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同学们好！在上一讲中
我们根据气温的垂直分布对大气圈进行了分层
而气温的垂直分布主要受到大气热力过程的影响
今天这一讲我们就一起来学习大气的热力过程
太阳、大气和地面之间依靠辐射传热
大气在运动过程中不断与太阳与地球进行热量交换
构成了大气的热力运动
地球上的能量主要来自于太阳
太阳表面温度大约有6000K，不断以电磁波方式向外辐射能量
太阳辐射线主要有紫外线、可见光和红外线
波长主要在0.15～4μm之间，因此太阳的辐射主要是短波辐射
太阳向地球上的热量辐射用太阳常数表示
即地球在地日平均距离处
和太阳光垂直的大气上界单位面积单位时间接受的太阳辐射
太阳常数约为1368瓦每平方米，形象地说
太阳每秒照射到地球的能量相当于燃烧500万吨煤所释放的热量
地球表面的陆地、海洋、植物可以直接吸收太阳的辐射
太阳辐射到地球上的能量约有51％直接被地球所吸收
同时，地球表面可以按自身温度向外辐射
地球辐射以低温长波辐射为主，波长集中在3～120μm之间
大气层在太阳和地球热交换中起着重要作用
太阳短波辐射到达大气层后
有49%的能量被地球表面的大气层吸收、散射和反射
其中，6%被大气直接反射，20%被云层所反射
另外19%被大气及云所吸收，直接加热了大气
我们前面提到，地面以长波形式向外辐射
大气中水汽、二氧化碳、臭氧等成分会吸收地面长波辐射
低层大气吸收了地面的辐射以后
又以辐射的方式传给上部气层
地面的热量就这样以长波辐射方式一层一层地向上传递
致使大气自下而上地增热
同时，地面与近地层大气进行热传导
这部分能量约占到总能量的7%
而地面蒸发的水蒸气进入大气
再通过相变将能量释放到大气中
这部分潜热大约占23%
综上所述，大气的加热过程可以认为是太阳辐射加热地面
然后地面辐射加热大气
因此近地层大气温度随地面温度升高而增高
并自下而上地被加热
地表温度周期性变化也引起低层大气温度发生周期性变化
进而影响大气污染物的扩散
大气的升降运动总是伴有不同形式的能量交换
实际大气在升降过程中，因膨胀和压缩引起的内能变化
比与外界进行热交换引起的内能变化大的多
因此一般可将没有水相变化的空气块的垂直运动近似看作绝热过程
我们来看大气中一个气团的升降过程
当气团绝热上升时，由于周围空气的气压降低
气团内部压力大于外部，气团会发生膨胀
气团由于膨胀对外做功，温度会降低
反过来，当气团绝热下降时
因周围环境压力增加而被压缩，外力对气团做功
气团温度升高
那么这种温度的升高和降低的幅度有多大呢
大气绝热升降时的温度变化可以用泊松方程来计算
对于单位质量的气团，假设它上升dz的高度后
温度变化了dT，压力变化了dP，体积变化dVm
那么根据热力学第一定律
气团与外界的热交换值dQ
就等于气团的内能变化cdT加上对外做功P乘以dVm
代入理想气体状态方程
可以推导出描述大气热力过程的微分方程
这里，cp和R分别为干空气的的定压比热容和气体常数
对于大气的绝热过程，气团的热量变化dQ=0
所以这个式子可变化为dT除以T等于R除以cp乘以dP除以P
将式子从气团的初始状态(T0,P0)积分到升降后的状态(T,P)
就可以得到定量描述气团绝热升降过程的泊松方程
可以看出，绝热升降中气温的变化完全是由气压变化引起的
气团绝热上升，气压降低，温度呈指数下降
需要注意的是
我们这里所推导的泊松方程只适用于干绝热过程
即干空气或未饱和的湿空气
如果是湿绝热过程
还需要考虑气团上升时水汽凝结潜热的影响
泊松方程给出了干空气团做绝热升降时气温和气压的关系
如果再考虑气压随高度的变化
就可以得到气温随高度的变化
我们把干空气块绝热上升或下降单位高度时的温度变化量
称为干绝热直减率，用伽马d表示
将泊松方程的微分形式进行变形
可以得到干绝热直减率与压力随高度变化率的关系
再代入大气静力平衡方程
就可以得到干绝热直减率的计算公式
即重力加速度除以干空气的定压比热容，约为0.98K/100m
说明干空气或者未饱和的湿空气每升高100米
温度下降约为1开
由于气团温度随着高度或压强的改变而变化
我们不便于用温度表示气团的热力学状态
为了比较不同气压下气团的热状态
气象学上引入了位温这个概念
位温是干空气团绝热升降到标准大气压所具有的温度
以θ表示。我们这里给出了位温的表达式
可以看出，绝热运动时
位温只取决于初始状态的温度和压力
即空气团作绝热运动，位温不变
因此位温是具有保守性的物理量
与温度相比
位温的保守性更便于我们研究气团或气流的来源及演变
在实际大气中，单位高度上气温的变化值称为气温直减率
用伽马表示
若气温随高度增加是递减的，伽马为正值
反之，伽马为负值
我们前面所说的
干绝热直减率就是一种特定条件下的气温直减率
气温沿垂直高度的分布
也可以用坐标图上的曲线表示
这种曲线称为温度层结
按照气温直减率，温度层结可以分为四种
如果气温直减率大于干绝热直减率
也就是温度随高度减小得更快
我们称这样的层结为正常层结
如果气温直减率等于或近似等于干绝热直减率
则称为中性层结
如果气温不随高度变化
即气温直减率=0，称为等温层结
如果气温随高度增加而增加，即气温直减率<0
称为逆温层结，简称逆温
一般情况下，近地层大气温度随着高度增加而下降
即低层大气温度高，高层大气温度低，显得“头重脚轻”
这种大气层结容易发生上下对流运动
将近地面层的污染物向高空及远方扩散
可是在某些天气条件下
也会出现气温随高度增加而升高的逆温层结
由于上层温度高、下层温度低
近地层的大气难以向高空扩散，容易形成重污染
关于这个问题，我们将在下一节进行详细介绍
欢迎同学们继续学习
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
-7-9 气固相催化反应器的设计
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
-第七章 气态污染物控制技术基础（选修）--第七章 作业习题
-8-1 概述
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-8-1 概述--作业
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-第八章 硫氧化物控制技术--8-2 燃烧前燃料脱硫
-8-3 流化床燃烧脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
-8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）--作业
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
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-8-11 烟气脱硫技术的综合比较--作业
-8-12 二氧化硫控制策略（访谈）（选修）
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--参考链接
-第八章 硫氧化物控制技术--第八章 作业习题
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-9-1 概述--作业
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-2 低氮氧化物燃烧技术
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-3 选择性催化还原技术
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-第九章--9-4 选择性非催化还原技术
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-9-7 固定源氮氧化物控制技术评价--作业
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--第九章作业习题
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-10-6 生物法控制VOCs污染（选修）--作业
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
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-Lecture 02
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-Conversation
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-附加：--Exercise
