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文檔簡介
1、 第二章第二章 大氣環境化學大氣環境化學2015.9.12,唐山 討論: 1.大氣質量和人體健康的關系? 2.當前的大氣環境問題有哪些?應如何 控制? 大氣中污染物的遷移大氣中污染物的遷移3大氣的組成大氣的組成1第二章第二章 大氣環境化學大氣環境化學大氣中污染物的轉化大氣中污染物的轉化4幾個突出的環境問題幾個突出的環境問題5大氣污染及其影響和危害大氣污染及其影響和危害2本章要點:本章要點:v 了解大氣層結結構和基本運動規律;了解大氣層結結構和基本運動規律;v 了解大氣中的主要污染物;了解大氣中的主要污染物;v 掌握主要大氣污染物的遷移轉化過程和主掌握主要大氣污染物的遷移轉化過程和主要大氣污染事
2、件的形成機制(光化學煙霧、要大氣污染事件的形成機制(光化學煙霧、硫酸型煙霧、酸雨等);硫酸型煙霧、酸雨等);v 了解其他大氣環境問題。了解其他大氣環境問題。 第一節 大氣的組成v 大氣的組成v 大氣層的結構一、大氣的主要成分一、大氣的主要成分 其組成可認為是由恒定、可變和不定三種類型組分所組成的 恒定組分指大氣中含有的N N 、O O 、ArAr及微量的NeNe、HeHe、KrKr、XeXe等稀有氣體 可變組分主要是指大氣中的C CO O2 2、SO2和水蒸氣等 不定組分主要是塵埃、硫、硫化氫、硫氧化物、碳氧化物及惡臭氣體等大氣(干空氣)的正常組成大氣(干空氣)的正常組成 潔凈的大氣對生命來說
3、是至關重要潔凈的大氣對生命來說是至關重要:一個一個成年人每天呼吸大約兩萬次成年人每天呼吸大約兩萬次,吸吸入入的空氣量大的空氣量大約為約為1010 15m15m3 3,約為每天吃人食物重量的約為每天吃人食物重量的1010倍。倍。生命的新陳代謝一時一刻也離不開空氣生命的新陳代謝一時一刻也離不開空氣,人人5 5周周不吃飯不吃飯,5 5天不飲水天不飲水,尚能生存尚能生存,而而5 5分鐘不呼分鐘不呼吸就會死亡。吸就會死亡。 污染的大氣對動植物的生長和生存造成危污染的大氣對動植物的生長和生存造成危害害,嚴重時還會造成死亡嚴重時還會造成死亡:在受污染的大氣中,在受污染的大氣中,常含有常含有 COCO、SOS
4、O2 2、N NOxOx、H H2 2S S、NHNH3 3、ClCl2 2、HClHCl和和碳氫化合物(如碳氫化合物(如CHCH4 4、C C1010H H1616等)、過氧乙酷硝等)、過氧乙酷硝酸脂酸脂 (PAN) (PAN) 以及多種的無機或有機物氣體等。以及多種的無機或有機物氣體等。成為大氣污染物的條件成為大氣污染物的條件a.在大氣中含量較低在大氣中含量較低b.在大氣中的停留時間較長在大氣中的停留時間較長c.有較多的污染源排放,其在大氣中的濃度較高有較多的污染源排放,其在大氣中的濃度較高d.容易跟其他物質發生反應容易跟其他物質發生反應 停留時間:某種組分在大氣中的平均時間。停留時間:某
5、種組分在大氣中的平均時間。 停留時間大氣中總量輸入速率或輸出速率停留時間大氣中總量輸入速率或輸出速率二、大氣層的結構二、大氣層的結構 1. 大氣層的結構大氣層的結構 在自然地理學上,把由于地心引力而隨地球旋在自然地理學上,把由于地心引力而隨地球旋轉的大氣層稱為大氣圈。轉的大氣層稱為大氣圈。 根據大氣在垂直方向上物理性質和運動情況的根據大氣在垂直方向上物理性質和運動情況的變化可將大氣分為變化可將大氣分為對流層、平流層、中間層、熱對流層、平流層、中間層、熱層、逸散層層、逸散層(見圖(見圖2-1)。)。 圖2-1 大氣溫度的垂直分布(1)對流層)對流層(Troposphere) v 高度從地面到離地
6、高度從地面到離地10-12km;v 氣溫隨高度上升而降低氣溫隨高度上升而降低(約約0.65/ 100 m );); v 密度大密度大,75%以上的大以上的大氣總質量和氣總質量和90%的水蒸氣的水蒸氣在對流層;在對流層;v 污染物的遷移轉化過程污染物的遷移轉化過程及天氣過程均發生在對流及天氣過程均發生在對流層;層;v 阻擋大氣氫的損失。阻擋大氣氫的損失。 在這一層里除有純凈的干空氣外在這一層里除有純凈的干空氣外,還含有一定量還含有一定量的水蒸氣的水蒸氣,適宜的濕度適宜的濕度對人和動植物的生存起著重要對人和動植物的生存起著重要作用。作用。對流層的溫度分布特點是下部氣溫高對流層的溫度分布特點是下部氣
7、溫高 , ,上部氣上部氣溫低溫低,所以所以,其大氣易形成較其大氣易形成較強烈的對流運動強烈的對流運動。 由于太陽輻射和大氣環流的影響由于太陽輻射和大氣環流的影響,對流層常對流層常出現出現極其復雜的氣象現象極其復雜的氣象現象。 人類活動排放的污染物也大多聚集于對流層人類活動排放的污染物也大多聚集于對流層,即即大氣污染主要發生在這一層大氣污染主要發生在這一層,特別是靠近地面特別是靠近地面 1 1 2km 2km 的近地層的近地層,因此對流層與人類的關系最為密切。因此對流層與人類的關系最為密切。 海市蜃樓海市蜃樓 a.a.平流層位于對流層之上平流層位于對流層之上,平流層平流層下部的氣溫下部的氣溫幾乎
8、不幾乎不隨高度而變化隨高度而變化,為為等溫層等溫層。該等溫層的上界大約距地面為該等溫層的上界大約距地面為 20204O km 4O km 。 b. b.平流層的上部氣溫隨高度上升而增高。平流層的上部氣溫隨高度上升而增高。這是因為在這是因為在平流層的上部存在一厚度約平流層的上部存在一厚度約為為2 20km0km的臭氧層的臭氧層。該臭氧層能。該臭氧層能強烈吸收強烈吸收20020030Onm30Onm的太陽紫外線的太陽紫外線,致使平流層上部的氣致使平流層上部的氣層明顯地增溫。層明顯地增溫。 (2)(2)平流層(平流層(Stratosphere)距地面距地面17-50km O2 O + O O2+O
9、O3 O3 O + O2 O3 + O 2O2形成形成消除消除 c. c.在平流層中在平流層中,很少發現大氣上下的對流很少發現大氣上下的對流,一一般多是處于平流流動般多是處于平流流動,極少出現云、雨、風暴天氣。極少出現云、雨、風暴天氣。大氣透明度好大氣透明度好,氣流也穩定氣流也穩定。 d. d.進入平流層中的污染物進入平流層中的污染物,停留時間可達數十停留時間可達數十年之久。年之久。氮氧化物、氯化氫以及氟利昂有機制冷劑氮氧化物、氯化氫以及氟利昂有機制冷劑等能與臭氧層中的等能與臭氧層中的臭氧發生光化學反應臭氧發生光化學反應,致使臭氧致使臭氧濃度降低濃度降低,嚴重時臭氧層還嚴重時臭氧層還可能出現可
10、能出現 “ “ 空洞空洞”。地球表面上的紫外線將增強地球表面上的紫外線將增強,從而導致地球上更多從而導致地球上更多的人患有皮膚癌的人患有皮膚癌,地球上的生態系統也會受到極大地球上的生態系統也會受到極大的威脅。的威脅。南極臭氧空洞南極臭氧空洞 (根據根據NASA衛星數據衛星數據)臭氧層破壞:氮氧化物和氯氟烴類與臭氧發生化學反應。(3)中間層)中間層 (Meosphere)距地面距地面50-80km(4)熱層)熱層(Therosphere)距地面距地面80-800km(5)逸散層)逸散層(Stratopause)電離層能將地面發射的無線電離層能將地面發射的無線電波返回地面,對全球的無電波返回地面,
11、對全球的無線電通信具有重要意義。線電通信具有重要意義。 2012年年11 由由人類活動人類活動和和自自然過程然過程排放到大排放到大氣中某種物質的氣中某種物質的含量超過正常水含量超過正常水平而對人類和生平而對人類和生態環境產生不良態環境產生不良影響時,就構成影響時,就構成了大氣污染物。了大氣污染物。 按物理狀態分:氣態污按物理狀態分:氣態污染物、顆粒物。染物、顆粒物。按形成過程分:按形成過程分:一次污一次污染物、二次污染物染物、二次污染物按化學組成分:按化學組成分:含硫化含硫化合物、含氮化合物、含合物、含氮化合物、含碳化合物、含鹵素化合碳化合物、含鹵素化合物、顆粒物。物、顆粒物。22222OSH
12、HOSHSHCOSCSHOCOSHCOSHOSHOHSHHO22OH25ON21H2HNO2223X燃燒2NOO 含含氮氮化化合合物物)( 21)( )(O)()( O22222慢慢極極快快極極快快極極快快極極快快NOONOHNOOHNONONNNONOOO223234HCOhvHCHOHOHCHOOCHOHCHHOCH24222321HCHHCOCOOCOHOCOHOCOHOMMOHHCOHOCO22222HONOHONOHOMMOHHCOHOCO222223222OCOOCO4222CHCOOCH厭氧細菌OHCHHOCH234HClCHClCH34ICHhvICH3334222223CHH
13、ClCHClOOHClHOClONOClNOClOClOCOClOCClCClOHHOICHClOOClOOClOOClClFCClhvFCH22323OHFCClHOFCHCl2221930年年 比利時馬斯河谷工業區。在這個狹窄的河谷里有比利時馬斯河谷工業區。在這個狹窄的河谷里有煉油廠、金屬廠、玻璃廠等許多工廠。煉油廠、金屬廠、玻璃廠等許多工廠。12月月1日到日到5日的幾天里,河谷上空出現了日的幾天里,河谷上空出現了很強的逆溫層,致使很強的逆溫層,致使13個大煙囪排出的煙塵無法擴散,大量有害氣體積累在近地個大煙囪排出的煙塵無法擴散,大量有害氣體積累在近地大氣層,對人體造成嚴重傷害。一周內有大
14、氣層,對人體造成嚴重傷害。一周內有60多人喪生,其中心臟病、肺病患者死多人喪生,其中心臟病、肺病患者死亡率最高,許多牲畜死亡。亡率最高,許多牲畜死亡。 多諾拉是位于美國賓西法尼亞州某河谷中的小鎮。鎮上有多諾拉是位于美國賓西法尼亞州某河谷中的小鎮。鎮上有許多大型煉鐵廠、煉鋅廠和硫酸廠。許多大型煉鐵廠、煉鋅廠和硫酸廠。1948年年10月月26日清晨,大霧彌漫,受反氣旋日清晨,大霧彌漫,受反氣旋和逆溫控制,工廠排出的有害氣體擴散不出去,全城和逆溫控制,工廠排出的有害氣體擴散不出去,全城14000人中有人中有6000人眼痛、人眼痛、喉嚨痛、頭痛胸悶、嘔吐、腹瀉,喉嚨痛、頭痛胸悶、嘔吐、腹瀉,17人死亡
15、。人死亡。產生大氣污染的原因產生大氣污染的原因 探究探究 說一說說一說你能解釋逆溫天氣下為什么低層空氣中的污染你能解釋逆溫天氣下為什么低層空氣中的污染物難以擴散嗎?物難以擴散嗎?產生大氣污染的原因產生大氣污染的原因產生大氣污染的原因產生大氣污染的原因 想一想想一想 一、顆粒污染物對人體健康的影響一、顆粒污染物對人體健康的影響 大于10m的粒子-沉降;小于10 m顆粒物-稱作飄塵。飄塵中0.01-0.1m的粒徑數目最多。 對人體健康危害最大的是10m以下懸浮的顆粒物一一飄塵。飄塵經過呼吸道沉積于肺泡。沉積在肺部的污染物如被搭解,就會直接侵人血液,造成血液中毒。 工業粉塵及其可能引起的疾病。大氣中
16、主要污染物對人體的影晌大氣中主要污染物對人體的影晌 自主學習自主學習 探究探究粉塵的種類可引起的疾病燃燒排放的煙塵佝僂病氧化鉛、絡化合、氟化合物中毒性疾病鋁、鐵、鋅塵金屬熱癥植物塵枯草熱癥羽毛、毛發哮喘癥無機和有機物粉塵慢性支氣管炎懸浮硅石粉矽肺炭粉炭肺鐵粉鐵肺鋁粉鋁肺香煙塵香煙塵肺粉塵的種類可引起的疾病焦油鐳放射性礦物粉塵肺癌石英石粉、鉻化合物塵 肺癌氧化鐵粉塵 肺癌元機和有機物粉塵流行性病、白喉、結核病氟及氟化物塵氟黑皮膚病及皮膚癌鎳塵鎳鐮濕彥可可、焦油皮膚癌二、二氧化硫二、二氧化硫對人體健康的影晌對人體健康的影晌 SO2 是無色具有惡臭剌激性氣體,對鼻腔和呼吸道粘膜產生剌激,如果吸入濃度
17、超過 10mL/m3, 人們不僅有強剌激感,而且還會發生鼻腔出血、呼吸受阻等現象。 SO2 還可增強致癌物苯并 (a) 芘的致癌作用。 三、氮氧化物對人體健康的影晌三、氮氧化物對人體健康的影晌 NOx 主要是指 NO 和 N02. 它對人的生理影響還不十分清楚。如果動物與高濃度 NO 相接觸,可出現中樞神經病變。 NO 與血紅蛋白 (Hb) 親和力強,比CO 大幾百倍。對動物作高濃度 NO 試驗,證實有變性血紅素 Met.Hb 和一氧化氮血紅蛋白(NOHb) 生成。使動物血壓降低、血管擴張、血液中生成變性血紅素,以及對神經系統有一定的麻醉作用等 NO2 對人體的影響還與其他污染物的存在有關。N
18、02 的浮游微粒最容易侵人肺部,沉積率很高,可導致呼吸道及肺部病變,出現氣管炎、肺氣腫及肺癌等癥。 空氣中空氣中 NONO2 2 濃度對人體的影晌濃度對人體的影晌N0N02 2濃度濃度/mL-m/mL-m3 3作用時間作用時間/h/h人人 體體 所所 產產 生生 的的 癥癥 狀狀0.12有嗅覺1.6-2.O15(min)慢性支氣管炎患者呼吸困難52從事間歇運動的健康人出現呼吸阻力增大、動脈血液中氧氣分壓降低13眼和鼻有刺激感,胸部不適25-751胸部絞痛300-500發生支氣管炎及肺水腫死亡四、光化學氧化劑對人體健康的影晌四、光化學氧化劑對人體健康的影晌 光化學氧化劑對人體的影響類似光化學氧化
19、劑對人體的影響類似NONOx x,但比但比NONOz z的影響更強。的影響更強。光化學氧化劑有光化學氧化劑有臭氧臭氧和和過氧乙過氧乙酰酰基硝酸醋基硝酸醋等多種物質等多種物質,臭氧是其臭氧是其中主要氧化劑之一中主要氧化劑之一 。 與濃度為與濃度為1mL/m1mL/m3 3臭氧接觸臭氧接觸1h1h能使能使肺細胞蛋白質發生變化肺細胞蛋白質發生變化;接接觸觸4h,4h,在在24h24h后后出現出現肺水腫肺水腫; ; 臭氧可直接侵人呼吸道深處臭氧可直接侵人呼吸道深處;使眼睛產生剌激感使眼睛產生剌激感;使哮喘病使哮喘病患者發作頻率增加患者發作頻率增加;使患慢性呼吸器官疾病患者病情惡化使患慢性呼吸器官疾病患
20、者病情惡化。五、五、 一氧化碳對人體健康的影晌一氧化碳對人體健康的影晌 CO是無色、無嗅的氣體。 由呼吸道吸入的CO容易與血紅蛋白(Hb)相結合生成碳氧血紅蛋白 (COHb)。碳氧血紅蛋白阻礙血紅蛋白向體內供氧。 當人與濃度大于1200mL/m3的CO接觸時,可使神經麻痹,發生生命危險。 六、碳氫化合物對人體健康的影晌六、碳氫化合物對人體健康的影晌 碳氫化合物碳氫化合物以碳元素以碳元素(C)(C)和氫元素和氫元素(H)(H)形成的化合物總稱形成的化合物總稱。 它與氮氧化物一樣同它與氮氧化物一樣同是形成光化學煙霧的主要物質是形成光化學煙霧的主要物質。光化學反光化學反應產生的應產生的衍生物丙烯衍生
21、物丙烯醛醛、甲、甲醛醛等都等都對眼睛有剌激作用對眼睛有剌激作用。多環芳。多環芳烴烴中中有不少是致癌物質有不少是致癌物質,如如苯并苯并(a)(a)芘芘就是公認的強致癌物就是公認的強致癌物。 七、其他有害物質對人體健康的影響七、其他有害物質對人體健康的影響 鉻鉻及及鉻鉻化物化物鉻鉻及及鉻鉻化物侵人人體化物侵人人體,可蓄積于可蓄積于肝肝臟、臟、腎腎臟和臟和腸腸粘膜粘膜上。上。鉻鉻污染的積累性污染的積累性中毒可引起疼痛病中毒可引起疼痛病。 鉛及鉛化物鉛及鉛化物鉛進入人體后鉛進入人體后,大部分蓄積于骨髓中。但是由含大部分蓄積于骨髓中。但是由含鉛汽油中所產生的四乙基鉛進入人體后鉛汽油中所產生的四乙基鉛進入
22、人體后,多蓄積于多蓄積于肝臟和腎臟肝臟和腎臟。無。無機鉛中毒可使四肢機鉛中毒可使四肢肌肉麻木面色蒼白。有肌肉麻木面色蒼白。有機鉛中毒能引起嚴重的機鉛中毒能引起嚴重的神神經狂或神經錯亂等病癥經狂或神經錯亂等病癥。 氟及氟化物氟及氟化物氟及氟化氫對眼睛及呼吸道有強烈的剌激作用。氟及氟化氫對眼睛及呼吸道有強烈的剌激作用。吸入高濃度的氟及氟化氫氣體時吸入高濃度的氟及氟化氫氣體時,可引起可引起肺水腫和支氣管炎肺水腫和支氣管炎。 氯及氯化氫氯及氯化氫氯是有毒的氣體氯是有毒的氣體,其濃度在其濃度在5lOmL/5lOmL/曠時對人的曠時對人的上呼吸道發生上呼吸道發生剌激作用剌激作用; ; 在在5050100m
23、L/m100mL/m3 3時可時可引起肺水腫引起肺水腫。決定大氣污染程度的因素決定大氣污染程度的因素源參數源參數氣象條件氣象條件下墊面狀況下墊面狀況 通過影響大通過影響大氣中污染物的氣中污染物的遷移而影響局遷移而影響局地大氣環境污地大氣環境污染狀況。染狀況。遷移遷移污染物由于空氣的運動而使其傳輸和分散的過程。污染物由于空氣的運動而使其傳輸和分散的過程。原因原因空氣的運動空氣的運動水平運動水平運動風風垂直運動垂直運動對流對流動力源:溫度差異動力源:溫度差異二、風和湍流對大氣污染物遷移的影響二、風和湍流對大氣污染物遷移的影響一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移三、其它氣象因
24、素對大氣污染物遷移的影響三、其它氣象因素對大氣污染物遷移的影響四、地理地勢對大氣污染物遷移的影響四、地理地勢對大氣污染物遷移的影響(二)(二)大氣穩定度大氣穩定度(一)(一)氣溫遞減與溫度層結氣溫遞減與溫度層結(三)(三)逆溫逆溫一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移溫度層結溫度層結:垂直方向上的溫度分布,稱為大氣溫度層結。垂直方向上的溫度分布,稱為大氣溫度層結。 干絕熱垂直遞減干絕熱垂直遞減(d或或rd ):干空氣(氣團)在絕熱升降過):干空氣(氣團)在絕熱升降過程中每變化單位高度(通常取程中每變化單位高度(通常取100米)空氣(氣團)自身溫度的米)空氣(氣團)自身溫度
25、的變化值。變化值。 表示干空氣的熱力學性質,是一個氣象常數,表示干空氣的熱力學性質,是一個氣象常數,rd=0.98l00m。而。而r是實際環境氣溫隨高度的分布,因時因地而異。是實際環境氣溫隨高度的分布,因時因地而異。 氣溫垂直遞減率氣溫垂直遞減率(或或r) :大氣垂直方向上每升高:大氣垂直方向上每升高100米溫米溫度的降低值,(度的降低值,( l00m)(一)(一)氣溫遞減與溫度層結氣溫遞減與溫度層結一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移p大氣溫度層結有三種類型:大氣溫度層結有三種類型:一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移(一)(一)氣溫遞減與溫度
26、層結氣溫遞減與溫度層結 氣溫隨高度遞減,氣溫隨高度遞減,r0,稱正常分布層結或遞減層結,稱正常分布層結或遞減層結; r= 0,氣溫不隨高度變化,稱等溫層結,氣溫不隨高度變化,稱等溫層結; r0,氣溫隨高度增加,稱氣溫隨高度增加,稱逆溫層結逆溫層結。 p大氣穩定度的含義大氣穩定度的含義 污染物在大氣中的遷移與大氣穩定度有密切的關系,大氣污染物在大氣中的遷移與大氣穩定度有密切的關系,大氣穩定度是指在垂直方向上大氣穩定的程度。穩定度是指在垂直方向上大氣穩定的程度。 假如一空氣塊由于某種原因受到外力的作用,產生了上升假如一空氣塊由于某種原因受到外力的作用,產生了上升或下降運動,但外力去除后,可能發生三
27、種情況:或下降運動,但外力去除后,可能發生三種情況:氣塊減速并返回原位,則大氣氣塊減速并返回原位,則大氣穩定穩定; ;繼續加速或下降,則繼續加速或下降,則不穩定不穩定; ;停止或作等速運動,則停止或作等速運動,則中性中性。 (二)(二)大氣穩定度大氣穩定度一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移p大氣穩定度的大氣穩定度的判據判據r rd時,大氣處于不穩定狀態;時,大氣處于不穩定狀態;r = rd時,大氣處于中性平衡狀態。時,大氣處于中性平衡狀態。rr d r rd時時,大氣大氣非常穩定非常穩定,最,最不利于污染物擴散不利于污染物擴散,因此這種層結在,因此這種層結在大氣污染問
28、題研究中特別引人注目大氣污染問題研究中特別引人注目 。(二)(二)大氣穩定度大氣穩定度氣塊減速氣塊減速氣塊繼續加速氣塊繼續加速或下降或下降氣塊停止或氣塊停止或等速等速p大氣穩定度的判據大氣穩定度的判據r =0.8 r =1.2 r = 1 12(二)大氣穩定度(二)大氣穩定度12圖圖 2-3穩定穩定不穩定不穩定中性中性r = rdr rd逆溫逆溫 , 即即逆溫。逆溫。(三)(三)逆逆 溫溫一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、溫度層結與大氣污染物的遷移逆溫層逆溫層逆溫高度逆溫高度逆溫強度逆溫強度(三)(三)逆逆 溫溫與大氣與大氣污染密污染密切相關切相關(三)(三)逆逆 溫溫輻射逆溫輻射逆溫輻射逆溫
29、輻射逆溫下圖白天的層結曲線為下圖白天的層結曲線為ABC下沉逆溫下沉逆溫(三)(三)逆逆 溫溫p逆溫對大氣污染物擴散的影響逆溫對大氣污染物擴散的影響 逆溫層對空氣的垂直對流運動的發展是逆溫層對空氣的垂直對流運動的發展是巨大的障礙巨大的障礙,如同,如同蓋子蓋子,對污染物的擴散起阻擋作用,故稱它為,對污染物的擴散起阻擋作用,故稱它為阻擋層阻擋層。阻擋。阻擋層的存在嚴重阻礙了地面帶有污染物的氣團的上升運動,使層的存在嚴重阻礙了地面帶有污染物的氣團的上升運動,使大氣污染物停滯在接近地面的大氣層中,大氣污染物停滯在接近地面的大氣層中,加劇大氣污染的程加劇大氣污染的程度度。一、溫度層結與大氣污染物的遷移一、
30、溫度層結與大氣污染物的遷移溫度層結溫度層結決定決定大氣穩定度大氣穩定度影響影響湍流強度湍流強度污染物遷移污染物遷移影響影響r rd,r rd,r =rd,r 0,逆溫,逆溫,嚴重污染嚴重污染造成造成二、風和湍流的影響二、風和湍流的影響(一)(一)風的影響風的影響風風-空氣的水平運動??諝獾乃竭\動。輸送作用輸送作用-污染物向污染物向下風向下風向輸送,輸送,風向風向影響著污染物的遷影響著污染物的遷移方向。移方向。稀釋作用稀釋作用-風速風速大小決定著污染物的遷移和稀釋的速度,大小決定著污染物的遷移和稀釋的速度,影響著污染物的輸送距離。影響著污染物的輸送距離。污染系數污染系數= =風向頻率風向頻率該
31、風向的平均風速該風向的平均風速風向頻率風向頻率-某方向的風占全年各風向總和的百分率。某方向的風占全年各風向總和的百分率。(二)(二)湍流的影響湍流的影響動力湍流(亂流):也稱動力湍流(亂流):也稱湍流湍流,起因于有規律水平運動,起因于有規律水平運動的氣流遇到起伏不平的地形擾動所產生,它們主要取決的氣流遇到起伏不平的地形擾動所產生,它們主要取決于風速梯度和地面粗糙等。于風速梯度和地面粗糙等。熱力湍流(亂流):也稱熱力湍流(亂流):也稱對流對流,起因于地表面溫度與地,起因于地表面溫度與地表面附近的溫度不均一,近地面空氣受熱膨脹而上升,表面附近的溫度不均一,近地面空氣受熱膨脹而上升,隨之上面的冷空氣
32、下降,從而形成垂直運動。隨之上面的冷空氣下降,從而形成垂直運動。二、風和湍流的影響二、風和湍流的影響湍流湍流-大氣的無規則運動大氣的無規則運動 。湍流是大氣污染物擴散的主要原因。湍流是大氣污染物擴散的主要原因。風風湍流湍流風可使污染物向下風向擴散,湍流風可使污染物向下風向擴散,湍流可使污染物向各方向擴散。可使污染物向各方向擴散。風速越大,湍流越強,污染物的擴散風速越大,湍流越強,污染物的擴散速度就越快,污染物濃度就越低。速度就越快,污染物濃度就越低。 風和湍流是決定污染物在大氣中擴散稀釋最直接最本質的因素。風和湍流是決定污染物在大氣中擴散稀釋最直接最本質的因素。二、風和湍流的影響二、風和湍流的
33、影響 三、其它氣象因素對污染物遷移的影響三、其它氣象因素對污染物遷移的影響天氣形勢是指大范圍氣壓分布的狀況。天氣形勢是指大范圍氣壓分布的狀況。天天氣氣形形勢勢u天氣形勢的影響天氣形勢的影響u霧的影響霧的影響霧像一頂蓋子,不利于遷移,加劇空氣污染狀況。霧像一頂蓋子,不利于遷移,加劇空氣污染狀況。 u降水的影響降水的影響 各種形式的降水,特別是降雨,能有效地吸收、淋洗空各種形式的降水,特別是降雨,能有效地吸收、淋洗空氣中的各種污染物,減輕大氣污染程度。氣中的各種污染物,減輕大氣污染程度。四、地理地勢對污染物遷移的影響四、地理地勢對污染物遷移的影響(一)地形地物的影響(一)地形地物的影響(二)局地環
34、流的影響(二)局地環流的影響 地形地勢對大氣污地形地勢對大氣污染物的遷移和濃度分染物的遷移和濃度分布有重要影響。地形布有重要影響。地形地勢千差萬別,但對地勢千差萬別,但對大氣物遷移擴散的影大氣物遷移擴散的影響其本質上都是通過響其本質上都是通過改變局部地區(流場改變局部地區(流場和溫度層結等)氣象和溫度層結等)氣象條件來實現的。條件來實現的。u海陸風的影響海陸風的影響u山谷風的影響山谷風的影響u城郊風的影響城郊風的影響 地貌(地面自然物和建筑物)影響風速和風向地貌(地面自然物和建筑物)影響風速和風向故影響污染物的擴散。故影響污染物的擴散。 山谷盆地,地形屏障影響,靜風、小風比重大,山谷盆地,地形
35、屏障影響,靜風、小風比重大,不利于大氣污染物的擴散。不利于大氣污染物的擴散。 城市中的高層建筑物,在局部地區產生渦流,不城市中的高層建筑物,在局部地區產生渦流,不利于大氣污染的擴散。利于大氣污染的擴散。四、地理地勢對污染物遷移的影響四、地理地勢對污染物遷移的影響(一)地形地物的影響(一)地形地物的影響 由于陸地和海洋的熱力差異而引起。發生在海陸交界地界,以由于陸地和海洋的熱力差異而引起。發生在海陸交界地界,以小時為周期的一種大氣局地環流。造成污染物在海陸之間反復運移,小時為周期的一種大氣局地環流。造成污染物在海陸之間反復運移,影響擴散影響擴散 。(二)局地環流的影響(二)局地環流的影響u海陸風
36、的影響海陸風的影響可能的后果:夜間隨可能的后果:夜間隨陸風吹到海面上的污染陸風吹到海面上的污染物,在白天又隨海風吹物,在白天又隨海風吹回來?;貋怼_M入海路風局地環流進入海路風局地環流中,使污染物不能充分中,使污染物不能充分的擴散稀釋而造成嚴重的擴散稀釋而造成嚴重的污染。的污染。山谷風對污染物輸送有明顯的影響。吹谷風時排放的污染物向外流出,若不久山谷風對污染物輸送有明顯的影響。吹谷風時排放的污染物向外流出,若不久轉為山風,被污染的空氣又被帶回谷內。特別是山谷風交替時,風向不穩,時轉為山風,被污染的空氣又被帶回谷內。特別是山谷風交替時,風向不穩,時進時出,反復循環,使空氣中污染物濃度不斷增加,造成
37、山谷中污染加重。進時出,反復循環,使空氣中污染物濃度不斷增加,造成山谷中污染加重。(二)局地環流的影響(二)局地環流的影響u山谷風的影響山谷風的影響山風:山坡和山風:山坡和山頂的冷空氣山頂的冷空氣順山坡下滑到順山坡下滑到谷底形成的風谷底形成的風冷冷暖冷暖暖谷風:由谷風:由谷地吹向谷地吹向山坡的風山坡的風熱島環流對擴散的影響:使城區大氣中的污染物難以擴散熱島環流對擴散的影響:使城區大氣中的污染物難以擴散。 由城市溫度差引起的局地風。由城市溫度差引起的局地風。 由于城市溫度經常比郊區高,氣壓比郊區低,所形成的一種從周圍郊區吹由于城市溫度經常比郊區高,氣壓比郊區低,所形成的一種從周圍郊區吹向城市的局
38、地風。又稱城市熱島環流。向城市的局地風。又稱城市熱島環流。(二)局地環流的影響(二)局地環流的影響u城郊風的影響城郊風的影響大氣污染物大氣污染物(SO2、CO2、NOx、CxHy、顆粒物顆粒物)光化學煙霧光化學煙霧硫酸煙霧硫酸煙霧酸雨酸雨溫室效應溫室效應臭氧層破壞臭氧層破壞顆粒物污染顆粒物污染遷移、轉化遷移、轉化 第四節第四節 大氣中污染物的轉化大氣中污染物的轉化一、光化學反應基礎一、光化學反應基礎 1.1.光化學(光化學(photochemistryphotochemistry)反應過程)反應過程 分子、原子、自由基或離子吸收光子而分子、原子、自由基或離子吸收光子而發生的化學反應稱為發生的化
39、學反應稱為光化學反應光化學反應。熱化學反應:熱化學反應:分子碰撞分子碰撞發生化學反應。發生化學反應。要求分子具有足夠的動能克服分子間要求分子具有足夠的動能克服分子間的勢壘,使反應分子足夠接近,使電的勢壘,使反應分子足夠接近,使電子云相互穿透,使電子發生轉移子云相互穿透,使電子發生轉移熱能轉化熱能轉化的動能的動能能量來自光能能量來自光能N2、O2?大氣化學是直接或間接的由太陽輻大氣化學是直接或間接的由太陽輻射引起的光化學反應引起的。射引起的光化學反應引起的。激發激發: A + hv = A* 1 產生熒光產生熒光: A* = A + hv 2無輻射躍遷無輻射躍遷: A* + M = A + M
40、3光解離光解離: A* = B1 + B2 4 碰撞失活碰撞失活: A* + B = C1 + C2 + . 5 上式中上式中1、2、3為光物理過程,為光物理過程, 而而4、5為光化學過程。為光化學過程。 對環境化學而言,光化學過程更為重要。對環境化學而言,光化學過程更為重要。 初級過程初級過程:化學物種吸收光量子形成激發:化學物種吸收光量子形成激發態物種,基本步驟為:態物種,基本步驟為: 化學物種吸收光量子后可產生光化學反應的化學物種吸收光量子后可產生光化學反應的初級過程和次級過程。初級過程和次級過程。 次級過程次級過程:在初級過程中:在初級過程中反應物反應物、生成生成物物之間進一步發生的反
41、應。如大氣中之間進一步發生的反應。如大氣中HCl的的光化學反應過程:光化學反應過程: HCl + hv = H + Cl 6H + HCl = H2 + Cl 7Cl + Cl + M = Cl2 + M 8 其中其中6為初級過程,而為初級過程,而7、8為次級過程。為次級過程。自由基自由基 光化學第一定律光化學第一定律表明:只有光子能量大于化表明:只有光子能量大于化學鍵能時才能引起光離解反應,而且分子對某些學鍵能時才能引起光離解反應,而且分子對某些特定波長的光要有特征吸收光譜,才能產生光化特定波長的光要有特征吸收光譜,才能產生光化學反應。學反應。 光化學第二定律光化學第二定律說明:分子吸收光的
42、過程是說明:分子吸收光的過程是單光子過程,(激發態壽命很短)在輻射強度較單光子過程,(激發態壽命很短)在輻射強度較弱時弱時, 再吸收第二個光子的幾率極低。再吸收第二個光子的幾率極低。 光量子能量與化學鍵之間的關系:光量子能量與化學鍵之間的關系: 設光量子能量為設光量子能量為E, 根據根據Einstein公式公式: E = hv = hc/ -光量子波長光量子波長; h-普朗克常數普朗克常數, 6.626 10-34Js/光量子光量子 c -光速光速, 2.9979 1010 cm/s 如果一個分子吸收一個光量子,則如果一個分子吸收一個光量子,則1mol分分子吸收的總能量為:子吸收的總能量為:
43、E = No hv = No hc/ No 為阿伏加德羅常數為阿伏加德羅常數, 6.022 1023 . 當當 = 400 nm 時時: E = 299.1 kJ/mol E = No hv = No hc/ = 6.022 1023 6.626 10-34(Js) /2.9979 1010 (cm/s)/ 400 nm = 299.1 kJ/mol當當 = 700 nm 時時: E = 170.9 kJ/mol 通常通?;瘜W鍵能大于化學鍵能大于164.7 kJ/mol ,所以波,所以波長長大于大于700nm的光就不能引起光化學解離的光就不能引起光化學解離。 光化學煙霧就是光化學反應形成的。光
44、化學煙霧就是光化學反應形成的。紅外光紅外光2. 大氣中重要吸光物質的光離解大氣中重要吸光物質的光離解(1) O2log (nm)4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4120 160 200 240 右圖右圖 O2 的吸收光譜的吸收光譜, 在在147nm左右吸收達最大左右吸收達最大, O2的鍵能為的鍵能為493.8kJ/mol, 剛剛好與相應的波長好與相應的波長243nm 開開始吸收,通常認為始吸收,通常認為240nm以下的紫外光可引起以下的紫外光可引起O2的的光解光解:2402OOhvOnm+(2) N2氮分子鍵能較大,為氮分子鍵能較大,為939.4kJ/mol,對應,對應波長為波長為12
45、7nm,對低于,對低于120nm的光才有明顯的的光才有明顯的吸收,在吸收,在60120 nm之間呈帶狀光譜,在之間呈帶狀光譜,在60nm以下為連續光譜。以下為連續光譜。1202NNhvNnm+(3) O3O3 的鍵能為的鍵能為101.2kJ/mol,主要吸收來自太,主要吸收來自太陽波長小于陽波長小于290nm的紫外光,最強吸收在的紫外光,最強吸收在254nm。22903OOhvOnm+320nm)和少量中波UV-B能夠輻射到地面。 臭氧層就象撐在空中的一把傘,保護著地球上的生靈免遭短波紫外線的傷害。億萬年來,萬物生靈在臭氧層保護傘的蔭護下得以生存和繁衍。臭氧層的作用臭氧層的作用南極臭氧空洞2、
46、臭氧層的現狀、臭氧層的現狀 19851985年,英國科學家在南極哈雷灣觀測站發現:在過去年,英國科學家在南極哈雷灣觀測站發現:在過去10-1510-15年間、每到春天南極上空的臭氧濃度就會減少約年間、每到春天南極上空的臭氧濃度就會減少約30%30%,有近,有近95%95%的臭氧被破壞。從地面上觀測,高空的臭氧層已極其稀薄,與的臭氧被破壞。從地面上觀測,高空的臭氧層已極其稀薄,與周圍相比像是形成一個周圍相比像是形成一個“洞洞”,直徑達上千公里,直徑達上千公里,“臭氧洞臭氧洞”由此而得名。衛星觀測表明,到由此而得名。衛星觀測表明,到19981998年臭氧空洞面積比年臭氧空洞面積比19971997年
47、年增大約增大約 15%15%,幾乎相當于三個澳大利亞大。日本環境廳發表的,幾乎相當于三個澳大利亞大。日本環境廳發表的一項報告稱,一項報告稱,19981998年南極上空臭氧空洞面積已達到歷史最高記年南極上空臭氧空洞面積已達到歷史最高記錄,為錄,為27202720萬平方公里萬平方公里,比南極大陸還大約,比南極大陸還大約1 1倍。倍。 美、日、英、俄等國家聯合觀測發現,近年來,北極上空臭美、日、英、俄等國家聯合觀測發現,近年來,北極上空臭氧層也減少了氧層也減少了20%20%。在被稱為是世界上。在被稱為是世界上“第三極第三極”的青藏高原,的青藏高原,中國大氣物理及氣象學者的觀測也發現,青藏高原上空的臭
48、氧中國大氣物理及氣象學者的觀測也發現,青藏高原上空的臭氧正在以每正在以每1010年年2.7%2.7%的速度減少。根據全球總臭氧觀測的結果表的速度減少。根據全球總臭氧觀測的結果表明,除赤道外,明,除赤道外,1978-19911978-1991年總臭氧每年總臭氧每1010年間就減少年間就減少1%-5%1%-5%。20002000年年9 9月的空前臭氧洞月的空前臭氧洞 n圖圖 是美國航空航天局用衛星測繪出的南極是美國航空航天局用衛星測繪出的南極臭氧層空洞,左圖是臭氧層空洞,左圖是2001年年9月月24日的臭日的臭氧層空洞圖像,雖然只有一個,但其面積氧層空洞圖像,雖然只有一個,但其面積比北美洲還大。右
49、圖是比北美洲還大。右圖是2002年年9月月24日的日的圖像,科學家首次發現臭氧層空洞居然一圖像,科學家首次發現臭氧層空洞居然一分為二,但總面積比去年減少了分為二,但總面積比去年減少了40%,科,科學家認為這要歸因于南極洲氣溫的上升學家認為這要歸因于南極洲氣溫的上升 破壞臭氧層對人體的影響破壞臭氧層對人體的影響 皮膚癌皮膚癌 白內障和其他眼部疾病白內障和其他眼部疾病 抑制免疫系統抑制免疫系統3 臭氧層破壞對地球的影響臭氧層破壞對地球的影響臭氧洞的危害臭氧洞的危害損損害害人人類類健健康康破壞臭氧層對破壞臭氧層對其他生物的其他生物的影響影響 減少海里浮游生物減少海里浮游生物的的數目數目 減少企鵝減少
50、企鵝的的數目數目 減少減少蛙卵的成功孵化率蛙卵的成功孵化率破破壞壞地地球球生生態態平平衡衡4 臭氧洞的形成原因臭氧洞的形成原因發發 現現 史史 從左:從左: 馬克思馬克思 柏蘭克柏蘭克(Max Planck)化學研究所)化學研究所的的保羅保羅.庫森庫森(Paul Crutzen)德國的德國的Mainz和馬薩諸塞科和馬薩諸塞科技研究所的技研究所的 馬里奧馬里奧.穆連穆連(Mario Molina),諾貝爾獎,諾貝爾獎的共同獲得者的共同獲得者 。左上,左上,Irvine州加利福尼亞州加利福尼亞大學的大學的F.希拉伍德希拉伍德.羅蘭羅蘭( F Sherwood Rowland),), 1995年獲諾
51、貝爾化學獎年獲諾貝爾化學獎導致臭氧層破壞的催化反應過程:導致臭氧層破壞的催化反應過程:總反應總反應 Y - 直接參加破壞直接參加破壞O3的催化活性物種,的催化活性物種,包括包括NOX、HOX、ClOX等等23OYOOY2OYOYO232OOOCl a 平流層中NO,NO2來自于N2O氧化:NOOON22223ONOONO平流層中NOx對臭氧層破壞的影響 b 超音速飛機排放是NO,NOX的人為來源,破壞O3層 總反應: 223ONOONO22ONOONO232OOO 平流層中HO2來源于H2O,CH4等的反應: 2222323422OHOOHOOHOOHOHOHOHHOCHOCHHOOOH232
52、OOO總反應平流層中HOx對臭氧層破壞的影響 一九二八年,一九二八年,CFCs(氟氯碳化物)這種(氟氯碳化物)這種“神奇神奇氣體氣體”被發明,并在商業上被發明,并在商業上得以廣泛的應用。得以廣泛的應用。 CFCs無毒、性質穩定、無毒、性質穩定、不易燃燒、易于儲存、價格不易燃燒、易于儲存、價格便宜而被廣泛用作致冷劑、便宜而被廣泛用作致冷劑、噴霧劑、發泡劑及清洗劑等。噴霧劑、發泡劑及清洗劑等。 日常生活的許多方面,日常生活的許多方面,如吸煙,家用電器,沙發,如吸煙,家用電器,沙發,冰箱、空調使用等都涉及到冰箱、空調使用等都涉及到氯氟烴類物質的使用。到氯氟烴類物質的使用。到80年初,全世界每年向大氣
53、排年初,全世界每年向大氣排放放100多萬噸該類物質,而多萬噸該類物質,而歐美日等發達國家的排放量歐美日等發達國家的排放量占全世界占全世界90% 以上。以上。罪魁禍首罪魁禍首氯氯氟氟烴烴產量產量 氟氯碳化物氟氯碳化物 (CFCs):包含氯、氟及碳,在包含氯、氟及碳,在1930年由杜邦化工公司開發,很受工業界歡迎。年由杜邦化工公司開發,很受工業界歡迎。 特點:毒性低,化學性質穩定,價格便宜特點:毒性低,化學性質穩定,價格便宜 用途:制冷劑,發脹劑,制作軟發泡劑,清潔劑,用途:制冷劑,發脹劑,制作軟發泡劑,清潔劑,推動劑。推動劑。CFCs 是各種噴霧產品的推動劑是各種噴霧產品的推動劑CFCs昔日曾用
54、作電冰箱的制冷劑昔日曾用作電冰箱的制冷劑地球上全年 S02 的發生量 單位 :106t發 生 源發 生 量煤燃燒石油燃燒石油煉制有色金屬冶煉從工廠發生的硫氧化物6225.53.710.71.9人為污染源排放的二氧化硫總量103.8從海洋發生的 S02( 其中 H2S 折算成 S02)從陸地上發生的S02( 其中 H2S 折算成 S02)從海鹽粒子形成的 S02(S042- 折算成 S02)火山活動發生的 SO2 (將其中 H2S 折算成 S02)5048445天然污染源排放的二氧化硫總量147全世界由人為和天然污染源向大氣排放 NOxNOx 的估算最 單位 216t/a污 染 源排 放 量 估
55、 算StedmanStedman等人等人(1983)(1983)Logan (1983)Logan (1983)天然源: 閃電 平流層注入 NH3氧化 生物質燃燒 土壤排放10103 33 31616333326262 23 3333339392626 天然源總計排放量65659696126126人為污染源g66661081081 通常通常NOx指的是指的是NO和和NO2 , 主要人為源主要人為源是礦物燃料的燃燒是礦物燃料的燃燒, 其中其中NO占占90%。 光化學煙霧形成的簡化機制光化學煙霧形成的簡化機制 光化學煙霧形成反應是一個鏈反應,鏈的引發主要是NO2的光解。倫敦硫酸煙霧和洛杉磯光化學煙霧的區別倫敦硫酸煙霧和洛杉磯光化學煙霧的區
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