第十二章-大气污染与全球气候

第十二章大气污染与全球气候•1.温室气体与全球气候变化•2.臭氧层破坏问题•3.致酸前体物与酸雨第一节温室气体与全球气候变化•全球气候变化问题–大气中CO2含量•1750年以前280ppm•目前360ppm•预计21世纪中叶540～970ppm–气温•20世纪增加了0.60.2oC–海平面•20世纪上升了10～20cm全球气候变化问题近代南北半球及全球平均温度的变化温室效应（GreenhouseEffect）机理温室效应机理反射太阳辐射：107W/m2云、气溶胶和大气反射入射太阳辐射：342W/m2大气放射出射长波辐射：107W/m2大气吸收温室气体大气窗口地表辐射地表吸收地表反射反辐射地表吸收暖气流蒸发蒸腾作用潜热全球能量平衡示意图。图中给出了基于地球表面区域的平均能量（单位W/m2）流动。大约有49％的入射太阳辐射被地表直接吸收，但是温室气体效应增加了流向地表的能量。（资料来源：IPCC,1996a）温室效应机理温室具有与大气类似的对入射太阳辐射和射出热辐射的作用人类活动的影响CO2CH4N2OCFC-11HCFC-22CF4工业化前的浓度~280ppmv~700ppbv~275ppbv0001994年的浓度358ppmv1720ppbv312ppbv268pptv110pptv72pptv最近的浓度变化率1.5ppmv/a(0.4%/a)10ppbv/a(0.6%/a)0.8ppbv/a(0.25%/a)0ppvb/a(0%/a)5pptv/a(0%/a)1.2pptv/a(2%/a)大气寿命中的（年）b50~200c12120501250000appmv＝每百万体积中的份额；ppbv＝每十亿体积中的份额；pptv＝每万亿体积中的份额。b初始质量以指数形式衰减到其初始值的1/e＝0.368所需的时间。c对于CO2，不能确定其唯一的大气寿命。因为不同的汇，其吸收速率不同。资料来源：IPCC，1996。1850年以来大气中温室气体浓度的增加人类活动的影响大气中CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度变化趋势。在过去的一个世纪里，人类活动导致所有温室气体的浓度迅速增加。（资料来源：IPCC,1990）人类活动的影响人类活动的影响温室气体年排放量/Mt·a-1全世界美国二氧化碳（CO2）298005300甲烷（CH4）37531一氧化二氮（N2O）5.70.5CFC-11,-12,-1130.70.1HCFC-220.20.1HFCs,PFCs,SF6NA0.034主要温室气体的年排放量人类活动的影响人类活动的影响CO2年排放量（MtC/年）（a）人均CO2排放量（tC/人）（a）美国中国俄罗斯日本印度德国英国加拿大意大利韩国美国加拿大俄罗斯德国英国日本南韩意大利世界平均中国印度1997年10个CO2排放量最大的国家的总年排放量（a）和各国人均年排放量（b）（资料来源：Marlandetal.,1999）人类活动的影响以单位GDP（$）的总能量消耗表示的各国的能源强度。所有数据均为1998年的，GDP以1990的US$表示。（资料来源：USDOE,2000）人类活动的影响某些国家初级能量供应的碳强度。表明了过去几十年，单位能量的碳排放下降速率。（资料来源：PCAST，1997）人类活动的影响•CO2emissionbyenergytypeinChina,199604008001200160020002400CoalCokeOil,etc.N.Gas,etc.Mt-CO2Thermalpower&heatOtherenergyindustryIndustrResidentialCommerce,service,etc.Transport&communiAgriculture,etc.Construction74.9%8.3%13.1%3.6%气候变化的影响•雪盖和冰川面积减少–雪盖20世纪60年代以来减少10％–冰川20世纪50年代以来减少10%～15％•海平面上升–过去100年10～20cm–1990～21008～9cm气候变化的影响•降水格局变化–中高纬降雨量增大–北半球亚热带降雨量下降，南半球增加•气候灾害–过多降水、大范围干旱、持续高温•影响人体健康•影响农业生产和生态系统气候变化的影响与1982-1983年厄尔尼诺时间相关的旱涝分布区影响气候变化的大气成分CO2地球上的碳库：生物圈，海洋和大气，以及各碳库之间的二氧化碳年交换（Gt）CO2CH4气溶胶各成分的贡献1980到1990年期间人为源排放的温室气体对大气中波长8～12μm光线的透射率的影响。对流层臭氧可能也起到一定的作用，但程度难以确定。各成分的贡献•预计到2030年全球气温大约平均升高3°C应对措施与策略•1.控制温室气体的排放–改变能源结构–提高能源转换效率–提高能源使用效率–减少森林植被的破坏–控制水田和垃圾填埋场的甲烷排放应对措施与策略•不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量9574645700102030405060708090100煤油液化气天然气生物质CO2排放量/(kg/GJ)应对措施与策略•2.增加温室气体的吸收–植树造林–采用固碳技术•CO2分离、回收，注入深海或地下•化学、物理、生物方法固定–适应气候变化•培养新农作物品种，调整产业结构等国际行动•1992年，联合国环境与发展大会《气候变化框架公约》–20世纪90年代末，发达国家温室气体年排放量控制在1990年水平•1997年，《京都议定书》–明确各发达国家削减温室气体排放的比例国际行动国家2008－2012年的排放限值a保加利亚，捷克，爱沙尼亚，欧盟（15个国家），拉脱维亚，列支敦士登，摩纳哥，罗马尼亚，斯洛伐克，斯洛文尼亚，瑞士削减8％美国削减7％加拿大，匈牙利，日本，波兰削减6%克罗地亚削减5％新西兰，俄罗斯，乌克兰不变挪威增加1％澳大利亚增加8%冰岛增加10％a相对于CO2、CH4和N2O的1990年的排放量，和相对于PFCs、HFCs和SF6的1995年的排放量。《京都议定书》规定的温室气体排放限值第二节臭氧层破坏问题•臭氧层主要特征–离地面20～30km的平流层中–占当地空气含量的1/105–厚度单位•DU（Dobsonunit）－273K，1atm下，10-3cm厚的O3层称为一个DU•1DU＝10-3atmcm＝2.69×1016molecules臭氧层的分布大气的两个最低层，对流层和平流层的温度曲线。大部分大气质量都集中在对流层，但是臭氧却主要集中在平流层臭氧层的分布大气中臭氧浓度分布（单位1012个分子/cm3）臭氧层的作用大气对紫外线辐射的吸收臭氧层的作用臭氧层破坏现象1955－1995每年十月份南极臭氧浓度（单位：DU）。数据点包括了基于地面和卫星的观测。在这一时期内总臭氧浓度下降了50％。（资料来源：NASA,2000）平流层臭氧形成和破坏机理•纯氧理论（ChapmanMechanism）•臭氧吸收紫外线的反应223OOOOOMOMhv32322OOOOOOOhv平流层臭氧形成和破坏机理•催化清除理论–20世纪70年代建立–活性催化物质的链式反应–Y—活性物种，包括奇氢HOx、奇氮NOx、奇卤XOx三大家族32232YOYOOYOOYOOO2O总反应：三大家族的来源•奇氢HOx–大气中H2O与激活O原子反应•奇氮NOx–宇宙射线分解N2–飞机等人类活动排放•奇卤XOx–人类活动产生的CFCs和含溴氟烷（哈龙，Halons)消耗臭氧层的物质（ODS）•ODSs–CFCs、哈龙–CCl4、甲基氯仿（1,1,1－三氯乙烷）、溴甲烷–部分取代的氯氟烃•ODSs的破坏能力–臭氧耗减潜能（Ozonedepletionpotential）–全球变暖潜势（Globalwarmingpotential)ODSs的破坏能力CFCs对臭氧层的破坏作用一个Cl自由基可以消耗数十万个O3大气中CFCs分子的变化图CFCs和其他消耗臭氧化合物的特性化学名字化学式主要用途和来源1992年大气中浓度/ppt大气中寿命，τ/aCFC-11CFC-12CFC-113CFC-114四氯化碳甲基氯仿Halon-1211Halon-1301Halon-2402HCFC-22HCFC-141bHCFC-142bCCl3FCCl2F2C2Cl3F3C2Cl2F4CCl4CH3CCl3CBrF2ClCBrF3C2Br2F4CHF2ClC2H3FCl2C2H3F2Cl气溶胶喷射剂；发泡剂气溶胶喷射剂；制冷剂；发泡剂溶剂气溶胶喷射剂；制冷剂溶剂溶剂阻燃剂阻燃剂阻燃剂气溶胶喷射剂；制冷剂；发泡剂；溶剂；阻燃剂发泡剂；溶剂发泡剂；溶剂2685038220132135730.7100265010285300424.920652012.19.418.4南极臭氧空洞南极上空臭氧浓度垂直分布的变化南极臭氧空洞•极地平流层云在南极臭氧空洞的形成过程中起重要作用–吸附并聚集CFCs及哈龙–非均相反应场所•为什么北极没有形成臭氧空洞？–北极为海洋环境，较南极大陆环境温暖–周围分布不规则大陆，大气层较南极不稳定–不易形成极地平流层云臭氧层破坏的危害•臭氧含量减少1％，地面紫外线增加2％～3％•危害–人体健康－皮肤癌、白内障–陆生生态系统－植物质量下降–水生生态系统－水面附近生物减少–城市空气和建筑材料－光化学烟雾，材料老化–大气结构－辐射收支变化，气候变化臭氧层破坏的控制策略•开发消耗臭氧层物质的替代技术–无氟氯昂制冷设备•制定淘汰消耗臭氧层物质的措施–环境管理手段＋经济手段•国际行动–1985年，28个国家《维也纳公约》–1987年，46个国家《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔公约》2000年之前需停止生产的气体2030年必须淘汰的气体CFC-11HCFC-22CFC-12HCFC-123CFC-113HCFC-124CFC-114HCFC-141bCFC-115HCFC-142b四氯化碳HCFC-225ca三氯乙烷HCFC-225cb哈龙－1211哈龙－1301哈龙－2402蒙特利尔议定书及其修订案所包括的损耗臭氧的气体消耗臭氧物质的排放削减消耗臭氧物质的排放削减臭氧层的恢复第三节致酸前体物与酸雨•酸雨－pH小于5.6的降水，广义包括酸性物质的干湿沉降•地理分布–几乎整个欧洲–美国和加拿大东部–东亚，中国南方地区20世纪90年代末我国酸雨区域分布酸雨的危害•淡水湖泊、河流酸化，水生生物减少甚至绝迹•影响土壤特性，贫瘠化•破坏森林的生长•腐蚀建筑材料及金属结构•危害人体健康－角膜和呼吸道刺激致酸前体物质•SO2–自然源－微生物、火山、森林火灾、海水飞沫–人为源－燃料燃烧，化工•NOx–自然源－闪电、林火、火山，占总量的50％–人为源－燃烧，机动车，50％致酸前体物质的排放控制措施•针对酸沉降前体物质–洗煤–开发低硫燃料–改进燃烧技术–烟气脱硫–机动车净化国际行动•1972年，联合国人类环境会议，首次提出酸雨问题•1979年，33个国家，长距离跨国大气污染公约（LRTAP）•1985年，欧洲20个国家，硫排放控制协定