环境科学概论重点

环境科学概论,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,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1032K，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3K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,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（4638亿年前）,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100C），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（3825亿年前）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,1.1.3.3生命起源化学进化说,地球,米勒模拟原始大气产生有机物的实验装置,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6633，形成地球上季节的变化。,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,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。,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,1.2.2.2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13677w/m2。太阳常数随着太阳活动而发生变化，范围约13251457w/m2。大气上界，太阳辐射产生的平均光照强度为1.351.4105lx，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0.29m的波段中，吸收率接近于1。也就是说，大气把太阳光谱中0.29m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0.25m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0.25m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0.76m附近，B带位于0.69m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0.20.32m之间称为哈特莱带，另一个吸收带位于0.32-0.36m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0.440.75m。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0.932.85m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2m的红外区有若干个吸收带，比较强的中心位于2.77和4.3m。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（a0.32），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5055。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。,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。RluT4：比辐射率地表大多数物体的比辐射率介于0.900.98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：Rld2086ta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,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：RnH+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,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,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,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。,4、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。（1）环境质量是对环境状况的一种描述；（2）环境状况的形成有来自自然的原因，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。,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1.3410-6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,19551972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。,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,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”成为世界环境保护工作的主题。,可分为三个阶段1起步阶段：（1970年1983年）2开拓阶段：（1983年1989年）3.发展阶段：（1989年）,2、中国环境保护的发展历程,3.2.3环境保护的目的和内容,环境保护的目的（1）运用现代环境科学的理论和方法，研究自然资源的合理开发和利用；（2）深入认识和掌握造成环境污染和破坏的根源与危害，防治环境质量的恶化，保护人体健康；（3）为人类提供一个舒适的环境，以促进经济与环境的可持续发展。,环境保护的内容（1）大气污染防治（2）水污染防治（3）食物污染防治（4）土壤污染防治（5）自然保护和自然保护区,2.2.4环境保护是中国的一项基本国策,1983年底，在国务院召开的第二次全国环境保护会议上，李鹏总理代表国务院宣布，保护环境是中国的一项基本国策。所谓国策是立国、治国之策，是对国家经济、社会发展和人民物质文化生活的提高具有全局性、长久性和决定性影响的重大战略决策。把环境保护作为一项基本国策是由我国国情决定的：,第四节环境科学及其分支,4.1环境科学的研究对象环境科学是以“人类环境”系统为其特定的研究对象，研究该系统的发生和发展、调节和控制，以及改造和利用的科学；环境科学是一门新兴的综合性的边缘科学。（酝酿于20世纪60年代，集成于20世纪70年代）,4.2、环境科学的研究内容和任务4.2.1研究内容（次生环境问题）：（1）人类和环境的关系；（2）污染物在自然环境中的迁移、转化、循环和积累的过程和规律（3）环境污染的危害；（4）环境状况的调查、评价和环境预测；（5）环境污染的控制和防治；（6）自然资源的保护和合理使用；（7）环境监测、分析技术和预报；（8）环境区域规划和环境规划；（9）环境管理。,4.2.2任务：抓住人类与环境这一矛盾的实质，研究其间的对立统一规律，掌握其发展规律，以便能动地改造环境并积极调节其间的物质和能量的交换过程，促使环境朝着有利于人类的方向演化。,改善环境质量,4.3环境科学的发生与发展分化发展阶段整体发展阶段,4.4环境科学的分科分为三大部分：1、环境学：环境科学的核心，研究环境科学基本理论和方法论；2、基础环境学：环境科学发展中形成的基础学科；（环境数学、环境物理学、环境化学等）3、应用环境学：环境科学中实践应用的学科。（环境工程学、环境经济学、环境管理学等）,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,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04，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。,二、大气圈垂直结构,大气圈的总质量约为61015t，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2225km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。,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。,（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。,（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）NO2NO+O（2）NO+ONO2O+O2O3O+HCR+RCO（3）O3+HCRCO2+RCHO（醛）+R2CO（酮）（4）RCO2+NONO2+RCORCO+O2RCO3（5）RCO3+NO2RCO3NO2,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。,3137,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(SBSSickBuildingSyndrome)：现代都市病,3138,一、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,3139,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,3140,1室内常见悬浮颗粒物,3141,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,3142,尘螨适宜环境2030，7585，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,3143,军团病(legionnairesdisease)：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