环境空气污染概论

L/O/G/O环境空气污染概论课程内容第一章：大气环境与空气污染第二章：大气化学组分的源和汇第三章：空气污染气象学及模式第四章：气溶胶污染4123第五章：大气污染和全球气候5第六章：大气污染综合防治6大气环境与空气污染第一章§1大气组成及分类§2空气污染§3大气组分浓度表示方法§4环境空气质量标准第一节大气组成及分类大气层(atmosphere)又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。地球大气是迄今为止以发现的天体大气中惟一以氮、氧为主，水可以以气体、液体、固体三态出现的大气。地球大气的演变简述如下：地球在46亿年前形成，它形成时是没有大气的。地球大气的演变可分为原始大气，次生大气和现代大气三个阶段。第一节大气组成及分类原始大气：（46亿年前）由于太阳风和地球升温的作用，原始大气是一些轻物质：H2，He、CO…次生大气：（45—20亿年前）由于地球逐渐冷却，造山运动、火山喷发和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体形成次生大气（CO2，CH4，NH3，H2O）…现代大气：（6亿年前）以N2、O2为主大气成分的组成：大气是由多种气体组成的混合气体,包括N2、O2、Ar、CO2、CH4、O3、H2…水汽、大气气溶胶。第一节大气组成及分类地球大气成分—干洁大气干洁大气的定义：通常把除水汽、大气气溶胶以外的其余大气称为干洁大气，简称干空气。下面介绍对气象影响较大的干洁大气氧气：是地表一切生命所必须的气体。如动、植物的呼吸，要在氧化作用中得到维持生命的热能。此外，一切有机物的燃烧。腐败和分解都依赖于氧，所以氧被成为“有生命的气体”。氮气：能冲淡氧使氧化作用不太激烈。氮在自然条件下可通过地表豆科植物根瘤菌作用，被直接改造为植物易吸收的化合物，是植物体内不可缺少的养料。第一节大气组成及分类二氧化碳：主要来源于大气底层的火山喷发、燃料燃烧、有机物腐败及动植物呼吸等。CO2吸收太阳辐射很少，却能强烈地吸收地面长波辐射，使地面和空气不致于因放射辐射而失热过多。因此它们都有使空气和地面增温的效应。（温室效应）第一节大气组成及分类臭氧：主要来源于氧气在太阳紫外辐射作用下发生光致离解。臭氧层吸收的太阳紫外辐射能量使平流层大气增温，对平流层的温度场和大气环流起着决定性的作用。如果平流层的臭氧浓度下降，将引起平流层上部的温度下降，平流层下部和对流层的温度上升。因此，臭氧层对建立大气的垂直温度结构和大气的辐射平衡起重要作用。臭氧层吸收了部分太阳辐射能，估计使地面的平均温度降低1—2℃。虽然臭氧在大气中所占的比例极小，但因它对太阳紫外辐射（0.2—0.29μm)有强烈的吸收作用，所以是臭氧大气中最重要的微量成份之一。第一节大气组成及分类水汽：主要来源于海洋、地表各种水体（江、河、湖泊等）土壤和潮湿物体表面的蒸发及植物蒸腾。地表水汽借助空气的垂直交换向上输送，所以一般随高度的增加而减少。据实测，1.5-2km高度的水汽为地表的一半，再往上更少。但特殊的状态下水汽会随高度增加而增加。大气中的水汽含量变化范围是0-4%。水汽是天气变化中成云致雨的重要角色。此外，水汽能吸收地面辐射并同时向周围大气和地面放出长波辐射，对地面和大气温度有一定的影响。第一节大气组成及分类溶胶粒子：为大气中悬浮着的固态、液态微粒。气溶胶粒子与气体介质一起称为气溶胶。主要包括6大类7种气溶胶粒子，即：沙尘气溶胶、碳气溶胶(黑碳和有机碳气溶胶)、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。尽管气溶胶在大气中的含量相对较少,但它在大气过程中所起的作用却不容忽视，其突出的作用表现在气溶胶不仅对大气能见度、太阳散射和辐射、大气温度等具有较多影响,而且由于其粒径小、表面积大,为大气环境化学提供了反应床,从而影响大气的各种化学作用，同时影响人类健康。第一节大气组成及分类、按浓度分类：主要成分：N2、O2、Ar、CO2（300ppmv)微量成分：CH4等（1--20ppmv)痕量成分：O3、H2、氮氧化合物、硫化物及氟氯化烃（1ppmv)第一节大气组成及分类、按平均停留时间分类：不变成分：N2、O2、Ar、Ne、He、Kr、Xe等（1000年）可变成分：CO2、H2、CH4、N2O、CO、O3、NH3、NO2、SO2、H2S水汽、大气气溶胶（1—10几年)快变成分：碳、硫、氮的化合物（1年）微量成分和痕量成分一般也是寿命短的成分，它们至少有两个特点：有化学活性，多为温室气体。第一节大气组成及分类由于大气中存在着空气的垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面开始向上直到90km处，空气主要成分（除水汽臭氧和若干污染气体外）的比例基本上是不变的。因此，在90km以下可以把干洁空气当成分子量为28.97的“单一成分”来处理。大气的分层和结构－大气分层大气分层图第一节大气组成及分类按热力结构分层：对流层、平流层、中间层和热层低层大气以太阳辐射加热地面后引起的对流、湍流交换作用以及地面的红外辐射为主。地面---热源中、高层大气以辐射平衡作用为主O2、O和O3对太阳辐射的吸收（加热）O3、CO2和水汽的红外辐射（冷却）第一节大气组成及分类、对流层特点：（1）大气温度随高度降低（2）大气的垂直混合作用强（3）气象要素水平分布不均匀对流层大气热源---地面对流层大气－平均温度递减率6.5K/km大气温度随高度降低→对流层内具有强烈的对流运动→水汽和气溶胶粒子等大气成分在垂直方向上的输送。第一节大气组成及分类对流层顶（几千米）——对流层与平流层的过渡区大气温度递减率小于2K/km或更小时的最低高度。赤道附近及热带对流层顶高约15～20km，极地和中纬度带高约8～14km。空气性质的差异→对流层内水平方向上气象要素（指温度、气压、湿度、风向、风速、辐射等）分布不均匀。第一节大气组成及分类、平流层对流层顶向上到50km高度左右，垂直减温率为负值的气层。平流层--逆温--大气很稳定，垂直运动微弱中纬度地区夏季时是东风，冬季时是西风。平流层空气中尘埃少，大气的透明度很高。平流层中水汽的含量少。第一节大气组成及分类、中间层平流层顶到85km高度（亦称中层）臭氧少温度随高度降低（中间层顶）温度下降至-100℃-90℃水汽少第一节大气组成及分类、热层中间层顶以上的大气层（温度始终增加）强紫外辐射(0.18m)的光化学分解和电离反应→热层高温大气稀薄，分子碰撞少，分子巨大的运动速度。热层顶--热层温度趋于常数的高度【中层大气】第一节大气组成及分类﹤86km湍流混合作用分子扩散及重力场对轻重气体的分离作用，干空气成分比例保持不变。90km110km湍流混合作用与分子扩散及重力场对轻重气体的分离作用相当，具有湍流混合、分子扩散和分子氧的光解作用以及气体分子的电离作用。120km分子扩散、光解、电离占主导地位1.3.2按化学成分分层：第一节大气组成及分类匀和层或湍流层86～90km（对流层、平流层、中层）大气成分比例，在垂直方向和水平方向保持不变。非匀和层由于重力分离作用及光化学作用，大气成分比例随高度而变化，平均摩尔质量随高度逐渐减小。大气中性成分500km：O，He，N2，H和O2；1000km：He，H和O第一节大气组成及分类以上的热层顶开始的大气层（或称逸散层）（1）大气处于电离状态，质子含量大大超过中性氢原子的含量（2）空气粒子数稀少，中性粒子之间碰撞平均自由程达到104m。第一节大气组成及分类～500～1000km气层太阳电磁辐射（主要是短于0.1m的紫外线、X射线）和微粒辐射（从太阳发出的质子、电子等及宇宙线粒子）的作用→空气分子和原子（N2，O2，O等）电离（正离子和自由电子）→产生与复合→平衡→形成电子数密度的垂直分布“电离层突然扰动”、“电离层暴”1.3.3按电磁特性分层：第一节大气组成及分类1000km，其外部边界称为磁层顶。带电粒子受地球磁场的控制，并沿着地球的磁力线作回旋运动。太阳风影响，磁层结构不对称。地球磁层的概略图第一节大气组成及分类空气污染的定义•ISO定义：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、健康和福利或危害环境的现象。空气污染的分类按其影响所及范围可分为四类：1、局部性污染：某烟囱排放2、地区性污染：某工矿区其附近或城市大气污染3、广域性污染：涉及比一个地区或城市更广发区域4、全球性污染：温室效应与全球气候变暖、酸雨、臭氧层空洞污染源的分类天然源：火山喷发：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢HF及火山灰等颗粒物。森林火灾：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮HC等。自然尘：风砂、土壤尘等。森林植物释放：主要为硫酸盐与碳氢化合物。海浪飞沫：颗粒物主要为硫酸盐与亚硫酸盐。人为源：人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。工业污染源：工业生产过程、工业燃料的燃烧农业污染源：农业燃料、有机农药生活污染源：民用炉灶、生活取暖、垃圾焚烧交通污染源：汽车尾气排放第二节空气污染污染物的分类大气污染物按化学性质分：可划分为8类。–1）碳氧化物：CO、CO2。–2）硫氧化物：SO2等，用SOx表示。–3）氮氧化物：NO和NO2，用NOx表示。–4）氧化剂：O3、PAN和过氧化物等。–5）碳氢化合物：包括醛、酮和H－C－O化合物。–6）卤素化合物：HF、HCl、氟利昂。–7）颗粒物及气溶胶–8）放射性物质还原性污染物氧化性污染物第二节空气污染第二节空气污染按迁移转化过程分：一次污染物：指直接从各类污染源排出的物质。可分为：非反应物质，其性质较稳定；反应性物质，性质不稳定，在大气中常与某些其它物质产生化学反应或作为催化剂促进其它污染物产生化学反应。二次污染物：反应性的二次污染物与大气中的其它组分反应形成的物质。如二次污染物硫酸烟雾（又称硫酸气溶胶）形成过程。往往二次污染物比一次污染物的危害大得多。