____环境科学概论第二章大气环境.ppt

环境科学概论 大气环境 武汉大学动力与机械学院 第一节大气的结构和组成第二节大气污染和污染源第三节室内空气环境第四节大气环境中污染物的扩散第五节全球主要的环境问题第六节大气污染物展综合防治与管理 第一节大气的结构和组成 大气的组成大气的结构 一 大气的组成 大气是由多种气体和水蒸气组成的混合物 可分为恒定的 可变的和不定的三种组分 恒定组分在地球上任何地方的体积分数几乎是不变的 N2 O2 Ar及微量的He Ne Kr Xe等稀有气体 N2 O2 Ar三种组分占大气总量的99 97 可变组分的含量往往随各地季节 天气变化和人类活动的状况而变化的 它包括CO2及水 正常状况下 H2O g 约占0 4 CO2约占0 033 由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气 不定组分 1 自然灾害如火山爆发 森林火灾 海啸 地震等引起 主要成分为 尘埃 S H2S NOX SOX 盐类及恶臭气体 2 人为原因造成的大气污染物及有毒气体 如煤烟 粉尘 氯化氢 硫化氢 硫氧化物 氮氧化物 碳氧化物等 这是人类保护大气和防治大气污染的主要对象 大气成分的停留时间 惰性气体He Ne Ar Kr和Xe停留时间都在107年以上 属于外循环气体 其次是参与生物 水 岩石等循环的生物循环气体N2 100万年 O2 6000年 H2 5年 CO2 10年 CH4 2 5年 N2O 8 15年 CO 1年 大气中停留时间小于1年的气体 如H2O 10 1天 O3 小于1天 SO2 小于0 01年 NH3 1天 NO和NO2 小于1月 等 它们在大气中的浓度变化比较明显 二 大气圈垂直结构 大气圈的总质量约为6 1015t 相当于地球质量的百万分之一 大气圈的厚度约为3000km 由于大气圈与宇宙空间很难确切划分 在大气物理学和污染气象学中 常把大气圈上界定为1400km 超出1400km 气体非常稀薄 可认为是宇宙空间了 根据大气圈在垂直高度上的温度变化 组成及运动状态 可将大气圈划分成不同的层 由大气所形成的围绕地球周围的混合气体称为大气圈 大气圈可分为对流层 平流层 中间层 电离层 和逸散层五部分 1 对流层 troposphere 大气圈的最下层 是指从地表至离地10 12km以内的这一层大气 特点 气温随高度递减 每上升100m 温度降低0 65 近地高温气流膨胀上升 上部冷空气下沉 形成垂直向上的强烈对流 大气现象复杂多变 密度大 该层大气质量为空气总质量的75 以上和集中了几乎全部的水蒸气 微尘杂质 2 平流层 stratosphere 对流层以上直至离地表55km的大气层为平流层 特点 该层的下部温度变化小 气温趋于稳定 55 故称同温层 该层中上部气温随高度而增高 是一逆温层 层顶温度约 3 平流层无对流运动 平流运动占优势 大气扩散速度慢 空气干燥 水尘含量微 透明度高 臭氧含量高 通常将22 25km处称为臭氧层 中间层 mesosphere 从平流层顶到80km高度的大气层为中间层 特点 空气质量仅占大气质量的1 3 空气的对流运动强烈 垂直方向混合明显 气温随高度迅速下降 顶部温度在 83 113 电离层 ionosphere 从中间层顶部至距地表约800km的大气层 该层下部基本上由分子氮组成 上部由原子氧组成 气温随高度迅速上升 最高可达1200 空气分子发生电离 能将电磁波反射回地球 5 逸散层 exosphere 800km以上的从大气圈逐步过渡到星际空间的大气层 空气分子大部分电离 质子含量高 大气稀薄 气体及微粒向太空逸散 温度随高度上升 第二节大气污染和污染源 一 大气污染及大气污染源 1 大气污染的定义大气污染是指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气 呈现出足够的浓度 达到了足够的时间 并因此危害了人体的舒适 健康和人们的福利 甚至危害了生态环境 大气污染的分类 局部地区污染 地区性污染 广域性污染和全球性污染 2 大气污染源的分类按污染源存在的形式分 固定污染源和移动污染物 按污染物排放的方式分 点源 高架源 面源 线源和体源 按污染物排放的时间分 连续源 间断源和瞬间源 按污染物产生的类型分 工业污染源 生活污染源 交通运输源和农业污染源 二 主要的大气污染物 1 定义大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人和环境产生有害影响的那些物质 2 分类按存在方式分 颗粒污染物 气溶胶状态污染物 和气态污染物 按污染物形成的方式分 一次污染物和二次污染物按化学成分分 含硫化合物 含氮化合物 含碳化合物 卤代化合物 尘类颗粒物 有机化合物 放射性物质和其它有毒物质 2 按污染物形成的方式分 一次污染物是指直接由污染源排放的污染物 可分为反应性污染物和非反应性污染物两类 主要有 碳氢化合物 一氧化碳 氮氧化合物 硫氧化合物和微粒物质等 在大气中的物理作用和化学反应 气体污染物之间的化学反应 空气粒状污染物对气体污染物的吸附作用或粒状污染物表面上的化学物质与气体之间的化学反应 气体污染物在气溶胶中的溶解 气体污染物在太阳光作用下的光化学反应 二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应生成的与一次污染物性质不同的新污染物质 主要有 臭氧 过氧化乙酰硝酸酯 PAN 硫酸及硫酸盐气溶胶 硝酸及硝酸盐气溶胶 以及一些活性中间产物如氢氧自由基 氧原子 过氧化氢自由基 过氧化氮自由基等 3 按化学成分分 含硫化合物 含氮化合物 含碳化合物 卤代化合物 尘类颗粒物 有机化合物 放射性物质和其它有毒物质 3主要大气污染物 1 颗粒物颗粒物是除气体之外所有包含在大气中的物质 包括各种各样的分散于大气中的液态或固态物质 从大气污染的角度 常表示为总悬浮颗粒物 TSP 飘尘和降尘 TSP TotalSuspendedParticulate 是大气中各种粒子的总称 是能浮于空中 空气动力学当量粒径小于等于100微米的颗粒物 也是目前大气质量中的一个重要污染指标 降尘 粒径大于10微米颗粒物 飘尘 粒径小于10微米的颗粒物 亦称可吸入颗粒物 PM10 飘尘可通过呼吸道被人吸入体内而造成危害 表空气飘尘对人 对物的影响 其他危害 遮挡阳光 使气温降低 或形成冷凝核心 使云雾和雨水增多 以致影响气候 使可见度降低 交通不便 航空与汽车事故增加 可见度差 照明耗电增加 燃料消耗随之增多 因此空气污染也更严重 形成恶性循环 燃煤时生成的SOx 再加上微粒的作用 对呼吸系统的危害特别大 用四乙基铅作汽油的防爆剂时 排入空气中的铅有97 为直径小于0 5微米的微粒 分布很广 危害很大 2 一氧化碳 CO 性质 无色 无味 无臭的气体 有毒 能与氧气争夺血液中的血色素 使血液携带氧气能力大大降低 使人体缺氧而窒息 数量 是城市大气中数量最多的污染物 约占大气污染物总量的1 3 主要来源 汽车尾气 3 氮氧化物 NOx 主要污染物 NO NO2性质 棕黄色 有刺激性气味 黄龙 主要来源 汽车尾气 燃料燃烧 部分生产或使用硝酸的工厂排放的尾气 燃烧过程中NOx的产生 燃烧温度在300 以下 产生的NO很少 高于1500 时 NO的生成量显著增加 燃烧温度越高 氧的浓度越大或反应时间越长NO的生成量就越大 热解NON2 O2 2NO 181kJ燃烧的NON2 2O2 2NO 2ON2 O NO N2NO O2 2NO2 危害 1 引起呼吸道病变如肺水肿和慢性支气管炎 NO与血红蛋白结合导致人体缺氧而中毒 NOX还可刺激中枢神经系统 导致麻痹和痉挛等现象发生 2 会引起光化学烟雾 3 造成植物生长速度减慢 叶面损伤毁坏 4 形成硝酸 硝酸盐和亚硝酸盐等酸性雨雾 产生严重的腐蚀作用 4 碳氢化合物 CxHy 主要来源 自然源 由生物分解产生 CH4约3亿吨 萜烯和2 甲基丁二烯约4 4亿吨 人为源 不完全燃烧和有机物的挥发 其中汽车排放量占有相当的比重 其他如石油炼制 化工生产等也会产生多种类型的碳氢化合物 主要危害 1 不饱和烃类生成有害的光化学烟雾 2 多环芳烃类物质如苯并芘类稠环烃强致癌作用 5 硫氧化合物 SOx 主要污染物 SO2 SO3性质 有刺激性气味 SO2能与水反应生产亚硫酸 SO3能与水反应生成硫酸 主要来源 含硫的煤和石油等矿物燃料的燃烧 硫铁矿焙烧 有色金属冶炼 硫酸制造 石油提炼 造纸等 火电厂是最大的SO2排放源 危害 1 对人体健康造成危害 还有促癌作用 2 会形成硫酸烟雾 危害更大 SOx与颗粒物 主要是FeO 的混合物 经过化学反应生成硫酸 如伦敦烟雾事件 3 对植物造成伤害 破坏叶面结构 4 腐蚀材料 6 二噁英二噁英 英文dioxin 是一类多氯代三环芳香化合物 主要的污染源化工冶金工业 垃圾焚烧 造纸以及生产杀虫剂等产业 日常生活所用的胶袋 PVC 聚氯乙烯 软胶等物都含有氯 燃烧这些物品时便会释放出 二噁英 悬浮于空气中 毒性 二噁英 为脂溶性 毒性较高 它的毒性以半数致死量LD50表示 其LD50为每千克体重1微克 是氰化钾毒性的50 100倍 美国环保局1995年公布的评价结果显示 二噁英不仅具有致癌性 而且具有生物毒性 免疫毒性和内分泌毒性 特别是可能使男性雌性化 1997年 世界卫生组织国际癌症研究中心将其确定为一级致癌物 它已被世界卫生组织作为新的环境污染物列入监测名单1998年联合国环境规划署 UNEP 将其列为12种POPs之一 严格禁止和限制使用 7 光化学烟雾 在阳光照射下 大气中的氮氧化物 碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的蓝色烟雾 有时带些紫色或黄褐色 产生 光化学烟雾形成的主要步骤 1 NO2 NO O 2 NO O NO2O O2 O3O HC R RCO 3 O3 HC RCO2 RCHO 醛 R2CO 酮 4 RCO2 NO NO2 RCO RCO O2 RCO3 5 RCO3 NO2 RCO3NO2 主要成分臭氧 O3 过氧乙酸硝酸酯 PAN 酮类 醛类等二次污染物 形成条件大气中有氮氧化合物和碳氢化合物的存在 这是形成光化学烟雾的前提 有强烈的阳光照射 高温低湿 有逆温层存在 危害 刺激眼睛 主要由甲醛 过氧乙酰硝酸酯等引起 臭氧会引起胸部压缩 刺激粘膜 头痛 咳嗽 疲倦等症状 臭氧能损害有机物质 可能会引起哮喘病的增多 还会引起植物毁坏 3 34 第三节室内空气环境 人们约有80 以上的时间是在室内度过的 症状 头痛 恶心疲乏 萎靡不振粘膜有刺激感 眼红 流泪 咽干等 易感冒患哮喘或其它呼吸道疾病 密闭建筑 病态建筑综合症 SBS SickBuildingSyndrome 现代都市病 3 35 一 室内空气污染物种类1 室内空气污染物来源 室内空气环境 居住人员 空调系统 建筑围护结构 建筑室内装修装饰材料等 室外环境 家电 燃烧设备 家具等 3 36 室外来源 在室人员 粉尘 SO2 NOX COX O3等大气污染 军团菌 机油 苯 不洁水喷淋 家电设备 氡等有害物质放射 室内来源 除人员 香烟 通风 漏风等 化工产品 建材 家具等 生物性污染 空调系统设计管理不当 甲醛 苯 氡等 建筑 土壤等 细菌 尘螨等 电磁辐射 燃烧设备 COX NOX O2消费 H2O 粉尘 臭气 CO2 H2O O2消费 粉尘 细菌 体臭等 呼吸 出汗 运动 3 37 3 38 燃烧 吸烟 装饰 化学用品 家用电器 办公设备 空调系统 3 39 新鲜空气与人体呼气的成分 体积 成分N2 O2 CO2其它废气新鲜空气78 0320 990 03人体呼气79 1 80 014 5 18 53 5 5 0若干 气味 汗液蒸发 呼吸 有机物排泄 微生物分解 氨气等衣服上的灰尘 细菌烟草的烟气 VOC和CO CO2 新陈代谢 3 40 悬浮颗粒物 TSP PM10 PM2 5 微生物 病毒 细菌 尘螨 气体污染物氡CO2 CO O3SO2 NOX 氨甲醛 苯 挥发性有机化合物VOCs其它 油烟 烟草烟雾 臭氧等 磁场辐射 二 室内空气主要污染物及其危害 3 41 1室内常见悬浮颗粒物 3 42 病毒和细菌 附于悬浮颗粒物上传播 是传染病的来源霉菌 滋生于潮湿阴暗的土壤 水体 空调设备中 2微生物 3 43 尘螨适宜环境20 30 75 85 空气不流通场所可引起哮喘 过敏性鼻炎 过敏性皮炎孳生地 纯毛地毯 床垫控制方法 通风换气 保持清洁 3 44 军团病 legionnaires disease 一种大叶性肺炎1976年在美国费城的宾西法尼亚美军军团会议的参加者中发生的军团病是典型的例子 症状 发热 全身不适 食欲不振 嗜睡 头痛 咳嗽等 死亡率高达5 20 军团肺原菌是一种普遍存在的嗜水性需氧细菌 可通过风道 给水系统进入室内空气 杀菌方法 高温水消毒法 65 25min 3 45 氡的形成 铀 半衰期 44 7亿年 镭 1602年 氡 衰变 衰变 3 82天 钋 铋 铅 26 8min 164 s 衰变 氡子体 氡浓度 放射强度 以衰变次数度量 单位时间内放射物质衰变的多少 1Bq表示蜕变次数 秒 利用单位体积表征氡浓度的放射强度 Bq m3 氡气特征 穿透性强 土壤 缝隙等处透至房间和水 3氡 3 46 特点 氡是无色 无味 自然界唯一的天然放射性惰性气体 半衰期为3 82天 其子体为固体粒子 半衰期26 8min 164 s 它最稳定的同位素是Rn222 原子序数86 熔点 71 沸点 61 8 比重 固态 应用 放射疗法中可用作辐射源 科研中可用于制造中子等 来源地基土壤中有镭 花岗岩 水泥 石膏 部分天然石材中含有镭 从户外空气中进入室内的氡 从供水及用于取暖和厨房设备的天然气中释放出的氡 3 47 危害氡及子体 放射性气溶胶 污染空气 杀死肺等细胞 杀伤肺等细胞 细胞变异 诱发肺癌 呼吸 气管 支气管截留 肺部滞留 1 5肺癌与氡有关 潜伏期 15年 WHO 定为19种致癌物质之一 第2大诱因 溶于水和脂肪 易扩散 射线 氡对人体的辐射伤害占人体一生中所受到的全部辐射伤害的55 以上 3 48 防护建材局与卫生部1993年的天然石材的放射性控制标准 将天然石材和瓷砖按辐射量大小 分成A B C三类 A类辐射最小 A类可居室内使用 B类可用于非居住类建筑的内饰面 C类只能在外饰面使用 表面涂层可阻挡氡的逸出 如防氡涂料和聚合物水泥砂浆加大通风换气次数 降低室内氡气浓度 3 49 对大气危害 温室气体之一 温室气体 H2O CO2 NOX CH4 O3 CFC能反映室内污染总量 CO2 室内空气品质评价的重要指标 室外大气 0 03 0 04 300 400ppm 室内来源 人体 燃烧人体 成人 20 30L h 儿童为成人的一半 燃烧 是燃料 燃烧得的完善程度确定 4 CO2 60 70 26 3 50 3 51 5 CO 3 52 来源 一种主要来自室外的光化学烟雾 室内的电视机 复印机 激光印刷机 负离子发生器等在使用过程中也都能产生臭氧 室外 浓度 0 0 07ppm 臭氧层空洞的危害性质 刺激性气体 可氧化空化合物而还原 可杀菌 可被橡胶 塑料等吸附 危害 臭氧对眼睛 粘膜和肺组织都具有刺激作用 能破坏肺的表面活性物质 并能引起肺水肿 哮喘等 6 臭氧 O3 3 53 来源 冬季施工过程中在混凝土中添加氨水作为防冻剂 释放期较长 危害大 装饰材料中的添加剂和增白剂 释放期短 危害小 特性 无色 有强烈刺激性气味 碱性物质 可感觉最低浓度为5 3ppm 危害 对皮肤组织 上呼吸道有腐蚀作用 造成流泪 咳嗽 呼吸困难 严重可发生呼吸窘迫综合症 通过三叉神经末梢反射作用引起心脏停搏和呼吸停止 通过肺泡进入血液 破坏运氧功能 防止污染措施 禁止使用氨作防冻剂 7 氨 3 54 来源 主要来自室外含硫燃料 煤 石油等 的燃烧室外 浓度 1ppm 酸雨的由来性质 具有腐蚀作用的窒息性有毒气体 危害 鼻咽炎 支气管类疾病 肺气 水 肿等 对金属材料具腐蚀作用 8 SO3 8 NOX 其中NO NO2为主要污染 来源 主要来自各种燃料高温燃烧 吸烟 汽车尾气性质 具有刺激 腐蚀作用红褐色气体 危害 不溶于水 对眼 呼吸道刺激较小 但吸入肺部易引起肺水肿 3 55 9 烟草燃烧生成物 成分 危害 自燃烟气 呼出烟气污染浓度高 吸入肺部浓度低 被动式吸烟受害程度比主动式吸烟高 3 56 特点无色 有强烈刺激性气味的一种挥发性有机化合物 水溶液为福尔马林 防腐剂大气中平均浓度0 005 0 01mg m3 低于0 03mg m3新装修宾馆可达0 85mg m3 0 08mg m3 一段时间后 一般住宅装修后0 2 0 87mg m3 0 04mg m3 一段时间后 控制标准为0 12mg m3 0 0 0896ppm 25 0 0978 来源 工业废气 汽车尾气 光化学烟雾 建筑材料 地毯 人造板 泡沫树脂保温板 装修材料 胶粘剂 涂料 日化产品 清洁剂 消毒剂 液化石油气 10 甲醛 HCOH 3 57 危害浓度0 1mg m3有异味影响0 5mg m3以上刺激粘膜 眼 呼吸道等 产生变态反应 眼红 流泪 咽干等 恶心 胸闷等 6 5mg m3以上引起肺炎 肺水肿 甚至导致死亡 有致畸 致癌作用 对神经系统 免疫系统 肝脏都有危害 释放特性释放期长 3 15年 高温 高湿条件下甲醛散发力度加大 3 58 11 苯 特点 无色浅黄色液体 易挥发 有强烈的芳香气味 易燃易爆来源 油漆涂料 人造板材 粘合剂 空气消毒剂 杀虫剂中的苯含量的挥发危害 致癌物对皮肤 眼睛和上呼吸道有刺激作用 短期接触 兴奋 头晕 头痛 恶心 呕吐 直至昏迷 抽搐 严重时会因呼吸和循环衰竭死亡长期接触 白细胞和血小板减少 严重时可导致再生障碍性贫血 孕妇接触苯对胎儿发育不利 且容易引起流产 此外 苯还是公认的致癌物 3 59 常见种类 上百种 20多种为致癌物 总量 TVOC TotalVOC 现规范列出9种为识别组 甲醛 苯 甲苯 对 间 二甲苯 邻二甲苯 苯乙烯 乙苯 乙酸丁脂 十一烷 特点单独浓度不高 但多种微量VOC的共同作用不可忽视 长期低剂量释放 对人体危害大 引起头痛 恶心等症状 12 可挥发性有机化合物VOCs VolatileOrganicCompounds 来源各种漆 涂料 阻燃剂 防水剂 防腐剂 防虫剂 粘结剂等建材 人造板材 塑料地板 家具 3 60 表3 6 3 61 13 气味 分子污染 来源 控制关键 源控制 特性 低浓度污染 不会超过权威机构的上限值 一般对健康无很大影响 影响空气的新鲜度 和人的舒适感 IAQ的可接受性 分子的重量为1 m微粒的1 1010倍 扩散速度极快 难以控制 缺氧 不舒适感 严重时缺氧致死 电视机 微波炉 厨房 卫生间 人体生物污染 烟草烟雾低浓度VOC和其它有气味的污染物 呼吸 燃烧 辐射 3 62 几种恶臭物质的化学成分 3 63 室内新型建材 人工装饰合成家具的大量使用 氡 苯 甲醛等有机化合物 VOC 及尘螨等 空调系统净化过滤的薄弱 军团菌等的繁殖 节能设计引起的新风量减少和大楼的密封设计 CO2浓度的上升与供氧量的不足 大量办公用品的使用 VOC蒸气 NOX COX 辐射污染增加 现代建筑特征引起的IAQ下降成因 通常不是指卫生防疫部门涉及的室内污染 而是指空调室内的长期低浓度污染 三 室内空气品质标准及其评价方法 室内空气品质 IAQ IndoorAirQuality 3 64 IAQ 污染物浓度指标 纯客观 满意程度 纯主观 Acceptableindoorairquality 主客观结合 IEQ 1室内空气品质定义及其沿革 3 65 阈值含义 即标准限值 空气中含某种物质的浓度 所有人员在该浓度下停留某一段时间几乎均无有害影响 时间加权平均阈值8h工作日或40h工作周加权平均浓度 在该浓度下日复一日停留的人员几乎均无有害影响 使用最广泛的阈值 短期暴露极限阈值15分钟暴露无害 最高限度阈值瞬间暴露无害 使用场合 注意使用标准时的场合与条件 2室内空气品质标准 3 66 IAQ的标准 三类 综合型标准 单项污染物浓度限值标准 不同功能IAQ标准 民用建筑工程室内环境污染控制规范 GB50325 2001新建 扩建 改建工程5项 4化学 1放射 污染物浓度指标分类 类民用建筑工程 住宅 宿舍 医院病房 老年建筑 幼儿园 学校教室等建筑工程II类民用建筑工程 旅店 办公楼 文化娱乐场所 书店 图书馆 展览馆 体育馆 商场 店 公共交通工具等候室 医院候诊室 饭馆 理发店等公共建筑工程 3 67 室内空气质量标准 GB T18883 2002已有建筑物人们正常活动的场所19项 4物理 13化学 1放射 1生物 污染物指标监测1日 GB50325 2001 1小时检测 俄罗斯居室清洁空气的定义 GB T18883 2002 2500个 m 3 68 CO2容许浓度 中 日本建筑基本法 及 大楼管理法 3 69 人们感觉不舒服的原因很多 不知道哪些是IAQ的问题 热环境 颜色 照度 工作压力等也有影响 室内空气品质的评价方法方法1 测量室内污染物浓度客观评价方法2 居住者问卷调查 主观评价 用什么作为代表性的污染物 测什么 主观评价结果往往与客观评价结果矛盾 客观测量值远远低于控制标准 但主观感觉不好客观测量值可能有些问题 但主观感觉并不差 主观指标评价 解决方法 问题 标准 单项指标 综合客观指标评价 问卷调查 结合 3室内空气品质评价方法 3 70 单项指标评价方法 按单项指标的容许值等进行评价 例1 C P Yaglou提出的臭气等强度指数 物质与空气 3 71 例2 3 72 菌落 PM10 CO2 CO SO2 NOX 甲醛各浓度Ci实测值 空气质量指数法 人和生物主要污染指标烟雾污染指标建材有机物释放指标 算术叠加指数 Si 标准上限值综合指数 第四节大气运动及环境中污染物的扩散 大气边界层的温度场大气水平运动和湍流影响大气污物扩散的局部因素大气中污染物扩散模式 一 大气边界层的温度场 在对流层内 气温垂直变化的总趋势是 随着高度的增加气温逐渐降低 这是因为地面是大气的主要和直接热源 所以近地面层的温度比上层要高 另一方面 水汽和固体杂质的分布从低空向高空减少 它们吸收地面辐射的能力很强 也使得近地面层气温比上层要高 气温随高度的变化通常以气温垂直递减率 来表示 1 温度层结气温沿垂直高度的分布 如下图所示 这种曲线称为气温沿高度分布曲线或温度层结曲线 简称温度层结 温度层结曲线 1 正常 递减 层结 0 2 中性层结 1 3 等温层结 0 4 逆温 0 2 大气稳定度污染物在大气中的扩散与大气稳定度有密切的关系 大气稳定度是指在垂直方向上大气是否容易发生对流运动的特性 判断 假如一空气块由于某种原因受到外力的作用 产生了上升或下降运动后 可能发生三种情况 当外力去除后 气块就减速并有返回原来高度的趋势 称这种大气是稳定的 当外力去除后 气块加速上升或下降 称这种大气是不稳定的 当外力去除后 气块静止或作等速运动 称这种大气是中性的 大气稳定度与烟型的关系 翻卷型 波浪型 锥型平展型上升型熏烟型 3 逆温大气吸收吸收长波辐射的能力很强 在大气边界层内尤其是近地层内 空气温度的变化主要是受地表长波辐射的影响 近地表空气温度 随着地面温度的增高而增高 而且是自下而上的增高 反之 空气温度随着地表温度降低而降低 亦是自下而上的降低 一般将气温随高度增加而增加的气层称为逆温层 根据逆温生成的过程 可将逆温分为 辐射逆温下沉逆温平流逆温湍流逆温锋面逆温 辐射逆温 在晴空无云 或少云 的夜间 当风速较小时 地面因强烈的有效辐射而很快冷却 近地面气层冷却最为强烈 较高的气层冷却较慢 因而形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层 称为辐射逆温 辐射逆温在陆地上常年可见 但以冬季最强 辐射逆温的生成过程 上图表示辐射逆温在一昼夜间从生成到消失的过程 图 a 是下午时递减温度层结 图 b 是日落前1h逆温开始生成的情况 随着地面辐射的增强 地面迅速冷却 逆温逐渐向上发展 黎明时达到最强 图 c 日出后太阳辐射逐渐增强 地面逐渐增温 空气也随之自下而上的增温 逆温便自下而上的逐渐消失 图 d 大约在上午10点钟左右逆温层完全消失 图 f 下沉逆温空气下沉压缩增温形成的逆温 出现在高压控制区 范围广 厚度大 几百米 发生在高空大气中 地形逆温盆地或谷地夜晚时 冷空气沿山坡下沉 使盆地 谷地中温度较高的暖空气抬升 形成温度上高下低的现象 湍流逆温低层空气湍流混合形成的逆温 锋面逆温在对流层中的冷空气团与暖空气团相遇时 暖空气因其密度小就会爬升到冷空气上面 形成一个向冷空气方向倾斜的过渡区 称为锋面 在锋面上 冷暖空气温差较大 可以出现逆温 该逆温分布狭长 当锋面移动缓慢或者停滞时 容易造成严重污染 二 大气水平运动和湍流 1 大气的水平运动大气的运动是在各种力的作用下产生的 作用于大气上的力有气压梯度力 重力 地转偏向力 摩擦力 即粘滞力 和惯性离心力 这些力之间的不同结合 就构成了不同形式的大气运动和风 1 气压梯度力 水平气压梯度力虽小 但却是大气运动的主要原因 只要水平方向上存在着气压差 就有水平气压梯度力作用在大气上 使大气由高压侧向低压侧加速运动 2 地转偏向力 大气在转动的地球上运动时 由于地球转动而产生的使运动偏离气压梯度方向的力 称为地转偏向力 只有大气相对地面运动时 地转偏向力才产生 它只能改变大气运动的方向 而不能改变运动的速度 3 惯性离心力 当大气作曲线运动时 将受到惯性离心力的作用 其方向与大气运动方向垂直 由曲线路径的曲率中心指向外 其大小与大气运动的线速度的平方成正比 与曲率半径成反比 实际上 由于大气运动的曲率半径一般很大 所以惯性离心力通常很小 4 摩擦力 运动速度不同的相邻两层大气之间以及贴近地面运动的大气与地表之间 皆会产生阻碍大气运动的阻力 即摩擦力 其方向与大气运动方向相反 大小随高度不同而异 一般把1 2km以下的大气层称为摩擦层 把这以上的大气层称为自由大气层 上述作用于大气的力 以气压梯度力与重力最为重要 这是引起大气运动的直接动力 2 大气的湍流运动大气的无规则运动称大气湍流 风速的脉动 或涨落 和风向的摆动就是湍流作用的结果 根据湍流作用的原因可分为两种湍流 一种是由于水平温度分布不均匀引起的热力湍流 它的强度主要取决于大气稳定度 另一种是由于水平风速分布不均匀及地面粗糙度引起的机械湍流 它的强度主要取决于风速梯度和地面粗糙度 实际的湍流是上述两种湍流的叠加 湍流有极强的扩散能力 它比分子扩散快105 106倍 但是在风场运动的主风方向上 由于平均风速比脉动风速大得多 所以在主导风方向上风的平流输送作用是主要的 风速越大 湍流越强 污染物的扩散速度就越快 污染物的浓度就越低 风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素 其他一切气象因素都是通过风和湍流的作用来影响扩散稀释的 三 影响大气污染的因素 大气运动污染物的性质和成分污染源的几何形状和排放方式地理因素 1 污染物的性质和成分 排入大气的污染物通常由各种气体和固体颗粒物组成 它们的性质是由它们的化学成分决定的 不同的化学成分在大气中造成的化学反应和清除过程不同 2 污染源的几何形状和排放方式 按污染源的几何形状分类 可分为 点源 线源 面源 按释放污染物的持续时间分类 可分为 瞬时源和连续源 按排放源的高度分类可分为 地面源 高架源等 不同类别的源有不同的排放方式 污染物进入大气的初始状态也不一样 因而其浓度分布就不同 计算污染物浓度的公式也不同 3 地理因素 地形和地物的影响地面是一个凹凸不平的粗糙曲面 当气流沿地面流过时 必然要同各种地形地物发生摩擦作用 使风向 风速同时发生变化 其影响因素程度与各障碍物的体积 形状 高低有密切关系 山脉的阻滞作用 对风速也有很大影响 尤其是封闭的山谷盆地 因四周群山的屏障影响 往往是静风 小风频率占很大比重 不利于大气污染物的扩散 城市中的高层建筑物 体形大的建筑物和构筑物 都能造成气流在小范围内产生涡流 阻碍气流运动 减小平均风速 降低了近地层风速梯度 并使风向摆动很大 近地层风场变得很不规则 一般规律是建筑物背风区风速下降 在局部地区产生涡流 不利于气体扩散 山谷风它发生在山区 是以为周期的局地环流 山谷风在山区最为常见 它主要是由于山坡和谷地受热不均而产生的 在白天 太阳先照到山坡上 使山坡上大气比谷地上同高度的大气温度高 形成了由谷地吹向山坡的风 称为谷风 在高空形成了由山坡吹向山谷的反谷风 它们同山坡上升气流和谷地下降气流一起形成了山谷风局地环流 在夜间 山坡和山顶比谷地冷却得快 使山坡和山顶的冷空气顺山坡下滑到谷底 形成了山风 在高空则形成了自山谷向山顶吹的反山谷风 它们同山坡下降气流和谷地上升气流一起构成了山谷风局地环流 山风和谷风的方向是相反的 但比较稳定 在山风与谷风的转换期 风方向是不稳定的 山风和谷风均有机会出现时而山风 时而谷风 这时若有大量污染物排入山谷中 由于风向的摆动 污染物不易扩散 在山谷中停留时间很长 有可能造成大气污染 海陆风它发生在海陆交界地带 是以为周期的一种大气局地环流 海陆风是由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的 海陆风环流 在白天 由于太阳辐射 陆地升温比海洋快 在海陆大气之间产生了温度差 气压差 使低空大气由海洋流向陆地 形成海风 高空大气从陆地流向海洋 形成反海风 它们和陆地上的上升气流和海洋上的下降气流一起形成了海陆风局地环流 在夜晚 由于有效辐射发生了变化 陆地比海洋降温快 在海陆之间产生了与白天相反的温度差 气压差 使低空大气从陆地流向海洋 形成陆风 高空大气从海洋流向陆地 形成反陆风 它们同陆地下降气流和海面上升气流一起构成了海陆风局地环流 城市热岛环流城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风 产生城乡温度差异的主要原因是 1 城市人口密集 工业集中 使得能耗水平高 2 城市的覆盖物 如建筑 水泥路面等 热容量大 白天吸收太阳辐射热 夜间放热缓慢 使低层空气变暖 3 城市上空笼罩着一层烟雾和CO2 使地面有效辐射减弱 由于城市温度经常比农村高 特别是夜间 气压比乡村低 所以可以形成一种从周围农村吹向城市市区的特殊的局地风 称为城市热岛环流或城市风 这种风在市区汇合就会产生上升气流 因此 若城市周围有较多产生污染物的工厂 就会使污染物在夜间向市中心输送 造成严重污染 特别是夜间城市上空有逆温层存在时 第五节当前世界存在的主要大气污染问题 一 酸雨 acidrain pH低于5 6的降水 包括雨 雪 霜 雾雹与露等各种降水形式 1 酸雨的分布 我国酸雨的分布由广东 广西 四川盆地和贵州的大部分地区所形成的我国西南 华南酸雨区已成为与欧洲 北美并列的世界三大酸雨区之一 近年来又形成了以长沙为中心的华中酸雨区 厦门 上海等华东沿海酸雨区和青岛等北方酸雨区 目前酸雨面积已达国土面积的30 两控区 酸雨控制区和二氧化硫控制区 包括175个地级以上城市和地区 总面积109万km2 其中酸雨控制区为80万km2 二氧化硫控制区为29万km2 两控区内总人口占全国人口的39 国内生产总值占全国的67 包括四个直辖市 21个省会城市 4个经济特区 11个沿海开放城市 2 酸雨的来源 1 天然排放的硫化合物和氮化合物 非生物源 如 海浪溅沫 火山喷发等 生物源 如 细菌分解有机物 2 人为排放的硫化合物和氮化合物化石燃料的燃烧产生的SO2和NOx排放是产生酸雨的根本原因 3 酸雨的形成 1 SO2的氧化途径途径一 催化氧化 途径二 光化学氧化 2 NOx的氧化途径 NO的氧化途径途径一 NO氧化成NO2 途径二 NO氧化成HONO和HNO3 NO2的氧化途径一 NO2转化成HNO3 途径二 NO2转化成过氧化酰基硝酸酯和过氧硝酸 4 酸雨的危害 1 破坏水生生态系统 使水体pH值降低 导致鱼类死亡 浸渍了土壤 侵蚀了矿物 使Al等金属元素进入水体 由于磷酸盐与Al等金属化合 使磷酸盐营养价值降低 影响水生生物的初级生产力 2 破坏森林生态系统 3 土壤酸化和贫瘠化 4 腐蚀建筑物和艺术品 5 影响人体健康 二 温室效应 1 温室效应与温室气体太阳的短波辐射可以透过大气层及其中的痕量气体照射到地面 地面升温后向大气的长波辐射被这些痕量气体吸收而引起的地球平均气温上升的情况 则称为温室效应 这类痕量气体 即叫温室气体 温室气体的种类 主要有二氧化碳 甲烷 臭氧 氧化亚氮和氯氟烃等 其中以二氧化碳的温室作用最明显 二氧化碳起60 的作用 甲烷和氟利昂起23 的作用 大气成分对太阳辐射的吸收 太阳和地球的辐射光谱 地球的能量平衡 大气二氧化碳浓度和气温变化 2 温室效应的影响 温室效应使全球气温上升 近百年来平均大约上升0 6摄氏度 温室效应将带来如下影响 1 气温升高会使极地或高山上的冰川融化 引起海平面上升 以致淹没沿海大量的城市 低地和海岛 2 全球气候变暖也可能影响到降雨和大气或海洋环流的变化 使气候反常 易造成汗涝灾害及荒漠化 3 全球气候变暖影响农业和自然生态系统CO2浓度增加和气候变暖可能会增加植物的光合作用 延长生长季节 全球气温和降雨的迅速变化也可能使农业和自然生态系统难以适应而遭受很大破坏 造成大范围的森林植被破坏和农业灾害 4 对人类健康造成影响 气温的增加使某些疾病的传播可能性增大 气候变暖可能加大疾病危险和死亡率 三 臭氧层破坏 1985年英国南极考察队队长报告南极上空出现O3层空洞 1 臭氧层的形成与破坏的机理 1 臭氧的形成和自然平衡式中M为反应第三体 一般是氮分子或氧分子 2 臭氧层的破坏造成臭氧层破坏的主要原因 平流层内超音速飞机排放的大量 以及人类大量生产与使用的氯氟烃化合物 哈龙 四氯化碳 甲基氯仿 溴甲烷等 飞机尾气 NO O3 NO2 O2NO2 O NO O2使用氯氟烃 CFCl3 h CFCl2 ClCFCl2 h CFCl ClCl O3 ClO O2ClO O Cl O2溴甲烷等氯氟烃中一个氯原子经连锁反应后可以破坏约十万个O3分子 3 臭氧层的破坏的危害 1 影响人类健康过量紫外线辐射引起细胞内DNA改变 减弱细胞自身修复能力 抑制人体免疫系统功能 使白内障发病率和皮肤癌增加 2 破坏生态系统过量紫外线辐射使植物叶片受损 抑制其光合作用导致减产 过量紫外线会杀死水中微生物 削弱浮游植物的光合作用 破环水生生态环境 3 影响城市大气质量和材料寿命易发生光化学反应 产生光化学烟雾 加速塑料等高分子材料的老化 第六节大气污染物综合防治与管理 一 综合防治措施改变能源结构 采用合理的工业布局 采用区域集中供暖和 供热 减少交通废气污染 绿化造林 加强对大气污染物的治理 二 大气污染的治理 1 烟气中颗粒物的消除除尘器分类机械力除尘器 包括重力沉降室 惯性沉降室和旋风除尘器 过滤式除尘器 包括袋式除尘器和颗粒层除尘器 静电除尘器 包括干式静电除尘器和湿式静电除尘器 湿式除尘器 包括喷雾塔 填料塔 文丘里洗涤器等 1 重力沉降室 2 旋风除尘器 3 袋式除尘器 4 静电除尘器 静电除尘器的工作原理 含尘气体通过高压直流电晕时 微粒带上电荷并被电场引到接地集尘电极的表面上 再借重力作用 轻敲或冲洗等方法 将尘粒从集尘电极上清除下来 5 湿式除尘器 2 SO2的控制 燃料脱硫 燃烧脱硫烟气脱硫 1 燃料脱硫 燃料油经催化和加氢后使其脱硫 燃料油进行气化加而脱硫 此法是在一定条件下 吹进蒸汽与氧气 使重油气化 煤经气化后再使用 煤的气化预脱硫与燃料油的气化预脱硫 2 燃烧脱硫 添加石灰石或白云石 流化床燃烧一般适于中小容量的工业锅炉和炉窑 3 烟气脱硫 目前世界上已开发的湿法烟气脱硫技术 主要有石灰石 石灰 石膏洗涤法 双碱法 海水脱硫 氨吸收法 氧化镁法等 据国际能源机构煤炭研究组织统计 湿法脱硫占世界安装烟气脱硫的机组总容量的85 其中石灰石法占36 7 其他湿法脱硫技术约占48 3 以湿法烟气脱硫为主的国家有日本 98 美国 92 德国 90 等 3 143 使用绿色环保建筑材料和装饰材料 标准引用改进和完善厨房的通风设施 用好厨房排气扇良好的室内活动和化工产品慎用 避免污染源正确选择建筑物基地 三 民用建筑室内空气污染控制方法 1室内污染源的控制 3 144 化