于平均值。這種全球性的溫度監(jiān)測(cè)為研究氣候變化提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。大氣受熱與天氣現(xiàn)象聯(lián)系云和降水形成地表受熱產(chǎn)生上升氣流，水汽隨氣流上升，冷卻凝結(jié)形成云，當(dāng)水滴或冰晶足夠大時(shí)產(chǎn)生降水。不同強(qiáng)度的對(duì)流可導(dǎo)致小雨、暴雨、冰雹等不同形式的降水。臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)熱帶海洋表面溫度超過(guò)26°C時(shí)，強(qiáng)烈的海氣熱交換提供能量，在科氏力作用下形成具有低壓中心的強(qiáng)大旋轉(zhuǎn)風(fēng)暴系統(tǒng)。全球變暖導(dǎo)致海洋熱含量增加，可能增強(qiáng)這類(lèi)風(fēng)暴的強(qiáng)度。雷暴和龍卷風(fēng)地表強(qiáng)烈加熱引起的劇烈對(duì)流，在特定大氣條件下可形成強(qiáng)雷暴。當(dāng)垂直風(fēng)切變存在時(shí)，上升氣流可能開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，形成破壞力巨大的龍卷風(fēng)。大氣受熱的不均勻分布是幾乎所有天氣系統(tǒng)形成的根本驅(qū)動(dòng)力。理解這些聯(lián)系對(duì)于天氣預(yù)報(bào)和極端天氣事件預(yù)警至關(guān)重要。通過(guò)研究大氣受熱過(guò)程，氣象學(xué)家能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)天氣變化和氣象災(zāi)害。教學(xué)互動(dòng)：模擬大氣受熱模型為加深對(duì)大氣受熱過(guò)程的理解，可組織學(xué)生參與以下互動(dòng)模擬活動(dòng)：將學(xué)生分為四組，分別代表：地表、低層大氣、高層大氣和太空使用紅色卡片代表短波輻射，藍(lán)色卡片代表長(zhǎng)波輻射太空組向地表組發(fā)送紅色卡片（太陽(yáng)短波輻射）地表組接收部分紅色卡片，反射部分回太空，并向低層大氣發(fā)送藍(lán)色卡片（長(zhǎng)波輻射）低層大氣組吸收部分藍(lán)色卡片，向地表和高層大氣再發(fā)送藍(lán)色卡片高層大氣組吸收部分藍(lán)色卡片，向太空和低層大氣再發(fā)送藍(lán)色卡片記錄每個(gè)組最終積累的"能量卡片"數(shù)量，討論溫室效應(yīng)和能量平衡實(shí)驗(yàn)總結(jié)與思考復(fù)雜性與規(guī)律性并存大氣受熱過(guò)程雖然復(fù)雜，涉及多種物理過(guò)程和相互作用，但遵循基本的熱力學(xué)定律和輻射傳遞規(guī)律。通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，我們能夠揭示這些看似復(fù)雜現(xiàn)象背后的基本規(guī)律。微觀過(guò)程與宏觀現(xiàn)象從分子級(jí)的輻射吸收與傳導(dǎo)，到全球尺度的大氣環(huán)流，大氣受熱過(guò)程在不同尺度上展現(xiàn)不同特征。理解這些不同尺度現(xiàn)象間的聯(lián)系，是大氣科學(xué)研究的核心任務(wù)之一。預(yù)測(cè)與應(yīng)用價(jià)值深入理解大氣受熱過(guò)程有助于提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，預(yù)測(cè)氣候變化趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)極端天氣事件，以及制定有效的氣候變化減緩與適應(yīng)策略。通過(guò)本章節(jié)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)識(shí)到大氣受熱過(guò)程的研究不僅具有重要的理論意義，還有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它是理解地球氣候系統(tǒng)和預(yù)測(cè)天氣變化的基礎(chǔ)。課堂小測(cè)驗(yàn)選擇題太陽(yáng)輻射主要通過(guò)哪種方式將能量傳遞到地球？A.傳導(dǎo)B.對(duì)流C.輻射D.熱傳導(dǎo)以下哪種熱傳遞方式不需要介質(zhì)？A.輻射B.傳導(dǎo)C.對(duì)流D.熱對(duì)流地表與緊貼地面的空氣之間的熱量交換主要通過(guò)什么方式？A.輻射B.傳導(dǎo)C.對(duì)流D.絕熱過(guò)程形成海陸風(fēng)環(huán)流的主要原因是什么？A.科氏力B.大氣壓差C.海陸受熱差異D.地形影響判斷題對(duì)流層溫度隨高度增加而升高。（）溫室氣體主要吸收太陽(yáng)短波輻射。（）海洋的比熱容大于陸地，溫度變化較緩慢。（）極地地區(qū)的升溫速率低于全球平均水平。（）大氣對(duì)流是形成云和降水的重要機(jī)制。（）答案將在下節(jié)課公布，請(qǐng)同學(xué)們認(rèn)真思考每個(gè)問(wèn)題，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析。復(fù)習(xí)與拓展三種熱傳遞方式復(fù)習(xí)輻射電磁波傳遞能量，無(wú)需介質(zhì)，太陽(yáng)能量通過(guò)輻射到達(dá)地球傳導(dǎo)分子直接接觸傳熱，從高溫向低溫傳遞，效率低對(duì)流流體運(yùn)動(dòng)傳遞熱量，形成熱力環(huán)流，驅(qū)動(dòng)天氣系統(tǒng)氣候變化對(duì)大氣受熱的影響隨著全球變暖持續(xù)發(fā)展，大氣受熱過(guò)程也在發(fā)生變化：溫室氣體濃度增加，大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收增強(qiáng)北極海冰減少，降低反照率，吸收更多太陽(yáng)輻射海洋熱容量增加，影響全球熱量再分配極端天氣事件增加，如熱浪、強(qiáng)降水等氣候帶邊界北移，影響區(qū)域氣候格局參考資料與推薦閱讀教材與教輔人教版高中地理教材《大氣受熱過(guò)程和大氣運(yùn)動(dòng)》《大氣科學(xué)概論》，盛裴軒，謝義炳編著，氣象出版社《氣象學(xué)與氣候?qū)W教程》，朱乾根等著，高等教育出版社多媒體資源NASA地球能量預(yù)算動(dòng)畫(huà)與視頻（/earth-science）國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心氣候變化可視化資源中國(guó)氣象局氣象科普教育基地虛擬參觀科學(xué)文獻(xiàn)與科普讀物IPCC第六次評(píng)估報(bào)告：《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》《氣候變化的科學(xué)基礎(chǔ)》，丁一匯著，氣象出版社《天氣的故事》，趙柏林著，科學(xué)普及出版社建議學(xué)生在課后瀏覽這些資料，深化對(duì)大氣受熱過(guò)程的理解，并了解最新的氣候科學(xué)研究進(jìn)展。結(jié)束語(yǔ)大氣受熱過(guò)程是理解地