第一讲第四章大气

1、环境与生态学环境与生态学 第一节 大气的组成和结构 一、大气的组成 大气是由多种气体混合组成的，按其成分可以概括为三部分：干燥清洁的空气、水汽和悬浮微粒。 干洁空气的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的99.996（体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004左右，如表5-所示。 由于空气的垂直运动、水平运动以及分于扩散，使得干洁空气的组成比例直到的高度还基本保持不变。也就是说，在人类经常活动的范围内，任何地方干洁空气的物理性质是基本相同的。例如，干洁空气的平均分子量为28.966，在标准状态下(273.15K,latm)密度为1.293kg/m3。 大气中的水蒸汽主

2、要来自海水的蒸发，少量来自江河、湖泊水的蒸发以及因土壤、植物的蒸腾作用。大气中的水汽含量，随着时间、地点、气象条件等不同而有较大变化，在正常状态下其变化范围为0.02%6%。大气中的水汽含量虽然很少，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等。这些现象不仅引起大气中湿度的变化，而且各种吸收还引起热量的转化。同时，水汽又具有很强的吸收长波辐射的能力，对地面的保温起着重要的作用。 大气中的悬浮微粒，除水汽凝结物如云、雾滴、冰晶等，主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。 二、大气圈的结构 根据大气在垂直方向上温度、化学成分等物理性质的差异，同时考虑到大气的垂直运动状况，可将大气圈分为五

3、层（图）。对流层 对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为km在中纬度地区为km；两极附近高纬度地区为89km。夏季较厚，冬季较薄。 这一层的显著特点： 气温随高度升高而递减，大约每上升，温度降低0.60.65。由于贴近地面的空气受地面辐射增温的影响而膨胀上升，上面冷空气下沉，故在垂直方向上形成强烈的对流； 密度大，对流层虽然相对于大气圈的总厚度来说很簿，但是它的质量却占大气总质量的/以上。在对流层中，因受地表的影响不同，又可分为两层。在2km以下，受地表机械力、热力强烈作用的影响，通称为摩擦层或边界层，排入大气的污染物绝大部分活动在此层。在2km以上，受地表影响变小，

4、称为自由大气层，主要天气现象如云、雾、雨、雪、雹的形成均在此层。对流层和人类的关系最为密切。 平流层 对流层顶到km的大气层为平流层。在平流层下层，即3035km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在km以上，温度随高度升高而升高。这是因为，在高约km的范围内，有厚约km的一层臭氧层。因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力，同时在紫外线的作用下可被分解为原子氧和分子氧。当它们重新化合生成臭氧时，可以热的形式释放出大量的能量，使平流层的温度升高。平流层能大量吸收紫外线，使地球生物免受紫外线的照射，同时又对地球起保温作用。平流层的空气没有垂直对流运动，平流运动占显著优势，空气

5、比对流层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。 中间层 从平流层顶到80km高度的一层称为中间层，该层空气更为稀薄，有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，该层顶部温度可降至83113。 热成层 从80km到约500km的高空称为热成层。该层的下部基本上是由分子氮所组成，而上部是由原子氧所组成。原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加面迅速增加。层内温度很高昼夜变化很大由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故又称为电离层。电离层能反射地面发射的电磁波，对地面的无线电通讯起到十分重要

6、的作用。 逸散层 热成层以上的大气层作为逸散层，该层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进入太空逸散，对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限，该层的温度也是随高度增加而略有增加的。 一、大气污染 大气污染系指由于人类活动或自然过程引起某些物质介入大气中，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。所谓人类活动不仅包括生产活动也包括生活活动，如做饭、

7、取暖、交通等。所谓自然过程，包括火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化及大气圈中空气运动等。一般说来，由于自然环境的自净作用，会使自然过程造成的大气污染，经过一定时间后自动消除。所以说，大气污染主要是人类活动造成的。 按照污染的范围来分，大气污染大致可分为四类： 局限于人范围的大气污染，如受到某些烟囱排气的直接影响； 涉及一个地区的大气污染，如工业区及其附近地区或整个城市大气受到污染； 涉及到比一个城市更广泛地区的广域污染； 必须从全球范围考虑的全球性污染，如大气中的飘尘和二氧化碳气体的不断增加，就成了全球性污染，受到世界各国的关注。 二、大气污染源 按污染物质的来源可分为天然污染源和人为

8、污染源，根据表对主要大气污染物的分类统计分析，其主要来源为三大方面： 燃料燃烧；工业生产过程；交通运输。前两类污染源统称为固定源，交通运输工具（机动车、火车、飞机等）则称为流动源。 燃料燃烧 煤、石油、天然气等燃料的燃烧过程是向大气输送污染物的重要发生源。 煤是主要的工业和民用燃料，它的主要成分是碳，并含有氢、氧、氮、硫及金属化合物。煤燃烧时除产生大量烟尘外，在燃烧过程中还会形成一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物、有机化合物及烟尘等有害物质。 家庭炉灶排气是一种排放量大、分布广、排放高度低、危害性不容忽视的空气污染源。 工业生产过程排放 工业生产过程中排放到大气中的污染物种类多、数量大，是

9、城市或工业区大气的重要污染源。 工业生产过程中排放废气的工厂很多。例如，石油化工企业排放二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、氮氧化物；有色金属冶炼工业排出的二氧化硫、氮氧化物以及含重金属元素的烟尘；磷肥厂排出氟化物；酸碱盐化工工业排出的二氧化硫、氮氧化物、氯化氢及各种酸性气体；钢铁工业在炼铁、炼钢、炼焦过程中排出粉尘、硫氧化物、氰化物、一氧化碳、硫化氢、酚、苯类、烃类等。 总之，工业生产过程排放的污染物的组成与工业企业的性质密切相关。 交通运输过程中排放 汽车排气已构成大气污染的主要污染源。机动车的发展速度很快，年全球机动车保有量为万辆，年增长到.1亿辆。汽油车排放的主要污染物是：，x，和铅（如果使用

10、含铅汽油）；柴油车排放的污染物主要有x，（细微颗物），和2。同发达国家相比，我国机动车污染物排放量相当惊人。 以日本东京为例，年东京拥有机动车万辆，而和x的排放量基本稳定在万和万左右，而北京市年机动车仅为万辆，和x的排放量却高达 97.2万t和 9.8万。 三、大气污染物 大气污染物系指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的物质。大气污染物的种类很多，按其存在状态可概括为二大类：气溶胶状态污染物、气体状态污染物。 （一）气溶胶状态污染物 在大气污染中，气溶胶系指固体、液体粒子或它们在气体介质中的悬浮体。其粒径约为0.002100m大小的液滴或固态粒子。 （）总悬浮颗粒物（）

11、：是分散在大气中的各种粒子的总称。是指用标准大容量颗粒采样器（流量在1.1 1.7m3/min）在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，其粒径大小，绝大多数在100m以下，其中多数在10m以下。也是目前大气质量评价中的一个通用的重要污染指标。 （）飘尘：能在大气中长期飘浮的悬浮物质称为飘尘。其粒径主要是小于10m的微粒。由于飘尘粒径小，能被人直接吸入呼吸道内造成危害；又由于它能在大气中长期飘浮，易将污染物带到很远的地方，导致污染范围扩大，同时在大气中还可以为化学反应提供反应载体。因此，飘尘是从事环境科学工作者所注目的研究对象之一。 （）降尘：用降尘罐采集到的大气颗粒物称为降尘。在总悬浮颗粒物中一般直

12、径大于10m的粒子，由于其自身的重力作用会很快沉降下来，所以将这部分的微粒称为降尘。 单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标之一。 从大气污染控制的角度，按照气溶胶的来源和物理性质，又可分为如下几种。 （1）粉尘（dust）：粉尘系指悬浮于气体介质中的小固体粒子，能因重力作用发生沉降。粉尘的粒子尺寸范围，在气体除尘技术中，一般为1200m左右。 （）烟（fume）：烟一般指由冶金过程中形成的固体粒子的气溶胶，烟的粒子尺寸很小，一般为0.011m左右。 （）飞灰（fly ash）：飞灰系指燃料燃烧产生的烟气飞出的分散较细的灰分。 （）黑烟（smoke）：黑烟一般指由燃料产生的能见气溶胶。

13、（）雾（fog）：雾是气体中液滴悬浮体的总称。在工程中，雾一般泛指小液体粒子悬浮体。 （二）气体状态污染物 气体状态污染物简称气态污染物，是以分子状态存在的污染物，大部分为无机气体。常见的有五大类；以SO2为主的含硫化合物，以 和 2为主的含氮化合物，X、碳氢化合物以及卤素化合物等。目前已受人们普遍重视的大气污染物，如表所示。 气态污染物又分为一次污染和二次污染物。 （1）一次污染物。一次污染物是指直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、颗粒物等，它们又可分为反应物和非反应物，前者不稳定，在大气环境中常与其他物质发生化学反应，或者作催化剂促进其他污染物之间的反应，后者则不发

14、生反应或反应速度缓慢。 （）二次污染物。二次污染物是指由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。最常见的二次污染物如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂OX，以及许多不同寿命的活性中间物（又称自由基），如 2、等。对上述主要气态污染物的性质、来源及其危害性简单介绍： 硫常以二氧化硫和硫化氢的形态进入大气，也有一部分以亚硫酸及硫酸（盐）微粒形式进入大气。大气中的硫约2/3来自天然源，其中以细菌活动产生的硫化氢最为重要。人为源产生的硫排放的主要形式是SO2。SO2是一种无色、具有刺激性

15、气味的不可燃气体，是一种分布广、危害大的主要大气污染物。SO2和飘尘具有协同效应，两者结合起来对人体危害更大。所以空气质量标准中采用“SO2浓度（mg/Nm3）与微粒浓度（g/Nm3）的乘积”标准。 SO2在大气中极不稳定，最多只能存在天。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3，进而生成24或硫酸盐，硫酸和硫酸盐可形成。 SO2主要来源于人为活动排放的含硫燃料的燃烧过程，以及硫化物矿石的焙烧、冶炼过程。火力发电厂、有色金属冶炼厂、硫酸厂和所有烧煤或油的工业锅炉、炉灶等都排放SO2烟气，在排放SO2的各种过程中约有96来自燃料烧过程，其中火力发电厂排烟中的SO2，浓度虽然

16、较低，但总排放量却最大。在过云20年中，发达国家通过改变燃料结构，采用脱硫技术使得SO2排放量总体上明显减少。但在19741984年间，一些发展中国家SO2排放量是增加的。1993年，世界排放SO2量近2亿t，而1995年，我国排放SO2达2341万t（包括乡镇企业），大于美国的2100万t，成为世界SO2排放第一大国。1997年我国94个城市空气中SO2年均浓度值在3248 g/m3之间，全国平均值为66g/m3，远高于SO2。的自然背景浓度（0，称为正常分布层结或递减层结； 气温直减率等于或近似等于绝热直减率，即 d ，称为中性层结； 气温不随高度变化，即，称为等温层结； 气温随高度增加而

17、增加，即，称为逆温。 大气稳定度 污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系，大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度。假如一空气块由于某种原因受到外力的作用，产生了上升或下降运动后，可能发生三种情况： （1）当外力去除后，气块就减速并有返回原来高度的趋势，称这种大气是稳定的； （）当外力去除后，气块加速上升或下降，称这种大气是不稳定的； （）当外力去除后，气块静止或作等速运动，称这种大气是中性的。这种大气静力稳定度和大气中污染物的扩散有密切的关系，当大气处于不稳定状态时，对排放到大气中的污染物扩散作用强烈。反之，大气处于稳定状态时，扩散作用微弱。大气静力稳定度可根据气温垂直递减率。和干绝热

18、垂直递减率来判断（图）。 当d时，大气处于不稳定状态； 当d时，大气处于中性平衡状态； 当d时，大气处于稳定平衡状态。 逆温时 因此 d ，这种大气处于非常稳定状态，是一种最不利于污染物扩散的温度层结，在大气污染问题研究中特别引人注目，对流层逆温按其形成原因可分为以下几类。 （1）辐射逆温：辐射逆温经常发生在睛朗无风或小风的夜晚，由于强烈的有效辐射，使地面和近地层大气强烈冷却降温，上层降温较慢而形成上暖下冷的逆温现象，辐射逆温全年都可出现，但冬、秋季更易产生，且强度也大，高度也高。 （）平流逆温：主要发生在冬季中纬度沿海地区，由于海陆之间存在温差，海上暖空气平流到陆地上空时形成。 （）下沉逆温

19、：由于空气下沉压缩引起的增温作用，使下沉运动终止的高度上出现逆温，一般多发生在高压区。 实际逆温情况是很复杂的，地形对逆温的形成和分布也有明显影响。通过一定方式了解各高度温度分布，就可得知上空有无逆温、逆温高度、强度等。目前用于探测逆温得手段主要有：低空探空仪、系留气球、铁塔观测、遥感等。 二、影响大气污染的地理因素 地形地势对大气污染物的扩散和浓度分布有重要影响。地形地势千差万别，但对大气污染物扩散的影响其本质上都是通过改变局部地区（流场和温度层结等）气象条件来实现的。 这里主要讨论三种典型地形地势条件对大气污染的影响。 山区地形 山区地形复杂，局地环流多样，最常见的局地环流是山谷风，它是由

20、于山坡和谷底受热不均匀引起的。晴朗的白天，阳光使山坡首先受热，受热的山坡把热量传给其上的空气，这一部份空气比同高度谷底上空的空气暖，比重轻，于是就上升，谷底较冷的空气来补充，形成从山谷指向山坡的风，称之为“谷风”。夜间，情况正好相反，山坡冷却较快，其上方空气相应冷却得比同一高度谷底上空的空气快，较冷空气沿山坡流向谷底，形成“山风”。 山谷风对污染物输送有明显的影响。吹山风时排放的污染物向外流出，若不久转为谷风，被污染的空气又被带回谷内。特别是山谷风交替时，风向不稳，时进时出，反复循环，使空气中污染物浓度不断增加，造成山谷中污染加重 山区辐射逆温因地形作用而增强。夜间冷空气沿坡下滑，在谷底聚积，

21、逆温发展的速度比平原快，送温层更厚，强度更大。并且因地形阻挡，河谷和回地的风速很小，更有利于逆温的形成。因此山区全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温强度大，持续时间也较长。 海陆界面 海陆风发生在海陆交界地带，是以小时为周期的一种大气局部环流。海陆风是由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的。如图所示，在白天，由于太阳辐射，陆地升温比海洋快，在海陆大气之间产生了温度差、气压差，使低空大气由海洋流向陆地，形成“海风” 高空大气从陆地流向海洋，形成“反海风“ 它们和陆地上的上升气流和海洋上的下降气流一起形成了海陆风局部环流。在夜晚，由于有效辐射发生了变化，陆地比海洋降温快，在海陆之间产生了与白天相反的温

22、度差、气压差，使低空气大气从陆地流向海洋，形成“陆风”，高空大气从海洋流向陆地，形成“反陆风”。它们同陆地下降气流和海面上升气流一起构成了海陆风局部环流。 在湖泊、江河的水陆交界地带也会产生水陆风局地环流，称为“水陆风”。但水陆风 的活动范围和强度比海陆风要小。 海陆风对空气污染的影响有如下几种作用：一种是循环作用，如果污染源处在局地环流之中，污染物就可能循环积累达到较高的浓度，直接排入上层反向气流的污染物，有一部分也会随环流重新带回地面，提高了下层上风向的浓度。另一种是往返作用，在海陆风转换期间，原来随陆风输向海洋的污染物又会被发展起来的海风带回陆地。 海风发展侵入陆地，下层海风的温度低，陆地上层气流的温度高，在冷暖空气的交界面上，形成一层倾斜的逆温顶盖，阻碍了烟气向上扩散，造成封闭型和漫烟型污染。 城市 城市建筑密集，高度参差