第一讲第四章大气.

环境与生态学北京大学空间信息工程实验室第一讲：环境与生态学基本概念程承旗博士教授[e-mail],13701024649环境与生态学北京大学空间信息工程实验室第四章：大气污染原理北京大学空间信息工程实验室•第一节大气的组成和结构一、大气的组成大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的99.996％（体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004％左右，如表5-ｌ所示。北京大学空间信息工程实验室•北京大学空间信息工程实验室•由于空气的垂直运动、水平运动以及分于扩散，使得干洁空气的组成比例直到９０～１００ｋｍ的高度还基本保持不变。也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。例如，干洁空气的平均分子量为28.966，在标准状态下(273.15K,latm)密度为1.293kg/m3。•北京大学空间信息工程实验室•大气中的水蒸汽主要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为0.02%~6%。大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且各种吸收还引起热量的转化。同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。•北京大学空间信息工程实验室•大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。北京大学空间信息工程实验室•二、大气圈的结构根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五层（图５－ｌ）。北京大学空间信息工程实验室北京大学空间信息工程实验室•．对流层•对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为１７～１８km在中纬度地区为１０～１２km；两极附近高纬度地区为8~9km。夏季较厚，冬季较薄。•这一层的显著特点：①气温随高度升高而递减，大约每上升１００ｍ，温度降低0.6℃～0.65℃。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流；②密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很簿，但是它的质量却占大气总质量的３/４以上。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在ｌ～2km以下，受地表机械力、热力强烈作用的影响，通称为摩擦层或边界层，排入大气的污染物绝大部分活动在此层。在ｌ～2km以上，受地表影响变小，称为自由大气层，主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹的形成均在此层。对流层和人类的关系最为密切。北京大学空间信息工程实验室•２．平流层对流层顶到５０km的大气层为平流层。在平流层下层，即30~35km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在３０～３５km以上，温度随高度升高而升高。这是因为，在高约１５～３５km的范围内，有厚约２０km的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧。当它们重新化合生成臭氧时，可以热的形式释放出大量的能量，使平流层的温度升高。平流层能大量吸收紫外线，使地球生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。平流层的空气没有垂直对流运动，平流运动占显著优势，空气比对流层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。北京大学空间信息工程实验室•３．中间层从平流层顶到80km高度的一层称为中间层，该层空气更为稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，该层顶部温度可降至－83~－113℃。北京大学空间信息工程实验室•４．热成层从80km到约500km的高空称为热成层。该层的下部基本上是由分子氮所组成，而上部是由原子氧所组成。原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加面迅速增加。层内温度很高昼夜变化很大由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。电离层能反射地面发射的电磁波，对地面的无线电通讯起到十分重要的作用。北京大学空间信息工程实验室•５．逸散层热成层以上的大气层作为逸散层，该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散，对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限，该层的温度也是随高度增加而略有增加的。北京大学空间信息工程实验室第二节大气污染及重要污染物•一、大气污染大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。所谓人类活动不仅包括生产活动也包括生活活动，如做饭、取暖、交通等。所谓自然过程，包括火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化及大气圈中空气运动等。一般说来，由于自然环境的自净作用，会使自然过程造成的大气污染，经过一定时间后自动消除。所以说，大气污染主要是人类活动造成的。北京大学空间信息工程实验室•按照污染的范围来分，大气污染大致可分为四类：①局限于人范围的大气污染，如受到某些烟囱排气的直接影响；②涉及一个地区的大气污染，如工业区及其附近地区或整个城市大气受到污染；③涉及到比一个城市更广泛地区的广域污染；④必须从全球范围考虑的全球性污染，如大气中的飘尘和二氧化碳气体的不断增加，就成了全球性污染，受到世界各国的关注。北京大学空间信息工程实验室•二、大气污染源按污染物质的来源可分为天然污染源和人为污染源，根据表５－２对主要大气污染物的分类统计分析，其主要来源为三大方面：①燃料燃烧；②工业生产过程；③交通运输。前两类污染源统称为固定源，交通运输工具（机动车、火车、飞机等）则称为流动源。北京大学空间信息工程实验室•１．燃料燃烧煤、石油、天然气等燃料的燃烧过程是向大气输送污染物的重要发生源。•煤是主要的工业和民用燃料，它的主要成分是碳，并含有氢、氧、氮、硫及金属化合物。煤燃烧时除产生大量烟尘外，在燃烧过程中还会形成一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、有机化合物及烟尘等有害物质。•家庭炉灶排气是一种排放量大、分布广、排放高度低、危害性不容忽视的空气污染源。北京大学空间信息工程实验室•２．工业生产过程排放工业生产过程中排放到大气中的污染物种类多、数量大，是城市或工业区大气的重要污染源。工业生产过程中排放废气的工厂很多。例如，石油化工企业排放二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、氮氧化物；有色金属冶炼工业排出的二氧化硫、氮氧化物以及含重金属元素的烟尘；磷肥厂排出氟化物；酸碱盐化工工业排出的二氧化硫、氮氧化物、氯化氢及各种酸性气体；钢铁工业在炼铁、炼钢、炼焦过程中排出粉尘、硫氧化物、氰化物、一氧化碳、硫化氢、酚、苯类、烃类等。总之，工业生产过程排放的污染物的组成与工业企业的性质密切相关。北京大学空间信息工程实验室•３．交通运输过程中排放汽车排气已构成大气污染的主要污染源。机动车的发展速度很快，１９５０年全球机动车保有量为７０００万辆，１９９６年增长到７.1亿辆。汽油车排放的主要污染物是：ＣＯ，ＮＯx，ＨＣ和铅（如果使用含铅汽油）；柴油车排放的污染物主要有ＮＯx，ＰＭ（细微颗物），ＨＣ，ＣＯ和ＳＯ2。同发达国家相比，我国机动车污染物排放量相当惊人。以日本东京为例，１９９０年东京拥有机动车４００万辆，而ＣＯ和ＮＯx的排放量基本稳定在１０万ｔ和５万ｔ左右，而北京市１９９５年机动车仅为１００万辆，ＣＯ和ＮＯx的排放量却高达97.2万t和9.8万ｔ。北京大学空间信息工程实验室北京大学空间信息工程实验室•三、大气污染物大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的物质。大气污染物的种类很多，按其存在状态可概括为二大类：气溶胶状态污染物、气体状态污染物。北京大学空间信息工程实验室•（一）气溶胶状态污染物在大气污染中，气溶胶系指固体、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。其粒径约为0.002～100μm大小的液滴或固态粒子。北京大学空间信息工程实验室１．大气气溶胶中各种粒子按其粒径大小分类•（１）总悬浮颗粒物（ＴＳＰ）：是分散在大气中的各种粒子的总称。是指用标准大容量颗粒采样器（流量在1.1～1.7m3/min）在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，其粒径大小，绝大多数在100μm以下，其中多数在10μm以下。也是目前大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。北京大学空间信息工程实验室•（２）飘尘：能在大气中长期飘浮的悬浮物质称为飘尘。其粒径主要是小于10μm的微粒。由于飘尘粒径小，能被人直接吸入呼吸道内造成危害；又由于它能在大气中长期飘浮，易将污染物带到很远的地方，导致污染范围扩大，同时在大气中还可以为化学反应提供反应载体。因此，飘尘是从事环境科学工作者所注目的研究对象之一。北京大学空间信息工程实验室•（３）降尘：用降尘罐采集到的大气颗粒物称为降尘。在总悬浮颗粒物中一般直径大于10μm的粒子，由于其自身的重力作用会很快沉降下来，所以将这部分的微粒称为降尘。•单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标之一。北京大学空间信息工程实验室２．按照气溶胶的来源和物理性质分类•从大气污染控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，又可分为如下几种。（1）粉尘（dust）：粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体粒子，能因重力作用发生沉降。粉尘的粒子尺寸范围，在气体除尘技术中，一般为1～200μm左右。（２）烟（fume）：烟一般指由冶金过程中形成的固体粒子的气溶胶，烟的粒子尺寸很小，一般为0.01～1μm左右。（３）飞灰（flyash）：飞灰系指燃料燃烧产生的烟气飞出的分散较细的灰分。（４）黑烟（smoke）：黑烟一般指由燃料产生的能见气溶胶。（５）雾（fog）：雾是气体中液滴悬浮体的总称。在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体。北京大学空间信息工程实验室•（二）气体状态污染物气体状态污染物简称气态污染物，是以分子状态存在的污染物，大部分为无机气体。常见的有五大类；以SO2为主的含硫化合物，以ＮＯ和ＮＯ2为主的含氮化合物，ＣＯX、碳氢化合物以及卤素化合物等。目前已受人们普遍重视的大气污染物，如表５－３所示。北京大学空间信息工程实验室北京大学空间信息工程实验室•气态污染物又分为一次污染和二次污染物。（1）一次污染物。一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、颗粒物等，它们又可分为反应物和非反应物，前者不稳定，在大气环境中常与其他物质发生化学反应，或者作催化剂促进其他污染物之间的反应，后者则不发生反应或反应速度缓慢。北京大学空间信息工程实验室•（２）二次污染物。二次污染物是指由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。最常见的二次污染物如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂OX，以及许多不同寿命的活性中间物（又称自由基），如ＨＯ2、ＨＯ等。对上述主要气态污染物的性质、来源及其危害性简单介绍：北京大学空间信息工程实验室硫化物硫常以二氧化硫和硫化氢的形态进入大气，也有一部分以亚硫酸及硫酸（盐）微粒形式进入大气。大气中的硫约2/3来自天然源，其中以细菌活动产生的硫化氢最为重要。人为源产生的硫排放的主要形式是SO2。SO2是一种无色、具有刺激性气味的不可燃气体，是一种分布广、危害大的主要大气污染物。SO2和飘尘具有协同效应，两者结合起来对人体危害更大。所以空气质量标准中采用“SO2浓度（mg/Nm3）与微粒浓度（μg/Nm3）的乘积”标准。SO2在大气中极不稳定，最多只能存在ｌ～２天。相对湿度比较大，以及