第二章 地球表层的能量收支(一)
高中地理第二章自然地理环境中的物质运动和能量交换第1节大气的热状况与大气运动中图版课件名师优质公开课
[思维流程]
[答案] (1)散射 四面八方 (2)反射 低 (3)紫外线 平流 (4)红外线 对流
1．大气的保温作用可分三个过程 (1) 太阳辐射 到达地面，地面吸收太阳辐射后地面增温。 (2)地面增温后产生地面辐射(长波)，大气强烈吸收 地面辐射 而增温。 (3)大气产生大气辐射，它将其中很大部分返还给地面， 大气逆辐射 在很大程度上弥补了地面辐射所损失的能 量，从而起到了保温作用。
——《草原上升起不落的太阳》
思考探究：根据材料分析，为什么天 空呈蓝色、云彩呈白色？
提示：空气对太阳辐射(尤其是蓝光)的散 射作用和云层对太阳辐射的反射作用。
知识升华 一、大气削弱作用的形式 大气对太阳辐射的削弱作用主要表现在大气对太 阳辐射的吸收、反射和散射三个方面。
二、影响太阳辐射强度的因素 影响太阳辐射强度大小的主要因素是太阳高度。此外，大 气透明度、海拔和大气状况等对太阳辐射强度都有影响。如下 表所示：
提示：月球上没有大气层对太阳辐射的削弱作用。 2．为什么没有太阳照射时，温度会下降到－180 ℃～ －170℃？ 提示：月球上没有大气层对月面起保温作用。
知识升华 一、大气的受热过程
由上图可知，大气的受热过程可归纳 如下表：
二、大气保温作用原理的应用 1．在自然现象中的应用，如下表：
2.在生产活动中的应用 (1)采用塑料大棚发展农业，玻璃温室育苗等。 原理：塑料薄膜、玻璃与二氧化碳具有相同的功能， 能让太阳短波辐射透射进入，而地面长波辐射却不能穿 透塑料薄膜或玻璃散失，从而将热量保留在塑料大棚或 玻璃温室里。 (2)秋冬季节，北方农民常用人造烟幕的办法来增强 大气逆辐射，使地里的农作物免遭冻害。
miami模型方程
miami模型方程Miami模型方程是一种常用的气候模式方程，用于描述地球表面温度与大气环境之间的相互作用关系。
该模型方程由两个主要组成部分构成，分别是地球表面能量收支方程和大气辐射平衡方程。
地球表面能量收支方程描述了地球表面的能量输入和输出过程。
地球表面接收到的能量主要来自太阳辐射，包括短波辐射和长波辐射。
地表还通过热传导和对流传输方式输送能量给大气。
同时，地表通过辐射和蒸发的方式将能量输出到大气层。
地球表面能量收支方程可以表示为：地表辐射吸收 = 太阳辐射 - 地表辐射传出 + 地表热传导 + 地表对流传输大气辐射平衡方程描述了大气层中能量的收支平衡情况。
大气层吸收来自地表的热传导和对流传输的能量，并通过辐射的方式向外传递能量。
大气辐射平衡方程可以表示为：大气层辐射吸收 = 地表辐射传出 - 大气辐射传出 + 大气热传导 + 大气对流传输通过将地球表面能量收支方程和大气辐射平衡方程组合起来，可以得到Miami模型方程，用于描述地球表面温度与大气环境之间的相互作用。
该模型方程可以用来研究气候变化、天气预测等相关问题。
除了以上的方程，Miami模型方程还可以结合其他气象参数，如湿度、风速等，来进一步精确描述地球表面温度的变化。
这些参数可以通过现场观测或者气象资料获取，并作为输入参数加入到模型方程中，以提高模型的准确性和可靠性。
总结起来，Miami模型方程是一种常用的气候模型方程，用于描述地球表面温度与大气环境之间的相互作用关系。
它由地球表面能量收支方程和大气辐射平衡方程组成，并可以结合其他气象参数进行进一步的精确描述。
该模型方程在气候变化、天气预测等领域具有重要的应用价值，为科学研究和实际应用提供了重要的工具和方法。
全球变化第二章全球变化的主要过程与驱动力解读
太阳活动的历史记录（王绍武，1994）
表2-1
编号 1 名称 现代极大
5000年来太阳活动异常时期
可能时间范围 1780A.D.～现代 编 号 7 名称 希腊极小 可能时间范围 440B.C. 360B.C. ～
2
3 4 5 6
蒙德尔极小
施帕雷尔 极小 中世纪极大 中世纪极小 罗马极大
1640A.D. 1710A.D.
参数变化与全球变化之间必然存在一系列的反馈机制使得由地球
轨道参数变化所引起的变化被放大。第三，根据地质记录发现， 在2.4MaB.P.，19ka和23ka的岁差周期占主导地位；在
2.4MaB.P.～0.8MaB.P.期间，41ka的黄赤交角变化周期为主要周
期；而在0.8MaB.P.以来却是在三个地球轨道参数中强度最弱的 0.1Ma的偏心率周期最为显著；米兰柯维奇理论难以解释为什么
大气中CO2浓度逐渐增加的事实表明，海洋对CO2的调
节能力是有限的。可以设想，如果人类继续增加化石燃料 的使用量和森林的砍伐量，海洋吸纳CO2的能力终将会被
耗尽，那时，更大部分的CO2将被保留在大气圈中，必然
会导致更为显著的温室效应加剧、全球变暖和海平面上升 等 ～ ～ ～
20B.C.～80A.D.
（二）米兰柯维奇天文理论 1.地球轨道参数的变化 偏心率、黄赤交角和岁差这些地球的轨道
参数都是随时间变化的，它们的变化均会导致
地球接受太阳辐射的季节和地区分布的变化。
地球轨道参数变化及其引起的地球接收太阳辐射 的变化
地球绕太阳运转的轨道呈椭圆形，太阳位于椭圆 轨道的一个焦点上，轨道偏离正圆的程度就是地球轨 道的偏心率。偏心率以10万年变化于0.005～0.06之间， 同 时 还 存 在 40 万 年 的 周 期 变 化 。 目 前 的 偏 心 率 为 0.0167 ，地球分别处于近日点和远日点时，日照量的 差别为7%，偏心率愈大，差异愈大。 因受太阳和月球的引力作用，使得地球自转像陀 螺一样地摇摆，由地轴进动引起的黄道和天赤道交点 的变化就是岁差，其变化周期约 21ka （ 23ka 和 19ka 两 个周期）。岁差导致地球近日点时间的变化，现在地 球在1月位于近日点，全球1月日射率稍大于7月，从而 使北半球冬季稍暖，夏季稍凉，而南半球冬季更冷， 夏季更暖。10.5ka以后，当近日点出现在 7月时，情况 将相反。
地球气候系统能量收支平衡
地球气候系统能量收支平衡地球气候系统能量收支平衡地球气候系统能量收支平衡是指地球上能量的输入和输出之间的平衡。
这个平衡对于地球的气候和生态系统的稳定起着至关重要的作用。
地球气候系统主要接收来自太阳的能量。
太阳辐射的能量以电磁波的形式通过太空传递到地球上。
其中大部分能量以可见光的形式照射到地球表面，被陆地、海洋和大气层吸收。
地球上的植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，进而支持整个生态系统的运转。
另外，地球上的陆地和海洋还吸收和储存了大量的太阳能量。
然而，地球也向宇宙传递能量。
这主要通过地球的辐射来实现。
地球吸收太阳辐射后，会以辐射的形式向外界释放热量。
地球表面的辐射主要是以红外线的形式释放，一部分由大气层吸收，一部分则逃逸到太空中。
地球气候系统能量的输入和输出需要保持平衡，否则会对地球的气候产生重大影响。
如果输入的能量多于输出的能量，地球会变热，导致全球气温上升。
这就是我们所说的全球变暖。
全球变暖会引发一系列问题，如冰川融化、海平面上升、极端天气事件增多等。
相反，如果输出的能量多于输入的能量，地球会变冷，导致全球气温下降。
这种情况下，地球可能会进入一个寒冷的气候阶段，也就是我们所说的冰河时期。
为了维持地球气候系统能量的平衡，我们需要注意能源的使用和保护。
通过减少化石燃料的使用，转向可再生能源，如太阳能和风能，可以减少温室气体的排放，降低全球变暖的风险。
此外，保护森林和海洋也能够帮助吸收和储存更多的能量，维持地球气候系统的平衡。
总而言之，地球气候系统能量收支平衡是地球气候稳定的基础。
只有保持能量的平衡，我们才能够维持一个适宜的气候环境，保护地球的生态系统和人类的生存。
因此，我们每个人都应该意识到能源的重要性，采取行动减少能源消耗，保护我们共同的家园。
《热量收支》
直
分是受热 型，以下是放热型
• 影响土温变化的因素
土壤湿度 土壤颜色 土壤机械组成和有机质 地面覆盖物 地形和天气条件
返回
三、热量收支（平衡）
• （一）活动层和活动面
•是（指二能）够地调面节热自量身收内支部及相邻其他物质的辐 射、热量、水分分布完全吸收的物质层。凡 •是（辐三射）能地、表热层能的和热水量分收交支换最活跃，从而能 调节邻近气层（或土层）的辐射收支、温度 高低或湿度大小的±物R质面P ，B称 L活E动＝面±。Q
辐射差额( R )
地 地面与下层 面 的热量交换 热 (B) 量 收 地面与近地 支 气层的热量
交换( P ) 潜热( LE )
±R P B LE＝0
空气的温度变化
• 大气中的热量交换方式（了解） • 空气温度的变化（时间变化、空间分布） • 空气绝热变化 • 大气静力稳定度 • 大气中的逆温
大一陆天性中气，候最区高和气季温风
速、减速或等匀速)。
结论
1. γ愈大，大气愈不稳定；γ愈小，大气愈稳定。 2饱. 和当，γ大<γ气m总时是，处必于然稳γ定<γ状d，态不，论因空而气称是为否绝达对到稳 定到；饱当和，γ大> γ气d 总时是，处必于然不γ稳>γ定m状，态无，论因空而气称是为否绝达
对不稳定。
3于.当不γ稳d>定γ状>γ态m的时；，对对于于未饱饱和和空空气气来来说说，，大大气气是是处
低使用变，温，化水度使幅干外称绝条汽升得度空界为热件凝高有要气之空增下结，水比或 间 气 温(即造蒸汽没未无的；气成发凝有饱热干反块下温使结水和量绝之的，度温时汽的交热，气升度，凝湿换过绝ｍ压γ高降空结＜空时程热时；低气时气的。冷时ｄγ当，的小状当却(。都没空这升。态气。与有气两降因变块在周水下 种 所此化 下 大围汽降过引，过降气大凝时程起一程时静气结，相的般，，力的)与气互温情压作度况 气压湿处绝于热平变衡)化，干绝热升降引起的温度随
大气辐射和能量平衡探究地球的能量收支
大气辐射和能量平衡探究地球的能量收支地球的能量收支是指地球表面和大气层之间的能量交换过程。
这个过程决定了地球的气候和天气现象。
在地球的能量收支中，大气辐射和能量平衡起着至关重要的作用。
一、大气辐射大气辐射是指太阳辐射和地球辐射穿过大气层和大气层内的过程。
太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线。
地球辐射则主要是红外线。
大气辐射过程可分为反射、散射、吸收和衰减等多个环节。
1. 反射太阳辐射进入大气层后会被云、气溶胶粒子等反射回太空，这部分辐射被称为反射辐射。
反射辐射占总太阳辐射的约30%。
2. 散射大气层中的气溶胶粒子对太阳辐射进行散射，使得辐射在大气层中的传播方向随机分布。
散射过程会使得大气层中的部分能量转移到其他方向，从而降低传递到地表的太阳辐射总量。
3. 吸收和衰减大气层中的气体和云层对太阳辐射起着吸收和衰减的作用。
其中，大气层中的臭氧层对紫外线有吸收作用，水蒸气和二氧化碳等温室气体对红外线有吸收作用。
这些吸收作用会使得一部分太阳辐射能量转化为地球辐射。
二、能量平衡能量平衡是指地球表面和大气层之间的能量交换达到动态平衡的状态。
能量平衡的主要方式是辐射和热传导。
1. 辐射地球的辐射主要包括向外的地球辐射和向地表的大气辐射。
地球辐射主要是由地表向大气层和太空传播的红外线辐射。
大气辐射包括太阳辐射在大气层中的吸收和重新辐射的红外线辐射。
2. 热传导热传导是指通过分子之间的碰撞传递热量的过程。
在地球的能量平衡中，地表和大气层之间通过热传导进行能量交换。
地表的热传导主要表现为向上传递热量，而大气层则向地表传递相应的热量。
三、地球的能量收支地球的能量收支可以通过计算各种辐射的能量通量得到。
太阳辐射通量是指太阳辐射进入地球表面的能量流量，而地球辐射通量则是指地球辐射离开地球表面的能量流量。
1. 太阳辐射通量太阳辐射通量主要受到地球和太阳之间的距离、大气层中的散射和吸收等因素的影响。
通过对太阳辐射通量的观测和计算，可以得出太阳辐射在地球表面的总量。
高中地理第2章自然环境中的物质运动和能量交换第2节地球表面形态第1课时不断变化的地表形态内力作用与
和向斜示意图。
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材料二 某地地质剖面图。
30
材料三
华山 张乔 谁将倚天剑，削出倚天峰。 众水背流急，他山相向重。 树黏青霭合，崖夹白云浓。 一夜盆倾雨，前湫起毒龙。
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问题 1 (综合思维)从形态上看，背斜和向斜有何不同？从岩层 的新老关系看，背斜和向斜有何不同？
6
一、不断变化的地表形态
2．内、外力作用比较
作用 特点
内力作用
外力作用
能量来源 主要来自地球内部 主要来自地球外部的 太阳能
地壳运动 、岩浆 表现形式
活动、地震等
造成地壳表层物质的破坏、搬运和 堆积
7
一、不断变化的地表形态
[特别提醒] 内、外力作用同时作用于地壳，从相反方向改变地 表形态。内力作用塑造了地表形态，奠定了地表形态的基本格局； 外力作用不断对地表进行破坏，使得地表趋于平缓。
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(2)图中③示意的是( )
A．大西洋中脊
B．①②板块的消亡边界
C．太平洋中脊
D．印度洋中脊
(3)图中所示山地为纵列分布的 ( )
A．大分水岭
B．安第斯山脉
C．海岸山脉
D．阿巴拉契亚山脉
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(1)D (2)A (3)B [第(1)(2)题，①②两板块张裂，生长边界位 于海洋，是海岭。南极洲板块与美洲板块之间、亚欧板块与印度洋 板块之间都是碰撞、消亡边界。印度洋板块与非洲板块之间虽然是 生长边界，但海岭两侧地理事物排列与题中信息不符，只有美洲板 块与非洲板块之间符合题意。这样③就是大西洋中脊(海岭)，图中③ 的左侧就是南美洲，右侧就是非洲。第(3)题，位于非洲和南美洲纵 列分布的山脉，符合题意的只有安第斯山脉。]
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(2)地质构造和构造地貌的判断 ①根据岩层是否连续判断褶皱或断层。 ②根据岩层弯曲形状或新老关系判断背斜和向斜。如上图中甲 处的地质构造为背斜。 ③根据地表起伏状况判断地貌类型，如背斜山(谷)、向斜谷(山)、 断块山、断层谷、陡崖等。
地球能量收支平衡！
地球能量收⽀平衡！ 辐射平衡在某⼀段时间内物体辐射收⼊与⽀出的差值称为辐射平衡或辐射差额。
当物体收⼊的辐射⼤于⽀出时，辐射平衡为正；反之，为负。
在⼀天内，辐射平衡在⽩天为正值，夜间为负值。
由于太阳能在所有影响地球表⾯的能量中占有绝对主导的地位，因此影响地球表⾯热量平衡的主导因素是太阳辐射。
忽略其他因素，关于全球的热量平衡问题可以从以下⼏个⽅⾯来考虑：第⼀：如果把地球表⾯和⼤⽓（地⽓系统）看作⼀个整体的话，其热量收⽀为：输⼊：太阳辐射100⽀出：地⾯和⼤⽓反射34+⼤⽓射向宇宙空间部分60+地⾯辐射直接射向宇宙空间部分6=100整体收⽀平衡。
第⼆：单独研究⼤⽓的收⽀状况：收⼊：吸收太阳辐射19+地⾯潜热输送23+地⾯湍流输送10+吸收地⾯辐射114=166⽀出：⼤⽓辐射向宇宙空间60+⼤⽓射向地球表⾯（⼤⽓逆辐射）106=166⼤⽓系统热量收⽀平衡。
第三：单独研究地⾯系统的收⽀状况：收⼊：吸收太阳辐射47+吸收⼤⽓逆辐射106=153⽀出：潜热输送23+湍流输送10+地⾯辐射120=153地⾯系统热量收⽀平衡。
注：地⾯辐射和⼤⽓辐射之所以都会⼤于100是因为它们之间的热量输送⼤部分是相互的，这种情况下整个地⽓系统真正损失的热量并不多。
美国航空航天局(NASA)⼽达德空间研究所的著名⽓候变化科学家James Hansen等⼈最近在“科学”杂志上发表论⽂,介绍考虑了温室⽓体增加和⽓溶胶的⽓候模式模拟的结果。
计算表明,地球现在每平⽅⽶从太阳吸收的能量⽐反射到太空的能量⾼出0.85±。
这⼀能量不平衡被过去10年对海洋热容量增加的精确测量证实。
⽂章认为,地球的⽓候系统有明显的热惯性特征,由于温室⽓体增加所致的⽓温升⾼会有滞后现象,这⼀点对政策决策者有重要意义,如果现在采取适当措施减少温室⽓体排放,则⽓温上升势头会得到遏⽌,否则热惯性意味着⽓温将会继续上升.。
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第2章 地球表层的能量收支
第 1节 第 2节 第 3节 第 4节 太阳辐射 地球大气 辐射平衡 气温分布
第1节 太阳辐射
一、太阳的结构 太阳是一个巨大且炽热的气体球，它的直 径约为1.4×106 km，是地球直径的109 倍。
1.核反应区：高温(1500万K)、高压下的热 核反应 2.辐射区：能量传递(70万K) 3.对流区：能量传递（6000K) 4.太阳大气 光球层:6000K，肉眼看到的发光体，黑子、 光斑； 色球层: 数万K,红色的太阳大气圈，日珥、 耀斑； 日冕层: 100万K，稀薄的大气，离子流。
为什么太阳温度从表面向日冕递增？
波加热的观点： 太阳拥有的强大磁场能够带走太阳表面 溢出的波，这些波将自身的能量倾泻在 日冕中，加热呈电离状态的气体，使其 上升到难以置信的高度。
太阳磁场极端扭曲的观点： 太阳磁场存在很多圈，这些磁圈向外延 伸触及到日冕时就会产生扭曲，如同一 个橡皮带，极度扭曲就会突然断裂，爆 炸式地释放能量，迅速加热日冕气体。
二、太阳辐射能 1.太阳风：太阳日冕不断地发射被电离的 氢等离子体（质子和自由电子），吹到 地球附近，与地磁场发生相互作用，可 形成电离层的扰动和极光。
极光
2.电磁波 由不同波长的射线组成， 是太阳输送给地球能量的 主要方式。
大多数影响地 球表层系统的太阳辐射位 于紫外、可见光和近红外 范围内。
波长与频率的关系： 波长越短，频率越高； 波长越长，则频率越低。
温度与辐射波长的关系： 维恩定律：黑体(对所有波长的辐射都能吸收， 且吸收系数不随波长而变化的物体）辐射能力最 大值对应的波长λMax与辐射体表面的绝对温度T 成反比，比例常数C＝2897.8μm·K。
λ
Max
C = T
太阳辐射称为短波辐 射。
地球表面辐射称为 长波辐射。
三、太阳常数和太阳活动 1.太阳常数 定义：当地球处于日地平均距离处，在大 气圈热成层顶，与辐射方向垂直的平面上， 单位面积在单位时间内所接受的太阳辐射。
量值：1367W·m-2（1969-1980年），最大 偏差±0.5%。
地球表层系统自稳定的主要原因。
温度效应：0.65-2.0℃/1% 变化原因：太阳活动
2.太阳活动 概念：太阳黑子、光斑、日珥、耀斑等 的变化。
度量指标：相对黑子数
W = k (10m + n)
短周期：太阳黑子具有11.2年的周期， 光斑、日珥、耀斑和太阳风具有相同的 周期。
长周期：80年（1645～1715年，1795～ 1835年）
影响
对太阳常数的影响：太阳黑子活动强时， 太阳辐射强度增加，太阳常数增大。
对近地面气候的影响：统计分析为主， 机理仍不清楚。
四、天文辐射的时空分布 （1）大气圈顶辐射时空分布的特点
全年日辐射总量低纬大于高纬。
日辐射总量的季节变化低纬大于高纬。
日辐射总量的纬向梯度冬季大于夏季。
春分日和秋分日赤道日辐射总量最大，向 两极递减，极点为零。
夏至日的日辐射总量从北回归线向南递减， 南极圈内为零；向北递增，北半球高纬最 大。
冬至日的日辐射总量从南回归线向北递减， 北极圈内为零；向南递增，南半球高纬最 大。
（2）大气圈顶辐射时空分布的原因 直接原因 太阳高度角的纬向 变化及其季节变化： 高度角越大，接收 太阳辐射越多。
日照长度及其季节变化：一天之内的
日照长度越长，接收太阳辐射越多。
北极圈以北夏至日极昼现象。
根本原因 黄赤交角和地球的公转：使太阳高度角 和日照长度随地球在公转轨道上的位置 而变化，因此，地球上各地所获得的太 阳辐射才具有随季节而变化的特点。
地球的自转： 地球自转产生昼 夜的更替，从而 使地球上太阳辐 射的季节变化成 为全球共有的现 象。
五、天文季节与二十四节气
1.天文季节：根据地球环绕太阳公转的位置所划分的季节。
欧美各国：二至二分
我国古代：四立
2.二十四节气
“春雨惊春清谷天，夏满芒夏暑相连，
秋处露秋寒霜降，冬雪雪冬小大寒。
”。
反映气温变化：小暑、大暑、处暑、小寒、大寒
反映降水变化：雨水、谷雨、小雪、大雪 反映水气凝结变化：白露、寒露、霜降 反映气候状况：春分、秋分、夏至、冬至
反映物候变化：惊蛰、清明、小满、芒种 反映农事活动：立春（春种）、立夏（夏管）、立秋（秋收）、立冬（冬藏）
（3）天文季节的缺陷：不符合地面气候和
生物界季节变化的实际。
半球范围内，各地某一年季节的日期相同； 半球范围内，各地逐年季节的日期相同。
（4）其他季节的划分
自然天气季节，气候季节，物候季节
遥感物候季节
地面物候季节。