环境科学基础知识_

环境科学基础知识长沙环境保护职业技术学院李倦生2004年3月环境问题归要到底是因人类的生产和生活方式不当而引起的。研究环境问题离不开人类主体。马克思和恩格斯在《德意志意识形态》一文中说：“人既是主体也是客体。人创造环境，环境也创造人。”在本讲座进入专业之前，让我们先了解“人”的有关问题。“人是一切社会关系的总和”。生产是人区别动物的标志，而“物质资料的生产是人区别于动物的根本标志。”生产力、资金和社会交往形式的总和是人的本质的现实基础。“物质生活资料的生产是人的第一活动，是一切历史的基本条件”。人的本质应从社会性和自然性两方面看：人是自然界的一部分。人的社会活动四个方面是：物质生活的生产新需要的产生家庭社会关系“共产主义归根到底是以生产力的普遍发展和与此相联系的交往为前提的”。第一部分环境基础知识一、1、环境定义：环境是指影响人类生存和发展的各种天然的和经过人改造的自然因素的总体。包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、人文遗迹、自然保护区、风景各胜区、城市和乡村等。2、环境的基本内涵相对于某一类生命主体（群体或个体）周围的外部条件的总和，包括主体的存在空间、维持生命活动的能量和物质以及对其产生影响的各种直接或间接因素。3、环境类型：生物圈大气圈自然环境：形成于146亿-140亿年前水圈岩石圈人类自身活动形成的物质能量人工环境：有人类以来（200万年）精神文明各种社会关系及其产生的作用全球环境环境类型按尺度划分区域环境聚落环境4、人与环境：马克思主义认为：可以认为人本身的自然和外部自然以及物质资料的生产方式构成人类社会的物质生活条件。包括人类在内的生命有机体能够影响整个地球的状况。地球表面的化学组成决定了生命起源的环境条件。生命的组成与宇宙的组成显著地相似（人体成分与地球化学元素成分及并丰度相一致）元素在水中的溶解度，是决定产生生命的地质化学界中元素相对丰度的最终约束。从这个意义上讲：人是自然界的一部分。人类是地球环境与地球生命长期相互作用，相互依存，协调发展的产物。人类仍然只能依赖和依托环境而生产、生活和生存。5、主要环境要素与人类社会系统的相互作用：岩石圈：对人类起支撑作用大气圈：提供生存空间及氧气环境要素、作用水圈：提供水资源生物圈：提供生命保障资源（食物、自化、自解、自洁作用）土壤圈：生物生长的基础，协调环境因素提供物质生活资料和生存环境（物质功能）环境对人类的两大作用提供精神生活所需的自然资源和文化生活源泉二、环境的基本特征和功能提供人类生存所需的资源调节功能：环境属动态系统和开放系统、能量交换、环境功能物质交换服务功能：生命支持系统文化功能：美的艺术和无限的科学规律整体性：相互联系相互制约的系统可再生资源资源有限性：环境=资源非再生资源环境的主要特性差异性（区域性）：自然资源多样性能基础和保证自然的变动性和稳定性：变动性（绝对的）人为的稳定性（相对的）：自我调节危害作用的时滞性：污染、生态破坏具有时滞性三、环境问题1、环境问题：指人类为其自身生存和发展，在利用和改造自然界过程中，对自然环境造成的破坏和污染，以及由此产生的危害人类生存和社会发展的各种不利效应。生态破坏：对资源的不合理利用和开发2、两类环境问题环境污染：污染物排放3、环境问题与人类社会发展（见表1-1）马克思主义认为：生产力和发展决定分工的发展。分工发展的不同阶段就是所有制的不同形式。一切历史冲突都根源于生产力和交往形式（生产关系）之间的矛盾。生产方式不仅是人的肉体存在的再生产方式，而且是人的活动方式和生活方式。因此：有什么样的生产力，就有什么样的生产关系，相应的就产生什么类型的环境问题。在不同的生产力发展阶段，人们对环境干扰的方式、程度、内容和范围都有不同。这是环境问题具有阶段性的根源。“生产力是一种客观的物质力量。”“作为一种既得力量的生产力，是人们全部历史的基础。”这是环境问题具有相对稳定性的原因。由此也可以理解为：解决环境问题也具有历史阶段性。表1-1采集狩猎社会农业社会工业社会知识社会发展方式依赖天然食物资源大规模开发农业资源掠夺型利用不可再生资源和环境追求可持续的全面发展人口增长特征出生率：高死亡率：高自然增长率：低同前出生率：高—低死亡率：高—低高增长率出生率：低死亡率：低低增长、零增长主要技术手段石器、木器、原始技术青铜器铁器农业技术机器、电器社会化生产工业技术高新技术、清洁技术、信息技术利用的主要资源天然食物农业资源（耕地、泼水）自然资源（矿产、资本资源）人力、知识、资本资源再生资源、社会资源利用的主要能源薪柴水力、风力石化能源混合型能源人口资源环境问题食物短缺人口过剩、自然灾害土壤侵蚀等生态破坏人口过剩、就业和老化、资源短缺、生态破坏、环境污染就业问题、不可再生资源耗竭、全球环境问题主导性产业活动采集、渔猎农业工业第三产业、信息业等新兴产业影响环境的空间范围个体、群体聚集地村落、区域国家国家、国际全球范围持续的时间尺度百万年万年百年十年4、环境问题水污染大气污染噪声污染生态破坏（生物多样性减少）环境问题类型同废污染电磁辐射放射性污染危险化学品环境激素与荷尔蒙物质电子产品废物污染5、环境问题的实质人与自然环境关系的失调，是人对自然规律的忽视和不尊重。四、环境科学环境科学是一门新兴的学科，它是以人类为主体，研究人类生存、繁衍与所需有关条件之间相互关系的科学。（科学研究的任务：认识、发现和利用）环境科学研究的对象十分广泛。其研究内容是指人类为其自身生存和发展，在利用和改造自然界过程中，对自然环境造成的破坏和污染，以及由此产生的危害人类生存和社会发展的各种不利效应。1、环境科学内涵是研究和指导人类在认识、利用和改造自然中，正确协调人与环境相互关系，寻求人类社会持续发展途径与方法的科学。1775年：英国医生P·波特：公共卫生学1897年：英国建污水处理厂产生的动因及阶段：1915年：日本板胜三郎研究煤焦油致癌性（代表人物、年代）20世纪初：消烟除尘技术（布袋除尘器）20世纪60年代：环境科学诞生20世纪90年代：环境科学趋向成熟环境学：基本理论和方法论研究（核心）2、环境科学体系基础环境学应用环境学环境学环境地学资源观环境化学环境生物学（生态学）环境医学价值观环境科学的分枝环境物理学环境工程学环境法学道德观环境管理学环境经济学环境伦理学……4、环境科学的理论基石——可持续发展思想（巴西里约热内卢）人类要发展、要满足人类的发展需求两点基本内涵不能损害自然界支持当代人和后代人的发展能力强调经济发展。重视增长质量，鼓励清洁生产和绿色消费三点基本思想衡量发展的标准：资源的永续利用和良好生态环境的服务作用谋求社会全面进步。经济发展是基础，环境保护是条件，社会进步是目的，人的自由和发展是宗旨。5、现代环境科学的特征和任务学科内涵更加明确（1）特征人与环境伦理关系得以端正研究手段和方法更加先进学科内容更加丰富防治污染和生态破坏（2）主要任务战略性、超前性理论研究环境教育与法制建设总之，树立正确的社会发展观，提高全民族的环境意识，推进可持续战略的实施，是当代环境科学研究的重要任务。到此，我想用马克思在《资本论》中的一段话作一小结：“一个社会即使探索到了本身运动的自然规律……，它还是既不能跳过也不能用法令取消自然的发展阶段。但是它能缩短和减轻分娩的痛苦。”第二部分大气环境化学一、基础知识1、大气环境化学的内容、范围和特点研究内容：主要研究大气中对环境有影响的重要组分在大气中的来源、存在形式、迁移过程中的化学转化、归宿以及对大气质量的影响。研究范围：对人类有直接、间接影响的地球大气。大气环境化学的特点：①大气是氧化性介质（化学反应：低氧化态→高氧化态）②光化学反应占有重要位置③主要考虑反应速度④气象因素的影响现场实测2、大气环境化学的一般研究方法实验室研究实验模拟3、地球的天然大气环境大气：指包围地球表面并随地球旋转的空气层。地表大气平均压力为1个大气压，相当于每平方厘米地球包围1034g空气。大气总质量：约为5.2×1015吨。50%在距地表上空30km范围内。高度100km以上的空气质量仅占总质量1/106。4、地球大气圈形成地球形成阶段：原始气体：H2、He、N2、H2O、（还原性气氛）CO2化学反应：CO2(g)+4H2(g)→CH4(g)+2(g)CO(g)+3H2(g)→CH4(g)+H2O(g)H2O+hv→H2+21O2由还原性→氧化性：CO2、H2、N2、O2（21%，4.3亿年前）、ArH2O+CO2→CH2O+O2↑CaSiO3+CO2→CaCO3+SiO2今日大气：O2+hv(240nm)→O+O（氧化性）O2+O+M→O3+MO3+hv(290nm)→O2+OO+O+M→O2+M5、大气层垂直结构对流层：16-181km（赤道）10-12（中纬）平流层：15-35km（O3占20km）均匀层中间层：平流层顶→80km热层：80km-500km非均匀层逃逸层：500km6、均匀层大气的组成（见表1-2）表1-2均匀层大气组成气体含量（体积%）分子量气体含量（体积%）分子量N2O2ArCO2O3干洁空气78.08420.9460.9340.02-0.04(0-5)×10-610028.01632.00039.94444.01048.0028.966NeHeKrH2Xe182×10-653×10-512×10-55×10-50.9×10-520.1084.00383.7002.016131.3007、大气气体的组成及循环a、恒定组分：Ar、Ne、Kr、Xe（无循环）O2、N2（生物和微生物）b、可变组分：CH4、CO2、CO、H2、N2O人类活动、生物活动及化学过程c、不定组分：SO2、NH3、NO+NO2、O3、HNO2、H2O、He、CFCs人类活动，化学过程、物理化学过程d、在地球大气中，已鉴定出几百种痕量气体。二、大气污染问题大气污染：指一定范围内的大气中，某些成分异常增多或出现新的成分，从而对人类、生态、材料或其它环境要素（如大气性质、水体水质、气候等）产生不良效应时，就构成大气污染。1、大气污染物分为：a、一次污染物（直接从污染源排放的物质）（SO2、H2S、NO、NH3、CH化合物、CO、CO2、HF、HCl）b、二次污染物：排入环境中的化合物，经物理、化学或生物作用或与其它物质发生反应而形成新的化合物（SO3、H2SO4、MSO4、NO2、HNO3、MNO3、醛、酮、臭氧（O3）、过氧乙酰硝酸酯）大气中重要污染物：①含硫化合物（SO3、H2S、（CH3）2S和H2SO4……）②含氮化合物（NO、NO2、NH3、HNO3和N2O……）③CO、CO2④CnHx烃类、醛、酮……⑤光化学氧化剂（O3、PAN、H2O2……）⑥含卤素化合物（HF、HCl和CFCs……）⑦颗粒物（H2SO4、SO4-2、NO3-多环芳烃及重金属等⑧放射性物质自然尘森林草原火灾天然源火山活动森林排放2、大气污染来源海浪飞沫燃料燃烧人为源工业排放固体废弃物焚烧农业活动排放3、大气污染的发生过程污染物排放→大气的相互作用→接受体及效应4、大气污染物的去除过程：干沉降（干去除）湿沉降（湿去除）化学反应去除向平流层输送三、几种典型大气污染现象1、光化学烟雾引发反应：NO2+hv→NO+OO+O2+M→O3+MNO+O3→NO2+基传递反应：RH+OH→RC(O)O2+H2ORCHO+OH→RC(O)O2+H2ORCHO+hv→RO2+H2O+COHO2+NO→NO2+OHRO2+ON→NO2+RCHO+H2ORC(O)O2+NO→NO2+RO2+CO2OH+NO2→HNO3终止反应：RC(O)O2+NO2→RC(O)O2NO2RC(O)O2NO2→RC(O)O2+NO2SO2直接光氧化机制：3SO2+O2→SO4→SO3+OSO4+SO2→2SO32、硫的氧化反应间接光氧化：OH+SO2→HOSO2HO+SO2（+O2+H2O）→H2SO4+HO2与其它自由基反应CH3CHOO+SO2→CH3CHO+SO2SO2+HO2+