第二章 大气环境与污染.ppt

第二章大气环境与污染 1 教学目的 1 了解大气温度层结 逆温层 气块的绝热过程 干绝热递减率 大气稳定度等概念 2 掌握对流层 平流层的特点 掌握影响大气污染物迁移的因素和规律 3 了解大气污染物的危害 了解对流层大气中重要物种的源和汇 了解大气颗粒物对环境的影响 4 掌握光化学烟雾 酸雨和臭氧空洞 温室效应的形成和危害 了解光化学烟雾 硫酸烟雾 酸雨 臭氧空洞及温室效应的控制对策 2 2 1大气组成 自然状态下 大气由混合气体 水汽 尘埃等杂质组成 除去水汽和杂质的大气称为干洁大气 根据其组成特点可分为 恒定组分 可变组分 不定组分 空气的主要成分是N2 78 09 O2 20 95 Ar 0 93 可见 这三种气体已占空气总量的99 97 其他各种气体含量合计不到0 1 这些微量气体包括氖 氦 氪 氙等稀有气体 在近地层大气中上述气体组分的含量几乎认为是不变的 称为恒定组分 3 可变的成分是二氧化碳 水蒸气 臭氧等 这些气体受地区 季节 气象 以及人们生活和生产活动的影响 不定组分的来源有 自然界的火山爆发 森林火灾 海啸 地震的引起的 由此形成的污染物有尘埃 硫 硫氧化物 硫化氢 氮氧化物等 由于人类的生产工业化 人口密集 城市工业布局不合理和环境设施不完善等人为因素 使得大气中增加如煤烟 尘 氨氧化物等 4 2 2大气的结构 大气层是地球引力吸引覆盖于地球表面并随地球旋转的空气层 其厚度一般认为有1000一4400km 超过这一高度 气体极稀薄 大气质量在垂直方向的分布是不均匀的 由于重力影响 大气质量主要集中在下部 其质量的50 集中在5km以下 75 集中在10km以下 98 集中在30km以下 根据大气垂直方向上热状况的不同 同时考虑垂直运动状况 将大气层分为五层 5 6 2 2 1对流层 对流层是大气的最低层 其厚度随纬度和季节而变化 在赤道附近为16 18km 在中纬度地区为10 12km 两极附近为8 9km 夏季较厚 冬季较薄 对流层的特点是 1 气温随高度升高而降低 大约每上升100m 温度降0 6 2 空气密度大 对流层平均厚度为10 12km 仅是大气层厚度的1 但是大气总质量的3 4以上和几乎所有水汽集中在此层 3 天气现象复杂多变 7 在对流层中 因受地表的影响不同 又可分为两层 在1 2km以下 受地表的机械 热力作用强烈 通称摩擦层 或边界层 也称为低层大气 排入大气的污染物绝大部分活动在这一层 在1 2km以上 受地表影响变小 称为自由大气层 主要天气过程如雨 雪 雹的形成均出现在此层 8 2 2 2平流层从对流层顶到约50km的大气层为平流层 在平流层下层 大气稳定 30 35km以下 温度随高度降低变化较小 气温趋于稳定 所以又称为同温层 温度先是随高度增加变化很小 到30 35公里温度约为 55 再向上温度则随高度升高而上升 在30 35km以上 温度随高度升高而升高 9 平流层的特点 1 空气没有对流运动 大气稳定 平流运动占显著优势 2 空气比下层稀薄得多 水汽 尘埃的含量甚微 很少出现天气现象 透明度高 3 在高约15 35km范围内 有厚约20km的一层臭氧层 因为臭氧具有吸收太阳短波紫外线 UV B UV C 的能力 臭氧吸收太阳辐射转化为分子内能 故使平流层的温度随高度升高 也防止了地球生命遭受高能辐射的伤害 这一层空气比较干燥 几乎没有水汽和尘埃 性质非常稳定 不存在雨 雪等大气现象 是现代超音速飞机飞行的理想场所 10 2 2 3 中间层 离地表55 85km左右 在平流层之上温度随高度而下降的这一层为中间层 温度可降到 100 C 该层内又出现比较强的垂直对流运动 11 2 2 4 热层 电离层 中间层顶至800km之间为热层 该层的下部是由氮分子组成 上部是由原子氧组成 原于氧能够吸收来自太阳的辐射 所以 该层的特点是气温随高度增加而迅速上升 在800km高度处气温可高达l000 在阳光和宇宙射线的作用下 大部分气体处于高度电离状态 使该层具有较高密度的带电粒子 所以 热层又称为电离层 电离层有反射无线电波的作用 在无线电通讯上具有重要的意义 12 2 2 5 散逸层 外大气层 这是大气圈的最外层 离地表800km以上 由于大气向上越来越稀薄 地心引力减弱 以致一个气体质点如果被碰撞出这一层 就很难有机会再被上层气体质点碰撞回来 而进入宇宙级空间了 对逸散层的高度没有一致的看法 实际上地球大气和星际空间具有相当宽的过渡层 13 2 3大气中污染物的扩散 2 3 1气温垂直递减率大气层的温度比密度更加不均匀 温度和密度在垂直方向上的分布分别称为大气温度层结和密度层结 气温随高度的变化以气温垂直递减率 表示 由于对流层能从地面获得能量 所以 对流层温度随高度增加而降低 平均而言r o 受多种因素影响 14 实际上大气温度的垂直变化是很复杂的 至少有以下3种典型情况 1 气温随高度递减即r o 称为递减层结 一般出现在静风及晴朗的白天 地面接受太阳强烈照射迅速增温 以长波辐射加热近地层大气 使热量自下向上在大气层中传递 形成了气温上低下高的状况 15 2 气温不随高度变化即r o 称为等温层结 多出现在阴天和风速较大的天气 地面接受太阳辐射少 近地层大气升温小 在夜间 由于存在云层而加强大气的逆辐射 使近地层大气冷却慢 或由于大风而使大气快速混合 导致大气温差变小 分布相对均匀 3 气温随高度增加即r o 称为逆温 与对流层中气温垂直分布的正常情况相反 16 2 3 2逆温现象气温随高度增加即r o 称为逆温 与对流层中气温垂直分布的正常情况相反 逆温影响大气垂直运动 不利于污染物扩散 逆温现象常发生在低层大气中 这时气层稳定性强 阻碍大气的垂直运动 导致污染气流不能穿过逆温层而积聚在低层大气中 造成大气污染 17 2 3 3大气稳定度 大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素 当大气层结不稳定 对流强烈 污染物易扩散 当大气层结稳定时 湍流受到抑制 污染物不易扩散稀释 特别当逆温层出现时 通常风力弱或无风 低空象蒙上一个 盖子 使烟尘聚集地表 造成严重污染 18 1干绝热直减率 d干绝热递减率 干空气块或未饱和的湿空气块在绝热条件下 每升高单位高度所造成的温度下降数值 通常取100米表示 rd 0 98 100m或0 98K 100m 一般取rd 1 100m 2大气的降温率 垂直递减率 19 3大气的温度层结 大气的温度在垂直方向上的分布 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 20 4大气稳定度概念 垂直方向大气的稳定程度 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 a 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 b 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 c 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 21 不稳定大气层 当 d时 大气处于不稳定状态 5 1000米20 22 中性大气层 当 d时 大气处于中性平衡状态 10 1000米20 23 稳定大气层 当 d时 大气处于稳定平衡状态 15 1000米20 24 不同温度层结下的烟型翻卷型锥型平展型上升型熏烟型 25 大气稳定度与烟型 26 1 翻卷型 波浪型 大气很不稳定 排入大气中的烟气 上下左右波动很大 沿着主导风向流动扩散 且速度很快 污染物着地很少 这种烟型多发生在夏季和其他季节晴天中午或午后 2 锥型大气处于中性状态 当每小时风速大于30公里时 烟气沿着主导风向流动扩散 兼有上下左右扩散 扩散较迅速 27 3 平展型 扇型 大气处于稳定状态 一般风速微弱 烟气在逆温层内扩散 这种烟型多发生在晴天夜间或早晨 4 屋脊型 上升型 温度层结是烟囱高度以上不稳定 下方稳定 烟气不向下扩散 只向上扩散 呈屋脊型 常在傍晚日落后出现这种情况 28 5 熏烟型在烟囱以上大气处于稳定状态 烟囱以下处于不稳定状态 许多烟雾事件均是在这种条件下产生的 这种烟型多发生在冬季日出前后 29 2 4大气中主要污染物及危害 2 4 1气溶胶状态污染物 在大气污染中 气溶胶是指固体颗粒 液体颗粒或它们在气体介质中的悬浮体 其直径约为0 002 100 m大小的液滴或固态粒子 气溶胶状态污染物又叫大气颗粒物 30 按粒径大小可分为 总悬浮颗粒物 TSP 用标准大容量采样器 流量在1 1 1 7m3 min 在滤膜上收集到的颗粒物的总质量 通常称为总悬浮颗粒物 其粒径 Dr 绝大多数在100 m以下 其中多数在10 m以下 它是分散在大气中的各种粒子的总称也是目前大气质量评价中的一个重要的污染指标 31 飘尘 能在大气中长期漂浮的悬浮物称为飘尘 其粒径主要是小于10 m的微粒 由于飘尘粒径小 能被人直接吸入呼吸道内造成危害 又由于它能在大气中长期漂浮 易将污染物带到很远的地方 导致污染范围扩大 同时在大气中还可以为化学反应提供反应床 因此 它是环保工作者所注目的研究对象之一 32 降尘 是指用降尘罐采集到的大气颗粒物 空气中可自然沉降的颗粒物称降尘 在总悬浮颗粒物中一般直径大雨30 m的粒子 由于其自身的重力作用会很快沉降下来 所以将这部分的微粒称为降尘 单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标之一 可吸入粒子 IP 粒径小于10微米的称可吸入颗粒物 PM10 可吸入颗粒物因粒小体轻 能在大气中长期飘浮 飘浮范围从几公里到几十公里 可在大气中造成不断蓄积 使污染程度逐渐加重 33 2 4 2碳的氧化物 碳的氧化物在大气中主要包括CO CO2 CO2是大气中正常组成成分 CO是大气中很普遍的 排放量极大的污染物 急性一氧化碳中毒是吸入高浓度一氧化碳后引起以中枢神经系统损害为主的全身性疾病 中毒起病急 潜伏期短 轻 中度中毒主要表现为头痛 头昏 心悸 恶心 呕吐 四肢乏力 意识模糊 甚至昏迷 但昏迷持续时间短 经脱离现场进行抢救 可较快苏醒 一般无明显并发症 34 2 4 3氮氧化物 氮氧化物是氮的氧化物的总称 包括N2O 笑气 NO NO2 N2O3 N2O4 N2O5 固体 等 大气中除了NO NO2较稳定外 其他均不稳定 因此通常所指的氮氧化物主要是指NO NO2的混合物 用NOx表示 主要危害 刺激人的眼 鼻 喉和肺 增加病毒感染的发病率 使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病 呼吸系统有问题的人士如哮喘病患者 会较易受二氧化氮影响 对儿童来说 氮氧化物可能会造成肺部发育受损 研究指出长期吸入氮氧化物可能会导致肺部构造改变 虽然低浓度的一氧化氮毒性不大 但二氧化氮则是一种毒性很强的气体 35 2 4 4碳氢化合物 HC 碳氢化合物是以C与H形成的化合物的总称 碳氢化合物种类很多 包括烷烃 烯烃和芳烃等复杂多样的含有C与H的化合物 该类物质主要来源于石化燃料的不充分燃烧过程和挥发过程 其中汽车排放占有相当大的比重 汽车排放的碳氢化合物中包含有200多种有机物成分 36 2 4 5硫氧化物 硫氧化物是硫的氧化物的总称 通常有SO2 SO3 其中SO2是大气中的分布最广 影响最大的污染物质 常用它作为大气污染物的指标 二氧化硫易被湿润的粘膜表面吸收生成亚硫酸 硫酸 对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用 大量吸入可引起肺水肿 喉水肿 声带痉挛而致窒息 急性中毒 轻度中毒时 发生流泪 畏光 咳嗽 咽 喉灼痛等 严重中毒可在数小时内发生肺水肿 高浓度时使人呼吸困难 是著名的伦敦烟雾事件的元凶 二氧化硫作用的靶细胞主要是上呼吸道 因为它易溶于水形成亚硫酸刺激眼和鼻粘膜 具有腐蚀性 37 2 4 重金属在环境污染方面所说的重金属主要是指汞 水银 镉 铅 铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素 大气中的重金属主要来源于工业生产 汽车尾气排放及汽车轮胎磨损产生的大量含重金属的有害气体和粉尘等 它们主要分布在工矿的周围和公路 铁路的两侧 在焊料的发展过程中 锡铅合金一直是最优质的 廉价的焊接材料 无论是焊接质量还是焊后的可靠性都能够达到使用要求 但是 随着人类环保意识的加强 铅及其化合物对人体的危害及对环境的污染 越来越被人类所重视 38 2 硫酸烟雾污染十八世纪中叶产业革命之后 蒸汽机的发明与广泛使用 使社会生产力得到飞速发展 煤和石油逐渐上升为主要能源 因而 燃料燃烧造成的大气污染也随之日益加剧 严重的大气污染事件接连发生 英国的伦敦先后多次发生由于燃煤造成的烟雾中毒事件 硫酸烟雾也称为伦敦烟雾 最早发生在英国伦敦 它主要是由于燃煤而排放出来的SO2 颗粒物以及由SO2氧化所形成的硫酸盐颗粒物所造成的大气污染现象 这种污染多发生在冬季 且气温较低 湿度较高和日光较弱的气象条件下 39 40 2 6光化学烟雾污染城市大气污染一般分为煤烟型和光化学烟雾型 前者因燃煤排放引起 其主要污染物为颗粒物和二氧化硫SO2 后者因汽车和石油化工排放氮氧化物NOx和挥发性有机物VOCs等前体污染物引起 其特征污染物为臭氧O3等强氧化剂 光化学烟雾具有很强的氧化性 可使橡胶开裂 对眼睛和呼吸道有很强的刺激性 损害人体肺功能和伤害农作物 并使大气能见度降低 1952年在美国洛杉矶首次发生了光化学烟雾污染 后来在日本东京和墨西哥的墨西哥城等也发生了光化学烟雾 至今仍是欧洲 美国和日本等国家的主要环境问题 41 42 43 2 6 1光化学烟雾现象大气中的NOx和烃类等一次污染物在阳光中紫外线的照射下发生一系列的光化学反应 产生O3 85 以上 过氧乙酰硝酸酯 PAN 10 高活性自由基 RO2 HO2 RCO等 醛类 酮类和有机酸等二次污染物 这些一次污染物和二次污染物的混合物所形成的烟雾污染现象 被称为光化学烟雾 44 2 6 2光化学烟雾的特征1943年 在美国洛杉矶首次出现了光化学烟雾污染事件 故又称为洛杉矶型烟雾 它的特征是烟雾呈蓝色 光化学烟雾具有很强的氧化性 属氧化性烟雾 能使橡胶开裂 对眼睛 咽喉有强烈的刺激作用 并有头痛 呼吸道疾病恶化 严重的会造成死亡 伤害植物叶子 并使大气能见度降低 形成条件是强日光 强逆温和低湿度 其刺激物浓度的高峰在中午或午后 具有循环性 白天生成 傍晚消失 光化学烟雾还具有区域性污染的特点 污染区域往往在下风方向几十到几百公里处 45 2 6 3光化学烟雾的形成机制 1 NO2的光解导致O3的生成 链引发反应主要是NO2的光解 反应如下 NO2 hv NO OO O2 M O3 MO3 NO O2 NO2 46 2 HC 化合物氧化生成了具有活性的自由基 如HO HO2 RO2等 在光化学反应中 自由基反应占很重要的地位 自由基的引发反应主要是由NO2和醛光解引起的 NO2 hv NO ORCHO hv RCO H碳氢化合物的存在是自由基转化和增殖的根本原因 RH O R HORH HO R H2OH O2 HO2R O2 RO2RCO O2 RC O O2 其中R为烷基 RO2为过氧烷基 RCO为酰基 RC O O2 为过氧酰基 47 3 通过以上途径生成的HO2 RO2 RC O O2 均可将NO氧化成NO2NO HO2 NO2 HONO RO2 NO2 RORO O2 HO2 RCHONO RC O O2 NO2 RC O ORC O O R CO2其中RO为烷氧基 RCHO为醛 醛 酮进一步氧化生成过氧酰基硝酸酯系列RO2 NO NO2 RO RONO2RCHO NO2 NO2 PAN 48 2 6 4光化学烟雾的危害光化学烟雾在不利于扩散的气象条件时 烟雾会积聚不散 对人体最突出的危害是刺激眼睛和上呼吸道粘膜 引起眼睛红肿 俗称红眼病 出现眼流泪 这与醛类等二次污染物有关 长期慢性伤害 可引起肺机能衰退 支气管炎 甚至发展成肺癌等 49 由于光化学烟雾气溶胶引起大气浑浊 能见度降低 因此防碍了汽车 飞机的正常运行 使交通事故猛增 光化学烟雾降低大气的能见度 减弱阳光强度 从而影响植物的光合作用 给其生长带来不利影响 大气中的烟雾会污染街道 庭院 使居室及室内的设备 衣服等被腐蚀受损 光化学烟雾中的各种氧化物会腐蚀建筑材料和设备器材 50 2 7 2温室效应温室效应又称 花房效应 是大气保温效应的俗称 CO2 CH4 O3 CFC 水汽等可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过 又可以吸收地球的长波辐射 并将热量反射回地球 使地表大气温度升高 由于这类气体像玻璃罩一样 具有保温的作用 被称为 温室气体 51 这些气体 除CFC 都是自然界在人类出现之前就存在的 因此把这类温室气体吸收长波辐射并将热量反射回地球 造成地球变暖的效应称为自然温室效应 由人为排放温室气体所引起的全球变暖现象 一般称为人为的温室效应或称为增强温室效应 52 2 7 4温室效应的影响 由温室气体诱发的温室效应 将导致全球环境的重大变化 温室效应将带来以下影响 1 温室效应首先表现为全球性气候变暖 2 海平面上升 海平面上升的直接影响有以下几个方面 低地被淹 海岸被冲蚀 地表水和地下水盐分增加 影响城市供水 影响沿海和岛国居民的生活 占世界1 3的人口 使之受到威胁 影响沿海和岛国居民的生活 占世界1 3的人口 使之受到威胁 如果极地冰冠融化 经济发达 人口稠密的沿海地区会被海水吞没 马尔代夫 塞舌尔等低洼岛国将从地面上消失 上海 威尼斯 香港 里约热内卢 东京 曼谷 纽约等海滨大城市以及孟加拉 荷兰 埃及等国也将难逃厄运 53 对动植物的影响 气候是决定生物群落分布的主要因素 气候变化能改变一个地区不同物种的适应性并能改变生态系统内部不同种群的竟争力 自然界的动植物 尤其是植物群落 可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移 从而惨遭厄运 以往的气候变化曾使许多物种消失 未来的气候将使一些地区的某些物种消失 而某些物种则从气候变暖中得到益处 它们的栖息地可能增加 竞争对手和天敌也可能减少 54 对农业的影响 一年中温度和降水的分布是决定种植何种作物的主要因素 温度及由温度引起降水的变化将影响到粮食作物的产量和作物的分布类型 气候的变化曾经导致生物带和生物群落空间 纬度 分布的重大变化 除此之外 全球变暖还会使高温 热浪 热带风暴 龙卷风等自然灾害加重 因此 全球气温升高后 世界粮食生产的稳定性和分布状况将会有很大变化 55 对人类健康的影响 人类健康取决于良好的生态环境 全球变暖将成为影响人类健康的一个主要因素 极端高温将成为下世纪人类健康困扰变得更加频繁 更加普遍 主要体现为发病率和死亡率增加 尤其是疟疾 淋巴腺丝虫病 血吸虫病 钩虫病 霍乱 脑膜炎 黑热病 登革热等传染病将危及热带地区和国家 某些目前主要发生在热带地区的疾病可能随着气候变暖向中纬度地区传播 56 2 7 5减缓全球变暖的对策 1992年在巴西召开的联合国环境与发展大会上 166个国家联合签署了 气候变化框架公约 1997年12月 在日本京都召开的联合国 气候变化框架公约 缔约方第3次大会上 通过了旨在限制各国温室气体排放量的协议 这个协议就是 京都议定书 57 2 8酸雨 好雨知时节 当春乃发生 随风潜入夜 润物细无声 杜甫笔下如此盛赞雨的美妙诗句 从今天科学的角度看来却未必如此 2 8 1酸雨及降水的pHpH小于5 6的雨 雪 雹或其他形式的大气降水称为酸雨 多年来国际上一直将pH 5 6看做未受污染的大气降水pH的背景值 并把pH 5 6作为判断酸雨的临界值 目前 很多学者认为把5 0作为酸雨的临界值可能更符合实际情况一些 58 2 8 2酸雨的化学组成特征 降水的酸度是酸和碱平衡的结果 如降水中酸量大于碱量 就会形成酸雨 所以 研究酸雨必须进行雨水样品的化学分析 通常分析测定的化学组分的阳离子有 H Ca2 NH4 Na K Mg2 阴离子有SO42 NO3 Cl HCO3 59 2 8 3影响酸雨形成的因素 1 酸性污染物的排放及其转化条件是影响酸雨形成的重要因素 2 大气中的氨对酸雨的形成是非常重要的 3 与大气中颗粒物有关 4 天气形势 气象条件和地形对降水的酸度影响也十分显著 60 2 8 7酸雨的危害 酸雨对水生生态系统 陆生生态系统 对建筑物和材料以及人体健康等都造成了直接或间接的危害 1 酸雨腐蚀岩石矿物 使水体中的重金属和铝的含量增加 影响水生生态系统的正常运转 在酸化的初期表现出陆生生态系统有利作用 长年酸雨使土壤中和能力下降 K Ca Mg等元素被淋溶 土壤贫瘠化 土壤中的铝和重金属元素被活化 对树木生长产生毒害 酸雨影响植物生长 繁殖 可直接损伤树叶 造成植物营养器官功能衰退 酸性降水首先叶片及幼芽 而后损害根部 酸雨淋降破坏叶面蜡质 影响叶片呼吸代谢 61 2 酸雨会与金属 石料 混凝土等材料发生化学反应或电化学反应 从而加快楼房 桥梁 历史文物 珍贵艺术品 雕像的腐蚀 62 对物品的危害 经历了60年 德国的这座雕像已经彻底被酸雨毁坏了 63 3 对人体健康有着间接或直接的危害 其主要通过三种方式对人类的健康产生影响 一是经皮肤沉积而吸收 对人体造成伤害 二是经呼吸道吸入硫和氮的氧化物 引起急性和慢性呼吸道疾病 三是酸雨沉降于地球表面后 受地质因素影响 会从土壤和岩石中溶滤出一些金属 其中有铅 汞 铝 铜 锌 镉等多种 这些有毒的重金属会在鱼类机体中沉积 人类因食用而受害 64 2 8 4酸雨控制对策 1 减少SO2排放最简单的方法就是改用低硫煤 2 烟气脱硫是减排SO2的一条重要技术途径3 型煤固硫 所谓型煤固硫 就是在型煤加工时加入固硫剂 煤在燃烧时不排出SO2 从而实现燃煤固硫 固硫率可达50 左右 4 开发可以替代燃煤的清洁能源 如核电 水电 太阳能 风能 地热能等 将会对减排SO2作出很大贡献 65 2 9臭氧层的耗损与危害 2 9 1臭氧层作用 臭氧层就成为地球一道天然屏障 使地球上的生命免遭强烈的紫外线伤害 2 9 2破坏臭氧层的物质及原因臭氧层破坏的主要原因是人造化工制品氯氟烃和哈龙污染大气的结果 66 臭氧层耗损物质 1 氯氟烃类化合物氟里昂包括20多种化合物 其中最常用的是氟里昂 12 化学式CCl2F2 其次是氟里昂 11 化学式CCl3F 由于氯氟烃化合物