[理学]ch021-2 污染物在大气中的迁移.ppt

第二章 大气环境化学,学习目的： 熟悉大气层结构，主要大气污染物，大气运动的基本规律。 掌握重要污染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。 了解描述大气污染的数学模型和酸雨、温室效应以及臭氧层破坏等全球性环境问题。,第一节 大气的组成、结构和性质,2.1.1大气的组成,可变组分CO2: 0.033, 0.05,恒定组分,Note: 25 km; M平均 = 29.0;,N2: 78.09 (V%), 75.52 (M%) O2: 20.95, 23.15 Ar: 0.93, 1.28 He, Ne, Kr, Xe: 2.5010-3 (V%),不定组分,尘埃、CH4、H2S、SO2、 NH3、NOx 、CO、O3等( 0.1%)； 水：0 - 4%,空气,对流层(Troposphere) ：12 km， 气温随高度降低；空气对流运动强烈； 平流层(Stratosphere) : 50 km 气温随高度增加；空气平流运动占优势；臭氧层； 中间层(Meosphere)：85 km 温度随高度降低，层顶气温（-100） 热成层(Therosphere) ：80 km300 or 800 km 温度随高度增高；分子电离，电离层； 逸散层 (Exosphere) : 300 or 800 km 空气极为稀薄，分子逃逸。,2.1.2 大气的结构和性质,Atmospheric structure,Exosphere,第二节 大气污染气象学基础 污染物在大气中的迁移,主要气象要素： 气温、气压、湿度、风、云量、辐射 意义 污染物在大气中的迁移是由于空气的运动而使其传输和分散的过程。 决定空气传输和扩散能力的因素：,2.2.1 基本气象要素,概述,气象的热力因子 气象的动力因子,1、气温,单位：Pa、 bar、mbar 、mmHg。 标准大气压 1标准大气压 = 760 mmHg = 101325 pa = 1013.25 mbar,2、气压,地面气温 气温的水平差异 气温的垂直差异,大气气体状态方程,（其中R = 287 J/ kgK）,气压与高度的关系,（其中 = 1.29 g/L）,ds,dp,dZ,dV,压高公式,与气压 相关的两个重要公式,45,N,NE,角度法 45= NE,3、风 风向 方位法：将圆周等分16个方位，相邻两方位的夹角为22.5。 角度法：正北与风向的反方向的顺时针方向的夹角。 风速 地面风速：地面以上10 m处风速仪观测得到的平均值。,风玫瑰图(m/s),NE,S,N,W,E,4、云 云高：云层底部距地面的高度 高云： 5000 m 中云：2500 - 5000 m 低云： 2500 m； 云量：云遮蔽天空的成数。将可见天空分为10份，被云遮挡了几份，云量就是几。晴空无云，云量为0，乌云遮天，云量为10. 云量的记录：总云量 / 低云量,5、辐射,热辐射 物体的温度愈高，其辐射能力（量）E 愈强；且最大辐射能力所对应的波长m愈短。对于黑体：,Wien Displacement Law (1893),Stefan-Boltzmann Law (1879-1884),电磁波谱,太阳辐射(短波辐射) m：Ts = 6000 K483 nm 地面辐射(长波辐射) m：Ts = 285 300 K 10 m,太阳辐射、地面辐射,太阳辐射能量的组成,可见光,红外,电波,紫外,X射线,r 射线,9%,50%,41%,太阳辐射光谱曲线,太阳与地球辐射光谱,太阳常数(I0) I0 = 1368 W/m2 = 1.98 cal/cm2min 太阳高度角(h) 太阳光线与水平地面间的夹角叫太阳高度角。 Sinh = S0/S, I0S0 = IS,太阳辐射强度,I = I0Sinh,太阳总辐射 = 直接辐射 + 散射辐射,直接辐射计算,太阳有效辐射 = 太阳总辐射 地面反射辐射,大气对太阳辐射的消减作用,吸收作用,O3；紫外区：200 320 nm （强） 可见区：450 700 nm（弱） O2： 远紫外区： 200 nm（强） 可见光区：690 760 nm （弱） H2O: 红外区：930 2800 nm（强） CO2: 红外区：4800 nm（强），对太阳辐射影响不大 尘埃：尘埃在大气中的量很小，一般对太阳辐射的影 响很小。,散射作用,分子散射(瑞利散射) ：质点直径 大气散射主要减弱了太阳可见光区的辐射。,反射作用,云层反射: 反射率50 55% 尘埃反射: 一般较小 地面反射: 反射率29%34%,大气辐射与地球的能量平衡,大气辐射 大气吸收地面长波辐射向外辐射 能量，地面是大气的主要热源。 大气窗 (atmospheric window) 813 m辐射很少被吸收，该波长范围可用于卫星的红外遥感技术，称为大气窗。 地球的能量平衡 Esun Eearth; dTs 0,地球的能量平衡,非绝热过程 因温差而与周围空气进行热交换；如气团的水平运动； 绝热过程 膨胀时气团对外做功(降温)； 压缩时外界对气团做功(升温)； 如气团的垂直运动。 气团运动与温度变化,2.2.2 大气的热力过程,1、绝热过程和非绝热过程,干洁气团：类似理想气体； 湿气团：考虑相变潜热的影响，温度效应缓和； 干洁气团、湿气团温度变化均取决于绝热与非绝热过程之和。,2、气团运动的绝热过程与泊松(Poisson)方程,干洁气团可视为理想气体，其垂直运动近似为绝热过程, 热力学第一定律：dU = Q W; 其中：dU = CvdT, Q = 0, W = pdV 气体状态方程：pV = RT (1mol),R = 287 J/ kgK CP = 996.5 J/kgK R/CP = 0.288,泊松方程推导线索,泊松方程 反映在绝热过程中气团温度随外界气压的变化规律：,其中：,或,3、气团运动的干绝热递减率,泊松方程：,准静力条件:,干绝热递减率：干洁气团温度随高度的变化值。,推导线索,压高方程：,气体状态方程：,Pi = P，dPi = dP,2.2.3 大气稳定度,1、温度层结 描述气温随高度的变化曲线叫温度层结曲线，简称温度层结,用气温的垂直递减率表示：,可以 0, 0, = 0； 对流层:平均 = 0.65 /100 m 逆温： 0这种与通常情况相反的气象条件。 注意： 与d的区别,2、大气稳定度及其判据 大气稳定度：大气在垂直方向上运动的强弱。,或,稳定： d ，a 、z同号 中性： = d， a = 0,注意： 适用于干洁气团,稳定度判据推导线索,气团受力： F = g( i) 气团运动的加速度：a = g( - i) / i 气体状态方程：P = RT， 准静力条件：Pi = P 初始条件：Ti0 = T0 与d：,大气稳定度判据说明 d理论上适用于干洁气团； 近地层湿空气绝热垂直递减率w约为0.5 K/100 m，故近地层多用与w的对比来判定大气稳定度； 粗略判据: 0，不稳定， 0，稳定， = 0，中性。,a 递减层结 b 中性层结 c 逆温层结 d 等温层结,温度层结曲线,d或w,温度层结的日变化规律,大气稳定度对大气污染的影响,大气稳定度对大气污染的影响(续),1、辐射逆温（最常见） 晴朗无云，无风夜晚；风速：2-3m/s抑制。 2、下沉逆温（地面逆温） 下沉压缩增温效应引起。 3、湍流逆温（高空逆温） 低层空气湍流混合形成。,2.2.4 逆温,2.2.5 混合层的厚度,大气混合层：把不连续面以下能够发生强烈湍流混合的层次，其高度称为混合层厚度。 意义：混合层厚度愈大，污染物垂直扩散的范围越大，体现了大气稀释输送污染物的能力。 混合层厚度确定(Holzworth法)：在温度高度图上，从上午最大地面温度作干绝热线，与早晨温度探空曲线的交点高度即当日最大混合层厚度(MMD, Maxium Mixing Depths) 。,rd 绝热线,MMD,r 早晨探空曲线,T,Z,日最高地面气温,确定最大混合层厚度示意图,1、海陆风 白天海风：吹向陆地，形成逆温； 夜间陆风：吹向海洋，不易形成逆温。 2、城郊风 由城市热岛效应造成。 3、山谷风 白天：山坡升温快，形成谷风； 夜间：山坡降温快，形成山风。,2.2.6 局地环流对污染物扩散的影响,危害：易造成污染物往返循环，成为局地环流，污染物难以扩散出去，不断累积达到很高的浓度。,城市热岛效应,1、何谓大气的温度层结？简述大气垂直结构的主要特征。