大气环境化学(共53张PPT)

第二篇

大气环境化学大气环境化学研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响等。1第1页，共53页。第一章

大气成分掌握天然大气的组成，大气主要层次的特点。了解大气中离子和自由基的来源。了解大气重要污染物的源。了解温室效应、温室气体及其对大气环境的影响。2第2页，共53页。地球大气成分－分类方法

浓度、平均停留时间

（1）浓度

绝对量、相对量

绝对量如体积质量，单位为mg/m3，g/m3等，常用来表示大气气溶胶的浓度．

相对量如ppm(10-6)，ppb(10-9)和ppt(10-12)等

ppmm、ppmv（2）平均停留时间

某成分的所有分子更新一次所需要的时间（“平均寿命”）3第3页，共53页。地球大气成分－干洁大气除水汽以外的纯净大气称为干洁大气（干空气）。干洁大气主要成分、微量成分和痕量成分

主要成分：N2，O2，Ar及CO2，浓度在300ppmv以上；

微量成分：1～20ppmv，如CH4等；

痕量成分：1ppmv以下，O2、H2、氮氧化合物、硫化物、氟氯烃类

4第4页，共53页。地球大气成分－干洁大气5第5页，共53页。地球大气成分－干洁大气6第6页，共53页。地球大气成分－干洁大气大气成分-----（按平均停留时间）

基本不变成分或准定常成分、可变成分、气体成分（1）基本不变成分或准定常成分平均寿命大于1000a；N2，O2，Ar，Ne，Kr，Xe及He等．（2）可变成分平均寿命为几年到十几年，比例随时间、地点而变，如CO2，

CH4，H2，N2O和O3等（3）气体成分平均寿命短于1a，如碳、硫、氮化合物。7第7页，共53页。地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）（1）道尔顿分压定律（2）混合理想气体的状态方程

平均摩尔质量

8第8页，共53页。地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）体积百分比

90km以下干空气的平均摩尔质量Md＝28.9644×10-3kg／mol．干空气的比气体常数

9第9页，共53页。地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）若干空气的密度为

干空气的状态方程气体成分的比热容分别为c1，c2，…，cn，则m克混合气体增温△T所需的热量混合气体的比热容c

10第10页，共53页。地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）

干空气比定压热容

比定容热容11第11页，共53页。地球大气成分－大气中的水汽水汽0.1%-3%水汽的来源海洋表面蒸发，副热带洋面的蒸发→大气环流向赤道和高纬地区上空输送。水汽上升凝结形成水云或冰云，以降水的形式降到陆地和海洋。

陆地、海洋和大气中的水量及年交换量

12第12页，共53页。地球大气成分－大气中的水汽13第13页，共53页。地球大气成分－大气湿度的表示方法

湿空气－－水汽和干空气的混合气体

空气湿度－－表示湿空气中水汽含量的物理量。

测量水汽含量方法－－称重法

基本的湿度参量－－混合比、比湿

14第14页，共53页。地球大气成分－大气湿度的表示方法混合比与比湿q水汽质量mv克，干空气质量md克，混合比为水汽与干空气的质量比

比湿q为水汽与湿空气的质量比与q关系（单位：g/g或g/kg）

15第15页，共53页。地球大气成分－大气湿度的表示方法水汽压e

大气中水汽的分压强湿空气--水汽的摩尔分数

水汽和干空气的摩尔数

水汽的分压强16第16页，共53页。地球大气成分－大气湿度的表示方法令：湿空气中水汽的摩尔分数17第17页，共53页。地球大气成分－大气湿度的表示方法水汽压与混合比及比湿的关系大气中通常e60hPa，可认为

18第18页，共53页。地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压

纯水汽的饱和水汽压仅与温度有关。

饱和水汽压随温度的变化率→

克拉珀龙-克劳修斯方程

式中T－温度，－纯水平液面时的饱和水汽压

RV－水汽的比气体常数

LV－相变(汽化)潜热。

19第19页，共53页。地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压若汽化潜热LV为常数，纯水平液面时的饱和水汽压积分表达式：

是T0(273.15K)时的饱和水汽压世界气象组织(WorldMeteorologicalOrganization，简称WMO)饱和水汽压公式→

戈夫－格雷奇(Goff-Gratch)公式(纯水汽)

平液面（～100℃）

20第20页，共53页。地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压平冰面（-100～0.0℃）

T是热力学温度(K)，T00=-273.16K是水的三相点温度。

若LV近似为T的线性函数，积分

马格纳斯(Magnus)公式．

21第21页，共53页。地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压经验公式

Tetens经验公式计算水面和冰面的饱和水汽压

以10为底的指数形式22第22页，共53页。（1）大气温度随高度降低是T0(273.CH4主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽、泥塘、湿冻土带、水稻田底部、牲畜反刍和白蚁的墓穴等产生。（2）平均停留时间大气污染物－碳氢化合物RV－水汽的比气体常数RV－水汽的比气体常数一些CFCs和Halon在大气中的寿命气体成分的比热容分别为c1，c2，…，cn，则m克混合气体增温△T所需的热量主要成分、微量成分和痕量成分大气的分层和结构－化学成分分层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。以辐射平衡作用为主大气的分层和结构－中间层地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压在低温下

误差比较大(例如t=-30℃，误差约2％)O℃以下的水面饱和水汽压值，采用

23第23页，共53页。地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压饱和混合比rs和饱和比湿qs的计算式

24第24页，共53页。地球大气成分－水汽密度纯水汽状态方程假设纯水汽的状态方程式对湿空气中的水汽也适用，仍以e表示水汽压，利用干空气的比气体常数Rd

水汽密度（单位为g/m3

）

25第25页，共53页。若汽化潜热LV为常数，纯水平液面时的饱和水汽压积分表达式：大气温度递减率小于2K/km或更小时的最低高度。中间层顶以上的大气层（温度始终增加）强紫外辐射(m)的光化学分解和电离反应O℃以下的水面饱和水汽压值，采用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。湿空气中水汽的摩尔分数CH4主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽、泥塘、湿冻土带、水稻田底部、牲畜反刍和白蚁的墓穴等产生。大气成分-----（按平均停留时间）研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响等。ppmm、ppmvRV－水汽的比气体常数地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压地球大气成分－相对湿度一定温度、压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比。相对湿度与混合比及比湿的关系

26第26页，共53页。大气的分层和结构－大气分层

大气分层图

27第27页，共53页。大气的分层和结构－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）28第28页，共53页。大气的分层和结构－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

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。

29第29页，共53页。大气的分层和结构－对流层对流层顶（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。

30第30页，共53页。大气的分层和结构－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。31第31页，共53页。大气的分层和结构

－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32第32页，共53页。大气的分层和结构－热层

中间层顶以上的大气层（温度始终增加）强紫外辐射(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】

33第33页，共53页。大气的分层和结构－化学成分分层

﹤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

34第34页，共53页。大气的分层和结构－化学成分分层匀和层或湍流层

86～90km（对流层、平流层、中层）

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

35第35页，共53页。大气的分层和结构－化学成分分层外大气层

500km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。

36第36页，共53页。大气的分层和结构－电磁特性分层

电离层60km～500～1000km气层太阳电磁辐射（主要是短于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”

37第37页，共53页。大气的分层和结构－电磁特性分层磁层起始于500～1000km，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

38第38页，共53页。大气离子与自由基

（50km以上）高层大气--电子及正离子自由基

高层大气的光致电离及电磁辐射产生自由基链终止反应

自由基反应自由基生成或由其诱发的反应39第39页，共53页。大气离子与自由基

甲烷与氯在光的存在下Cl2

2Cl

Cl+CH4

CH3

+HClCH3

+Cl2

CH3Cl+ClCl又可和甲烷反应而使反应继续进行。大气自由基

OH、HO2、H3C、H3CO和H3COO等。

40第40页，共53页。大气离子与自由基－

OH

OH来源HONO

OH+NO（光400nm）H2O2

2OH（光370nm）O+H2O2OH（O来自O3光解）

OH

与烷烃、醛、烯烃、芳烃和卤代烃等发生反应OH活泼氧化剂

41第41页，共53页。大气离子与自由基－HO2HO2来源甲醛光解H3C、H3CO、H3COO等来源H3C--乙醛和丙酮的光解；H3CO--甲基亚硝酸酯光解；H3COO--H3C与O2的作用。

42第42页，共53页。大气污染物－含硫化合物

硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、硫酸、亚硫酸盐、硫酸盐和有机硫化合物等。

人类的活动，使大量含硫化合物进入大气；扩散到空气中的硫化物最后以原来的形式或转化成硫酸盐进入地面或海洋。

43第43页，共53页。大气污染物－含氮化合物N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、硝酸盐、亚硝酸盐和铵盐等。N2O

N2O（ppm。N2O催化循环反应，导致臭氧的不断损耗。天然源主要有海洋、土壤、淡水和雷电。人为源主要有氮肥、化石燃料燃烧及工业排放等。

44第44页，共53页。大气污染物－含氮化合物NOxNO和NO2用NOx表示。闪电、微生物固定及NH3氧化等天然源和污染源，大气中氮在高温下能氧化成一氧化氮，火山爆发和森林大火等产生氮氧化物。燃料高温燃烧以及硝酸、氮肥、炸药和染料等生产过程产生含氮氧化物废气，以燃料燃烧排出的废气造成的污染最为严重（人为污染源）。45第45页，共53页。大气污染物－含碳化合物一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物等

一氧化碳

CO－－人为源。CO天然源主要来自海洋中生物的作用、植物叶绿素的分解、森林中萜的氧化、森林大火以及大气中CH4的光化学氧化和CO2的光解等。放电作用引起云层中有机物的光氧化作用，二氧化碳的轻微解离作用，种子发芽、籽苗生长及人和动物新陈代谢过程中产生CO。

46第46页，共53页。大气污染物－含碳化合物二氧化碳CO2---温室效应---全球气候变暖动物的呼吸排出CO2，植物体废弃物作为燃料燃烧或腐败而自然氧化时，产生CO2排入大气。甲烷在平流层中与OH自由基反应的最终产物为CO2。海水中CO2比大气高60余倍，交换作用而排出CO2。4