《 大气环境》教案(湘教版必修)

第三节大气环境(一)

一、课程标准

●运用图表说明大气受热过程

（1）标准解读

本条以及后两条“标准”关注的对象是自然环境组成要素之一——大气。本条“标准”旨在认识导致大气运动的基本原理，为后面学习大气环流、天气系统以及全球气候变化打下理论基础。

本条“标准”虽然简短，但它要求的内容是比较多的。从有关大气各条“标准”综合来看，可以从以下几方面把握本条“标准”。

第一，作为自然环境组成要素，“标准”中的“大气”是指低层大气，其高度不超过对流层顶。

第二，了解大气受热，需要明确大气的热量来源，即导致大气运动的能量来源。太阳辐射是大气根本的热源，下垫面辐射（包括陆面和海面）是大气直接的热源。

第三，大气受热过程，实际上是太阳辐射、地面辐射和大气辐射之间相互转化的过程。其中，大气温室效应及其作用是需要重点阐述的基本原理。

第四，学习大气受热过程，是为理解大气运动打基础，所以，大气热力环流是需要阐述的另一个基本原理。大气热力环流是大气不均匀受热的结果。大气不均匀受热主要是由太阳辐射的纬度差异和下垫面性质差异引起的。大气不均匀受热是大气运动的主要原因，大气热力环流则是理解许多大气运动类型的理论基础。小到城市热岛环流，大到全球性大气环流，都可以用大气热力环流的原理来解释。

第五，学习和说明大气受热过程，需要借用一些原理示意图，如大气温室效应示意图、大气热力环流形成示意图等。

（2）教学重点

●大气各垂直分层特点及与人类的关系；

●大气对太阳辐射的削弱作用；

●太阳辐射、地面辐射、大气辐射、大气逆辐射四种辐射之间的关系；

●大气的温室效应。

（3）教学目标

●搜集资料说一说大气各垂直分层有哪些事物和现象，概括对流层大气与人类的关系。

●列表比较大气对太阳辐射的削弱作用，并用所学解释实际事例。

●画出简图说明大气的受热过程，解释大气受热的直接原因。能用简图推导月球表面昼夜温差大的原因。

●结合温室大棚的实例，分析说明大气是怎样具有保温作用的。尝试写一段文字，表达温室大棚的原理

在农业、建筑、人体保健等方面的应用。

（4）教学方法

●比较分析法、读图分析法、启发式教学法

二、知识结构（见第二节目标检测后）

三、教学过程

【引入新课】我们学习了地球的宇宙环境之后，知道了地球是宇宙中的一颗既普通又特殊的行星。说地球普通，因为地球具有和其他行星一样的特性，都是物质的和运动的；说地球特殊，则是因为地球是太阳系中唯一有生命物质存在的天体。地球上具有生命物质，其中一个非常重要的原因就是地球有可供生物呼吸的大气。今天我们共同探讨大气环境的一些最基本的特征。

地球的周围包围着的大气是厚厚的，从地面向上，可延伸数千千米的高空。那么，这么高的大气层在垂直方向上有什么变化特点呢？

一、大气的垂直分布(板书)

大气的组成成分在垂直方向上是有差异的，进而使得大气的温度、密度和大气运动状况等物理性质在垂直方向上有差异，特别是气温的差异决定空气的垂直运动状况。所以气温的垂直分布是划分大气各层的主要依据，也是大气各层最基本的特征。大气在垂直方向上可以划分为对流层、平流层和高层大气。

【提问】请学生读图2—23大气的垂直分层示意图，并思考以下问题：1、“对流层、平流层的气温随高度变化情况有何不同？”

【总结】(1)对流层大气温度随高度增加而递减；

(2)平流层大气温度随高度增加而增加；

(3)高层大气温度随高度增加先是降低，一定高度后又上升很快。

【承转】气温在垂直方向上有这样的变化特点，即各层大气具体有些什么现象和事物，下面我们一一来了解一下。

(学生自由发言，教师点拨)

【提问】2、“为什么说对流层与人类关系最为密切？

【学生发言，教师总结】因为人类就生活在对流层的底部，可以说是“人类之家”。天气现象复杂多变。近地面的水汽和固体杂质通过对流运动向上空输送，在上升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。与人们生活和生产活动紧密相关的各种天气现象(云、雨、雾、雪等)都发生在对流层。因此对流层与人类的关系最为密切。

平流层与人类的关系也很密切。如臭氧是“地球生命的保护伞”，而臭氧主要集中在平流层，臭氧大量吸收太阳紫外线，保护地球上的生物免受过多紫外线的伤害，可以说平流层是人类生存环境的天然屏障。【提问】同学们再看图2—23平流层中有架大型飞机，那么为什么飞机是在平流层中飞行呢？

(学生回答，教师总结)该层水汽含量极少，天气晴朗，能见度好，大气平稳，有利于高空飞行。现在人们乘坐的大型飞机多是在平流层中飞行。

【补充】(承转)平流层顶以上的大气，气压很低，空气密度很少，被划为“高层大气”层。

根据人造卫星的探测资料，在2000~3000公里的高空，地球大气的密度已经与星际空间的密度非常接近，这个高度可以大致地看作是地球大气的上界。

【承转】太阳辐射是地球上的能量源泉，大气中发生的一切现象和过程，都与太阳辐射能及其转化密切相关。太阳辐射需要穿过厚厚的大气才能到达地面，这样太阳辐射在地球表面和大气之间进行着一系列的能量转换，从而形成地球表面复杂的大气热力状况，维持着地球表面的热量平衡。

(一)大气对太阳辐射的削弱作用(板书)

我们已知太阳不断地以电磁波的形式向宇宙空间放射巨大的能量。太阳辐射能在各种波长范围是有变化的。

【提问】请同学们对照课本的表中内容阅读图 1.7，太阳辐射的主要波长范围是多少？主要分成哪几个部分？太阳辐射能是怎样分布的？

【总结】从图中可以看出太阳辐射的主要波长范围是0.15~4微米。其中，人眼能看见的光线，波长在0.4~0.76微米之间，因此这个范围称为可见光区，太阳辐射总能量的50%集中在这个波长范围，所以太阳辐射能主要集中在可见光区。人们把太阳辐射称为短波辐射。波长小于0.4微米的紫外线区占太阳辐射总能量的7%，波长大于0.76微米的红外线区占太阳辐射总能量的43%，这两部分人们用肉眼都无法看见。

【提问】太阳辐射各种波长的光是怎样被削弱的？有哪些削弱作用？各有什么特点？

【承转】太阳辐射到达地面要穿过厚厚的大气，大气对太阳辐射有吸收、反射和散射作用，从而削弱了到达地面的太阳辐射。

【提问】平流层中的臭氧吸收太阳辐射的哪部分？

【点评】平流层中的臭氧吸收太阳紫外线。可见，大气对太阳辐射的吸收是有选择的。

1.大气对太阳辐射的吸收具有选择性(板书)

平流层臭氧主要吸收紫外线。对流层大气中的水汽和二氧化碳等，主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光线却吸收得很少，大部分可见光能够透过大气射到地面上来。由此可见，大气直接吸收的太阳辐射能量是很少的。

【承转】大气中的云层和尘埃，具有反光镜的作用，把投射在其上的太阳辐射的一部分，又反射回宇宙空间，从而减少了到达地面的太阳辐射。接下来我们了解一下大气的反射作用。

2.大气对太阳辐射的反射作用(板书)

大气对太阳辐射的反射是没有选择性的，所以反射光呈白色。云层的反射作用最为显著。云层越厚，云量越多，反射愈强。所以夏季天空多云时，白天的气温不会太高，就是这个道理。此外，大气中的杂质颗粒越大，反射能力越强，颗粒越小，反射能力越差。

【提问】为什么晴朗的天空呈蔚蓝色？为什么阳光未直接进教室，教室却是明亮的？

【点评】以上这两种现象都是大气的散射作用造成的，因此我们再来学习大气对太阳辐射的散射作用。

3.大气对太阳辐射的散射作用(板书)

当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射的一部分能量，便以这些质点为中心向四面八方散射开来。散射可以改变太阳辐射的方向，使一部分太阳辐射不能到达地面。这种散射是有选择性的，波长越短，散射能力越强。在可见光部分蓝紫色光波长最短，散射能力最强，所以在晴朗的天空，特别是雨过天晴时，天空呈蔚蓝色。另一种情况是散射作用的质点是颗粒较大的尘埃、雾粒、小水滴等时，它们的散射无选择性，各种波长同样被散射，使天空呈白色。所以，日出前的黎明，日落后的黄昏，以及阴天，在树阴下，在房间里，凡是阳光不能直接照射的地方，仍是明亮的，这些都是大气的散射作用的缘故。

综上所述，太阳辐射通过地球大气层时，大气削弱的主要是红外线、紫外线区和可见光的短波部分，而可见光的绝大部分能够透过大气射到地面。可见光集中了太阳辐射一半的能量，所以太阳辐射给予地球表面巨大的能量，是发生在地理环境里各种现象和过程的最重要的能量源泉。

（二）地面辐射和大气辐射(板书)

【提问】对流层大气的主要的直接热源是什么？为什么说地面辐射是长波辐射？

对流层中的水汽和二氧化碳对太阳短波辐射吸收差，但对地面长波辐射吸收能力很强，因而使近地面大气增温。近地面大气又以辐射、对流等方式，把热量传给高一层大气，使大气保存了地面所放出热量的绝大部分(75%~95%)。因此，对流层大气的主要的直接热源是地面。

大气吸收地面辐射增温的同时，也向外辐射热量，大气辐射也主要集中在红外线区，所以大气辐射也是长波辐射。大气辐射热一部分向上射向宇宙空间，大部分向下射向地面，其方向与地面辐射正好相反，故称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面，这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，对地面起到了保温作用，使地面温度变化比较缓和。天空有云，特别是浓密的低云，大气逆辐射更强，多云的夜晚通常比晴朗的夜晚暖和些。所以，在晚秋或寒冬，霜冻多出现在晴朗的夜晚。

板书下图讲解：

综上所述，地球大气对太阳短波辐射几乎是透明体，大部分太阳辐射能够透过大气射到地面上，使地面增温；大气对地面长波辐射却是隔热层，把地面辐射放出的热量绝大部分截留在大气中，并通过大气逆辐射又将热量还给地面。人们把大气的这种作用，称为大气温室效应。

【承转】我们学习了大气的热力作用，实际上主要体现在太阳辐射、地面辐射、大气辐射、大气逆辐射这四种辐射之间的关系，下面我们再来看这四种辐射的关系。

画出简图，重述大气的热力作用，掌握本课重点内容。

图1

图2

大气的温室效应，我们应重点弄清太阳辐射与地面辐射、大气辐射等之间的关系。如图1，这种关系主要表现在以下两方面：一方面是大气对地面长波辐射的吸收能力很强，从而将地面放出的热量保存在大气中，二是大气逆辐射将大部分热量返还给地面，在一定程度上弥补了地面辐射损失的热量，正是这种关系，才使得大气对地面具有保温作用，我们可以借助于上述简图分析说明大气保温效应的三个物理过程：(1)太阳辐射到达地面后，地面吸收太阳辐射而增温；(2)地面增温后产生地面长波辐射，大气又强烈吸收地面辐射而增温；(3)大气增温后又产生大气长波辐射，一小部分射向宇宙空间而散失，剩余的绝大部分射向地面，我们称之为“大气逆辐射”(如图1)。大气逆辐射在很大程度上弥补了地面辐射所损失的能量，从而起到了对地面的保温作用。

【点评】从大气对地面的保温作用这一过程中，我们不难得出这样的结论：(1)地面辐射是近地面大气(对流层)的主要的直接的热量来源，而地面辐射的主要能量来源是太阳辐射，所以说，(2)太阳辐射是地球上(地面和大气)的根本能量来源。(3)对地面直接起保温作用的是大气逆辐射。它们之间的关系如图2。

【承转】同学们，上一单元的学习我们已知太阳直射点在地表作回归运动，使太阳辐射能在地球表面分配不均匀。纬度不同的地方，太阳高度角不同。相比较而言，太阳直射的地方，单位面积获得的太阳辐射能最多。那为什么会是这样？请同学们读图2—26“不同太阳高度辐射强度变化示意图”。

（三）影响地面辐射的主要因素(板书)

1、纬度因素：

地球表面不同纬度地区，由于太阳直射点的南北移动，太阳高度角有差异，会对地表获得的太阳辐射有影响。因为太阳高度角越大的地区，太阳辐射经过大气的路程越短，被大气削弱得越少，最后到达地面的太阳辐射就越多，反之越少。这是太阳辐射由低纬向两极递减的原因之一。

【总结】太阳高度角不同，①等量太阳辐射在地面的散布面积不同

②经过大气的路程长短不同，被削弱程度不同。地面得到的太阳辐射不同，地面辐射也就不同。

2、下垫面因素：

【提问】读图2—27“不同性质地面的反射率图”，什么样的下垫面反射率最高？反射的多少跟地面得到的多少、地面辐射的多少有什么关系？

【总结】反射的越多，地面得到的越少，地面辐射的越少，大气得到的就越少。

3、其他因素：（略）

【活动】读课本阅读内容，思考温室效应是怎样形成的？说说温室大棚的原理在农业、建筑、人体保健等方面的应用。

【点评】略

四、板书提纲

第三节大气环境(一)

(一)大气对太阳辐射的削弱作用

（二）地面辐射和大气辐射

大气保温作用：

(1)太阳辐射使地面增温

(2)地面辐射使大气增温，同时地面降温

(3)大气逆辐射又使近地面增温，起到保温作用

（三）影响地面辐射的主要因素

1、纬度因素：

下垫面因素：

五、教后感

知识链接

天空的颜色

我们平常看到的天空是蓝色的，它是怎样形成的？更高的天空又是什么颜色的？

当太阳光波射入大气圈后，遇到大气分子和悬浮在大气中的微粒子，就会发生散射，这样每个大气分子就成了一个个散光的光源，它们向四面八方发射散射光。在太阳的辐射中，那些能量最高的辐射如紫、蓝、青等颜色的光最容易被大气分子和微粒散射出来。能量较低的如红、橙、黄等颜色的光透射能力强，它们能透过大气分子直接射向地面。对下层空气分子散射来讲，主要是蓝色光线被散射出来，所以天空是呈现蓝色的。

那么对流层以上的天空是什么颜色的呢？由于高空空气稀薄，空气的分子数很少，分子散射放出的光线变弱，天空的亮度变暗。在离地面约8千米，天空为青色；在离地面约11千米，天空变为暗青色；在离地面约13千米，天空变为暗紫色，这是因为只有那些最易被散射的紫色光波才被高层稀疏的空气分子散射出来；到20千米以上，分子更稀少了，可见光散射很少，天空就变成黑灰色了。

未来水世界

“未来的某一天，由于接连好几个世纪的全球气温的不断上升，南极和北极的冰雪都融化了。水面不断地提高，原先的大陆和岛屿相继被汪洋大海所吞没。陆上的生物几乎完全消失了。新出现的半人半鱼的统治生物在马里纳的领导下，与海盗斯摩克斯正在为泥土、淡水展开疯狂而惨烈的争斗。”

这是好莱坞的科幻作品《未来水世界》所展现给观众的场面。这部在世界电影史上创下投资最高记录(2亿美元)的巨片，揭示的是全球气候变暖所造成的严重后果。片中出现的未来场面是否真有科学的依据，也许没人在意，但影片所提出的全球气候变暖趋势，却引起人们深思。

每年6月5日是“世界环境日”,1989年的主题便是“警惕，全球变暖”。而联合国环境规划署所确定的1991年“世界环境日”的主题是“气候变化一一-需要全球合作”。气候的变化确实已经成为限制人类生存和发展的重要因素，成为全球所关注的话题。

“温室效应”是怎么回事

在温室里，玻璃能让阳光进入室内，但它却吸收了一定比率的热辐射，并阻挡这些进入室内的热辐射返回空间。这样，不需任何形式加热补偿，温室内白天温度就能比室外气温高出许多。农业生产中的塑料薄膜育秧、玻璃窗苗床以及北方的塑料大棚菜畦，都是利用了这个道理。

在大气中，有那么一些成分，它们具有与玻璃相似的作用，让阳光到达地球，阻碍热量从地球表面散发出去，从而维持了地球表面的气温，这种效应，就如同温室的作用一样，因此被称为“温室效应”。能产生温室效应的气体有：二氧化碳、甲烷、氮氧化合物、氯氟烃、臭氧等气体。这些气体被称作“温室气体”。温室气体有许多种，但二氧化碳却是其中的主要角色。它有一个特点就是对太阳发出的短波辐射吸收很少，但对地面发射的长波辐射却吸收强烈。所以，二氧化碳浓度的高低将直接影响地球表面的温度。在地球漫长的进化历史中，大气中二氧化碳的量是在变化着的。在过去的10万年中，由于植物的消耗和海洋的溶解作用，大气中的二氧化碳量一直保持在一个相对平衡的范围内。但进入工业革命以来，人类开始大量燃烧煤、石油、天然气等化工燃料，在此过程中释放的大量的二氧化碳，每年全世界大约排放出200亿吨二氧化碳。科学家预计到2050年，大气中的二氧化碳浓度将比目前增加1倍。到那时，地球表面温度将平均升高2.5℃。