课件：大气稳定度.ppt

四、大气稳定度,1、大气稳定度 大气垂直方向上的稳定程度。 2、几个概念 气块：宏观的微小容积 绝热(adiabatic)过程：无热量交换 干过程：不发生水相变化的过程 干绝热过程：无热量交换和质量变化，可逆,绝热上升过程：外界压力减小，气块对外做功，温度降低； 绝热下降过程：外界压力增大，外界对气块作功，温度升高。,干空气在升降时的 绝热变化,干绝热垂直递减率（d）：干空气上升时温度降低值与上升高度的比： 式中 A功热当量 Cpd干空气的定压比热 g 重力加速度 d 1/100m,3、大气稳定度的划分 稳定：气块减速并有回到原来位置的趋势； 不稳定：气块继续加速前进和离开原来的位置； 中性：不加速也不减速。 稳定：d； 不稳定： d； 中性： d。,未饱和空气三种不同稳定度,A0.8、B=1.0、C=1.2。,气块C：不稳定状态。,越大，气块越不稳定； 越小，气块越稳定。,气块B：平衡状态。,气块A：稳定状态。,第2节 大气中污染物的迁移,一、大气污染物与污染源 二、影响大气污染物迁移的因素,一、大气污染物与污染源,1、清洁空气和污染空气 2、大气污染和大气污染物 3、大气污染物（pollutant）的分类 按化学组成和内部结构：无机污染物、有机污染物; 按形态：气态污染物、液态污染物、固态污染物; 按性质：物理污染物、化学污染物、生物污染物; 按毒性和致病效应(nosogenesis)：毒性污染物、剧毒污染物、致癌物carcinogenic、遗传诱变物inducement等; 按来源：一次污染物（primary pollutant）、二次污染物（secondary pollutant）,4、大气污染源（pollution source）,自然源：自然的生命活动或自然现象。 人为源：人类生活及生产活动而产生。 工业污染源 交通运输污染源 生活污染源 农业污染源,各类工业企业向大气中排放的主要污染物质,环境化学中主要研究化学污染物，不涉及物理污染物、较少涉及生物污染物，因为后两者分别属于环境物理学和环境医学的范畴。 大气污染化学中主要讨论氮氧化物、碳氧化物、含硫化合物、颗粒物、挥发性有机物等大气污染物。,二、影响大气污染物迁移的因素,迁移过程受多种因素的影响： 空气的机械运动影响 天气形势和地理地势的影响 污染源本身的特性 ,1、扩散作用（气流扩散） 风：气块作有规则运动时，速度在水平方向的分量。污染物的迁移方向与风向有关，迁移距离跟风力大小有关。 铅直速度：气块作有规则运动时，速度在铅直方向的分量。铅直运动使污染物随空气升到高空而扩散。,系统性铅直运动：在大尺度范围内有规则运动，铅直速度小； 对流：在小尺度范围内有规则运动，铅直速度大。,摩擦层：乱流混合层，厚约10001500m，底部与地面相接触。 产生原因： 动力乱流（湍流）：由于规则水平运动的气流遇到起伏不平的地形干扰时所产生； 热力乱流（对流） ：由于地表表面的温度与地表附近的温度不同，产生温差而形成。 自由大气：摩擦层以上的气层。污染物很少到达这里。,在摩擦层内，有时以湍流（动力乱流）为主，有时以对流（热力乱流）为主，有时两者共存、主次难分，这些是大气中污染物迁移的主要原因。,低层大气中污染物的 分散程度取决于对流 与湍流的混合程度。,最大混合 层高度,最大混合层高度： 对于一个静态平衡大气的流体元，有下式： dP=-gdz （1） 式中 P大气压； 大气密度； g重力加速度； z高度。 当气块受热受到浮力的作用而进行向上加速运动，则有： （2） 式中 dv/dt气块加速度； 受热气块密度。,（1）式代入（2）式中，且由理想气体状态方程，并考虑压力相等，则： 受热后气块会产生速度不断上升，直到T与T相等为止，此时气块与周围达到中性平衡，此时的高度定义为对流混合层上限，或称最大混合层高度。,夜间最大混合层高度较低；白天时最大混合层高度则升高。,随季节不同，冬季平均高度最小，夏初为最大。,当最大混合层高度小于1500m时，城市会普遍出现污染现象。,2、天气形势和地理地势的影响 天气形势：气压分布，气象条件，扩散条件。 地理地势：地面物理性质的差异引起热状况在水平方向上分布的不均匀，可能产生局地环流。,地理地势形成的局地环流： 海陆风 形成原因：海洋和大陆的物理性质差异：大陆表面温度变化剧烈，海洋表面温度变化较缓。 对空气污染的影响：a.循环作用；b. 往返作用；c. 封闭型和漫烟型污染： 城郊风 形成原因：城市热岛上暖而轻的空气上升，周围郊区的冷空气向市内流动，形成城郊环流。（热岛效应） 对空气污染的影响：这种环流造成城市本身排放的烟尘等污染物积聚在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。,2019/4/19,18,可编辑,山谷风 形成原因：山区复杂的地形，使山坡和谷地受热不均而产生一种复杂的局地环流。 对空气污染的影响： 山风和谷风转换时会造成严重空气污染； 地形作用造成山区的辐射逆温作用增强：夜间冷空气沿坡下滑，在谷中聚集，再由于地形阻挡，便易形成厚而强大且持续时间长的逆温层。,ATMOSPHERIC TRANSPORT TIME SCALES,Source: Introduction to Atmospheric Chemistry, Jacob, D. J., 1999,北美,南美,非洲,欧洲,亚洲,第3节 大气中污染物的转化,一、大气中的重要污染物 二、光化学反应基础 三、大气中重要自由基的来源 四、氮氧化物的转化 五、碳氢化合物的转化和光化学烟雾 六、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染 七、酸性降水 八、大气颗粒物 九、温室气体和温室效应 十、臭氧层的形成与耗损,一、大气中的重要污染物,大气污染的发展阶段 大气污染的形成时期：18世纪末至20世纪初。 大气污染加剧时期：20世50年代至70年代。 全球性大气污染：20世纪80年代以后。,含硫化合物：硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、亚硫酸盐、硫酸、硫酸盐和有机硫化合物等。 含氮化合物：N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、硝酸、亚硝酸、硝酸盐、亚硝酸盐、硝酸酯ester、亚硝酸酯和铵盐等。 含碳化合物：CO、CO2、碳氢化合物hydrocarbon等 含卤素化合物：CH3Cl、CH3Br、CH3I、氟氯烃类(CFCs)化合物等。,主要污染物,1、含硫化合物,1969年Robinson等人报道，地球上全年SO2的产生量为2.97亿吨。 天然源：来自火山、有机物分解和陆地、海洋中的微生物厌氧活动： 硫酸盐（还原） H2S（氧化） SO2 人为源：矿物燃料和含硫矿物的燃烧。 煤的含硫量约为0.5-5%，石油0.5-3%。 SO2SO2（燃烧过程） 2SO2O22SO3 （15%的氧化过程）,2、含氮化合物,N2O（笑气） 无色气体，含量约为0.3ppm。 是清洁空气的组分，是低层大气中含量最高的含氮化合物。 是目前已知的温室气体之一。 主要通过微生物的作用下分解产生。 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。,NOx（ NO和NO2 ） 天然源：闪电、微生物固定及NH3的氧化等，火山爆发和森林大火等都会产生氮氧化物。 N （高温下氧化）NO （转化） NO2 人为源：各种燃料在高温下燃烧，硝酸、氮肥、炸药和染料等生产过程中产生的废气，其中最严重的是燃料燃烧排出的废气。 危害： NOx由呼吸能够进入人体肺部，引起支气管炎bronchitis或肺气肿emphysema，senile emphysema 老年性肺气肿 NOx能和碳氢化合物生成光化学烟雾。,特点： 城市空气中的NOx含量大约高出全球平均值2个数量级。 NOx的浓度变化受季节和气象因素影响：一般冬季高于夏季；取暖期高于非取暖期。 NOx的汇： 被土壤和植被吸收； 转化成HNO3和硝酸盐而去除。,3、含碳化合物,CO 人为源：含碳燃料的不完全燃烧，或者是内燃机在高温、高压的条件下燃烧。 天然源：海洋中生物的作用、植物叶绿素chlorophyl的分解、森林中放出萜terpene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，以及种子发芽burgeon、籽苗生长及人和动物新陈代谢metabolism过程等等。,CO2 CO2是大气的一个组分。 无毒的温室气体。 人为源：通过燃烧产生。 天然源：通过动物的呼吸排出；植物体废弃物作为燃料燃烧或腐败decay而自然氧化时能够产生；甲烷在平流层中与OH自由基反应的最终产物为CO2；海水与大气进行交换作用而排出（海水中CO2比大气高60余倍）。,碳氢化合物 指碳原子数C1C8的可挥发的碳氢化合物，包含烷烃alkyl、烯烃alkene、炔烃alkyne、脂肪烃和芳香烃aromaticity等，CH4是主要的碳氢化合物。 罗宾逊等1968年估计，全球碳氢化合物每年的总产量为18.58亿吨，其中天然源占几乎95%以上，CH4约16亿吨；其次是植物排出的萜烯化合物约1.7亿吨。,CH4： 化学性质稳定，不易发生光化学反应。 其温室效应比CO2大20倍。 近100年在大气中的增长速度快。 天然源：主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽swamp、泥塘moss、湿冻土带tundra、水稻田底部、牲畜反刍regurgitation和白蚁termite的墓穴grave等产生。 人为源：汽油燃烧(38.5%)、焚烧incinerate (28.3%)、溶剂蒸发(11.3%)、石油蒸发和运输损耗(8.8%)、提炼废物(7.1%)。,汽车废气： 烃类：甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丁烷等； 醛类：甲醛formaldehyde、乙醛acetaldehyde、丙醛、丙烯醛和苯甲benzyl醛等； 少量芳烃和和微量致癌物如苯并(a)芘等。,碳氢化合物的危害： 一般对人的毒性不大。 甲醛和丙烯醛是刺激性物质，长时间接触0.15ppm甲醛能引起催泪现象。 碳氢化