胡涛化学与社会04大气环境

第4讲大气环境

——我们呼吸的空气

1955年12月洛杉矶发生了一场严重的光化学烟雾污染事件，当地65岁以上近400人死亡，一般人的眼睛，呼吸道受到刺激，出现红肿，流泪，喉痛，胸痛和呼吸衰竭乃至思维紊乱、肺水肿等现象，家畜也同时患病，橡胶制品老化，汽车和飞机的正常运行严重受阻，郊区的作物与林木受到不同程度的危害，仅葡萄一项就减产30%，65000公顷的松林约62%受害，29%干枯。又称洛杉矶烟雾山东济宁北京天坛河南郑州湖北武汉江西南昌2012年10月到2013年1月，我国多地出现大雾天气。1月12日，河北中南部、天津南部、山东北部和西部、河南东部、苏皖中北部、浙江西北部、湖北东南部、四川盆地等地的部分地区有能见度不足1000米的雾，局地能见度不足200米。PM2.5大气组成★

干洁空气的基本组成干洁空气基本组成组分体积分数/%组分体积分数/%

N278.084CH40.0002O220.946Kr0.000114Ar0.934N2O0.00005CO20.037H20.00005Ne0.001818Xe0.000009He0.000524

地球最初形成过程中，原始大气主要成分是氢和氦，随着地表活动的增加，火山爆发产生的气体，如二氧化碳、甲烷、氮、水汽、硫化氢和氨构成了次生大气，据《nature》报道，在27亿~25亿年前，伴随着N含量的降低，氧气含量逐步升高，从而构成了今日的大气。3大气组成

地球大气层是如何形成的？众说份去。一般情况下人们认为：地球大气的演化大致经历了原始大气、次生大气和现在大气三个过程。

最初，在地球形成的过程中，一边是绕着太阳运动，一边吸附着轨道上的微尘和气体。当地球表面逐渐冷凝为固态时，周围就包围着一层大气，这就是原始大气，其主要成分是氢和氦。

由于地壳尚不稳定，火山活动频繁，火山排出的气体就形成了地球的次生大气圈。它的成分以甲烷和氢为主，还有一些氨和水汽，但仍没有氧气。

氧的形成是现代大气形成的主要标志，它的形成过程与地球上生物的出现和发展密切相关。最初的生命出现于太阳紫外线辐射到达不了的深水中，以后逐渐移向浅水，进而发展成有叶绿体的植物，绿色植物的光合作用成为大气中氧形成的最重要的原因。

氧的增加就在高空形成臭氧层，它吸收紫外线，有利于地球上的植物迅速繁殖和发展，又使地球上大气中的氧和二氧化碳的含量大大增多，经过几十亿年的过程就形成了现在的大气层。大气组成

地球大气层的形成，一方面与地球和地壳的形成有关，另一方面又与动植物的出现有关。最初，当地球刚由星际物质凝聚成疏松的球团时，地球内部和表面都有不少气体，其中氢气约占90%。后来，由于地心引力的作用，疏松的球团不断收缩变小，地壳逐渐凝固。这时，最后被挤出地壳的气体，被地心引力拉住，围在地球表面，形成了最初的大气层。最初的大气层是很薄的，大气成分也与现在的大不相同，主要是水气、氢、氦、氨和惰性气体。

地壳凝固起来后，在很长时间内，地球内部又因放射性元素的作用而不断发热，造成地层大调整，使地壳内和岩石中的气体和水分涌到地面，既增加了大气层又增加了空气中的水蒸气。水蒸气在阳光的作用下，一部分分解的氢和氧，又经过一系列分解组合，产生了二氧化碳和氮等气体。这样，大气层中的空气，主要成分就变成为水汽、氮、二氧化碳和氧，比最初的大气层前进了一大步。特别是有了氧气，为出现生命创造了条件。

据近年来用同位素测定，地球自生成以来已有50多亿年的历史。上面提到的大气层，是经过30多亿年的演变才形成的。大约距现在18~19亿年前，水里面开始有生物生成；7~8亿年前，陆地上开始出现植物；5亿年前，地球上动物增加很快。植物、动物的出现和大量繁殖，改变了原始大气层的空气成分，最后逐渐稳定下来，地面附近的大气就构成了现在的成分，其中氮气约占78%，氧气约占21%，氩气约占1%，其它气体总和不到1%。

大气组成大气组成★

我们呼吸的空气呼入和呼出空气的典型组成物质吸入空气(%)呼出空气(%)氮气78.075.0氧气21.016.0氩气0.90.9二氧化碳0.044.0水0-4.04.0★

氮正常情况下大气中各个组分作用各施其职与O2在雷电下反应生成硝酸根2.生物固氮生命组成物质大气组成★

氧生命能量源泉供给人类呼吸，从而氧化糖、蛋白质、脂肪，转化成ATP，为人体提供能量2.导致细胞损害和老化大气组成★

二氧化碳光合作用美国斯坦福大学和韩国延世大学的科学家研制的节能灯——海藻灯。这种方法使用海藻的光合作用产生较小的电流大气组成大气结构★

大气圈－50℃0℃－90℃20~30km，臭氧层大气结构★

大气圈压强变小大气化学反应★

臭氧大气化学反应

分子、原子、自由基等吸收光子所引起的光化学反应。

共价键在光或热的作用下，共用电子对平均分裂而形成的含有未成对价电子的原子或原子团，也称为“游离基”。

化学性质活泼，易发生化学反应伤害细胞膜，进攻蛋白质等大气化学反应红橙黄绿青蓝

紫大气化学反应电磁波谱大气化学反应地球大气层上方太阳辐射随波长的分布大气化学反应1mol光子的能量

E=NAhν=NAh—cλλ/nm800700600500400300200100E/kJ.mol-1149.5170.9199.32392993995981196不同波长光子的能量

太阳发出的紫外辐射按波长可分为UV-A(320~400nm)，UV-B(280~320nm)，UV-C(<280nm)。大气化学反应

键能C=CO=OC—HN—HC—CC—NC—SE/kJ.mol-1598498416391356285272不同化学键的键能λ/nm800700600500400300200100E/kJ.mol-1149.5170.9199.32392993995981196大气化学反应部分电磁辐射与化学键的相互作用大气化学反应臭氧在大气平流层中的光化学反应在30~35km以上

O3+hν→O＊

+O2200<λ<267nm在平流层下部

O3+hν→O＊

+O2＊

267<λ<310nm弱吸收

O3+hν→O+O2＊

310<λ<350nm强吸收

O3+hν→O+O2

450<λ<750nm紫外辐射范围(100-400nm)臭氧层★

查普曼循环ChapmanSidney(1888-1970)，英国应用数学家、地球物理学家在自然状态下，臭氧层中的臭氧处于动态平衡状态。臭氧层

氟利昂做制冷剂的优势：沸点低、易液化、无毒、无味、无腐蚀、热稳定性好等。氟利昂(freon)，

又名氯氟烃，是几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷的总称，20世纪20年代合成。CCl3F+hν→CCl2F+Cl臭氧层Cl+O3→ClO+O2ClO+O3→Cl+2O2

联合国环境规划署(UNEP)认为：臭氧层的破坏90%是由氟利昂和哈龙(含有氯和溴的卤代烷)造成的。以氟利昂CFC-11(CCl3F)为例，其与臭氧反应机理为:从1996年1月1日起，氯氟烃正式被禁止生产臭氧层195819841995

人类发现高空臭氧有减少的趋势

英国科学家首次发现南极上空出现臭氧层空洞

全球臭氧减少创历史最高记录人类即将走向何方？★

臭氧层空洞2011年北极臭氧层空洞大气污染2011年10月2日《自然》报道，根据春天北极上空臭氧观测数据的分析显示，在18到20公里的高空臭氧减少的幅度超过了80%，程度可与南极臭氧空洞相提并论，可以认为北极首次出现了臭氧空洞★

臭氧层空洞大气污染臭氧层空洞有哪些危害？大气中的臭氧每减少1%照射到地面的紫外线增加2%人的皮肤癌就增加3%损害眼睛削弱免疫力植物生长缓慢作物减产智利南端的海伦娜岬角的居民要涂防晒油，戴太阳眼镜出门，那里的动物几乎全盲★

大气真实组分的变化50%100%大气组成N2O2ArCO2NeHeCH4Kr(단위:만원)H2O/SOx/NOx/臭氧/粉尘/颗粒等大气污染大气污染★

大气污染物和污染源按世界卫生组织(WHO)规定，大气污染的定义为：室外的大气若存在人为造成的污染物质，其含量与浓度及持续时间可引起多数居民的不适感，在很大范围内危害公共卫生，并使人类、动植物生存处于受妨碍的状态。★

大气污染物和污染源

大气污染物主要有：粉尘、SOX、NOX、COX、CH及卤化物等。四类主要地表污染气体物质来源CO汽车尾气、炭火烧烤、液化气炉具等臭氧复印机、电机、变压器、焊枪等硫氧化物燃煤、制酸企业等氮氧化物汽车尾气、制氨企业等大气污染光化学烟雾酸雨臭氧层空洞温室效应大气污染+粉尘/颗粒★

温室效应大气污染温室效应(Greenhouseeffect)，又称“花房效应”。大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，形成温室效果。★

光化学烟雾时间事件1943/1955洛杉矶光化学烟雾事件1952.12伦敦，4天中死亡人数较常年同期多4000人1970加利福尼亚洲，农作物损失达2500多万美元。1971东京，一些学生中毒昏倒1951年9月，美国HaggenSmit教授提出：光化学烟雾是碳氢化合物和氮氧化合物在光照下发生光化学反应后，反应物和产物的混合物所形成的烟雾。大气污染什么条件下会产生光化学烟雾呢？无风晴天强烈光照汽车尾气的排放污染北京、南京、上海、成都、太原、武汉……大气污染淡蓝色烟雾大气污染光化学烟雾发生后有哪些表现？视觉淡蓝色烟雾大气能见度降低NO2→NO+O（光照）O+O2→O32NO+O2→2NO2臭氧浓度的升高是光化学烟雾污染的标志大气污染光化学烟雾发生后有哪些表现？嗅觉有刺激性的气体臭氧具有特殊的臭味碳氢化合物被氧化，生成醛、酮、酸、过氧乙酰硝酸酯（PAN）等，PAN对人的呼吸道和眼睛都有刺激作用★

可吸入颗粒物大气污染★

可吸入颗粒物大气污染

大气中直径小于10μm(微米)可通过呼吸道进入人体的颗粒物，根据其粒径大小不同分为PM10、PM2.5等。★

可吸入颗粒物大气污染粒径到达人体位置10微米沉积在上呼吸道5微米进入呼吸道深部2微米100%抵达支气管和肺泡国务院总理温家宝2012年2月29日主持召开国务院常务会议，同意发布新修订的《环境空气质量标准》，新标准增加了细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）8小时浓度限值监测指标，2016年1月1日，全国实施新标准★

空气污染指数(AirpollutionIndex)我国空气污染指数对应的污染物浓度限值污染指数污染物浓度（毫克/立方米）APISO2(日均值)NO2(日均值)PM10(日均值)CO(小时均值)O3(小时均值)500.0500.0800.050

50.1201000.1500.1200.150

100.2002000.8000.2800.350

600.4003001.6000.5650.420

900.8004002.1000.7500.5001201.0005002.6200.9400.6001501.200大气污染★

空气质量指数(AirQualityIndex)AQISO2(日均值)μg/m3NO2(日均值)μg/m3PM10(日均值)μg/m3CO(日均值)mg/m3O3(小时均值)μg/m3PM2.5(日均值)μg/m35050405021603510015080150420075150475180250143001152008002803502440015030016005654203680025040021007505004810003505002620940600601200500大气污染自2013年1月1日起，各直辖市、省会城市、计划单列市和京津冀、长三角、珠三角区域内的地级以上城市共74个城市，已执行新的《环境空气质量标准》（GB3095-2012），并按《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2012）发布环境空气质量指数（AQI），不再按原《城市空气质量日报技术规定》（总站办字[2000]26号）发布空气污染指数（