环境学概论-第2章-大气环境

第二章大气环境,第1节大气的结构与组成第2节大气污染及其类型第3节全球性大气环境问题第4节影响大气污染的地理及其他因素第5节大气污染的综合防治与管理,第一节大气的结构与组成,一、大气的结构对流层:对流运动显著，大气现象复杂多变平流层:臭氧(O3)层,平流层中空气无对流,适于空中飞行中间层热成层（暖层、电离层）逸散层,高层大气,地球,大气质量在垂直方向的分布,100Km以上，占0.0001%的质量,5Km以下，占50%的质量,10Km以下，占75%的质量,30Km以下，占90%的质量,15,35,大气的垂直分层,对流层,平流层,对流旺盛近地面，纬度不同厚度变；高度增来温度减，只因热源是地面；天气复杂且多变，风云雨雪较常见。,气温初稳后升热只因层中臭氧多水平流动天气好高空飞行很适合,上冷下热高空对流,电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用,中间层,热成层,中间层层顶,第一节大气的结构与组成,二、大气的组成干洁空气概念：大气中除去水汽和杂质的空气。干洁空气的组成干洁空气中的主要成分为N2（占78.09%）、O2(占20.95%)、Ar(占0.93%)及一些微量元素，如CO2、O3、H2、CH4、He、Kr、Ne等。,第一节大气的结构与组成,二、大气的组成大气可变成分主要包括CO2、O3、水汽和杂质。这些可变成分如含量正常，则对环境和生命有机体是有益而无害的，但含量变化后(过多或缺乏)都会造成不良影响及危害。干洁空气较稳定原因：主要组成物质为N2和O2，前者化学性质不活泼，后者的消耗与释放量相互补偿。此外，惰性气体性质稳定。,成云致雨的必要条件,主要成分,次要成分,水汽,固体杂质,生物体的基本成分,维持生物活动的必要物质,植物光合作用的原料；对地面保温,吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害,成云致雨的必要条件；对地面保温,干洁空气,O3,N2,O2,CO2,大气各成分的作用,重点内容1.熟悉大气的垂直分层（五层）以及每层的特点。2.掌握干洁空气的概念。3.了解大气的组成。,第二节大气污染及其类型,一、大气污染概念:指由于人类活动或自然过程使大气中一些物质的含量达到有害的程度(一般指有害物质，如SO2、NOX、HC、O3、飘尘等超过国家质量标准)，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。,一、大气污染发生过程:,大气环境,污染源,输入,输出,输入速率输出速率,二、大气污染源概念:向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、设备和装置。分类:按污染物质来源分：天然源和人为源。按污染源性状分：固定源和移动源。按污染物空间分布分：点源、线源和面源按污染物排放时间分：连续源、间断源和瞬时源。,大气污染源,三、大气污染物及大气污染类型大气污染物的概念指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。大气污染物的分类:从形成过程：一次、二次污染物从存在状态：气态和固体颗粒态的污染物,三、大气污染物及大气污染类型气溶胶状污染物(粒状)总悬浮颗粒物(TSP)：D(粒径)在100m以下，其中多数在10m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。飘尘（可吸入粒子(IP)）：D10m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。降尘：D30m的粒子，靠重力作用可在短时间内降到地面的。,颗粒物有固体的灰尘、烟尘、烟雾以及液体的云雾和雾滴，它们中一部分是致癌、致畸、致突变物质，并能被人体吸收而危害人体健康，另一方面，它们是有毒物质的载体，使一些气体污染物转化成为有害的颗粒物或使某些污染物的毒性增强。,烟尘的作用：1）凝结核2）吸收太阳辐射3）降低能见度4）影响植物体生长飘尘可吸入粒子(IP)大于10m的颗粒物能被鼻腔的鼻毛吸留住，而小于10m的飘尘却能长驱直入侵蚀肺泡，叫“可吸入粒子”。在可吸入微粒中80%可沉积于肺泡，且沉积时间可达数年之久，导致肺心病等一系列病变。,三、大气污染物及大气污染类型气状污染物含硫化合物主要指SO2和SO3、H2S。危害：,温度大时，与水作用，是形成酸雨的主要来源。二氧化硫是一种无色的刺激性气体,腐蚀性很大，会严重刺激人的呼吸系统。二氧化硫破坏植物的叶绿素，使植物脱水坏死。在适当条件下和飘尘结合在一起，或与水汽中的水蒸汽结合形成硫酸雾，硫酸雾微粒侵入人体肺部，可以引起肺水肿和肺硬化等疾病导致死亡。,气状污染物氮的氧化物NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称，造成大气污染的NOX最主要是NO和NO2。来源：汽车尾气排放危害：,1）氮氧化物可转化为硝酸，形成酸雨2）是形成光化学烟雾的重要物质3）是消耗臭氧的重要因子4）NO2对人有生理刺激和腐蚀作用，引起城市居民产生急性呼吸道病变的一种原因5）可腐蚀织物、材料、破坏染料，使它褪色6）危害植物，使其组织受害而落叶，甚至枯萎,气状污染物碳的氧化物CO：主要是由含碳化合物不完全燃烧产生的无色无味无刺激性的有毒气体。对人体的危害主要是阻碍体内氧气的传输，使人体缺氧，导致死亡。CO2：是一种无毒的气体，是大气中的“正常”成分，主要来源于生物的呼吸和化石燃料等的燃烧。目前，大气中CO2浓度逐渐升高，每年上升0.4%。由于二氧化碳吸收地面长波辐射，使地球升温，导致温室效应，从而形成全球气候变化。,气状污染物碳氢化合物(HC)HC是自然界中必不可少的物质，主要指烷烃、烯烃和芳香烃等具有挥发性的有机物，它们主要是由碳原子和氢原子组成。碳氢化合物主要来源于自然界植物分解，人为产生的量很小，但它们是形成光化学烟雾的重要物质。含卤素化合物主要指一些氟氯烃类物质，它们主要破坏臭氧层，引起温室效应。,三、大气污染物及大气污染类型大气污染类型按污染物的性质分还原型(煤炭型)氧化型(汽车尾气型),还原型(煤炭型)主要污染物：SO2、CO和颗粒物，在低温、高温阴天、小风、逆温情况下，在当地地形条件的影响下，被封盖在城市上空，造成对人体健康极大的危害，致使上千人死亡。类似这样的事件发生过多起，最典型的当属1952年12月发生在英国首都伦敦的SO2烟雾中毒事件。,伦敦烟雾事件,氧化型(汽车尾气型)污染物主要来自于汽车排气、燃油锅炉以及石油化工生产。一次污染物主要为NOX和HC、生成的二次污染物为O3、醛类、酮类、过气乙酸硝酸脂。发生在光照强烈的热带、亚热带、89月中午或午后阳光强烈时。最典型的当属1965年前后的洛杉矶光化学烟雾。,还原型与氧化型烟雾的比较,大气污染类型按污染物的性质分还原型(煤炭型)氧化型(汽车尾气型)按燃料性质和大气污染物的组成划分煤炭型：产生粉尘、二氧化硫、烟气等石油型：产生氮氧化物、烯烃等碳氢化合物混合型：有煤和石油的特殊型：磷肥厂氟污染,重点内容1.熟悉大气污染、大气污染物和大气污染源的概念。2.掌握几种典型的大气污染类型。3.了解主要大气污染物的危害。,29,第三节全球性大气环境问题,全球气候变化,酸雨,臭氧层破坏,一、全球气候变化,30,温室效应,31,无温室效应-全球平均温度-18oC,温室效应-全球平均温度15oC,温室效应(GreenhouseEffect),32,大气中的CO2、CH4等气体对太阳发出的短波吸收很弱，而对地面长波辐射吸收很强，从而使散失到大气层以外的热量相对减少，地球表面的温度得以维持，大气这种对地表热辐射遮挡保温的属性类似温室中玻璃具有的作用，故被称为温室效应。,温室效应的定义(GreenhouseEffect),33,温室气体：CO2、CH4、二氯乙烷、臭氧、氯氟烃(CFC-11、CFC-12)、四氯化碳、氧化亚氮等，其中尤以CO2的温室作用最明显。,全球气候变暖,原因:温室效应的加剧,34,受人类活动影响的主要温室气体变化情况,注：ppmv表示某成分体积单位为10-6；ppbv表示10-9；pptv表示10-12。,相对于1750年长寿命温室气体的大气辐射强迫和NOAA年度温室气体指数(AGGI)的2014年度更新。,注：引自WMO2015年温室气体公报,35,注：引自WMO2015年温室气体公报,WMO/GAW全球温室气体监测网络的主要温室气体全球年平均丰度(2014年)和趋势。单位是干空气摩尔分数，不确定度为68的置信区间。,36,气候变暖的主要原因,自然因素,包括太阳活动、地球轨道参数的改变、地外物体的撞击等。其中，对太阳黑子活动影响的研究较多。最近100年以来的太阳黑子相对数也呈现一个增强的趋势，与大气中二氧化碳的浓度值和全球变暖的趋势基本吻合。,人为因素,包括两方面内容：一方面，工业生产，燃料燃烧排放大量的温室气体，引起温室效应增强；另一方面，热带森林和温带植被的破坏间接改变了大气中温室气体的浓度，也可使气候变暖。,2011年世界各国二氧化碳排放量,备注：颜色越深，排放量越高。下面的曲线表示历年全球排放总量。,38,1.海平面上升:低地被淹，海岸被冲蚀，排洪不畅，土地盐渍化，海水倒灌、影响沿海养殖业等。,全球变暖可能产生的影响,海平面上升,39,40,41,全球气候变暖的悲剧性象征,2.影响农业和自然生态系统,3.加剧洪涝、干旱及其他气象灾害,4.影响人类健康,42,减缓全球变暖的对策,2.控制CO2向大气排放,3.从大气中消除过量的CO2,4.研究、制定适应气候变化的措施与规划,控制化石燃料的消费；采用排放量少的能源；CO2的固化；保护热带雨林等,保护热带雨林；植树造林；通过海洋生物吸收固化,沿海城市规划；作物品种、耕种体制、适耕地区的规划等,1.加强国际合作，缔结国际公约,气候变化框架公约,43,平流层的温度曲线,二.臭氧层破坏,（一）臭氧层主要特征,离地面15-35km的平流层中臭氧非常稀少：1千万个大气分子中只有三个臭氧分子。,44,臭氧的浓度单位柱浓度法：在0下，如果沿着垂直于地表的方向将大气中的臭氧全部压缩到一个标准大气压，那么臭氧层的总厚度只有3mm左右。这种用从地面到高空垂直柱中臭氧的总层厚来反映大气中臭氧含量的方法叫做柱浓度法，采用多布森单位（Dobsonunit，简称DU）来表示，正常大气中臭氧的柱浓度约为300DU.。,臭氧洞：理论上指臭氧的柱浓度小于200D.U.，即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少30的区域。,（二）臭氧层破坏,45,19551995每年十月份南极臭氧浓度（单位：DU）。数据点包括了基于地面和卫星的观测。在这一时期内总臭氧总浓度下降了50。（资料来源：NASA,2000）,46,2000年与2002年臭氧空洞比较。,2830万平方公里,47,大多数科学家认为，臭氧层的破坏是包含大气化学、气象学变化的非均相的复杂过程。但是导致大气中臭氧减少和耗竭的物质，主要是NOX、氯氟烃化合物(CFCs)，和哈龙（Halons）。,三、臭氧层破坏的原因,1987年制定的蒙特利尔议定书，中国自2010年1月1日起，除特殊用途外，全面禁止生产和使用哈龙。,48,（四）臭氧层破坏的危害,1、对人体健康的影响：破坏DNA，皮肤病，白内障等,2、对陆生植物的影响：产量和质量下降，间接影响,3、对材料的影响：加速老化,4、对水生生态系统的影响：降低生产力，影响幼体,（五）臭氧层破坏的控制策略,开发消耗臭氧层物质的替代技术无氟氯昂制冷设备制定淘汰消耗臭氧层物质的措施环境管理手段经济手段国际行动1985年，25个国家维也纳公约1987年，46个国家关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔公约,49,1、酸雨酸沉降指大气中的酸性物质（主要是H2SO4、HNO3及其前体物SOX、NOX等）通过降水（包括雨、雪、雹、露等形式）或在气流、重力等作用下迁移到地表造成污染的现象。前者称为湿沉降，后者称为干沉降。,50,三、酸沉降与酸雨,51,湿沉降习称酸雨是指pH90%,HCl,有机酸,酸雨的主要成分,53,一般酸雨化学组成中，较重要的物种包括H+、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、K+、Na+、Ca2+、及Mg2+等九种。其来源包括:,影响酸雨形成的因素酸性污染物的排放大气中的NH3：抑制酸雨的形成与H2SO4气溶胶形成中性的NH4HSO4，降低了雨水的酸度。颗粒物的酸度及其缓冲能力金属：催化SO2氧化；酸性物：贡献酸雨；碱性物：中和酸起缓冲作用地理和气象因素,54,大气中的NH3的来源有机物的分解：氨基酸分解含氮肥料的挥发；土壤中NH3的挥发：随土壤pH值的上升而增大北方土壤pH值在7-8之间，南方土壤pH值5-6。,55,我国酸雨的化学特征：属硫酸型酸雨pH低、离子浓度高，硫酸根、铵和钙离子浓度远远高于欧美，而硝酸根浓度则低于欧美。酸雨中H2SO4和HNO3的比值高发达国家与地区一般为3：2或2：1我国为10：1。,56,3、酸雨的形成过程与机制,57,雨水冲刷污染物之过程可分两个阶段：首先，污染物在雨滴形成之初期即被吸收，降雨时直接与雨水一起降下，这种形成方式称为雨除作用（Rainout）；然后，跟随的是雨冲作用（Washout），雨滴在降落过程中与下层的酸气接触及摩擦，而令酸性气体溶在雨中，下降至地面。,58,酸雨形成机制,酸雨的形成是一个复杂的问题，包括物理，化学和物理化学过程。一般认为，酸雨是由SO2、NOx和氯化物等大气污染物，在一定条件下通过化学反应而生成H2SO4、HNO3和HCl并随雨、雪等降落到地面。,59,60,4、酸雨的分布,中国酸雨现状,61,62,中国酸雨现状,从20世纪80年代以来，中国的酸雨污染呈加速发展趋势。在80年代，以重庆、贵阳和柳州为代表的高硫煤使用地区及部分长江以南地区。到90年代中期，酸雨发展到青藏高原以东及四川盆地的广大地区。广东、广西、四川盆地和贵州大部分地区已成为与欧洲、北美并列的世界三大酸雨地区之一。,63,思考？,我国酸雨污染区主要分布在南方的原因？污染源和污染物条件高硫煤使用区：含硫量35地理和气象条件湿度大、温度高、太阳辐射强，有利于大气中酸性前体物转化西南地区：地形闭塞，大气稳定度大，微静风频率高，易形成较厚的逆温层，不利于污染物稀释、扩散；大气中的NH3土壤PH值较低，造成大气具有较低的PH值颗粒物特征植被覆盖率高，颗粒物多来自燃煤排放，碱性阳离子浓度低其它北方排放的大量含硫化合物被大气远距离输送到南方。,64,5、酸雨的危害,65,在pH5.06.5之间时，鱼卵不容易孵化，鱼苗数量减少当湖水pH值低过5.0时，大多数鱼类死亡。虾比鱼更早灭绝。,酸湖形成，鱼虾难存,（1）对水生生态系统的危害,水生生物种群将减少。,66,在欧洲和北美洲，酸雨所引起的湖泊酸化情形十分严重。瑞典湖泊共有八万五千个，其中有约两万个已受到酸雨的影响。挪威有二百六十五个湖泊已经没有鱼虾；而加拿大已有四百个死湖，以前有鲑鱼的河川，现在都看不到鲑鱼的踪影了。,湖泊变死湖,67,（2）对陆生生态系统的危害,直接危害农作物与森林；生物种类减少；土壤酸化，营养流失。,68,酸雨可造成叶面损伤和坏死。造成森林消失。中国的四川盆地受酸雨危害的森林面积占林地总面积的三分之一。马尾松和华山松对酸雨十分敏感，由于发育不良，虫害频生，酸雨亦使竹林消失，竹叶受损。难怪大熊猫也将濒临灭绝。,动植物死亡,69,酸雨使建筑材料如混凝土、砂浆和灰砂砖等的水泥溶解，腐蚀建筑物、公共设施、古迹和金属物质，造成人类经济、财物及文化遗产的损失。,腐蚀建筑材料和文物古迹,（3）对建筑材料和古迹的危害,70,71,眼角膜和呼吸道粘膜对酸类十分敏感，受酸雨刺激，导致红眼病和支气管炎，也使皮肤疼痛，甚至令人脱发。农田土壤酸化，使土壤矿化物中的有害重金属，如汞及铅等再溶出，由食物链的传送，在人体内累积。,万物之灵，也受影响,（4）酸雨对人体键康的危害,香港酸雾酸雨如番茄汁港人眼睛如被镪水腐蚀,72,73,6.减少酸雨的对策,1979年联合国欧洲经济委员会签定了长距离越境大气污染条约。此后，在1985年国际间又缔结了赫尔辛基条约，有18国同意在1993年前硫化物排出量必须较1980年减少30%。1988年的索非亚协定，有12国宣布1989年起10年间，各国应削减氮氧化物30%。而美国与加拿大也在1980年缔结越境大气污染同意书。,（1）国际性防制计划,74,使用清洁能源使用固硫型煤使用锅炉固硫和脱硫发展内燃机代用燃料在汽车安装催化净化器培植耐酸雨的农作物和树种等.,（2）减少酸性物质向大气的排放,重点内容1.掌握全球性大气环境问题类型2.熟悉全球性大气环境问题的主要危害。,第4节影响大气污染的地理及其他因素,一.逆温逆温(temperatureinversion)在大气对流层内，气温随高度增加而增加，其温度垂直分布与标准大气的相反。这种现象称为温度逆增，简称逆温。出现逆温的气层叫逆温层。逆温层的出现将阻止气团的上升运动，使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层，只能在其下空扩散，因此可能造成高浓度污染。,逆温的成因,（1）辐射逆温在冬季无风、少云的夜晚，地面无热量吸收，但同时不断通过辐射失去热量而冷却，导致下层空气降温较快，而上层空气降温较慢，形成逆温。,（2）地形逆温在盆地和山谷地形的夜晚，山坡表面散热量大，冷却快。寒冷的空气沿山坡下沉聚集在山谷中，形成滞止的冷气团，谷底的暖气团上移。山谷中就形成了上温下冷的逆温层。,(3)下沉逆温：在高压控制区，高空存在着大规模的下沉气流，由于气流下沉的绝热增温作用，致使下沉运动的终止高度出现逆温。这种逆温多见于副热带反气旋区。它的特点是范围大，不接地而出现在某一高度上。这种逆温因为有时像盖子一样阻止了向上的湍流扩散，如果延续时间较长，对污染物的扩散会造成很不利的影响。,(4)平流逆温：暖空气水平移动到冷的地面或气层上，由于暖空气的下层受到冷地面或气层的影响而迅速降温，上层受影响较少，降温较慢，从而形成逆温。主要出现在中纬度沿海地区。,(3)地形逆温：它主要由地形造成，主要在盆地和谷地中。由于山坡散热快，冷空气循山坡下沉到谷底，谷底原来的较暖空气被冷空气抬挤上升，从而出现气温的倒置现象。,二.影响大气污染的其他因子,（一）污染物的性质和成分排入大气的污染物通常是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。粒径大小不同的固体颗粒在大气中的沉降速度及清除过程是不同的，因而对浓度分布的影响也不同。,地面轴浓度,距离,地面源,地面轴浓度,距离,高架源,（二）污染源的排放强度和高度,（三）下垫面的影响1、山谷风和地形风,山谷风,山区地形,山风,谷风,地形风,山脉：过山气流（背风坡、背风涡、下洗）,2.海陆风,海陆界面海风和陆风；,晚上,白天,陆风,陆风,海风,城市热岛效应,3.城市热岛效应,城市热岛环流：由城乡温度差引起的局地风。城市热岛效应是指城市平均气温比周围乡村高的现象，造成的原因有：城市能耗高、城市覆盖物热容量大、城市上空笼罩一层烟雾和二氧化碳等。,1、空气中的污染物的积累取决于三个条件：风速、逆温层和地形；2、厂址选择、新建城市选址应当考虑风向、风速、温度层结和地形的影响，应当选择在山谷外面、远离海岸线的地方。,小结:,第5节,大气污染综合防治与管理,93,一.主要大气污染物控制技术,94,大气污染物控制技术,烟尘控制技术,改变燃料的构成,采用控制设备,机械式除尘装置袋式除尘装置湿式除尘装置电除尘装置,二氧化硫净化技术,燃料脱硫,燃烧脱硫,流化床燃烧脱硫,低浓度SO2的吸附净化,汽车尾气的催化净化,三效催化剂,机械式除尘装置,95,96,湿式除尘装置,97,98,二.大气污染综合防治,99,无论是大气污染源、污染物、污染类型还是大气污染的危害，都具有多样性。,多种手段,清洁能源,绿色交通,末端治理,环境自净,二、大气污染综合防治,100,即从区域环境整体出发，综合运用各种防治大气污染的技术措施和对策，充分考虑区域的环境特征，对影响大气质量的多种因素进行综合系统分析，提出最优化对策和控制技术方案，以期达到区域大气环境质量控制目标。,定义,措施,101,集中供暖、供热的好处,消除烟尘的有效措施,提高锅炉设备的效率，降低燃料消耗,利用“废热”，提高热效利用率,有利于采用高效率的降尘器,可以减少燃料的运输量,102,清洁能源,包括常规能源的清洁利用；可再生能源的利用；新能源的开发；各种节能技术等,世界一次能源替代趋势,2.5大气污染综合防治与管理,甘肃省玉门市境内的风力发电,有些树木还可以释放杀菌物质，杀灭细菌，从而起净化空气的作用。成林的树木其效果更为显著。实验证明，通过3050米的林带，一升水中的含菌量比裸地的对照组中减少70%90%。这说明树木具有明显的净化空气的作用。,树木吸收毒物和净化空气的作用,大气污染对动植物都会产生影响，也同样会威胁到人类的生存。,树木根据树种的不同，对污染物质有抵抗力。树木能吸收二氧化碳，氯气、氨气以及含铅、汞、锌、铜、铁等重金属的气体还可以吸收放射性物质、吸滞烟尘和粉尘。,105,绿色交通,我国一些主要城市的大气污染类型正在由煤烟型向交通型转化，汽车尾气排放已成为城市重要污染源