2.1 大气的组成和垂直分层（精品课件）——高中地理人教版（2019）必修第一册

第一节 大气的组成和垂直分层地球上的大气新课导入2012年10月14日，奥地利“坠落人”鲍姆加特纳在美国西南部乘坐太空舱升空。约3小时后，他上升至39千米高空。随后，他从那里跳下，4分钟后才打开降落伞，成为第一个自由落体速度超音速的人（图2.1）。他配备的特制宇航服，外表绝缘，密封的内层中填充加压氧气；头盔内有液氧系统，护目镜中装有温度调节器。39千米高空的大气属于平流层大气，与地面大气相比，具有辐射强、氧气少、温度低且变化大等特点。该处大气具有温度低、氧气少等特点，因此，鲍姆加特纳必须配备特制宇航服。图2.1 自由落体状态中的鲍姆加特纳问题：39千米高空的大气与地面大气有哪些不同？鲍姆加特纳为什么需要配备特制宇航服？核心素养人地协调观认识大气组成与分层对人类生存的重要性，如氧气供呼吸、臭氧层防紫外线，同时理解人类活动（如排放污染物）对大气的破坏，树立保护大气环境、维持圈层平衡的意识。区域认知对比不同纬度、海拔区域的大气垂直分层差异（如高纬对流层薄、低纬厚），理解区域环境差异与大气分层的关联，明确不同区域大气特征的地理意义。综合思维综合大气各组成成分（如氮气、氧气、水汽）与垂直分层（对流层、平流层等），分析各部分功能及相互联系，认识大气作为整体对地球环境的作用，形成系统认知。地理实践力通过解读大气垂直分层示意图、收集当地空气质量数据等实践，提升对大气组成与分层的直观认识，培养数据解读与分析大气问题的实践能力。课标解读及重难点课标解读重难点运用图表资料，说明大气的组成和垂直分层，及其与生产和生活的联系①强调学习要依托图表等资料；②行为动词是“说明”对学习层次要求较高；③“大气的组成和垂直分层，及其与生产和生活的联系”是核心内容④学习时要紧密联系日常生活重点：低层大气的组成成分及其作用；大气垂直分层的划分、特征及成因难点：大气垂直分层的成因及其与人类活动的关系CONTENTS大气的组成大气的垂直分层1.单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点2.单击此处输入你的正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点目录大气的组成大气组成成分及其作用如今的大气成分是地球长期演化的结果，在短时期内不会有明显的变化。低层大气中除去水汽和杂质以外的混合气体，称为干洁空气。大气组成成分及其作用78%氮：含量最多，是地球上生物体的基本元素大气组成成分及其作用21%氧：是人类和其他生物维持生命活动所必需的物质8O15.9994Oxygen大气组成成分及其作用0.038%二氧化碳：是绿色植物进行光合作用的基本原料；吸收地面辐射的能力强，使气温升高CO244.0095Carbon dioxid变动大气组成成分及其作用极少臭氧：能吸收太阳光中的紫外线，使大气增温；减少到达地面的紫外线，对生物具有保护作用O348.00Ozone穿过大气到达地面的少量紫外线，具有杀菌的作用大气组成成分及其作用很少，因时因地而异水汽：水的相变，产生云、雨、雾雪等一系列天气现象，同时伴随着热量的吸收和释放，直接影响地面和大气的温度H2OWater vapor雨雪冰雹大气组成成分及其作用很少，因时因地而异固体杂质（尘埃）：反射太阳辐射，降低地面温度；作为凝结核，促进云雨的形成；影响人的呼吸系统，给人体健康带来一定的损害Atmospheric impurity雾霾下的城市沙尘暴下的城市尘埃促使空气中水汽凝结的微粒知识拓展天体的判断方法——三看法上升气流空气中含有足够的水汽和凝结核。空气温度下降到水汽能够凝结出来，并形成小水滴或冰晶。小水滴或冰晶还需要互相碰撞、合并，使体积增大到一定程度后才能降落到地面；另外，空气作上升运动时，温度才能下降。知识拓展大气成分的时空差异补充：干洁空气中各种气体的比例在自然状态下基本不变人类活动对大气组成的影响人类活动排放的污染物进入大气，会影响大气的成分和含量，产生大气污染，对生态系统和人类生存造成不利影响。优良天气重污染天气人类工业生产排放的废气、汽车排放的尾气等会造成大气污染。图为北京优良天气和重污染天气对比。图2.3 大气污染现象举例案例大气中二氧化碳含量的变化与人类活动在过去80万年的绝大多数时间里，大气中二氧化碳体积分数的变化相对平缓。然而，从1740年到2011年，短短不到300年的时间里，二氧化碳体积分数增加了40%多（图 2.4）。二氧化碳体积分数的增加，基本上都来自化石燃料的燃烧和土地利用的变化（主要是毁林）。化石燃料燃烧，会释放二氧化碳；森林面积缩小，会减少森林对二氧化碳的吸收量。图2.4 二氧化碳体积分数的变化活动了解大气含氧量减少对人体产生的影响大气中氧气含量对人体健康至关重要。科学研究发现，适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力。但含氧量太低会危害人体健康甚至危及生命。我国已建成甘肃榆中、青海多巴、云南海埂、河北兴隆、云南呈贡等国家级高原体育训练基地（表2.1）。1.在奥运会等世界重大体育赛事中，来自非洲埃塞俄比亚、肯尼亚的中长跑运动员往往成绩优异。在非洲地形图上，找出这两个国家，归纳它们共同的地形特点。由此，你能推测这两个国家中长跑运动 员成绩优异的原因吗？埃塞俄比亚和肯尼亚地形均以高原为主，海拔高，大气稀薄，大气中含氧量低，有利于激发运动员的运动潜力。埃塞俄比亚肯尼亚活动了解大气含氧量减少对人体产生的影响大气中氧气含量对人体健康至关重要。科学研究发现，适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力。但含氧量太低会危害人体健康甚至危及生命。我国已建成甘肃榆中、青海多巴、云南海埂、河北兴隆、云南呈贡等国家级高原体育训练基地（表2.1）。2.在中国地图（地图册或教学挂图）上找到表 2.1所列的高原训练基地的位置。渝中多巴海埂兴隆呈贡活动了解大气含氧量减少对人体产生的影响大气中氧气含量对人体健康至关重要。科学研究发现，适当的缺氧环境利于激发运动员的运动潜力。但含氧量太低会危害人体健康甚至危及生命。我国已建成甘肃榆中、青海多巴、云南海埂、河北兴隆、云南呈贡等国家级高原体育训练基地（表2.1）。3. 目前，世界公认的平原运动员进行高原训练的最佳高度为海拔1 800—2 400米。表 2.1中所列的高原训练基地的海拔在这个范围内吗？参照表 2.2推测运动员在更高海拔训练反而达不到理想成绩的原因。表2.1所列的榆中、多巴、海埂、兴隆和呈贡五大高原训练基地的海拔均在1800～2400米范围内。结合表2.2可知，海拔越高，与海平面的含氧量比越低，说明含氧量越低，会危及运动员的身体健康，反而达不到理想成绩。大气的垂直分层划分依据地球大气从地面向上，可延伸到数千千米高空。根据温度、运动状况和密度，大气自下而上可以划分为对流层、 平流层和高层大气。垂直分层——对流层对流层高度范围①平均高度为12千米②高度因纬度而异：低纬度地区17-18千米，中纬度地区10-12千米；高纬度地区8-9千米③因季节而异：夏季较厚，冬季较薄垂直分层——对流层对流层主要特点成因气温随高度的增加而降低地面是低层大气主要的直接热源空气对流运动显著该层上部冷、下部热天气现象复杂多变，风、云、雨、雾、雪等天气现象大都发生在这一层集中了大气圈质量的3/4和几乎全部的水汽、杂质；近地面的水汽和杂质通过对流运动向上输送，随着温度降低，容易成云致雨对流层的热量主要来源于地面必要条件：①充足的水汽；②凝结核；③降温（气温降低，水汽凝结）每升高1000米，气温下降6℃垂直分层——对流层对流层与人类活动的关系人类生活在对流层底部，对流层与人类生活、生产的关系最为密切。垂直分层——平流层平流层高度范围自对流层顶部至50-55千米高空垂直分层——平流层平流层主要特点成因气温随高度升高而升高，（平流层大气的下层气温随高度变化很小，但在30千米以上，气温随高度增加而迅速上升）臭氧集中分布在22-27千米，它可以吸收大量太阳紫外线，使大气增温气流以水平运动为主该层大气上部热、下部冷，大气稳定无云雨现象，能见度好水汽、杂质很少，气流平稳垂直分层——平流层平流层与人类活动的关系①臭氧层有保护地球生命的作用②有利于航空飞行垂直分层——高层大气高层大气高度范围自平流层顶部至3000千米的高空垂直分层——高层大气高层大气主要特点气温随高度增加先降低后上升（在300千米的高空，温度可达1000℃以上）自平流层顶部向上，由于没有吸收紫外线的臭氧，气温会下降；再向上，由于大气吸收了更短波长的太阳紫外线，温度持续上升在80-500千米的高空有若干电离层电离层大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态空气密度很小，在2000-3000千米的高空，大气的密度已经与星际空间的密度非常接近距地面远，受到的引力小垂直分层——高层大气高层大气与人类活动的关系①出现流星现象②电离层能反射无线电波，对无线电通信有重要作用思考1. 为什么平流层适合飞机飞行？平流层的大气上部热、下部冷，不易形成对流，主要以平流运动为主，且该层大气中水汽和杂质含量很少，无云雨现象，能见度好，适合航空飞行。思考2. 无线电通信利用了哪层大气的特性？在80—500千米的高空，有若干电离层。电离层大气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，处于高度电离状态，能反射无线电波，无线电通信就是利用了高层大气中电离层的这一特性。知识拓展逆温现象含义：正常情况下，对流层气温随高度升高而逐渐降低，一般来说，气温每升高1km，气温下降约6℃。在一定条件下，对流层的某一个高度范围内会出现气温随高度增加而上升的现象，或者随高度的增加气温的垂直递减率小于6℃/km的现象，这种现象称逆温现象。高度温度高度温度逆温层正常情况逆温层阻碍了空气对流运动，其下面的空气层常有雾、露、霜等天气现象出现知识拓展逆温的主要类型在晴朗无云或少云的夜晚，大气逆温辐射较弱，地面冷却快，贴近地面的大气层也随之降温。离地面越近降温越快，离地面越远降温越慢，因而形成了自地面开始的逆温发生的条件和过程中高纬度地区，黎明前最强出现的地区知识拓展逆温的主要类型当暖空气运动到冷的地面上空时，暖空气与冷地面之间不断进行热量交换，暖空气下层受冷地面影响大，气温降低较快，上层降温较慢，从而形成逆温发生的条件和过程中纬度沿海地区出现的地区知识拓展逆温的主要类型锋面是冷暖气团之间狭窄的过渡带，暖气团位于锋面上部，冷气团在下部，会形成逆温发生的条件和过程冷暖气团之间的过渡带出现的地区知识拓展逆温的主要类型地形逆温由于山坡散热快，山坡上的冷空气沿山坡下沉到谷底，谷底原来较暖的空气被冷空气抬挤上升，从而出现气温的倒置现象，即地形逆温发生的条件和过程山地、盆地和谷地出现的地区知识拓展逆温的主要类型亦称湍流逆温。由于低层空气的湍流混合作用而形成的逆温。当气层的气温直减率小于干绝热直减率时，经湍流混合后，气层的温度分布逐渐接近干绝热直减率，因湍流上升的空气按干绝热直减率降低温度。空气上升到混合层顶部时，它的温度比周围的气温低，混合的结果，使上层气温降低；空气下沉时，情况相反，致使下层气温升高。这样就在湍流减弱层，形成逆温层。发生的条件和过程摩擦层的中上部，逆温离地面的高度依赖于湍流混合层的厚度，通常在1500米以下，其厚度一般为数十米出现的地区知识拓展 辐射逆温的生消过程辐射逆温厚度从数十米到数百米，在陆地上常年都可出现。夏季夜短，逆温层较薄，消失较快；冬季夜长，逆温层较厚，消失较慢。知识拓展逆温的影响出现多雾天气加重大气污染不利影响发生逆温的早晨易出现多雾天气，大气能见度降低，影响人们的出行，易诱发交通事故；低空逆温造成的多雾天气给飞机起降带来不便低空逆温使空气垂直对流受阻，造成近地面污染物不能及时扩散（如雾霾），从而危害人体健康知识拓展逆温的影响可作为气候资源加以利用把逆温现象看作一种气候资源，其主要出现在一些上坡或河谷地区。例如，在我国新疆伊犁河谷，逆温出现时间长达半年，有效提高了当地冬季的温度，使多年生果树越冬少受冻害利于农业生产可应用于谷物种植，提高产量及质量抑制沙尘暴逆温条件下，空气对流较弱，不利于沙尘扬起，可减轻沙尘暴的强度利于高空飞行逆温若出现在高空（如对流层顶部、平流层），则对飞机飞行极为有利，因为逆温条件空气对流运动弱，飞机在飞行中不会有大的颠簸，飞行平稳；同时能见度较高，使飞行更加安全有利影响自学窗全球合作 保护臭氧层20世纪80年代初，科学家观测发现，南极上空每年春季臭氧含量比之前有大幅度下降，并将这一现象称为“臭氧空洞”。“臭氧空洞”的出现，表明臭氧层被破坏，臭氧含量减少。为了保护臭氧层，国际社会于1985年缔结了《保护臭氧层维也纳公约》（以下简称《公约》），开启了全球携手保护臭氧层的历程。1987年9月16日，46个缔约方在加拿大蒙特利尔达成了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》（以下简称《议定书》），限制生产和使用氯氟碳化物等消耗臭氧层的物质。1995年，联合国大会决定，每年的9月16日为“国际保护臭氧层日”。《公约》和《议定书》得到了全世界绝大多数国家和地区的支持，成为联合国数百个公约中参与度最高的公约。《公约》及其《议定书》的有效实施，使得“臭氧空洞”开始缩小，在全球范围内避免了数百万例可能由紫外线带来的人类疾病，如皮肤癌、白内障等。另外，保护臭氧层还减缓了气候变化的幅度。目前，人类面临的全球性环境问题，如全球变暖、臭氧层破坏等，都需要国际合作才能解决。保护臭氧层的成功，成为全球合作成功解决这类问题的典范。图2.7 南极上空大气臭氧总量最低值（每年10月份）卫星监测数据课堂小结课堂小练大气层是地球最外部的气体圈层。据此完成下面小题。1．地球的大气圈（   ）①由包围着地球的气体和悬浮物质组成②主要成分是氧气和氩气③与其他圈层之间没有联系④主要成分是氮气和氧气A．①② B．②③ C．③④ D．①④解析：①地球大气圈由包围地球的气体和悬浮物质组成，①正确。②地球大气的主要成分是氮气和氧气，②错误，④正确。③大气圈与地球其他圈层有联系，相互影响，相互作用，③错误。综上所述，D.①④正确，ABC错误。故选D。D大气层是地球最外部的气体圈层。据此完成下面小题。2．关于大气成分及其作用的叙述，正确的是（   ）①二氧化碳对地面有保温作用②水汽和杂质是天气变化的重要角色③二氧化碳是光合作用的物质原料④臭氧能大量吸收太阳光中的红外线A．①②③ B．①③④ C．①②④ D．②③④解析：①二氧化碳能强烈吸收地面长波辐射，对地面具有保温作用，①正确。②大气中的杂质是凝结核，水汽和杂质是天气变化的重要角色，②正确。③植物的光合作用把二氧化碳和水转化为氧气和有机物，二氧化碳是植物光合作用的物质原料，③正确。④臭氧能大量吸收太阳光中的紫外线而不是红外线，④错误。A①②③正确，BCD错误。故选A。A气象气球携带探空仪器升空，就像是一个“CT扫描仪”，从低空到高空进行逐层扫描，把不同高度的温度、气压、空气湿度、风向、风速等数据通过信号发回地面。2024年10月，某科考队在赤道某地区放飞的探空气球中，最高的升至45km高空。下图为刚放飞的氦气探空气球和大气垂直分层示意图。据此完成下面小题。3．探空气球升空过程中温度变化过程是（   ）A．先升后降 B．先降后升C．一直降低 D．一直升高解析：由材料探空气球“最高的升至45km高空”可知，探空气球上升过程中穿过了对流层和平流层，据所学可知，平流层大气的气温随海拔的升高而升高，对流层大气的气温随海拔的升高而降低，因此探空气球上升过程气温随海拔的升高而先降后升，B正确，ACD错误。故选B。B晴朗无风的夜晚，地面因辐射而失去热量，近地面大气层冷却强烈，较高大气层冷却较慢，气温从地面开始向上递增，称为辐射逆温。读图完成下面小题。4．探空气球升空过程中体积的变化情况及原因是（   ）A．先变大再变小，大气压强先升再降B．一直变大，大气湿度升高C．先变小再变大，大气温度先降后D．一直变大，大气密度降低解析：根据所学知识，随着海拔的增加，大气的密度逐渐减小，气压逐渐降低，使得探空气球在上升的过程中，气球内的气压逐渐大于外界大气压，导致探空气球的体积会变大，D正确，ABC错误。故选D。D晴朗无风的夜晚，地面因辐射而失去热量，近地面大气层冷却强烈，较高大气层冷却较慢，气温从地面开始向上递增，称为辐射逆温。读图完成下面小题。5．图a表示辐射逆温形成前的气温垂直分布，一般出现在午后，图c表示辐射逆温消失过程，一般出现在（   ）A．上午 B．傍晚 C．凌晨 D．黎明前解析：a表示辐射逆温形成前的气温垂直分布，一般出现在正午前后；b表示辐射逆温形成后的状况，一般出现在黎明以前；c表示辐射逆温消失过程，说明此时地面开始接收太阳辐射开始升温，故出现在日出后，地面接收太阳辐射增温，近地面空气增温快，气温升高，近地面逆温层部分消退，随着地面接收太阳辐射不断增多，逆温层会完全消退，一般在正午前后可形成a形态，故c出现的时间最可能是上午，A正确，BCD错误。故选A。A晴朗无风的夜晚，地面因辐射而失去热量，近地面大气层冷却强烈，较高大气层冷却较慢，气温从地面开始向上递增，称为辐射逆温。读图完成下面小题。5．图a表示辐射逆温形成前的气温垂直分布，一般出现在午后，图c表示辐射逆温消失过程，一般出现在（   ）A．上午 B．傍晚 C．凌晨 D．黎明前解析：出现逆温时，空气下冷上热，空气垂直对流受阻，不利于污染物的扩散，①错误；臭氧层破坏与逆温现象无关，②错误；出现逆温时，空气稳定，对流活动弱，可以抑制沙尘暴的发生，③正确；逆温会导致污染物不易扩散、出现大雾等现象，增加大气的逆辐射，从而减轻山区农作物的冻害，④正确； B正确，ACD错误，故选B。B谢谢聆听