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7777第四章大气环境保护地球上的大气是自然环境的组成部分。人类一刻也离不开大气，没有大气就没有地球上的生命，就没有生机勃勃的世界；同时，大气又是人类极其重要的自然资源。在环境保护中，对特定场所或区域，供人和动植物生存的气体称为“空气”；而以大区域或全球性的气流为研究对象时，则采用“大气”一词。4.1大气结构与组成4.1.1大气结构大气是地球的“外衣”，厚厚地包裹在地球的外表面，厚度约1000～1400km，随地球旋转，通常叫大气圈。根据大气圈中大气温度垂直分布的特点，在结构上可将大气圈分为五个气层。（1）对流层对流层是大气圈中最接近地面的一层，平均厚度约为12km，集中了占大气总质量75%的空气和几乎全部的水蒸气量，是天气变化最复杂的层次。该大气层具有两个显著特点。①气温随高度增加而降低。对流层中的大气直接吸收的太阳辐射很少，但能吸收地面反射的长波辐射而使大气增温，因而靠近地面的气流温度高，远离地面的气流温度低，高度每增加l00m，气温约下降0.65℃。②气流具有强烈的对流运动。近地层的气流接受地面的热辐射后温度升高，与高空冷气流发生垂直方向的对流，构成了对流层气流强烈的对流运动。对流层中气象条件复杂，既有形成污染物易于扩散的条件，又会出现污染物不易扩散的条件。人类活动排放的污染物主要聚集在对流层。大气污染也主要发生在这一层。因而对流层的状况对人类生活影响最大，与人类关系最密切，是我们进行研究的主要对象。（2）平流层对流层层顶之上的大气为平流层，其上界伸展到约55km处。平流层内温度垂直分布的特点是气流温度随高度的增加而升高。这一方面是由于它受地面辐射影响小，另一方面也是由于该层含有臭氧，存在着臭氧层。臭氧层可直接吸收太阳的短波辐射，造成了气温的增加。臭氧层的存在对地面免受太阳紫外辐射和宇宙辐射起着很好的防护作用，否则，地面上所有的生命将会由于这种强烈的辐射而致死。然而，近年来，由于地面向大气排放氯氟烃化合物过多，局部臭氧层被消蚀成洞，太阳及宇宙辐射可直接穿过”臭氧空洞”，给地球上的生物造成危害。若这种情况继续下去，其后果将是极为严重的。因此，保护臭氧层是当今世界7878面临的紧迫任务之一。（3）中间层由平流层顶至85km高处范围内的大气称为中间层。由于该层中没有臭氧这一类可直接吸收太阳辐射能量的组分，因此其温度垂直分布的特点是气温随高度的增加而迅速降低，其顶部气温可低于190K。中间层底部的气流通过热传导接受了平流层传递的热量，因而温度最高。这种温度分布下高上低的特点，使得中间层气流再次出现强烈的垂直对流运动。（4）暖层暖层位于85～800km的高度之间。这一层气流密度很小，气体在宇宙射线作用下处于电离状态，又称为电离层。由于电离后的氧能强烈地吸收太阳的短波辐射，使气流迅速升温，因此在这一层中气温的分布是随高度的增加而增加，其顶部可达750～1500K。另外，电离层能反射无线电波，对远距离通讯极为重要。（5）散逸层暖层层顶以上的大气，统称为散逸层，也称为外层大气。该层大气极为稀薄，气温高，分子运动速度快。某些高速运动的粒子能克服地球引力的作用而逃逸到太空中去，所以称其为散逸层。4.1.2大气组成大气是一种混合物，成分复杂，由多种气体和水蒸气组成。按照组成的稳定性，分恒定组分、可变组分和不定组分，具体见表4-1。恒定成分是指氮气、氧气，以及氖、氦等稀有气体，这些成分几乎不变，得益于自然界自身补偿效应；可变成分是指二氧化碳和水蒸气，含量随时间、地点、气象条件等不同而变化；如CO2，来源于燃料燃烧、有机体腐解以及动植物呼吸等，从总量上来讲，夏天＞冬天，陆地＞海洋，城市＞乡村，大工业城市CO2含量高达0.05～0.07%。不定成分则完全因地区而异，包括自然灾害和人为原因造成的各种大气污染物及有毒气体，后者是人类保护大气和防治大气污染的主要对象。表4-1大气组成空气成分恒定组分可变组分不定组分氮气氧气稀有气体二氧化碳水蒸气尘和其它气态物质含量78%21%0.9%0.03%～～洁净大气由恒定组分和可变组分构成，对人类的生存极为重要。据统计，一个成年人每天吸入的空气量为15.48～20.64千克，是食物量的10倍、饮水量的5倍！人可以十几天不吃食物，但如果没有空气，人就会立刻死去。因此，保护地球上的大气，就是保护人类生存的物质基础。79794.2大气污染物及来源4.2.1大气污染在大气中，大气污染物的存在并最终构成大气污染，是有一定条件的。按照国际标准化组织（1SO）作出的定义，大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质进入大气中，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。这个定义指出了造成大气污染的原因是人类活动和自然过程。人类活动包括人类的生活活动和生产活动两个方面，是造成大气污染的主要原因；自然过程则包括了火山活动、森林火灾、土壤和岩石的风化以及大气圈的空气运动等内容。这些活动导致大量的硫氧化物、氮氧化物、碳氢化合物等不定成分进人大气层，或使一些组分的含量大大超过大气层该组分含量，如二氧化碳。“定义”还阐述了形成大气污染的必要条件，即污染物在大气层要达到足够的浓度，并在此浓度下对受体作用足够的时间。由此对受体及环境产生了危害，造成了后果，称之为大气污染。一般说来，由于自然环境的自净作用，进入大气层的污染物，经过—定时间后，其浓度会幅度下降，从而使大气得以净化，污染自动消除。当然，大气层的这种自净能力与当地气象条件、污染物排放量及城市布局等诸因素有关。根据污染影响的范围，大气污染可分为四类：（1）局部性污染。指单个企业排气所造成的直接影响。（2）城市性污染。指工矿区或其附近地区，或整个城市的大气污染。（3）区域性污染。指更广泛地区，更广大地域的大气污染，如珠江三角洲、长江三角洲、华东地区等。主要是由区域内的大城市及大工业带引起的，最主要的污染是酸雨。（4）全球性污染。指跨国界乃至涉及整个地球大气层的污染，如温室效应、臭氧层破坏等。4.2.2大气污染物大气污染物即引起大气污染的物质，可分为天然污染物和人为污染物两大类，引起公害的往往是人为污染物，它们主要来源于燃料燃烧和大规模的工矿企业。依照污染物存在的形态，大气污染物分为颗粒污染物与气态污染物。（1）颗粒污染物大气中危害最大、最严重的污染物，包括固体颗粒和液滴。固体颗粒污染物按颗粒粒径可分为：降尘（粒径大于10μm，如尘粒、粉尘）和飘尘（粒径小于10μm，如粉尘、烟尘）。液滴由蒸汽凝结、液体喷雾、雾化以及化学反应形成，粒径小于100μm，如水雾、酸8080碱雾、油雾。总悬浮颗粒（TSP）系指大气中粒径0.1~100µm的所有颗粒物。通常把粒径在10µm以下的颗粒物称为PM10，又称为可吸入颗粒物或飘尘。气溶胶系指固体粒子、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。（2）气态污染物以气体形态进入大气的污染物称为气态污染物。气态污染物种类极多，按其化学组成可分为五类。①含硫化合物。主要指SO2、SO3和H2S等，其中以SO2的数量最大，是影响我国大气质量的最主要气态污染物。含硫化合物在大气中被氧化再与水结合，就会产生硫酸，形成酸雨。②含氮化合物。含氮化合物种类很多，其中最主要的是NO、NO2、NH3等。大气中NOX的含量取决于自然界中氮的循环过程，人类活动排放的NO仅占氮氧化物总量的10%。含氮化合物能参与光化学反应，形成有刺激性的强氧化性的光化学烟雾。③碳氧化合物。污染大气的碳氧化合物主要是CO和CO2。CO来源于含碳燃料的不完全燃烧。近年来许多城市交通干线两侧CO超标严重，如北京市三环路内30条街道路中心和人行道大气中的CO均100%超标，上海市15个交通路口CO浓度比对照点高6倍，均超过国家三级标准；长沙市干道中心点CO超标4倍，年超标率为40%；天津市区主要交通干线CO超标几倍至十几倍。CO和CO2都是温室气体，能产生温室效应。④碳氢化合物。此处主要是指有机废气。随着石油化工行业的迅猛发展，有机废气中的许多组分已构成了对大气的污染，如烃、醇、酮、酯、胺等。碳氢化合物与氮氧化物一起参与了光化学反应。⑤卤素化合物。对大气构成污染的卤素化合物，主要是含氯化合物及含氟化合物，如HCl、HF、SiF4等。卤素化合物对大气的危害主要产生在平流层，其光解产生的卤原子可以成千上百次的破坏平流层中的臭氧分子，使臭氧层变稀薄，紫外线就可以穿透平流层，危害地球上的生物。另外，依照与污染源的关系，大气污染物又可分为一次污染物与二次污染物。若大气污染物是从污染源直接排出的原始物质，进人大气后其性质没有发生变化，则称其为一次污染物；若由污染源排出的一次污染物与大气中原有成分，或几种一次污染物之间，发生了一系列的化学变化或光化学反应，形成了与原污染物性质不同的新污染物，则称为二次污染物。汽车、工厂等以石油为能源，排入大气的氮氧化物和碳氢化合物等一次污染物，在太阳光的作用下发生光化学反应，产生了甲醛和臭氧等二次污染物，则一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾称为光化学烟雾，也称洛杉矶型烟雾。以煤为原料，排入大气中的烟尘、SO2与水蒸气混合并发生化学反应所生成的烟雾，称为硫酸烟雾，也称伦敦型烟雾。81814.2.3大气污染物的来源造成大气污染的污染物，从产生源来看，主要来自以下几个方面。（1）能源使用随着我国经济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。以煤炭、生物质（农业和林业的产物、从农业、林业和食品生产加工业中产生的植物性废料、未处理过的木材废料和软木废料等，是一种可再生的非化石燃料）和石油产品为主的能源消耗是大气污染物的主要来源。大气污染物组分与能源消费结构有着密切关系，发达国家能源以石油为主，大气污染物主要是一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和有机化合物；我国能源以煤为主，主要大气污染物是颗粒物和二氧化硫。自1980年以来，中国原煤消耗量已增加了两倍以上。大气中细颗粒物（直径小于10微米）和超细颗粒物（直径小于2.5微米）对人体健康最为有害，它们主要来自工业锅炉和家庭煤炉所排放的烟尘。大气中的二氧化硫和氮氧化物也大多来自这些排放源。工业锅炉燃煤占我国煤炭消耗量的33%，由于其燃烧效率低，加之低烟囱排放，它们在近地面大气污染中所占份额（30%）超过其在燃煤使用量中所占份额（15%）。（2）工农业生产过程化工厂、石油炼制厂、钢铁厂、焦化厂和水泥厂等各种类型的工业企业，在原材料的运输、粉碎和加工的过程中，都会有大量的污染物排人大气中，由于工艺、流程、原材料及操作管理条件和水平的不同，所排放污染物的种类、数量、组成和性质等差异很大。这些污染物主要有粉尘、碳氢化合物、含硫化合物、含氮化合物以及卤素化合物等多种污染物。农业生产过程对大气的污染主要来自农药和化肥的使用。有些有机氯农药如DDT，施用后随地表径流进入水体并悬浮于水面，再同水分子一起蒸发进人大气。氮肥在施用后，水解成NH3，可直接从土壤表面挥发进入大气；而以有机氮进入土壤内的氮肥，在土壤微生物作用下可转化为氮氧化物进人大气，从而增加了大气中氮氧化物的含量。此外，稻田以及动物的反刍释放了大量的甲烷，也会对大气造成污染。（3）交通运输交通运输带来的车辆行驶扬尘，以及飞机、船舶、汽车等交通工具排放的尾气，已成为城市大气污染的一个重要来源。在一些发达国家，汽车排放的尾气是大气污染的最主要污染源。我国的北京、上海等大城市的大气组成也已接近发达国家，其机动车排放的污染物已占大气污染负荷的60%以上；其中，尾气排放的一氧化碳对大气污染的分担率达到80%，氮氧化物达到40%，这表明我国大城市的大气污染正由第一代煤烟型污染向第二代汽车型污染转变。大气污染物的上述几个来源，具体到不同的国家，由于燃料结构、生产水平、生产规模以及生产管理方法等不同，污染物的主要来源也不相同。根据对烟尘、二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳四种主要污染物的统计表明，我国大气污染物主要来源于燃料燃烧，其次是工农8282业生产与交通运输，它们所占的比例分别为70%、20%和10%。我国的燃料构成是以燃煤为主，煤炭消耗约占能源消费的7