第二章 平流层化学、臭氧层

1、第二章第二章 平流层化学、臭氧层平流层化学、臭氧层Chapter 2. Stratospheric Chemistry, The Ozone Layer 1. 简介简介 大气和大气圈大气和大气圈 Air and Atmosphere CO2 (0.02-0.04%) O2 (20.95%) N2 (78.09% ) Ar (Argon, 0.93%) argon n. 化化 氩氩 H2O 紫外射线紫外射线 Ultraviolet radiation 大气圈由一薄层覆盖地球大气圈由一薄层覆盖地球表面的混合气体组成。表面的混合气体组成。 The atmosphere consists of the

2、 thin layer of mixed gases covering the earths surface. 光化学反应，光解，光降光化学反应，光解，光降解解 Photochemical reactions, photolysis, photodegradation. 1. 简介简介 气相环境浓度单位气相环境浓度单位 Environmental Concentration Units for GasesParts Per Million (ppm, 106);Parts Per Billion (ppb, 109);Parts Per Trillion (ppt, 1012)Parts Pe

3、r Hundred Million (pphm, 108)In order to emphasize that the concentration scale is based upon molecules or volumes rather than upon mass, a v (for volume) is sometimes shown as part of the unit, e.g., 100 ppmv or 100 ppmv.1 mg/L浓度的硝基苯水溶液相当于浓度的硝基苯水溶液相当于1 ppm，在空气中在空气中1 mg/L的硝基苯也相当于的硝基苯也相当于1 ppm吗？吗？大气温

4、度层结大气温度层结 2. 大气温度层结大气温度层结 stratification n. 层化，成层，阶层的形成层化，成层，阶层的形成由于地球的旋转作用以由于地球的旋转作用以及距地面不同高度的各层次及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀分布。垂直方向上呈不均匀分布。人们把静大气的温度和人们把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布称密度在垂直方向上的分布称为为大气温度层结大气温度层结和和大气密度大气密度层结层结。Stratification of the

5、 Atmosphere对流层对流层 Troposphere 高度为高度为1112米；温度变化特点是：通常米；温度变化特点是：通常0.6K/100 m；气体；气体垂直运动激烈；含有大气全部质量的垂直运动激烈；含有大气全部质量的3/4和几乎全部水气，和几乎全部水气，复杂的天气现象。复杂的天气现象。(15 -56 ) 2. 大气温度层结大气温度层结 n. 气气 对流层对流层 n. 气气 同温层同温层平流层平流层Stratosphere高度为高度为1250 km；温度随高度的增高而递增；垂直对流少，；温度随高度的增高而递增；垂直对流少，大气稳定。（大气稳定。（-56 -2 ）135176 nm; 24

6、0260 nmO3 + hv O + O2200-300 nm, 300-360 nm max = 254 nm 小小 知知 识识decimeter (dm); centimeter (cm); millimeter (mm); micrometer (m) (测微计、千分测微计、千分尺、微米尺、微米)；nanometer (nm); angstrom (); liter (L);milliliter (mL); microlitre (L) 2. 大气温度层结大气温度层结 O + O2 + M O3 + MO2 + hv O + Oangstrom n. 埃（光谱线波长单位）埃（光谱线波长单

7、位） 2. 大气温度层结大气温度层结 中间层中间层 Mesosphere高度为高度为4878 km；气温随高度的增加而降低；空气运动；气温随高度的增加而降低；空气运动激烈；激烈；(meso-)热层热层 (电离层电离层) Thermosphere高度为高度为80800 km；温度随高度增加而迅速上升；温度随高度增加而迅速上升；散逸层散逸层 Exosphere 空气非常稀薄空气非常稀薄 n. 气气 中间层中间层 n. 气气 热层热层 n. 气气 外逸层外逸层 2. 大气温度层结大气温度层结 图图2-1 大气温度的垂直分布大气温度的垂直分布图图2-2 大气密度的垂直分布大气密度的垂直分布热层热层中间

8、层顶中间层顶中间层中间层平流层顶平流层顶对流层顶对流层顶平流层平流层对流层对流层100806040200160200240280T(K)Z(km)0.8020481216Z(km)00.20.40.61.00 0 / / 0s0s 2. 大气温度层结大气温度层结 Figure 2-3. Major regions of the atmosphere (not to scale).EarthSea levelStratosphereN2, O2 H2O, CO2 TroposphereMesosphereThermosphereO310-16 km50 km85 km500 km15 -56 -

9、2 -92 1200 O3 + hv (220 nm-330 nm) O2 + OO2+, NO+Incoming Solar radiationOO2O2+, O+, NO+1200 km, O=O2 High energy ultraviolet: 330 nm, penetration to Eearths surface Ultraviolet: 200-330200-330 nm, penetration to 50 km 臭氧的形成臭氧的形成 (天然天然) 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗O2 + hv O + O ( 243 nm)2O + 2O2 + M 2O3 +

10、M3O2 + hv 2O3臭氧层存在与对臭氧层存在与对流层上面的平流流层上面的平流层中，主要分布层中，主要分布在距地面在距地面10-50 km的范围内，峰的范围内，峰值浓度在值浓度在20-25 km处。处。NO2 + hv NO + O ( 420 nm)O + O2 + M O3 + M臭氧形成：人为来源臭氧形成：人为来源 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗动态平衡动态平衡：生成和：生成和耗损的速率相同，耗损的速率相同，臭氧的浓度保持恒臭氧的浓度保持恒定。定。O3 + hv O2 + O O3 + O 2O22O3 + hv 3O2210 290 nm耗损耗损0 2 4 6 8 10

11、Ozone concentration (ppm)Altitude (km)6040200StratosphereTroposphereFigure 2-4 Variation with altitude of ozone concentration臭氧层耗损臭氧层耗损由于水蒸气、由于水蒸气、NOx、氟氯烃等氟氯烃等污染物进入平流污染物进入平流层，它们能加速层，它们能加速臭氧耗损过程，臭氧耗损过程，破坏臭氧层的稳破坏臭氧层的稳定状态。定状态。 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗Figure 2-5. The yearly variation in total ozone (mean v

12、alues for October) over Halley bay Station, Antarctica. .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total ozone (Dobson units). .1956 1960 1964 1968 1972 1976 1980 1984 1988350325300275250225200175150Total ozone (Dobson units)The total overhead amount of atmospheric ozone

13、 at any location is expressed in terms of Dobson units (DU); one such unit is equivalent to a 0.01 mm thickness of pure ozone at the density it would possess if it were brought ground-level (1 atm) pressure. The normal amount of over-head ozone at temperate latitudes is about 350 DU. Because of stra

14、tospheric winds, ozone is transported from tropical toward polar regions. Thus the closer to the equator you live, the less the total amount of ozone that protects you from ultraviolet light. Dobson units (D. U.) 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗假设可催化臭氧分解的物质为假设可催化臭氧分解的物质为Y，则有如下反应：，则有如下反应：超音速飞机可以排放超音速飞机可以排放NO。平流

15、层中平流层中NO, NO2的主要天然来源是的主要天然来源是N2O的氧化：的氧化： 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗N2O是无色气体，低层空气是无色气体，低层空气中含量最高的含氮化合物，中含量最高的含氮化合物，主要是天然来源，惰性较主要是天然来源，惰性较大。大。N2O + O 2NONO + O3 NO2 + O2Y = NOX(NO, NO2) HOX(H, HO, HO2) ClOX(Cl, CLO)Y+O3 YO+O2YO+O Y+O2O3+O 2O2NO+O3 NO2+O2NO2+O NO+O2 O3+O 2O2平流层平流层HOX主要是由主要是由H2O, CH4 或或H2与与O

16、反应而生成反应而生成的。的。H2O+OCH4+OCH3+HOH2+OH+HO2HOHO+O3HO2+O2HO2+OHO+O2O3+O2O2 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗CFCl3+hvCFCl2+ClCF2Cl2+hvCF2Cl+ClCl+O3ClO+O2ClO+OCl+O2O3+O2O2 ClOx的人为来源是制冷剂，如的人为来源是制冷剂，如F-11(CFCl3)和和F-12(CF2Cl2)，它们在波长，它们在波长175-220 nm的紫外光照射的紫外光照射下会产生下会产生Cl。 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗The stratosphere chlorine con

17、centration currently is 3.5 ppb, which is twice as great as it was in the 1970s and six times the background level of 0.6 ppb, paralleling the growth in the use of CFCs. In the 1980s, about 1 million tonnes (i.e., metric tons, 1000 kg each) of CFCs were released annually to the atmosphere. 3. 臭氧层的形成

18、与损耗臭氧层的形成与损耗氟里昂氟里昂Freon is a commercial trade name used by Du Pont, a large corporation producing industrial chemicals, to refer to CFCs-it is a term often used informally in discussions of environmental air chemistry. freon n. 化化 氟里昂，二氯氟里昂，二氯二氟二氟氟三氯氟三氯甲烷（商标名，一种无色气体冷甲烷（商标名，一种无色气体冷冻剂）冻剂） The chemical

19、 formulas for individuals CFCs, such as CFC-11, can be deduced from their code number by adding 90. The resulting digits correspond, respectively, to the number of carbon, hydrogen, and fluorine atoms present in one molecule. For example, adding 90 to 11 gives 101, so it follows that CFC-11 contains

20、 one carbon, zero hydrogens, and one fluorine. Since that the total number of noncarbon atoms adds up to 2n+2, where n is the number of carbons, the number of chlorines in these substituted alkanes can be deduced by difference, that is, by subtracting from 2n+2, the number of hydrogen plus fluorine

21、atoms. Thus for CFC-11, 2n+2=4, so the number of chlorine atoms is 4-(0+1)=3, and its formula is CFCl3. 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗Deduce the formulas for the compounds with the following code numbers:a. 12 b. 113 c. 123 d. 134Deduce the code numbers for each of the following compoundsa. a. CH3CCl3 b. CCl

22、4 c. CH3CFCl2 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗练练 习习 2002年年1月月1日起我国日起我国汽车业全面禁止新车使汽车业全面禁止新车使用氟里昂的空调用氟里昂的空调 这个规定是为了履这个规定是为了履行保护臭氧层的国际义行保护臭氧层的国际义务，执行保护臭氧层维务，执行保护臭氧层维也纳公约和关于消耗臭也纳公约和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议氧层物质的蒙特利尔议定书而制定的。定书而制定的。 3. 臭氧层的形成与损耗臭氧层的形成与损耗澳科学家称大气氟里昂水平澳科学家称大气氟里昂水平下降下降 澳大利亚科学家保罗澳大利亚科学家保罗弗弗雷泽说，雷泽说，1990年蒙特利尔议年蒙特利尔议定

23、书禁止氟里昂的规定已经定书禁止氟里昂的规定已经取得效果。大气中的氟里昂取得效果。大气中的氟里昂水平正在下降，南极上空的水平正在下降，南极上空的臭氧洞应在臭氧洞应在2050年前闭合。年前闭合。 4.1 逆温逆温 (Temperature inversion)大气垂直递减率：大气垂直递减率：zTddT绝对温度绝对温度(K)；z高度。高度。= 0，等温气层；，等温气层； 0，逆温气层。，逆温气层。 4. 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移 逆温逆温近地面层逆温：辐射逆温、平流逆温、融雪逆温、近地面层逆温：辐射逆温、平流逆温、融雪逆温、 地形逆温地形逆温自由大气逆温：乱流逆温、下沉逆温、锋面逆温自由

24、大气逆温：乱流逆温、下沉逆温、锋面逆温 4. 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移 ABCDEFTlnP图图2-6. 辐射逆温（陈世训，辐射逆温（陈世训，1991）100-150 m；晴朗夜晚晴朗夜晚4.2 影响大气中污染物迁移的因素影响大气中污染物迁移的因素 空气的机械运动空气的机械运动 逆温逆温( (天气形势、地理地势天气形势、地理地势) ) 污染源本身特性污染源本身特性 1. 风和大气湍流的影响：风和大气湍流的影响： 污染物在大气中的扩散取决于三个因素：风、湍流污染物在大气中的扩散取决于三个因素：风、湍流 和浓度梯度。其中，风和湍流起主导作用。和浓度梯度。其中，风和湍流起主导作用。 4. 大气中污染物的迁移大气中污染物的迁移 气气块块运运动动无规则运动无规则运动规则运动规则运动铅直方向铅直方向 大尺度：大