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1第三章大气环境保护空气是人类和所有生命体赖以生存的基本条件之一，如果没有空气，人类就无法生存，植物就无法进行光合作用。如果空气被污染，混入许多有毒、有害物质，这些物质就会直接危害人体健康和生态系统。随着经济的快速增长，人类对环境的作用日益增强，大气（空气）污染问题也愈加严峻。大气污染对人的影响不同于水污染和土壤污染，它不仅时间长，而且范围广(既有地域性，更有全球性的影响，例如：温室效应、酸雨、臭氧层破坏等问题)。世界上发生过的严重“公害事件”中，大多数是大气污染造成的。因此，研究大气污染问题在目前就显得更加迫切。第一节大气与大气污染一、大气圈结构大气圈又叫大气层。大气圈的范围是有限的，但其最外层边界很难确定。一般认为，从地球表面到高空1000～1400km，可看作是大气层的厚度，超过1400km就是宇宙空间了。观测证明，大气在垂直方向上的温度、物质组成与物理性质有显著的差异。根据大气温度垂直分布的特点，大气结构可分为五层，见图3-1。图3-1大气圈层状结构21．对流层对流层是地球大气圈中最下部的一层，底界是地面。对流层内具有强烈的空气对流作用，强度因纬度而异。一般对流作用在低纬度较强、高纬度较弱，所以对流层的厚度从赤道向两极减小，在低纬度地区为17～18km，高纬度地区为8～9km，其平均厚度约为12km。对流层的上界称为“对流层顶”，是厚约几百米到1～2km的过渡层。对流层相对大气层总厚度而言很薄，但其空气质量却占整个大气质量的3/4。由于对流层不能直接从太阳光得到热能，只能从地面反射得到热能，因而该层大气温度随高度升高而降低。平均高度每升高100m约降低0.65℃。对流层中存在着极其复杂的气象条件，地面水蒸气、尘埃和微生物等进入此层，将形成雨、雪、雾、霜、露、云、扬尘等一系列现象。另外，人类活动排放的污染物主要聚集在对流层中，大气污染也主要发生在这一层。因此，对流层与人类关系最密切，其状况对人类健康和生态系统影响最大，特别是靠近地面的1～2km范围内。2．平流层对流层之上是平流层。这一层空气比较干燥，几乎没有水汽和尘埃，性质非常稳定，不存在雨、雪等大气现象，是现代超音速飞机飞行的理想场所。平流层高度约50～55km，厚度约为38km。平流层的温度先是随高度增加变化很小，到30～35km温度约为－55℃左右，再向上温度则随高度的上升而增加，到平流层顶升至－3℃以上。引起这一层空气温度随高度升高而上升的主要原因，是由于该层中臭氧能够强烈吸收来自太阳的紫外线，分解成分子氧和原子氧，这些分子氧和原子氧又能很快地重新结合生成臭氧，释放出大量的热能。这样，阳光自上射入加热，所以高度愈高，气温就愈高。3．中间层由平流层顶至85km高处范围内的大气称为中间层，其厚度约35km。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，中间层顶温度可降到－83℃左右，而中间层底部由于接受了平流层传递的热量，因而温度最高。这种温度分布上低下高的特点，使得中间层空气再次出现较强的垂直对流运动。34．热成层(电离层)热成层位于85～800km的高度之间。这一层由于太阳光线和宇宙射线的作用，该层空气的分子大部分都发生了电离，带电粒子的密度较高，故此层又称电离层。由于电离后的原子氧强烈地吸收太阳紫外线，使温度迅速上升，因此，随着高度增加，该层温度又急剧上升。电离层能将电磁波反射回地球，对全球的无线电通讯具有重要意义。5．散逸层散逸层是大气圈的最外层，也称为外层大气，其高度在800km以上，厚度为15000～24000km，实际上这是相当厚的过渡层。由于该层大气直接吸收太阳紫外线的热量，所以该层气温随高度增加而升高，该层大气极为稀薄，气温高，分子运动速度快，以致一个高速运动的气体质点克服地球引力的作用而逃逸到宇宙空间去，就很难再有机会被上层的气体质点碰撞回来，所以称其为散逸层。二、大气的组成大气是多种气体的混合物，除去水汽和杂质外的空气称为干洁空气。它的主要成分有：氮（占78.09％；氧（占20.95％）；氩（占0.93％），三者共计约占空气总量的99.97％，其它各种气体含量合计不到0.1％。干洁空气中各组分的比例见表3-1。表3-1干洁空气组成气体名称含量（体积百分数）气体名称含量（体积百分数）氮(N2)78.09甲烷(CH4)1.0×10-4-1.2×10-4氧(O2)20.95氪(Kr)1.0×10-4氩(Ar)0.93氢(H2)0.5×10-4二氧化碳(CO2)0.02-0.04氙(Xe)0.08×10-4氖(Ne)18×10-4二氧化氮(NO2)0.02×10-4氦(He)5.24×10-4臭氧(O3)0.01×10-4根据大气中混合气体的组成大气通常分为如下三部分。1．恒定组分大气中恒定组分由氮、氧、氩三种气体加上微量的氖、氦、氪、氙、氡等稀有气体构成。大约在90km的高度范围以内，氮、氧两种组分的比例几乎没有什么变化。实际上，上面所说的干洁空气也属于恒定组分。其组成较稳定的主要4原因是分子氮和其他惰性气体的性质不活泼，而自然界中由于燃烧、氧化、岩石风化、呼吸、有机物腐解所消耗的氧基本上又由植物光合作用释放的氧而得到补偿。2．可变组分可变组分主要指空气中的二氧化碳(CO2)和水蒸气。正常情况下，二氧化碳(CO2)含量为0.02％～0.04％，水蒸气含量一般在4％以下，热带地区有时达4％，而在南北极则不到0.1％。这些组分的含量，随季节、气象和人类活动的影响而变化。目前，由于经济的高速发展，人口的急剧膨胀，二氧化碳(CO2)含量不断上升，已成为一个重要的环境问题引起了人们的高度关注。3．不定组分大气中不定组分的来源主要有两个：一是自然界火山爆发、森林火灾、海啸、地震等灾难引起的，如尘埃、硫、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、盐类及恶臭气体，这些不定组分进入大气中，常会造成局部和暂时性污染；二是由于人类生产活动、人口密集、城市工业布局不合理和环境设施不完善等人为因素造成的，如煤烟、粉尘、硫氧化物、氮氧化物等，这些气体是形成空气污染的主要根源。三、大气污染的定义及污染源1．大气污染定义大气污染是指大气中污染物质的浓度达到了有害程度，以致破坏生态系统和人类正常生存和发展的条件，对人和物造成危害的现象。根据大气组成知道，大气中痕量组分含量极少，但在一定条件下，大气中出现了原来没有的微量物质，其数量和持续时间，均足以对生态系统和人类以及物品、材料等产生不利的影响和危害时，这时的大气状况被认为是受到了污染。造成大气污染的原因包括两方面，即人类的活动和自然过程。其中人类的活动是造成大气污染的主要原因，如工业废气、燃烧、汽车尾气等。随着人类经济活动和生产的迅速发展，在大量消耗能源的同时，将大量的废气、烟尘物质排入大气，严重影响了大气环境质量，特别是在人口稠密的城市和工业集中的区域，大气污染尤为严重。自然过程则包括了火山喷发、森火灾、海啸、土壤和岩石的风化以及大气圈的空气运动等自然现象。它导致一些非自然大气组分如硫氧化物、氮氧化物、颗粒物、硫化氢、盐类等进入大气引起污染。一般说来，这种情5况只占大气污染很小一部分。2．大气污染源根据污染物的来源，一般可分为自然源和人为源。由各种自然现象引起的，例如森林火灾造成的烟尘、火山喷发产生的火山灰、二氧化硫、干燥地区的风沙等引起的大气污染，称之为自然污染源。这些污染源目前还难以控制，也不是环境科学讨论的重点。环境科学研究的大气污染源，主要是人为污染源。所谓人为污染源一般指产生或排放大气污染物的设备、装置、场所等。在环境科学中，根据不同的研究目的以及污染源的特点，污染源的类型有五种分类方法。(1)按污染源存在形式①固定污染源——排放污染物的装置、场所位置固定，如火力发电厂、烟囱、炉灶等。②移动污染源——排放污染物的装置、设施位置处于运动状态，如汽车、火车、轮船等。(2)按污染的排放方式①点源——集中在一点或在可当作一点的小范围内排放污染物，如高烟囱。②面源——在—个大范围内排放污染物，如许多低矮烟囱集合起来而构成的一个区域性的污染源。③线源——沿着一条线排放污染物，如汽车、火车等。(3)按污染物排放空间①高架源——在距地面一定高度处排放污染物，如高烟囱。②地面源——在地面上排放污染物，如居民煤炉、露天储煤场等。(4)按污染物排放时间①连续源——连续排放污染物，如火力发电厂烟囱等。②间断源——排放污染时断时续，如取暖锅炉、饭店炉灶排气筒等。③瞬时源——无规律的短时间排放污染物，如工厂事故排放等。(5)按污染物产生类型按人类生产和生活活动方式，可将污染物划分为工业污染源，生活污染源和交通运输污染源。这种分类方法是污染调查、环境影响评价最常用的方法，下面6简单地介绍一下这类污染源。①工业污染源工业企业是大气污染的主要来源。污染物的数量、种类与工矿企业的性质、规模、工艺过程、原料和产品等因素有关。火力发电厂、金属冶炼厂、化工厂及水泥厂等各种类型的工业企业，在原材料及产品的运输、破碎、煅烧等环节以及由各种原料制成成品的过程中都会有大量废气排放。②生活污染源生活污染源，主要来自居民区。例如家庭炉灶、北方农村冬季燃煤取暖设备、垃圾存放设施等。③交通运输污染源交通污染源是由汽车、火车及船舶等交通工具排放尾气所造成，主要原因是汽油、柴油等燃料的燃烧。但就目前情况看，排放污染物最多的还是汽车，工业发达的国家城市中，汽车已成为重要的大气污染源。四、大气污染物及其来源由各种污染源排入大气中的污染物种类很多，据不完全统计，目前被人们注意到或已经对环境和人类产生危害的大气污染物大约有100种之多。其中排放量多、影响范围广，对人类环境威胁较大，具有普遍性的污染物有颗粒物质、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化物(HC)、光化学氧化剂等。排放到大气中的污染物，在与正常的空气成分相混合过程中，在一定条件下会发生各种物理、化学变化，形成新的污染物质。因此，大气中的污染物又可进一步分为一次污染物和二次污染物。1．一次污染物一次污染物又称原发性污染物，是指从污染源直接排出，且进入大气后其性状、性质没有发生变化的污染物。这些污染物包括气体、蒸汽和颗粒物，主要的一次污染物是颗粒物、硫氧化物、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等物质。(1)颗粒物飘粒物是除气体之外的包含于大气中的物质，包括各种各样的固体、液体和气溶胶。其中固体的有灰尘、烟尘、烟雾，以及液体的云雾和雾滴，其粒径分布大致在200～0.1μm之间。颗粒物按粒径大小可分两类。7①降尘指粒径大于10μm，在重力作用下可以降落下来的颗粒状物质。它主要产生于固体破碎、燃烧产物的颗粒结块及研磨粉碎的细碎物质。自然界刮起的尘埃、沙尘暴也可产生降尘。②飘尘指粒径小于10μm颗粒状物质，包括粒径在10～0.25μm的在空气中等速沉降的雾尘，以及粒径小于0.1μm的随空气分子作布朗运动的云雾尘。由于这些物质粒径小，重量轻，在大气中呈悬浮状态，且分布极为广泛，其粒子可通过呼吸道侵入人体，对健康具有很大的危害。(2)硫氧化物硫氧化物表示为SOx，包括二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、三氧化二硫(S2O3)、一氧化硫(SO)和过氧化硫。其中SO2是一种无色、具有刺激性气味的不可燃气体，是大气中分布最广、影响最大的主要污染物。SO2和飘尘具有协同效应，两者结合起来对人体危害更大。大气中的硫氧化物主要是人类活动产生的，大部分来自煤和石油的燃烧、石油炼制、有色金属冶炼、硫酸制备等。自然的硫源主要是生物产生的硫化氢氧化而成为硫的氧化物。人类活动排放的二氧化硫每年多达1.5亿吨，在各种污染物中，其排放总量仅次于一氧化碳，排第二位。其中2/3来自于煤的燃烧，约1/5来自石油的燃烧，特别是火力发电厂的排放量约占SO2排放量的一半。SO2在大气中最多只能存在1～2天，极不稳定。在相对湿度比较大以及有催化剂存在时，可发生催化氧化反应，生成SO3，进而生成H2SO4或硫酸盐，所以SO2是形成酸雨的主要因素。硫酸盐在大气中可存留1周以上，能飘移至100km以