2第二章-大气环境化学

1第二章大气环境化学知识点：大气的结构、特点和大气稳定度，影响污染物迁移转化的因素，大气中污染物的产生、迁移和转化规律。重点：大气污染物的迁移和转化规律难点：光化学反应历程2大气环境化学主要研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响等。3第1节大气的组成和结构第2节大气中污染物的迁移扩散第3节大气中污染物的转化第4节大气污染综合防治与管理4第1节大气的组成和结构一、大气的组成二、大气的结构三、大气污染和污染物四、辐射逆温层五、大气稳定度5大气：包围在地球表面并随着地球旋转的空气层，也称为大气圈或大气层。大气的重要性：地球上一切生命赖以生存的气体环境；吸收来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和紫外辐射，是地球生命的保护伞；是地球维持热量平衡的基础，为生物生存创造适宜的温度环境。6一、大气的组成稀有气体（CH4、SO2、NH3、CO、O3）0.1%、水（正常范围1-3%）大气的总重量约为5500万亿吨，为地球重量的百万分之一。(r=6360km)氮氧氩二氧化碳稀有气体氮氧氩二氧化碳稀有气体78.0920.940.930.0350.0199.97成云致雨的必要条件主要成分次要成分水汽固体杂质生物体的基本成分维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件；对地面保温大气组成主要作用干洁空气O3N2O2CO2大气各成分的作用8二、大气组分的停留时间某组分在贮库中的总输入速度(FX)和总输出速度(Rx)是相等的，若假设x组分的贮量为Mx，则可由下式确定组分x在大气中的停留时间τ：τ=Mx/Rx=Mx/FX9大气是一个流动体系和循环体系。气体组分的寿命少则几小时，多则达百万年以上。这与组分的性质、储量及迁出或循环的途径等有密切关系。化学反应生物活动水的活动放射性衰变工业活动输入速度组分的停留时间在大气中的储量输出速度化学反应生物活动等转化为其它物质产生消耗大气循环10CH4在对流层平均浓度c=1.55×10-6，不随时间变化，又F=R=1.5×1014（mol/a）求得停留时间为τ==2.4a¾指对流层占总大气圈质量的比例，16相对分子量大气总质量5.14×1018kg16105.11055.110431014.514631811cs=1×10-9,FS=RS=200Tg/a(1Tg=1012g)τ==0.02a=7d结论：大气中S更替时间短，对F和R变化敏感。1293181020010110431014.512非循环气体：稀有气体（107年以上）循环气体：以年计：O2（600年）、N2（100年）、H2（5年）、CO2（10年）、CO（1年）、CH4（2—5年）、N2O（8—15年）以天计：H2O（10.1天）、O3（0.25年）、NH3（＜1天）、NO和NO2（＜1月）、H2S（＜1天）、SO2（＜0.01年）131.2大气的结构有关大气的一些数据地表大气平均压力：1个大气压（101325Pa），相当于1cm2地表上承受1034g的空气柱。地球总表面积：5.1×108km2。大气层没有明确的上限（顶），离地面800km的高空还有少量空气存在。大气层厚度一般为1000km。75%的大气质量在10km范围内，99%在30km范围内，而在100km以上的范围，空气质量仅为整个大气的百万分之一。14地球大气的区域划分按高度划分低层大气：从地面到大约50km高层大气：50km以上按均匀程度划分均质层：从地面到大约90km高空的大气区域物质组成相对均匀，在气体组成上变化较小；非均质层：大气上部区域的物质组成有较大的变化，在气体组成上有极大的变化。按照温度随高度变化和气流运动特点分类（是最常用的方法），大气温度层结。15大气温度层结大气温度层结和大气密度层结：静大气的温度和密度在垂直方向上的分布。对流层（troposphere）平流层（stratosphere）中间层（mesosphere）热层（thermosphere）逸散层（escapelayer）16ATMOSPHERESTRUCTURE&BULKCOMPOSITION•Pressureunits1atm=1.013x106gcm-1s-21mbar=103gcm-1s-21hPa=103gcm-1s-2•IdealgaslawpV=RgTp=(RgT)/MaSource:EnvironmentalScience,Cunningham,P.W.andB.W.Saigo,200117大气的垂直分层对流层平流层对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见。气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合上冷下热高空对流电离层高层大气电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用18范围：大气的底层，平均为0~12km。厚度：随纬度变化：赤道附近为16~18km，在中纬度地区为10~12km，两极附近为8~9km。随季节变化夏季较厚，冬季较薄。对流层（troposphere）19对流层（troposphere）特点：气温随高度升高而降低：大气垂直递减率：随高度升高气温的降低率。表征大气的温度层结。式中T――绝对温度，K；z――高度。在对流层中，dT/dz＜0，且Γ＝0.6K/100m，即每升高100m，温度降低0.6℃。dzdT20空气密度大：对流层的厚度是大气层厚度的1%，但却集中了大气总质量的3/4以上和几乎所有水蒸气。天气现象复杂多变：存在强烈的垂直对流作用和较大的水平运动。风、云、雨、雪、雾、雹、霜等主要天气现象与过程都发生在对流层中。21平流层（stratosphere）范围：对流层顶（约12km）到55km的大气层为平流层。温度变化：25km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称为同温层。从25km开始，温度随高度升高而升高。22特点：大气层稳定，下部温度低，上部温度高：气流稳定，只随地球的自转运动。空气比下层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现云、雨等天气现象，透明度高。在15~35km范围内，有厚约20km的臭氧层，保护地球。平流层（stratosphere）臭氧：具有吸收太阳短波紫外线的能力，吸收的辐射转化为分子内能，使平流层温度随高度升高，同时也防止地球生命遭受高能辐射的伤害，所以臭氧层是地球生命的保护伞。23中间层（mesosphere）范围：55~85km特点：温度随高度增加而降低，顶部达到极低值-92℃左右。因而下热上冷，空气垂直运动强烈。在约60km的高空，受到阳光照射的大气分子开始电离，所以在60~80km之间是均质层转向非均质层的过渡层。24热层（thermosphere）范围：85km~800km，也称电离层。特点：温度随高度增加而迅速上升。顶部可达1000K以上。大气分子比中间层更加稀薄。受宇宙射线和阳光紫外线的作用，大部分空气呈离子或自由电子的高度电离状态，所以热层又称为电离层。由于电离层能够反射无线电波，所以人类可能利用它进行远距离无线电通讯。25逸散层（escapelayer）800km以上的大气层，也称逸散层或逃逸层。特点：该层的温度随高度增加而略有升高。空气极为稀薄。密度几乎与太空密度相同，所以又常称为外大气层。空气受地心引力极小，气体及微粒从该层飞出地球重力场而进入太空，逃逸层因此得名。该层可以看作是地球大气与外太空的交界区。26顶同温层过渡层大气密度大气层高度km大气圈垂直分层27臭氧（O3）来源：O2→O+OO2+O→O3分布：原因：在上层大气中，紫外线强度很大，氧气分子多分离成氧原子。在较低层大气中，O2和O数量充足，为O3形成提供了物质条件，因而在距地面30千米处臭氧混合比最大，再通过下沉作用，在20—25千米处最多。在低层大气中由于，短波紫外辐射减弱，氧原子形成微弱，故臭氧比重减少。28291.3大气污染和污染物一、大气污染概念:指由于人类活动或自然过程使大气中一些物质的含量达到有害的程度(一般指有害物质，如SO2、NOX、HC、O3、飘尘等超过国家质量标准)，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。30大气污染对大气性质的影响：1.降低能见度2.形成雾及降水3.减少太阳辐射4.改变温度和风的分布31一、大气污染发生过程:大气环境污染源输入输出输入速率＞输出速率321.3大气污染和污染物二、大气污染源概念:向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、设备和装置。分类:按污染物质来源分：天然源和人为源。按污染源性状分：固定源和移动源。按污染物空间分布分：点源、线源和面源按污染物排放时间分：连续源、间断源和瞬时源。33污染源特点主要来源排放的污染物天然源它和人为源相比产生的污染物较少，浓度较低，具有局部地区某段时间内可能形成严重影响的特点。火山喷发二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、火山灰森林火灾一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物等自然尘风砂、土壤尘等森林植物释放萜稀类碳氢化合物。海浪飞沫硫酸盐和亚硫酸盐人为源移动源汽车和火车、飞机等,分布广泛分散,难于监测和治理。交通运输过程：现代化交通运输工具一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、硫氧化合物和铅等静止源静止源则包括工厂、焚化炉等不移动的污染源。静止源污染面积广，易于集中监测治理。燃料燃烧二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳工业生产过程二氧化硫、硫化氢等颗粒物、粉尘、氧化亚氮等大气污染源农业活动排放：农药、化肥34三、大气污染物及大气污染类型大气污染物的概念指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。大气污染物的分类:从形成过程：一次、二次污染物从存在状态：气态和固体颗粒态的污染物35大气颗粒物气溶胶aerosol体系:大气是由各种固体或液体微粒均匀地分散在空气中形成的一个庞大的分散体系。分散体系：溶液、胶体和粗分散系统。气溶胶，固溶胶和液溶胶。大气环境是一个气溶胶系统，习惯上称为颗粒物。36大气颗粒物是大气的一个组分。大气颗粒物参与大气降水过程。在清洁大气中，大气颗粒物很少而且无毒；在污染大气中，大气颗粒物也属于一种污染，并且其中大部分有毒。大气颗粒物是大气中一些污染物的载体或反应床。371、大气颗粒物的分类（按照物态及形成机制分类）粉尘（微尘、Dust）：固体；风吹扬尘，风沙。烟（烟气，Fume）：固体；熔融金属、凝结的金属氧化物、汽车排气、烟草燃烟、硫酸盐。灰（Ash）：固体；煤、木材燃烧产生的硅酸盐颗粒，煤粉燃烧产生的飞灰。雾（Fog）：液体；水蒸气冷凝生成的颗粒小水滴或冰晶，水平视程小于1km。38霭（Mist）：液体；称为轻雾，水平视程在1~2km之内，大气呈灰色。霾（Haze）：固体；水平视程小于2km，使大气混浊呈浅蓝色或微黄色。烟尘（熏烟，Smoke）：固体与液体；含碳物质（如煤炭）燃烧时产生的固体碳粒、水、焦油状物质及不完全燃烧的灰分所形成的混合物，如果煤烟中失去了液态颗粒，即成为烟尘。烟雾（Smog）：固体；泛指各种妨碍视程(能见度低于2km)的大气污染现象。392大气颗粒物的粒度颗粒大小的界限很难划分，通常用空气动力学直径（Dp）描述。空气动力学等效直径（Dp）在气流中，如果所研究的颗粒物（任意密度和形状）与一个单位密度的球形颗粒物的空气动力学效应相同，则这个球形颗粒物的直径就定义为所研究颗粒物的Dp。40Dp表示所研究的粒子有相同终端降落速度的密度为1的球体。Dg—几何直径，K—形状系数(球形K=1.0)ρp—忽略了浮力效应的粒密度ρo—参考密度（ρo=1g/cm3）opD