____环境科学概论第一章.ppt

环境科学概论 武汉大学动力与机械学院黄荣课程的主要内容 第一部分 本课程的基本要求内容 包括环境的基本概念 环境问题的产生与发展 全球环境问题等 第二部分 本课程的重点要求内容 包括生态学基础 水 气 土 声 渣等污染物的污染机理 重点污染指标 以及污染治理技术以及环境监测等 穿插简介建筑环境学相关内容 建筑外环境 建筑湿热环境 室内空气环境 建筑声环境和建筑光环境等内容 学习本课程的目的和作用 学好这门课有助于掌握环境科学的基本知识 培养起坚定 自觉的环境保护意识 对土木工程专业学生 对建筑环境学的相关知识也会有初步了解 是一门重要的素质教育课 课程的特点 涉及知识面广 叙述性内容多 专业基础性强 第一章绪论 第一节地球和我们所处的环境第二节环境问题第三节环境科学及其分支 在太空中 地球是一个由蓝 咖啡 绿和白色所组成的球 它悬挂在太空之中已有46亿年的历史了 在这漫长的历史长河中 地球孕育了大量的生物 形成了和谐的生态系统 在距今约300万年前 地球上出现了人类 在人类漫长而曲折的进化过程中 人类既是环境的创造物 又是环境的塑造者 人来在实践中不断地总结经验 有所发现 有所发明 有所创造 有所前进 在今天 由于科学技术发展的迅速加快 人类获得了以无数方法并在空前的规模上改造环境的能力 第一节地球和我们所处的环境 太阳系家族 太阳系家族各行星 太阳系各行星数据 什么是行星 必须围绕太阳运转的天体 质量足够大 能依靠自身引力使天体呈圆球状 其轨道附近应该没有其他物体 冥王星对第三条不符 冥王星的轨道是和海王星有所交集的 所以冥王星被归为矮行星 1 1太阳系的诞生1 1 1宇宙的开端 20世纪初 天文学家斯里弗尔 V M Slipher 1875 1969 在观测银河系外的仙女座大星云时 取得15个星系的光谱资料 经过研究 发现其中13个正在以每秒数十万米的高速退行 即离开我们愈来愈远 1929年 哈勃 E P Hubble 1889 1953 根据观测到的河外星系正在退行的资料 提出 一个星系退行的速度和它与我们 地球 的距离成正比 即离得愈远退行愈快 这个发现告诉我们 我们周围的星系正在四散离开 也可以说我们已知的宇宙正在膨胀 爱因斯坦 AlbertEinstien 1879 1955 在1916年提出的广义相对论 演绎出宇宙在膨胀的理论 哈勃的发现被认为是对这些理论的验证 以后的天文观测继续有新的发现 证明宇宙在膨胀 曾测到有的河外星系之间 正以每小时2 500 000km的速度在拉开距离 BIGBANG 大爆炸 宇宙的全部物质 当初都集中在一个 原始原子 或称宇宙蛋 里 异常紧密温度约1032 K 绝对温度1亿亿亿亿度显然这只能维持极其暂短的平衡 一旦平衡破坏 就发生大爆炸 原始原子迅速膨胀 逐渐扩展成为我们的宇宙 现在认识 大爆炸后1秒钟 温度降到1010K 粒子间的强相互作用 弱相互作用 电磁力和引力开始分开 在高温下处于基本粒子状态的物质 随着温度的降低 聚合成各类原子 约在大爆炸后50 100万年 首先由电子和质子合成氢原子接着是氦原子也大量生成了随后其他所有元素的原子从轻到重依次聚合而成 爆炸后100万年到20亿年逐步形成各类天体星系 证明150亿年前发生过这样的大爆炸 爆炸形成的宇宙一直在降温 恒星是在降到40000K以下时才开始形成现在测得最老的星系的年龄都只有100多亿年 符合这个理论的推断 特别是盖莫夫 G Gamow 1904 1968 预言 在大爆炸的特殊宇宙背景下产生出来的微波辐射 至今还存在于宇宙空间中 其温度应已降低到只有绝对温度几度 彭兹亚斯 A A Penzias 1933 和威尔逊 R W Wilson 1936 发现 1964年 威尔逊山上一台高灵敏度的射电天文望远镜 在各个方向都测得一种3 K的微波背景辐射 大爆炸理论得到了有力的支持 为此他们得到了1978年的诺贝尔物理学奖金 其它证据 现在测得的不同天体上氦的丰度 即它在天体中的含量 一般都达到30 左右 仅仅太阳上那种氢合成氦的作用 是不能造出这么多氦的 而大爆炸能做到因爆炸而使星系间的距离拉开 更已是熟知的事实天文观测中已多次记录到超新星爆炸另外新近得到的两个黑洞撞击爆炸的信息 都可以作为佐证 冷暗物质 最新证据 1 1 2太阳系出现 大爆炸发生约100亿年之后 星云学说 哲学家康德 ImmanuelKant 1724 1804 星云说 在献给普鲁士国王的 自然通史和天体理论 中假定 最初 整个宇宙的物质都处于分散的状态 并由此造成一种完全的混沌 构成我们太阳系的星球的物质 在太初时都分解为基本微粒 充满整个的宇宙空间 现在已形成的星体就在这空间中运转 他认为是万有引力的作用 使这些原始的弥漫物质逐渐分别凝聚 形成了太阳系内的各天体 星云说不能解决太阳系中许多问题 太阳和行星的单位质量的角动量 应该是一样的 但实际上相差近100倍 20世纪初期 中期 灾变说俘获说 苏联斯密特 原始太阳随银河系公转 在经过有大量星际物质弥漫的空间时 将它们吸引在周围 成为行星的物质来源的 用外来物质形成的行星 角动量可以和太阳不同 1 1 3地球的诞生 天 积气也 无处无气 地 积块 土 也 充塞四虚 无处无块 列子 天瑞天是气的集合 地是土的集合古代贤哲的卓识 20世纪30年代末天文观测证实 在银河系中 有许多气体和尘埃存在这些气体主要是氢和氦 气体在这些星际物质中 按质量计要占到98 左右尘埃里主要是水 甲烷和氨等液体 气体冻结而成的固体微粒 还有少量二氧化硅及其与金属离子结合形成的化合物等固体材料 固体物质不及2 颗粒细微 半径只有0 0001 万分之一 厘米左右 微粒弥漫在整个太空中 地球的成分 氢和氦的含量都很少而是铁占了第一位 其次是氧和硅 还有很多镁 镍和铝等金属地球的化学组成为何如此不同 1 1 3 1地球的形成 在太阳系内 由于接受的太阳辐射多 温度高 轻的气体被辐射到远处 散失到太阳系的外部远处构成类木行星近太阳的地区 以尘埃中的固体物质为主 化学组成当然和原来的星云有显著的不同 铁 硅 镁 氧为主 近处构成类地行星 原始地球内的 星子 受到引力的作用向中心聚集 体积逐渐缩小 物质的密度越来越大收缩不是无限的 因为物质还要受到自转所产生的惯性离心力的作用 而离心力是要随着体积缩小 导致自转速度加快而增大 当离心力增大到能抵消引力时 就达到平衡 冷 热 冷 尘埃向中心聚集的过程中 由于引力的作用 体积收缩 压力加大 会释放出大量的热量 放射性元素的蜕变和陨石的撞击 也都要放出热能尽管原始的星云物质是冷的 后来地球曾经历过一个高温时期 至少是局部物质处於热的熔融状态 以后收缩停止 才又逐渐冷却凝结 地球圈层的形成 重力的作用与高温的影响 地球里面的物质发生部分熔融 使重者下沉 轻者上浮 出现了大规模的物质分异和迁移 形成了从里向外 物质密度从大到小的圈层结构铁和镍比较重 含量也多 分离出来成为液态的金属向中心聚集 地核较轻的硅酸盐物质形成地幔和地幔之上的地壳气体和水等轻物质被吸引在固体球的外围 1 1 3 2现代地球环境的逐渐形成 46亿年前 整个地球的温度都很高 表面也接近于熔融的状态各类岩石的块体 以星子为基础 各不相属地分布在地球的表面后来构成大陆的地壳 冥古宙 46 38亿年前 大约在40亿年前后 越来越多的较轻的硅酸盐成分迁移到上部冷凝地球终于有了一个虽然还比较薄 但已是连续完整的地壳 原始地球表层 一些处于熔融状态的物质向上挤入地壳中凝结 或涌出地面 表现为广泛分布的火山活动另一方面物质又在向下流动 把上面已固结的地壳撕裂 并将其部分碎块拽向深处 使它再次熔入地幔物质之中与此同时 薄弱的地壳还在陨石的撞击下 形成大量陨击坑 最初的大气成分主要是水蒸汽 还有一些二氧化碳 甲烷 氨 硫化氢和氯化氢等 直到距今38亿年前 地球上的大气仍是缺氧和呈酸性的随着时间的流逝 地球上的温度逐渐降低 低于100 C 大气中的水蒸汽陆续凝结出来 形成了广阔的海洋 海水中也缺少氧 而且也含有许多酸性物质 太古宙 38 25亿年前 38亿年前 海洋中开始有了生命的活动 从出现最原始的原核细胞生物 蓝绿藻 32 29亿年前能起光合作用的藻类开始繁殖 后者能消耗二氧化碳 产生出氧气 大约到27亿年前 游离氧在海洋中出现 绿色植物的大量繁殖 更加快了大气和海洋环境的变化 使其有利于高等喜氧生物的发展 元古宙 距今18亿年前到6亿年前 大陆不断扩大大气变成以二氧化碳为最多海洋里的生物最多的是菌藻植物 它们的活动促成二氧化碳和海水中的钙镁等元素相结合 碳酸钙镁等物质沉淀在海底 使大气中的二氧化碳减少 氧和氮的含量逐步增加 表2 1地质年代表 宙 宇 代 界 纪 系 同位素年龄 百万年 新生代 界 第四纪 系 0第三纪 系 白垩纪 系 65侏罗纪 系 三迭纪 系 显生宙 宇 二叠纪 系 248石炭纪 系 古生代 界 泥盆纪 系 志留纪 系 409奥陶纪 系 寒武纪 系 震旦纪 系 600新元古代 界 清白口纪 系 800元古宙 宇 中元古代 界 蓟县纪 系 长城纪 系 1800古元古代 界 2500太古宙 宇 3800 2500冥古宙 宇 4600 3800 1 1 3 3生命起源化学进化说 地球 蛋白质 核酸 米勒模拟原始大气产生有机物的实验装置 1953年米勒工作照 拓展 生命的起源 无机小分子物质 生成 形成 组成 演变 第一阶段 场所 实验 第二阶段 过程 第三阶段 第四阶段 原始大气 1953 美国米勒 原始海洋 聚合 缩合 浓缩 凝聚 长期演变 相互作用 有机小分子物质 有机高分子物质 多分子体系 原始生命 场所 原始海洋 原始海洋 场所 场所 过程 过程 宇宙胚种说 保护地球就是保护我们自己 地球只有一个 失去它 我们到哪里去寻找家园 1 2太阳与地球的关系1 2 1地球的公转与自转 地球围绕太阳公转 公转轨道面椭圆性 称为黄道面 太阳处于椭圆的一个焦点上 另一焦点在太阳边缘 地球公转一周称一回归年 为365 2422个太阳日 近日点距太阳1 47亿公里 远日点距太阳1 52亿公里 平均距离为1 50亿公里 称一个天文单位 地球自转轴与公转轨道面成66 33 形成地球上季节的变化 地球的公转与季节的形成 自转轴与黄道面倾角 地球公转和二十四节气 二十四节气 季节 二十四节气含义 立春 立夏 立秋 立冬 分别表示四季的开始 立 即开始的意思 公历上一般在每年的2月4日 5月5日 8月7日和11月7日前后 夏至 冬至 表示夏天 冬天到了 至 即到的意思 夏至日 冬至日一般在每年公历的6月21日和12月22日 春分 秋分 表示昼夜长短相等 分 即平分的意思 这两个节气一般在每年公历的3月21日和9月23日左右 雨水 表示降水开始 雨量逐步增多 公历每年的2月18日前后为雨水 惊蛰 春雷乍动 惊醒了蛰伏在土壤中冬眠的动物 这时气温回升较快 渐有春雷萌动 每年公历的3月5日左右为惊蛰 清明 含有天气晴朗 空气清新明洁 逐渐转暖 草木繁茂之意 公历每年大约4月5日为清明 谷雨 雨水增多 大大有利谷类作物的生长 公历每年4月20日前后为谷雨 小满 其含义是夏熟作物的籽粒开始灌浆饱满 但还未成熟 只是小满 还未大满 大约每年公历5月21日这天为小满 芒种 麦类等有芒作物成熟 夏种开始 每年的6月5日左右为芒种 小暑 大暑 处暑 暑是炎热的意思 小暑还未达最热 大暑才是最热时节 处暑是暑天即将结束的日子 它们分别处在每年公历的7月7日 7月23日和8月23日左右 白露 气温开始下降 天气转凉 早晨草木上有了露水 每年公历的9月7日前后是白露 寒露 气温更低 空气已结露水 渐有寒意 这一天一般在每年的10月8日 霜降 天气渐冷 开始有霜 霜降一般是在每年公历的10月23日 小雪 大雪 开始降雪 小和大表示降雪的程度 小雪在每年公历11月22日 大雪则在12月7日左右 小寒 大寒 天气进一步变冷 小寒还未达最冷 大寒为一年中最冷的时候 公历1月5日和该月的20日左右为小 大寒 地球的经纬度和时区 为标定地球表面任一点的具体位置设定经纬度 把经过地轴的平面与地球表面的交线称经圈 经圈被南北极点一分为二为两个半圆 称作子午线或经线 将通过英国伦敦格林威治天文台旧址的子午线定为本初子午线 即0 经线 向东的称为东经 向西的称西经 格林尼治天文台 本初子午线 把垂直于地轴的平面与地表面的交线称作纬圈 经过地心的垂直于地轴的平面与地表面交线为赤道 定义为纬度0 赤道以北的称北纬 以南的称南纬 地表任一点的纬度为该点与地心连线与赤道面的夹角 地表经纬度 以太阳直射本地经线定义为地方时12点 经线相差1 其地方时相差4min 以0 经线时间为基准 东西各7 5 的区域为0时区 向东西各增加15 为一个新的时区 分别为东一区 东二区 西一区 西二区 该区域内时间以中间经线时间为其区时 相邻时区时间相差1小时 东边的早 东西十二时区重叠 地球的经纬度和时区 1 2 2太阳辐射1 2 2 1辐射 辐射 物体以电磁波形式传递能量的一种方式 1 自然界中任何物体都在不停地向外发送电磁辐射 2 电磁辐射传播不需要任何介质 3 电磁波可以用波长 和频率 表示 波速 V 为一常数 真空中为3 108m s 用C表示 即 C 辐射能与辐射强度 1 辐射是以光子形式存在的 每一光子的能量为 e h hC 式中h为普朗克常数 6 63 10 34J s每个光子的能量很小 实际应用中常用摩尔光量子为单位 1摩尔光子称作1爱因斯坦 Ei 2 表示辐射强弱的物理量称作辐射强度 按照辐射方向的不同 可以有不同的称呼 辐出度 从物体表面向外发送的辐射 单位面积上单位时间内发送的辐射能称辐出度 辐照度 某表面单位时间内单位面积上接受周围物体向其发送的辐射能 辐射通量密度 单位时间内穿过空间单位面积的辐射能 辐射强度与光照度的区别 二者是不同的概念 光照度特指可见光的 为单位面积上光通量 简称照度 单位为lux lx 二者没有换算关系 一般大气上界的光照度约14万lx 而晴天中午 地面照度约为6 8万lx 辐射强度和照度都不是理想的表示作物需光的物理量 因为作物不同的生理活动需要不同波段的 光 且同波段内 光 的有效性也有差异 辐射强度更强调能量 光照度主要强调可见光的亮度 辐射的吸收 反射和透射 自然界中任何物体都在不停地向外发送着辐射能 同时 也吸收到达其表面的辐射能 物体对于到达其表面的辐射能一部分吸收 一部分反射 部分可以透过物体即 Q总 Q吸 Q反 Q透等式两边同除Q总 去除量纲 则分别表示吸收率 反射率和透过率 a r d 1 物体的吸收率 反射率及透射率是物体的固有属性 且其数值随着不同波长的辐射以及其自身表面温度的变化而不同 即它们都是波长和温度的函数 a r d f T 玻璃 对于可见光其透射率很大 而对于红外线则基本不透明 雪对可见光反射率很高 可达0 95 而对红外线其吸收率为0 98 1 2 2 2太阳辐射光谱和太阳常数 太阳辐射能量随波长的分布称太阳辐射光谱 太阳辐射光谱可以分成三个区域 紫外线区占总能量的约7 可见光区占总能量的约50 红外线区占总能量的约43 问题 到达地表的太阳辐射中 紫外线约占总能量的7 太阳常数 当处于日地平均距离 地球大气上界 垂直于太阳平行光线 单位时间穿过单位面积的太阳辐射能 数值上约1367 7w m2 太阳常数随着太阳活动而发生变化 范围约1325 1457w m2 大气上界 太阳辐射产生的平均光照强度为1 35 1 4 105lx 称太阳光量常数 1 2 2 3大气对太阳辐射的减弱 太阳辐射在穿越大气层时 大气组分对其阻碍 使其减弱 减弱的方式主要有 大气对太阳辐射的吸收作用大气对太阳辐射的散射作用大气对太阳辐射的反射作用 大气对太阳辐射的吸收作用 1 大气的吸收光谱太阳辐射经过整层大气时 在波长小于0 29 m的波段中 吸收率接近于1 也就是说 大气把太阳光谱中0 29 m以下的紫外辐射几乎全部吸收了 而在可见光区 大气吸收很少 只有不强的吸收线带 但在红外区则有很多很强的吸收带 2 大气中各种成份对太阳辐射的吸收大气中吸收太阳辐射的物质主要是氧 臭氧 水汽和液态水 其次是二氧化碳 甲烷 一氧化二氮 尘埃等 氧 O2 氧对太阳辐射的吸收主要在0 25 m以下的紫外区 吸收很强 并在吸收后发生光化反应产生臭氧 这一吸收作用主要在高层大气中进行 以致使0 25 m以下的太阳辐射很少到达一般观测所及的高度 在可见光区 氧还有两个较弱的吸收带 A带位于0 76 m附近 B带位于0 69 m附近 它们对太阳辐射的削弱不大 臭氧 O3 臭氧在紫外区和可见光区都有吸收带 其最强的吸收带位于0 2 0 32 m之间称为哈特莱带 另一个吸收带位于0 32 0 36 m称为汉琴斯带 由于这个波段的辐射被臭氧吸收 使它不能到达地面 因而保护了地面上生物免受过量紫外线的伤害 位于可见光的吸收带其波长范围在0 44 0 75 m 此吸收带虽弱 但因位于太阳辐射最强的波段内 所以吸收的能量并不少 水汽和液态水 H2O 水汽对太阳辐射的吸收带和吸收线很多 在可见光区有很多吸收带 但都很弱 在红外区从波长0 93 2 85 m之间有七个主要的吸收带 水汽对太阳辐射的吸收与水汽含量的多少有关 水汽含量愈多 吸收的也愈多 一般来说 水汽在主要的太阳辐射光谱中没有极强的吸收带 大气中的水分不仅处于气态 也有处于液态的 大气中的液态水同样能够吸收太阳辐射 液态水具有比水汽强得多的吸收带 这些吸收带的位置相对于水汽吸收带向波长较长的方向移动 二氧化碳 CO2 二氧化碳在波长大于2 m的红外区有若干个吸收带 比较强的中心位于2 77和4 3 m 但该波段内太阳辐射比较弱 因此在研究太阳短波辐射时 可以忽略 大气中的飘尘 其它固态物质及大气中的污染物质 像甲烷 CH4 等对太阳辐射也有吸收作用 大气中这些物质的含量是随时间和地点而变化的 它们的来源与特性也有很大的差异 因此研究它们对太阳辐射的吸收是比较困难的 但也可以肯定 大气中这些物质的含量越高 对太阳辐射吸收减弱得越厉害 所以在工业中心 森林山火及火山爆发的地区 太阳辐射将会有明显的减弱 由上讨论可知 大气对太阳辐射的吸收 在平流层以上主要是氧和臭氧对紫外辐射的吸收 平流层以下 主要是水汽对红外辐射的吸收 整层大气吸收作用约削弱掉太阳辐射能的24 因而对于对流层大气来说 太阳辐射不是其主要的热源 大气对太阳辐射的散射作用 光波在遇到大气分子或气溶胶粒子等时 便会与它们发生相互作用 重新向四面八方发射出频率与入射光的相同 但强度较弱的光 称子波 这种现象称光散射 子波称散射光 接受原入射光并发射子波的空气分子或气溶胶粒子称散射粒子 当散射粒子的尺度远小于入射光的波长时 a 0 3 2 称分子散射或瑞利散射 散射光分布均匀且对称 分子散射具有选择性 它的散射强度与入射光的波长四次方成反比 所以 不同入射光被散射的比例差别很大 问题 为什么晴朗天空呈蔚蓝色 大气对太阳辐射的散射作用 当散射粒子的尺度与入射光波长可比拟时 例如飘尘粒子对可见光的散射 散射光的强度分布不对称而是分布复杂 称为米散射 米散射 粗粒散射 没有选择性 所以入射光与散射光在光谱组成上是一致的 思考 雾的颜色 散射对太阳辐射减弱作用强烈 使得直射光一大部分变成了散射光 即天空辐射 或称散射辐射 散射的方向四面八方 一部分经一次或多次散射而到达地表 另一部分回到宇宙空间 这也是我们从太空中可以观察到地球的大气的原因 回到宇宙空间的约占总辐射能的4 左右 大气对太阳辐射的反射作用 大气中云层和较大颗粒的埃尘能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去 其中反射最明显的是云 不同的云量 不同的云状 云的不同厚度所发生的反射是不同的 高云平均反射25 中云平均反射50 低云平均反射65 很厚的云层反射可达90 笼统地讲 云量反射平均达50 55 假设大气层顶的太阳辐射是100 那么太阳辐射通过大气后发生散射 吸收和反射 反射云量反射表示 向上散射占4 大气吸收占21 云量吸收占3 云量反射占23 到达地表的太阳辐射 直接辐射自太阳表面发射 未被大气散射而直接到达地表的太阳平行光的辐射强度称直接辐射 影响直接辐射数值大小的主要因素有 太阳高度角 大气透明度 大气质量数散射辐射大气对太阳辐射的散射作用而使部分部分辐射自天空到达地表的称散射辐射 影响散射辐射数值变化的因素 太阳高度角 大气透明度总辐射直接辐射和散射辐射之和称总辐射 中国年太阳总辐射能分布 地表对太阳辐射的反射 到达地表的太阳辐射 一部分被地面吸收 其余的被地面反射回大气层 而透过的量可以忽略不计 地面反射量的大小 地面反射率 与地表的性质相关 1 2 3 1地面有效辐射 地 气系统在接受太阳辐射的同时 也在不停地发送着长波辐射 整个地气系统从能量的角度来看是平衡的 地表发送辐射的方向单一地指向大气 被下层大气所吸收 Rlu T4 比辐射率地表大多数物体的比辐射率介于0 90 0 98之间大气发送的辐射在大气层内部指向整个球面 我们可以将其分成两部分 其一指向更高层大气 另一部分指向地表 指向上层的辐射被高层大气吸收 热量就这样逐级向上传递 而指向下层的大气对其起到保温作用 天空晴朗型 Rld 208 6ta天空多云型 Rld 1 0 1C a 0 Ta4 C Ta4 9 a 0 晴天时大气发射率0 655 0 007ta 1 2 3长波辐射 大气辐射指向地表的部分称为大气逆辐射 地面一方面通过长波辐射向大气传递热量 同时 接收大气的逆辐射 地面长波辐射与大气逆辐射被地面所吸收的部分之差称地面有效辐射 Rln Rlu Rld 青藏高原 五道梁 观测的地面辐射 a 和大气辐射 b 1 2 3 2地表净辐射 地面吸收的太阳短波辐射与地面有效辐射的差值 称地表净辐射 或地表辐射差额 Rn Rsb Rsd 1 r Rln影响净辐射大小的主要因素为太阳短波辐射 地面有效辐射由于地温和气温的变化不大 对其影响较小 所以太阳短波辐射强弱的日变化和年变化基本上就决定了净辐射的日 年周期变化 年净辐射量随纬度的增加而减小 极圈内常为负值 地面辐射平衡 地面获得的平均净辐射一般都大于0 但地球并没有因此使地表温度持续上升 因为获得的能量用于了加热空气 蒸发水汽等 就总体来说 全球能量是平衡的 辐射平衡表达式 Rn H LE G辐射平衡各因子占净辐射能的比例的高低是决定一个地方小气候的物理基础 例 沙漠与绿洲小气候的差异 全球地气系统能量平衡模式 1 环境的概念广义的概念 环境总是相对于某一中心事物而言 作为某一中心事物的对立面而存在 即是相对于中心事物而说的背景 它因中心事物的不同而不同 随中心事物的变化而变化 狭义的概念环境指的是以人类为主体的外部世界 主要是地球表面与人类发生相互作用的自然要素及其总体 它是人类生存发展的基础 也是人类开发利用的对象 可分为自然环境与人工环境两种 第二节环境 中华人民共和国环境保护法 明确指出 本法所称环境是指 大气 水 土地 矿藏 森林 草原 野生动物 野生植物 水生生物 名胜古迹 风景游览区 温泉 疗养区 自然保护区 生活居住区等 2 1自然环境自然环境是人类出现之前就存在的 是人类目前赖以生存 生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称 即阳光 温度 气候 地磁 空气 水 岩石 土壤 动植物 微生物以及地壳的稳定性等等自然因素的总和 用一句话概括就是 直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质 能量和自然现象的总体 按自己固有的规律发生和发展 被利用和改造 2 环境的分类和组成 自然环境可从各种不同角度作进一步分类 按要素可分为 大气环境 水环境 土壤环境等 按生态特征可分为 陆生环境 水生环境等 按人类对其影响程度可分为 原生环境和次生环境等 自然环境的层次结构 地球环境的圈层结构特性 人工环境 人类活动的产物社会环境 是人类在长期生存发展的社会劳动中所形成的 是人与人之间各种社会联系和联系方式的总和 包括经济关系 道德观念 文化风俗 意识形态 法律关系等 是影响人类与自然环境的决定性因素 工程环境 是在自然环境基础上 由人类的工业 农业 建筑 交通 通信等工程所构成的人工环境 它们构成一个整体技术圈 2 2人工环境 人居环境聚落环境 人类居住生活的场所 人类利用和改造自然而创造出来的和人类关系最密切的场所 包括居室环境 院落环境 村落环境 城市环境等 区域环境全球环境星际环境 穴居 遮雨避寒 洞窑建筑 巢居 防潮 干栏建筑 人类早期的居住方式 巢居 穴居 半穴居 地面建筑 架空建筑 建筑演绎过程 穴居和巢居 用干雪沏成 厚度500 的墙体可以提供较好的保温性能 当室外平均温度 30 时可维持室内 5 以上 外观 爱斯基摩人 因纽特人 的雪屋 室内布置 不同地区的建筑热环境 土坯散热快 室内冬暖夏凉 土壤的散湿减缓干热气候的负面影响 吐鲁番地区室外夏季室外可达47 太阳直射处 可达80 沙面可烤熟鸡蛋 干热地区 吐鲁番地区的半地窑式 干热地区 巴格达地区的传统建筑 墙厚340 450mm 屋面厚度460mm 利用土坯热惯性 室外日夜温差24 室内不到6 湿热地区 干栏建筑 吊脚楼 鼓楼 一般为三层 楼板以下为 地层 顶棚以上为楼层 中间层为居住层 就其功能而言 地层一般为牲畜圈及杂物间 也有将厨房及碓房设置在此间的 楼层主要是贮藏层 干栏建筑一般处于亚热带 多雨潮湿 加之树林茂密 豺狼虎豹野猪经常出没其间 湿热地区 干栏建筑 吊脚楼 鼓楼 土掌房 水族民居 苗族民居 贵州侗族吊脚楼 海南黎族民居 余姚河姆渡干栏式建筑 台湾现代民居 1 3 2不同地区的建筑热环境 布依族石屋 以石块砌墙 以石瓦盖顶 就地取材 造价低廉 冬暖夏凉 不怕火灾 隔音性能好 石头王国 贵州石头寨 蒙古包的排烟与通风 以圆形为总风格 无棱无角 呈流线形 包顶为拱形 其承受力最强 包身形成强固的整体 草原上的沙暴和风雪 不会使蒙古包陷于灭顶之灾 搭盖坚固的蒙古包 可经受冬春十级大风 下雨落雪的时候 把蒙古包的顶毡盖上 它就形成了一个球状封闭体 因此它还能经得住草原上的大雨 而不会漏进包里 3 1环境要素环境要素又称环境基质 是指构成人类环境整体的各个独立的 性质不同的而又服从整体演化规律的基本物质组分 分自然环境要素与人工环境要素 自然环境要素通常包括 水 大气 生物 阳光 岩石 土壤等 环境要素组成环境结构单元 环境结构单元又组成环境整体或环境系统 由水组成水体 全部水体总称为水圈 由大气组成大气层 整个大气层总称为大气圈 由生物体组成生物群落 全部生物群落构成生物圈等等 3 环境要素和环境质量 3 2环境要素的属性最差 小 限制律 整体环境的质量 不能由环境诸要素的平均状态决定 而是受环境诸要素中那个与最优状态差距最大的要素所控制 等值性 是指各个环境要素 无论它们本身在规模上或数量上如何的不相同 但只要是一个独立的要素 那么对于环境质量的限制作用并无质的差别 整体性大于个体和 是指环境诸要素互相联系 互相作用产生的集体效应 是个体效应基础上质的飞跃 出现先后 互相联系 互相依赖 是指环境诸要素在地球演化史上的出现 具有先后之别 但它们又是相互联系 相互依赖的 3 3环境质量环境质量是指在一个具体的环境内 环境的总体或环境的某些要素 对人群的生存和繁衍以及社会经济发展的适宜程度 是反映人群的具体要求而形成的对环境评定的一种概念 环境质量是对环境状况的一种描述 环境状况的形成由来自自然的原因 也有来自人为的原因 而且从某种意义来说 人为原因是更重要的原因 人群的文化状态也影响着环境质量 第三节 环境问题与环境保护 3 1环境问题 是相对于有害于生物或人类的生命活动而言的 一是生物或人类有机体不需要的 二是虽为生物或人类有机体所需要 但过量了就成为有害物质了 3 1 1有关概念 1 环境中的有害物质 环境背景值 环境背景值又叫环境本底值是指在自然环境未受污染的情况下 各环境要素的化学元素的正常含量和环境中能量分布的正常值 研究环境背景值的意义 首先 可以确定区域环境是否存在污染 其次 可以作为历史对比的资料 评价环境质量的变化 环境容量和环境污染 环境容量是在人类生存和自然环境不致受害的前提下 环境可能容纳某种污染物的最大负荷量 环境容量的大小主要取决于两个因素一是环境的自净能力 二是人及生物有机体对污染物的耐受能力 环境自净 是指污染物质在环境中因大气 水 土壤 生物等环境要素的物理作用 化学作用及生物作用 其浓度和毒性自然降低的无害过程 环境污染 人类活动产生的污染物质或能量排入到环境中去 其量超过环境容量或自净能力 从而使环境的物理 化学 生物学等特性发生不利于人类或其他生物正常生存和发展变化的现象为环境污染 3 1 2什么是环境问题 广义 由自然力或人力引起生态平衡破坏 最后直接或间接影响人类的生存和发展的一切客观存在的问题 狭义 由于人类的生产和生活活动 使自然生态系统失去平衡 反过来影响人类生存和发展的一切问题 原生环境问题 自然灾害如地震 洪涝 干旱 滑坡等 是指没有受人类活动影响的原生自然环境中 由于自然界本身的变异所造成的环境破坏问题 3 1 3环境问题的分类 第一类环境问题 原生环境问题 是指由于人类的社会经济活动造成对自然环境的破坏 改变了原生环境的物理 化学或生物学状态 它可分为环境污染和生态破坏两类 1 环境污染 物质 和干扰 能量 由于人为因素 环境的化学组成和物理状态发生了变化 导致环境质量恶化 扰乱和破坏了生态系统和人类日常生活生产的负效应 如 大气污染 水污染 土壤污染等 第二类环境问题 次生环境问题 2 生态破坏生态破坏是指生态系统的平衡遭到破坏 导致了系统的结构和功能严重失调 从而威胁到人类的生存和发展 如 森林消失 物种灭绝 草地退化 耕地减少及水土流失等 是指人口发展 城市化及经济发展带来的社会结构和社会生活问题 如 人口的无计划增长 能源问题等 第三类环境问题 3 1 4环境问题的产生和发展 环境问题的产生和发展大致经历了四个阶段 1 环境问题的产生阶段 产业革命前 2 环境问题的发展阶段 产业革命至20世纪50年代 3 环境问题的局部恶化阶段 20世纪50年代至80年代 4 全球环境问题阶段 20世纪80年代以后 环境问题的产生阶段 1 原始采集捕猎阶段原始社会 生产力水平低下 人类被动适应和利用环境 主要依赖自然而生活 依靠采集天然植物和捕猎动物为生 还没有有意识改造环境的能力 人口较少 增长速度慢 对环境的影响较小 未对自然产生太大伤害 自然生态系统的自发调节作用抵消了许多不利的环境影响 2 农牧渔业阶段 该阶段主要以农业和畜牧业为主大量砍伐森林 开垦草原 原始植被的大量破坏 引起严重的水土流失和土地沙漠化 但仅限于局部地区 兴修水利 不合理的灌溉 引起土壤的盐渍化和沼泽化 城市人口聚集 开始出现废水 废气和废渣造成的环境污染问题 环境问题的发展阶段 产业革命 蒸汽机的发明和广泛使用 促进了生产力的提高 由于工业的发展 一些工业发达的城市和工矿区不断出现以大气污染为主的环境问题 英国伦敦在1873 1892间发生多次有毒烟雾事件 1930年12月1 5日比利时马斯河谷烟雾事件 当时马斯河谷的气温发生逆转 工厂排出的有害气体和煤烟粉尘 在近地大气层中积聚 主要污染物为烟尘和SO2 一周内有60多人死亡 许多家畜也纷纷死去 这是20世纪最早记录下的大气污染事件 1943年5月至10月 美国洛杉矶光化学烟雾事件 到1955年 洛杉矶因光化学烟雾引起的呼吸系统衰竭死亡的人数达到400多人 这是最早出现的由汽车尾气造成的大气污染事件 至40年代初期 洛杉矶市已有250万辆汽 每天消耗约1600万升汽油 但由于汽车汽化率低 每大有大量碳氢化合物排人大气中 受太阳光的作用 形成了浅蓝色的光化学烟雾 使这座本来风景优美 气候温和的滨海城市 成为 美国的雾城 这种烟雾刺激人的眼 喉 鼻 引发眼病 喉头炎和头痛等症状 致使当地死亡率增高 同时 又使远在百里之外的柑桔减产 松树枯萎 洛杉矶光化学烟雾事件 多诺拉镇烟雾事件 1948年10月26日 31日间 处于河谷的美国宾夕法尼亚州的多诺拉小镇 出现逆温 大部分地区持续有雾 致使全镇43 的人口 5911人 相继发病 其中17人死亡 这次事件是由二氧化硫和烟尘所致 环境问题的局部恶化阶段 二次世界大战以后 社会生产力突飞猛进 工业逐渐集中 规模不断扩大 同时人口迅猛增加 城市化速度加快 环境问题越来越严重 1952年12月英国伦敦烟雾事件1953年日本九州熊本县水俣病事件1955年日本四日市哮喘病事件1955 1972年富山痛痛病事件1968 1977年 日本九州爱知县米糠油事件 伦敦烟雾事件 1952年12月5日 8日 素有 雾都 之称的英国伦敦 几乎全部为浓雾覆盖 许多人患起呼吸系统病 在短短的四天时间里 有4000多人相继死亡 此后两个月内 又有8000多人死亡 伦敦事件中大气污染的60 是由家庭采暖的烟气所致 即燃煤产生的烟气造成的大气污染 当时大气中尘粒浓度高达4 46毫克 立方米 是平时的10倍 二氧化硫浓度高达1 34 10 6毫克 立方米 是平时的6倍 水俣病事件 1956年 日本熊本县水俣湾附近发现了一种奇怪的病 这种病症最初出现在猫身上 被称为 猫舞蹈症 病猫步态不稳 抽搐 麻痹 甚至跳海死去 被称为 自杀猫 不久后 此地也发现了患这种病症的人 轻者口齿不清 步履蹒跚 面部痴呆 手足麻痹 感觉障碍 视觉丧失 震颤 手足变形 重者神经失常 或酣睡 或兴奋 身体弯弓高叫 直至死亡 当时这种病由于病因不明而被叫做 水俣病 由氯化甲基汞污染引起 1991年 日本环境厅公布的中毒病人为2248人 其中1004人死亡 四日市哮喘病事件 五六十年代日本东部沿海四日市设立了多家石油化工厂 这些工厂排出的含二氧化硫 金属粉尘的废气 使许多居民患上哮喘等呼吸系统疾病而死亡 1967年 有些患者不堪忍受痛苦而自杀 到1970年 患者已达500多人 富山痛痛病事件 1955 1972年日本富山县神通川流域锌 铅冶炼厂等排放的含镉废水污染了神通川水体 两岸居民利用河水灌溉农田 使稻米和饮用水含镉而中毒 1963年至1979年3月共有患者130人 其中死亡81人 爱知县米糠油事件 1968年 日本九州爱知县一带在生产米糠油过程中 由于生产失误 米糠油中混人了多氯联苯 致使1400多人食用后中毒 病人开始眼皮发肿 手掌出汗 全身起红疙瘩 接着肝功能下降 全身肌肉疼痛 咳嗽不止 4个月后 中毒者猛增到5000余人 并有16人死亡 实际受害者约13000人 全球环境问题阶段 它始于1984年英国科学家发现 1985年美国科学家证实南极上空出现 臭氧空洞 这一阶段的核心是 全球变暖 臭氧层破坏 和 酸沉降 三大全球性大气环境问题 2007年 冰川消融 后果堪忧 MeltingIce aHotTopic 2008年世界环境日的主题 转变传统观念 推行低碳经济 KicktheHabit TowardsaLowCarbonEconomy 6 5 世界环境日将重点关注如何促进建立低碳经济体系和生活方式 例如提高能源效率 寻找替代能源 保护森林以及生态友好型消费等 减少温室气体的排放 3 1 5全球主要环境问题 全球环境问题 是指对全球产生直接影响的 或具有普遍性 随后又发展为对全球造成危害的环境问题 也就是引起全球范围内生态环境退化的问题 20世纪80年代初 全球气候变暖 臭氧层空洞 酸雨等三大全球性环境问题已初露端倪 进入20世纪90午代 地球荒漠化 海洋污染 物种灭绝等环境问题更是突破了国界 成为影响全人类生存的重大问题 20世纪全球主要环境问题有 全球气候变暖 臭氧层破坏 酸雨与空气污染 土壤遭到破坏 荒漠化程度加剧 海洋污染和过度开发 生物多样性锐减 森林面积减少 有害废物的越境转移 淡水受到威胁 混乱的城市化 3 1 6我国的主要环境问题 2000年我国二氧化硫排放量为1995万吨 2006年为2588 8万吨 居世界第一位 据专家测算 要满足全国天气的环境容量要求 二氧化硫排放量要在现有基础上至少削减40 此外 2000年中国烟尘排放量为1165万吨 工业粉尘的排放量为1092万吨 2006年分别为1078 4万吨和807 5万吨 大气污染是中国目前第一大环境问题 1 大气污染问题 中国七大水系的污染程度依次是 辽河 海河 淮河 黄河 松花江 珠江 长江 其中42 的水质超过3类标准 不能做饮用水源 全国有36 的城市河段为劣5类水质 丧失使用功能 主要污染指标为高锰酸盐指数 氨氮和石油类 大型淡水湖泊 水库 和城市湖泊水质普遍较差 75 以上的湖泊富营养化加剧 主要由氮 磷污染引起 2 水环境污染问题 七大水系长江黄河珠江松花江淮河海河辽河 中国全国工业固体废物年产生量达8 2亿吨 综合利用率约46 全国城市生活垃圾年产生量为1 4亿吨 达到无害化处理要求的不到10 塑料包装物和农膜导致的白色污染已蔓延全国各地 3 垃圾处理问题 目前 中国国土上的荒漠化土地已占国土陆地总面积的27 3 而且 荒漠化面积还以每年2460平方公里的速度增长 中国每年遭受的强沙尘暴天气由50年代的5次增加到了90年代的23次 土地沙化造成了内蒙古一些地区的居民被迫迁移他乡 4 土地荒漠化和沙灾问题 中国全国每年流失的土壤总量达50多亿吨 每年流失的土壤养分为4000万吨标准化肥 相当于全国一年的化肥使用量 自1949年以来 中国水土流失毁掉的耕地总量达4000万亩 这对中国的农业是极大损失 5 水土流失问题 20世纪50年代中国年均受旱灾的农田为1 2亿亩 90年代上升为3 8亿亩 1972年黄河发生第一次断流 1985年后年年断流 1997年断流天数达227天 有关专家经调查推测 未来15年内中国将持续干旱 而长江流域的水灾发生频率却明显增加 500多年来 长江流域共发生的大洪水为53次 但近50年来 每三年就出现一次大涝 1998年的大洪水造成了巨大的经济损失 6 旱灾和水灾问题 中国是生物多样性破坏较严重的国家 高等植物中濒危或接近濒危的物种达4000 5000种 约占中国拥有的物种总数的15 20 高于世界10 15 的平均水平 在联合国 国际濒危物种贸易公约 列出的640种世界濒危物种中 中国有156种 约占总数的1 4 中国滥捕乱杀野生动物和大量捕食野生动物的现象仍然十分严重 屡禁不止 7 生物多样性破坏问题 POPs 是具有长期残留性 生物蓄积性 半挥发性和高毒性 能够在大气环境中远距离迁移并能沉降到地表层 对人类健康和环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物质 国际上2004年签署了 关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约 其中确定的首批禁止使用的12种持久性有机污染物在中国的环境介质中多有检出 中国是公约的签字国 2004年11月11日正式对中国生效 这类有机污染物具有转移到下一代体内 并在多年后显现其危害的特点 也被称为 环境激素 或 环境荷尔蒙 危害严重 目前这类有机污染物广泛存在于工农业和城市建设等使用的化学品之中 8 持久性有机物污染问题 PersistentOrganicPollutants POPs 12种POPs 艾氏剂 aldrin DDT狄氏剂 dieldrin 异狄氏剂 endrin 呋喃 furan HCB hexachlorobenzene 灭蚁灵 mirex 毒杀芬 toxaphene 氯丹 chlordane 二噁英 Dioxins 七氯 heptachlor PCBs Polychlorinatedbiphenyls 目前面临的环境形势是 局部有所控制 总体还在恶化 前景令人担忧 主要表现在 各项污染物排放总量很大 污染程度仍处于相当高的水平 一些地区的环境质量仍在恶化 相当多的城市水 气 声 土壤环境污染仍较严重 农村环境质量有所下降 生态恶化加剧的趋势尚未得到有效遏制 部分地区生态破坏的程度还在加剧 我国环境污染远远超过环境容量 3 1 7环境问题产生的原因 一是人们认识上的局限性 并由此而采取了不明智的社会经济行为引起的 二是经济水平的限制和国家政策的某些失误也是产生环境问题的重要原因 1 性质 1 环境问题具有不可根除和不断发展的属性 它与人的欲望 经济的发展 科技的进步同时产生 同时发展 呈现孪生关系 2 环境问题范围广泛而全面 存在于生产 生活 政治 工业 农业 科技等全部领域中 3 对人类的行为具有反馈作用 使人类的生产方式 生活方式 思维方式等一系列问题引起新的变化 4 可控性 即通过教育 提高人们的环境意识 充分发挥人的智慧和创造力 借助法律的 经济的和技术的手段 总可以把环境问题控制在影响最小的范围内 3 1 8环境问题的性质和实质 2 环境问题的实质 是一个经济问题和社会问题 是人类自然的 而且是自觉的建设人类文明的问题 经济问题包括两层意思 a 所谓的环境问题都是人类经济活动的直接或间接的结果 是由于盲目发展 不合理开发利用资源造成的环境质量恶化 资源浪费甚至枯竭破坏 b 要对人类经济活动产生的环境污染和破坏进行治理和控制 必须要有相当的经济实力 社会问题 人口问题是产生一切环境问题的根源 具有相对独立的性质 所以也有专家把人口问题和环境问题并列对待 1 控制人口对于解决当代环境问题有着特殊重要作用 2 解决环境问题必须要有相当的经济实力 即需要付出巨大的财力 物力 并且需要经过长期的努力 3 科技进步与发展虽然会产生各种各样的环境问题 但环境问题的解决仍离不开科技进步 3 1 9解决环境问题的根本途径 3 2环境保护 就是利用现代环境科学的理论与方法 协调人类和环境的关系 解决各种环境问题 是保护 改善和创建环境的一切人类活动的总称 3 2 1环境保护的概念 3 2 2环境保护的发展历程 1 限制阶段 20世纪50年代前后 主要采取一些限制性措施 2 三废 治理阶段 20世纪50年代末 60年代末 主要采用末端治理方法在一些污染事件发生后 环保工作主要治理污染源 减少排放量 在法律上 颁布环境保护的法规和标准 在经济上 采取给工厂企业补助资金 帮助工厂企业建设净化设施等 1 世界环境保护的发展历程 3 综合防治阶段 20世纪70年代初 80年代 把环境与人口 资源和发展联系在一起 从整体上来解决环境问题 1972年6月5日至16日 联合国在瑞典斯德哥尔摩召开了人类环境会议 并通过了 人类环境宣言 冲破了以环境论环境的狭隘观点 把环境与 资源和发展联系在一起 从整体上来解决环境问题 开始实行建设项目环境影响评价制度和污染物排放总量控制制度 从单项治理 发展到综合防治 4 全球行动阶段 20世纪80年代以后 环境与发展成为当今世界环境保护工作的主题 1992年6月 在里约热内卢召开了联合国环境与发展大会 里约地球峰会 这标志着世界环境保护工作又迈上了新的征途 探求环境与人类社会发展的协调方法 实现人类与环境的可持续发展 和平 发展与保护环境是相互依存和不可分割的 至此 环境保护工作已从单纯治理污染扩展到人类发展 社会进步这个更广阔的范围 环境与发展 成为世界环境