第二章大气环境化学

1、(atmosphere environmental chemistry)（1）污染物在大气中迁移过程；）污染物在大气中迁移过程；（2）光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成）光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成 过程和机理。过程和机理。1. 研究对象研究对象：天然和人为活动产生的大气中重要的活性物质，包：天然和人为活动产生的大气中重要的活性物质，包括大气、降水中的。括大气、降水中的。 活性是指：活性是指：有反应性；有反应性；无反应性，但对生物有害，如无反应性，但对生物有害，如sox、nox、o3、pan等。等。2. 研究范围研究范围：对流层和平流层，：对流层和平流层， 103物种co2ch4h2n2oo3ti(

2、y)5152.5868102物种h2oconoxso2h2shcspmti(days)1073185810240.5221030（spm包括海盐、土壤、有机来源）半球混匀12month，全球混匀12y；因此ti超过2年的，由于大气运动而混匀。 气温、气压、湿度、风、云量气温、气压、湿度、风、云量1 1、气温、气温 一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。 大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。 气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。2 2、气压、

3、气压: :初始状态：初始状态： 地面处高度地面处高度0 0： 压强压强p1=gzp1=gz高度增加高度增加z, z, 则高度则高度z z处：处： 压强压强p2=g(z-p2=g(z-z)z) 所以，得到：所以，得到：p2-p1=p2-p1=p=-gp=-gz z转化为微分形式则： (1)（密度g/m3，空气=1.29g/l，g重力加速度9.8m/s2）。另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nrt = (令 )= (2)gdzdpmmrtpv mrtmrtvmpmrr trp其中其中r=8.314jr=8.314jmolmol-1-1k k-1-1,m,m气体摩尔质量（

4、空气的摩尔体积为气体摩尔质量（空气的摩尔体积为22.4l22.4lmolmol-1-1，空气密度，空气密度=1.29g=1.29gl l-1-1, ,所以所以m=22.4m=22.4* *1.29=28.869gmol1.29=28.869gmol- -1 1）, ,所以所以r=r/m=287 jr=r/m=287 jkgkg-1-1k k-1-1。由（由（1 1）和（）和（2 2）得到：）得到： = （3） 可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。gdzdptrpgdztrgdztrgpdp1dztrgpdp1dztrgpp1ln0dztrgpp1exp0

5、风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s）3 3、风、风 水平方向的空气运动，垂直方向水平方向的空气运动，垂直方向则称为对流或升降气流。则称为对流或升降气流。 一般用风向、风速来表示风一般用风向、风速来表示风的特征的特征 风向一般用风向一般用1616个方位表示，个方位表示，(e s w n)(e s w n) 风速是单位时间内空气在水风速是单位时间内空气在水平方向移动的距离（平方向移动的距离（m/sm/s） 一般风速是地面以上一般风速是地面以上10m10m处风处风速仪观测得到的平均值速仪观测得到的平均值4 4、云、云 大气中水汽凝结的产物大气中水汽凝结的产物 一般用云量、云高来确定大气稳定度一般用云量

6、、云高来确定大气稳定度 云高：云层底部距离地面的高度，高云（云高：云层底部距离地面的高度，高云（5000m5000m）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）低云（）低云（2500m = = 根据迈耶定律：r+cv=cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能变化，jmol-1k-1) 所以：ncvdtdppnrtnrdtdppnrtncvdtnrdtdpprtcvdtrdtpdprtdtcvr)(pdprtdtcp= = = = =对于空气对于空气r=287 jmolr=287 jmol-1-1k k-1-1 cp=996.5 jmol cp=996.5 jmol-1-1k k-

7、1-1所以：所以：3 3、干绝热递减率、干绝热递减率气团干绝热气团干绝热升高或降低升高或降低单位距离时，温度单位距离时，温度降低或升高降低或升高的数值，称为干的数值，称为干绝热递减率绝热递减率: :推导过程：推导过程： r rd d=-=-因为：因为： （干绝热方程）（干绝热方程）2121pppttpdpcrtdt1212lnlnppcrttppcrpptt1212286. 01212pptt ddzdt pdpcrtdtp 所以所以r rd d=- =- =又因为又因为所以：所以：r rd d= = =又由于又由于p=rtp=rt故故r rd d= = =0.98k/100m= = =0.9

8、8k/100m （1n=1kg m s1n=1kg m s-2-2,1j=1n m,1j=1n m）dpdpdzdppcrtdzpdpcrt11gdzdpdpgpcrt1dpcgprtpcg11221121125 .9968 . 95 .9968 . 95 .9968 . 9kmkgkgmsmsknmkgmskjkgmsddzdt干绝热递减率常数的推导干绝热递减率常数的推导大气稳定度：是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。根据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）的对比关系，可以确定大气稳定度。稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（rrd）中性：介于上述两种情况之间（r=r

9、d）注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大。解释解释： 当当rrrrd d时，时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。 当当r rr rd d时，时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd的关系可表示为：rd=

10、0.980.00不稳定 稳定中性 超稳定（逆温） 一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散 而逆温则使大气的温度变化逆转，随着高度升高，温度也升高（rh,所以hh3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和

11、夜间海洋和陆地之间的风向转换。风向转换。白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风对污染扩散的影响：对污染扩散的影响： 白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。 夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地。循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染会陆地。循环作用，如果污染源处于海路

12、风交界处，并处于局地环流，则污染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。1 1、海陆风、海陆风 2 2、城郊风、城郊风主要动力是城市热岛效应造成的城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧。郊区城市郊区3 3、山谷风、山谷风白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡谷风谷风夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底山风山风处于山谷地区的污染源很难

13、扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地。再是建造工业企业的胜地。大气的平均温度或称为地表的平均温度，就是地面气温，是指大气的平均温度或称为地表的平均温度，就是地面气温，是指1.252m之间的气温。地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射。之间的气温。地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射。目前大气和地球的平均温度维持不变约目前大气和地球的平均温度维持不变约15c（1227c范围），范围）

14、，表明地球与大气作为整体从太阳吸收的能量与反辐射回空间的能量表明地球与大气作为整体从太阳吸收的能量与反辐射回空间的能量是相等的。太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡。是相等的。太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡。太阳光通量（太阳光通量（solar flux），指地球外层空间（约），指地球外层空间（约1000km高空）每高空）每单位面积上（与太阳光垂直）、单位时间内所获得的太阳能，其数单位面积上（与太阳光垂直）、单位时间内所获得的太阳能，其数值约值约2cal/cm2 min。由于阳光与地球大气层的相互作用，到达地表。由于阳光与地球大气层的相互作用，到达地表的太阳能仅为的太阳能仅

15、为50%，约，约30%的能量反射回宇宙空间，另外的能量反射回宇宙空间，另外20%的能的能量被大气层吸收。量被大气层吸收。地球大气层外界的阳光强度是以太阳常数（地球大气层外界的阳光强度是以太阳常数（solar constant）来表）来表示的，定义为与光传播方向垂直的平面上，每单位面积接受到的光示的，定义为与光传播方向垂直的平面上，每单位面积接受到的光的总量。世界气象组织（的总量。世界气象组织（wmo）1981年公布的数字是年公布的数字是1368w/m2。辐射或光子是指具有能量的称为光量子的物质在空间传播的一种形辐射或光子是指具有能量的称为光量子的物质在空间传播的一种形态，传播时释放出的能量称为

16、辐射能。态，传播时释放出的能量称为辐射能。太阳辐射光谱是指在太阳辐射中的辐射按照波长的分布规律。太阳太阳辐射光谱是指在太阳辐射中的辐射按照波长的分布规律。太阳表面的温度约为表面的温度约为6000k，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括了整个电磁波谱，可称为是连续光谱。红外光部分（包括了整个电磁波谱，可称为是连续光谱。红外光部分（0.830 m）占占50%，可见光部分（，可见光部分（0.40.8 m）占）占40%，紫外光部分，紫外光部分（0.20.4 m）占）占10%，其余部分（高能辐射，其余部分（高能辐射x、y和宇宙射线）占和宇宙射线）占1%。太阳辐射

17、通过大气层到达地面时，大气中的各种组分主要是太阳辐射通过大气层到达地面时，大气中的各种组分主要是n2、o2、o3、co2、h2o和尘埃，能够吸收一定波长的太阳辐射，或反射、散和尘埃，能够吸收一定波长的太阳辐射，或反射、散射一定波长的辐射。高能量的太阳光量子还可引起分子解离。射一定波长的辐射。高能量的太阳光量子还可引起分子解离。由于电离层中由于电离层中n2、o2和平流层中和平流层中o3的吸收，波长小于的吸收，波长小于290nm的太阳的太阳辐射达不到地球表面，而波长为辐射达不到地球表面，而波长为300800nm的可见光波基本不被大的可见光波基本不被大气分子吸收，它们能够透过大气到达地面，即构成一个所谓光谱上的气分子吸收，它们能够透过大气到达地面，即构成一个所谓光谱上的“窗口窗口”，这部分能量约占太阳光总能量的，这部分能量约占太阳光总能量的40%左右。波长为左右。波长为8002000nm的长波辐射，则几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收掉。的长波辐射，则几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收掉。颗粒物（尘埃和云）能反射或