南开大学《环境化学》课件第二章

1、环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-1环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-2内容提要及重点要求内容提要及重点要求主要介绍大气结构，大气中的主要污染物及其迁主要介绍大气结构，大气中的主要污染物及其迁移，光化学反应基础，重要的大气污染化学问题及其移，光化学反应基础，重要的大气污染化学问题及其形成机制。要求了解大气的层结结构，大气中的主要形成机制。要求了解大气的层结结构，大气中的主要污染物，大气运动的基本规律。掌握污染物遵循这些污染物，大气运动的基本规律。掌握污染物遵循这些规律而发生的迁移过程，特别是重要污染物参与光化规律而发生的迁移过程，特别是重要污

2、染物参与光化学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。还应了解描学烟雾和硫酸型烟雾的形成过程和机理。还应了解描述大气污染的数学模式和酸雨、温室效应，以及臭氧述大气污染的数学模式和酸雨、温室效应，以及臭氧层破坏等全球性环境问题。层破坏等全球性环境问题。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-3环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学一、大气的主要成分一、大气的主要成分(Main Compositions of the Atmosphere)二、大气层的结构二、大气层的结构(Stratification of the Atmosphere)三、大气中的主要污染物三、大

3、气中的主要污染物(Primary Pollutants in the Atmosphere)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-4一、一、 大气的主要成分大气的主要成分(Main Compositions of the Atmosphere)大气的主要成分（体积分数）包括：大气的主要成分（体积分数）包括：N2（78.08%）、）、 O2（20.95%）、）、 Ar（0.943%）和）和CO2（0.0314%）。）。几种惰性气体：几种惰性气体：He（5.2410-4）、）、Ne（1.8110-3）、）、Kr（1.1410-4）和）和Xe（8.710-6）的含量相对比较高。

4、）的含量相对比较高。水蒸气的含量是一个可变化的数值，一般在水蒸气的含量是一个可变化的数值，一般在1% 3%。痕量组分，如痕量组分，如H2（510-5）、）、CH4（210-4）、）、CO（110-5）、）、SO2（210-7）、）、NH3（610-7）、）、N2O（310-5）、）、NO2（210-6）、）、O3（410-6）等。）等。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-5Atmospheric Trace Gases in Dry Air Near Ground Levela Level in the absence of gross pollution; b Fro

5、m biological sources; c Sources arising from human activities; d Sum of NO, NO2, and NO3, of which NO3 is a major reactive species in the atmosphere at night; e Reactive free radical species with one unpaired electron, transient species whose concentrations become much lower at night; f A chlorofluo

6、rocarbon, Freon F-12; g Methyl chloroform.From Environmental Chemistry, S.E. Manahan, CRC Press, 2004环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-6地表大气的平均压力为地表大气的平均压力为 101 300 Pa，相当于，相当于每平方厘米地球表面包围着每平方厘米地球表面包围着 1034 g的空气。地球的空气。地球的总表面积为的总表面积为510 100 934 km2，所以大气总质量，所以大气总质量约为约为5.3 1018 kg，相当于地球质量的，相当于地球质量的10-6倍。大倍。大

7、气随高度的增加而逐渐稀薄，气随高度的增加而逐渐稀薄，其质量的其质量的99.9集中集中在在 50 km以下的范围内。海拔高度大于以下的范围内。海拔高度大于100 km的的大气中，大气质量仅是整个大气圈质量的百万分之大气中，大气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。一。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-7环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学一、大气的主要成分一、大气的主要成分(Main Compositions of the Atmosphere)二、大气层的结构二、大气层的结构(Stratification of the Atmosphere)三、大气

8、中的主要污染物三、大气中的主要污染物(Primary Pollutants in the Atmosphere)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-81. 对流层对流层 （Troposphere）高度：高度： 0(1016) km ，随纬度和季节发，随纬度和季节发生变化生变化温度：大约每上升温度：大约每上升100 m，降低，降低 0.6 空气运动：低纬度较强，高纬度较弱，夏空气运动：低纬度较强，高纬度较弱，夏季较强，冬季较弱季较强，冬季较弱密度：密度大，占大气总质量的密度：密度大，占大气总质量的3/4低层大气（低层大气（12 km）：摩擦层或边界层，）：摩擦层或边界层，

9、污染物集中；污染物集中；自由层大气（自由层大气（2 km以上）：自然现象；以上）：自然现象；对流层顶层：水变冰，阻止水分子进入平对流层顶层：水变冰，阻止水分子进入平流层，阻止了氢的损失。流层，阻止了氢的损失。H2O H + HO热层热层中间层顶中间层顶中间层中间层平流层顶平流层顶平流层平流层对流层顶对流层顶对流层对流层环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-92. 平流层平流层 (Stratosphere)高度：高度： (1016)50 km温度：同温层温度：同温层 对流层顶端对流层顶端(3035 km) 3035 km以上开始下降以上开始下降 空气运动：没有对流，平流为主

10、空气运动：没有对流，平流为主空气稀薄，很少出现天气现象空气稀薄，很少出现天气现象在高在高度度1560 km，有厚约，有厚约 20 km的臭氧层，其的臭氧层，其生成和去除过程为：生成和去除过程为：O2 O + O O + O2 O3O3 O + O2 O3 + O 2O2吸收紫外线，放出热量，臭氧吸收热量吸收紫外线，放出热量，臭氧吸收热量3. 中间层中间层 (Mesosphere)： 5080 km4. 热层（电离层）热层（电离层）(Thermosphere)：80500 km吸收紫外线造成温度上升，空气高度电离，因吸收紫外线造成温度上升，空气高度电离，因此也称为电离层，占大气质量的此也称为电离

11、层，占大气质量的0.5%5. 逃逸层逃逸层，外大气层，外大气层 (Exosphere)热层热层中间层顶中间层顶中间层中间层平流层顶平流层顶平流层平流层对流层顶对流层顶对流层对流层环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-10环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-11thermospheremesospherestratospheretropospheretemperatureDegree of penetration ofincoming solar radiationPrincipal chemicalspeciesN2, O2, N, O,N2+,

12、O2+, NO+, O+N2, O2, O3N2, O2, H2O, Ar, CO2N2, O2, NO,N2+, O2+, NO+100 nm to long200 nm to long330 nm to longpressure16020024028004080400500Height/kmTemperature/KPressure/Pa10-2 1 102 104 106环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-12RTMghhpp/0eRTMghpph303. 2lglg0RTMghph303. 2lg环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-13环

13、境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学一、大气的主要成分一、大气的主要成分(Main Compositions of the Atmosphere)二、大气层的结构二、大气层的结构(Stratification of the Atmosphere)三、大气中的主要污染物三、大气中的主要污染物(Primary Pollutants in the Atmosphere)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-14三、三、 大气中的主要大气中的主要污染物污染物(Primary Pollutants in the Atmosphere)一次污染物一次污染物是指直接从

14、污染源排放的污染物质，如是指直接从污染源排放的污染物质，如CO、SO2 、NO等。等。二次污染物二次污染物是指由一次污染物经化学反应形成的污染物是指由一次污染物经化学反应形成的污染物质，如臭氧（质，如臭氧（O3）、硫酸盐颗粒物等。）、硫酸盐颗粒物等。大气污染物按照化学组成还可以分为：大气污染物按照化学组成还可以分为：含硫化合物含硫化合物 (Sulfur Compounds)含氮化合物含氮化合物 (Nitrogen Compounds)含碳化合物含碳化合物 (Carbon Compounds)含卤素化合物含卤素化合物 (Halogen Compounds)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境

15、化学大气环境化学2-151. 1. 含硫化合物含硫化合物 (Sulfur Compounds)大气中的含硫化合物主要包括：氧硫化碳大气中的含硫化合物主要包括：氧硫化碳(COS)、二硫化二硫化碳碳(CS2)、二甲基硫二甲基硫(CH3)2S、硫化氢硫化氢(H2S)、二氧化硫二氧化硫(SO2)、三氧化硫三氧化硫(SO3)、硫酸硫酸(H2SO4)、亚硫酸盐亚硫酸盐(MSO3)和和硫酸盐硫酸盐(MSO4)等。等。SO2的来源与消除：人为来源中，有的来源与消除：人为来源中，有60来自煤的燃烧，来自煤的燃烧，30左右来自石油燃烧和炼制过程；有左右来自石油燃烧和炼制过程；有50%会转化形成会转化形成硫酸或硫酸

16、根，另外硫酸或硫酸根，另外50%可以通过干湿沉降从大气中被可以通过干湿沉降从大气中被消除；消除；SO2的浓度特征：本底浓度一般在的浓度特征：本底浓度一般在0.210 L m-3之间，之间，随不同地区发生变化。随不同地区发生变化。 （1 1）二氧化硫）二氧化硫 (Sulfur Dioxide, SO2)SO2的危害：的危害：刺激性气体，呼吸道刺激性气体，呼吸道危害；植物危害；危害；植物危害； 酸雨；酸雨；环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-16SO2SO2SO2SO2SO2SO2SO2SSSSSSSS环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-17早、晚早

17、、晚SO2排放量大，且逆温层低，大气稳定，排放的排放量大，且逆温层低，大气稳定，排放的SO2不易扩散不易扩散影响因素包括：高度、污染源位置与风向、风速、大气稳定度、低层影响因素包括：高度、污染源位置与风向、风速、大气稳定度、低层逆温、湍流逆温、湍流 环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-18（2 2）硫化氢）硫化氢 (Hydrogen Sulfide, H2S)许多天然源都可以向环境中排放含硫化合物，如许多天然源都可以向环境中排放含硫化合物，如火山火山爆发、海水浪花和生物活动爆发、海水浪花和生物活动等。等。H2S主要来自主要来自动植物机体的腐烂，即主要由植物机体动植物机体

18、的腐烂，即主要由植物机体中的硫酸盐经微生物的中的硫酸盐经微生物的厌氧活动厌氧活动还原产生。还原产生。而大气中而大气中H2S主要的主要的去除反应去除反应为：为：HO + H2SH2O+ SH 大气中大气中H2S的本底浓度（以体积分数表示）一般为的本底浓度（以体积分数表示）一般为0.220 L m-3，停留时间，停留时间2100）条件下氧化）条件下氧化生成生成NOx。其机理为链反应机制：。其机理为链反应机制：22222NOO21NOHNOOHNONOONNNONOOOO（极快）（极快）（极快）（极快）（慢）环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-22（3）燃料燃烧过程中影响）燃

19、料燃烧过程中影响NOx形成的因素形成的因素 (Factors Affecting the Formation of NOx during Combustion)燃烧温度：燃烧温燃烧温度：燃烧温度越高，形成度越高，形成的的NOx的数量的数量也越多。也越多。 空燃比（质量比）：空燃比（质量比）：化学计量空燃化学计量空燃比。比。对于典型的汽油其对于典型的汽油其化学计量空燃比为化学计量空燃比为14.6 。24002000160012008004000化学计量空燃比化学计量空燃比氮氧化物氮氧化物碳氢化合物碳氢化合物图汽油中碳氢化合物，图汽油中碳氢化合物，CO和氮氧化物的排放量和氮氧化物的排放量（体积分数

20、）与空燃比的关系（体积分数）与空燃比的关系CO120010008006004002000(氮氧化物氮氧化物)/10-6(碳氢化合物碳氢化合物)/10-6(CO)/摩尔百分比摩尔百分比11 12 13 14 15 16 17 18空燃比空燃比987654321环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-23（4）NOx的环境浓度的环境浓度 (NOx Concentrations in the Environment)n全球总平均体积分数全球总平均体积分数NO为为1.0 L m-3，NO2为为2.0 L m-3 。（5）NOx的危害的危害 (Adverse Effects of N

21、Ox)uNO的生物化学活性和毒性都不如的生物化学活性和毒性都不如NO2，可与血红蛋白结合，可与血红蛋白结合，并减弱血液的输氧能力；并减弱血液的输氧能力；uNO2使肺部损伤，导致肺炎、纤维组织变性性支气管炎；使肺部损伤，导致肺炎、纤维组织变性性支气管炎；u植物毒性；植物毒性；uNOx是导致大气光化学污染的重要污染物质。是导致大气光化学污染的重要污染物质。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-24223234HCOHCHOHOHCHOOCHOHCHHOCHh环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-25CO的去除的去除 土壤吸收：细菌能土壤吸收：细菌能将将C

22、O代谢为代谢为CO2和和CH4 与与HO的反应，该途径可去除大气中约的反应，该途径可去除大气中约50的的COCO的停留时间：约的停留时间：约0.4年年 CO的危害：使人体缺氧窒息；参与光化学反应，适量的危害：使人体缺氧窒息；参与光化学反应，适量CO的的存在可以促进存在可以促进NO向向NO2的转化，从而促进了臭氧的积累的转化，从而促进了臭氧的积累。22COO21COOHCH3HCO242HCOHOCO2MHOMOH22HCOHOCO2MHOMOH22HONOHONO22HOCOHOCO22环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-26而且，空气中存在的而且，空气中存在的CO也可

23、以导致臭氧的积累：也可以导致臭氧的积累：CO + 2O2 CO2 + O3 CO本身也是一种温室气体，可以导致温室效应；大本身也是一种温室气体，可以导致温室效应；大气中气中CO的增加，将导致大气中的增加，将导致大气中HO 减少，这使得可减少，这使得可与与HO 反应的物种，如甲烷得以积累。甲烷是一种温反应的物种，如甲烷得以积累。甲烷是一种温室气体，可吸收太阳光谱的红外部分，而间接地导致室气体，可吸收太阳光谱的红外部分，而间接地导致温室效应的发生温室效应的发生 。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-27（2）二氧化碳二氧化碳 (Carbon Dioxide)CO2是一种无毒

24、、无嗅的气体，对人体没有显著的危害是一种无毒、无嗅的气体，对人体没有显著的危害作用。作用。CO2的来源的来源 (Sources of CO2) 大气中大气中CO2的来源也包括的来源也包括人为来源人为来源和和天然来源天然来源两种。两种。CO2的人为来源主要是的人为来源主要是矿物燃料的燃烧过程矿物燃料的燃烧过程。CO2的天然来源主要包括：的天然来源主要包括：海洋脱气、甲烷转化、动植海洋脱气、甲烷转化、动植物呼吸和腐败作用，以及燃烧作用。物呼吸和腐败作用，以及燃烧作用。温室气体温室气体 。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-28290 mL m-3315 mL m-3350

25、mL m-3环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-29 陆地植被具有吸收和释放陆地植被具有吸收和释放CO2的双重作用，一方面表现为通的双重作用，一方面表现为通过热带雨林地区土地利用方式的改变向大气释过热带雨林地区土地利用方式的改变向大气释放放CO2，从而加，从而加速全球气候变暖的进程；另一方面，北半球的植被，尤其速全球气候变暖的进程；另一方面，北半球的植被，尤其是温带森林和北方森林通过是温带森林和北方森林通过CO2施肥效应吸收大气中的施肥效应吸收大气中的CO2，从而减缓全球气候变暖的进程，这两方面的平衡决定着全从而减缓全球气候变暖的进程，这两方面的平衡决定着全球植被，尤其

26、是森林对大气球植被，尤其是森林对大气CO2浓度变化的贡献。除了植被浓度变化的贡献。除了植被的作用外，大气的作用外，大气海洋之间的海洋之间的CO2交换量的变化也能对大气交换量的变化也能对大气CO2浓度的季节变化产生一定的影响。浓度的季节变化产生一定的影响。 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2 CO2环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-30CO2的危害的危害(Adverse effects of CO2)温室效应温室效应：CO2分子对可见光分子对可见光几乎完全透过，但是对红外辐几乎完全透过，但是对红外辐射，特别是波长在射，特别是波长在1218 m范围内的红外辐射

27、，则是一个范围内的红外辐射，则是一个很强的吸收体，因此低层大气很强的吸收体，因此低层大气中的中的CO2能够有效地吸收地面能够有效地吸收地面发射的长波辐射，造成温室效发射的长波辐射，造成温室效应，使近地面大气变暖。有人应，使近地面大气变暖。有人提出，如果大气中提出，如果大气中CO2增加两增加两倍，全球气温将升高倍，全球气温将升高3.6 。 太阳总辐射强度太阳总辐射强度太阳太阳240 W m-2部分太阳辐射会被地球部分太阳辐射会被地球表面和大气层所折返表面和大气层所折返返回太空时的总红外辐射强度返回太空时的总红外辐射强度240 W m-2108 w m-2大气层大气层太阳辐射太阳辐射经过地球经过地

28、球的大气层的大气层大部分的太阳辐射大部分的太阳辐射会被地球表面吸收会被地球表面吸收则令地面温暖起来则令地面温暖起来地球表面释放的地球表面释放的红外辐射红外辐射地球地球部分红外辐射会部分红外辐射会被温室气体所吸被温室气体所吸收和再次释放出收和再次释放出来。此效应令地来。此效应令地球表面和大气层球表面和大气层底层变暖。底层变暖。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-31近年来，有许多模式预测温室气体排放的变化对全球气温造成的影响。近年来，有许多模式预测温室气体排放的变化对全球气温造成的影响。下图为全球气温变化的一个预测结果。如果维持目前的排放量，那么就是下图为全球气温变化的一

29、个预测结果。如果维持目前的排放量，那么就是图中图中“中方案中方案”这条线，则每这条线，则每10年气温增长约年气温增长约0.3。如果加速温室气体的。如果加速温室气体的排放，其后果如图中排放，其后果如图中“高方案高方案”曲线所示，每曲线所示，每10年增温年增温0.8。如果不再排。如果不再排放温室气体，结果仍会造成每放温室气体，结果仍会造成每10年增温年增温0.06。而实际的变化趋势很有可。而实际的变化趋势很有可能介于高、低两种方案之间。能介于高、低两种方案之间。高方案速率0.8 (10a)-1中方案速率0.3 (10a)-1低方案速率0.06 (10a)-1环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境

30、化学大气环境化学2-32From Environmental Chemistry, S.E. Manahan, CRC Press, 2004Earths radiation budget expressed on the basis of portions of the 1340 W m-2 composing the solar fluxAtmospheric limit1340 W/m2 reach the upper limits of the atmosphere234 W absorbed by the atmosphere322 W reflected from clouds t

31、o space797 W infrared radiationa trans-mitted to space from atmosphere74 W infrared radiation transmitted to space from earths surface194 W diffuse radiation from clouds54 W reflected to space from earths surface2090 W infrared radiation emitted by atmosphere1460 W infrared radiation from earths sur

32、face absorbed in atmosphere141 W diffuse radiation from blue sky301.5 W reach earths surface directly636 W of solar radiation absorbed at earths surface248 W of latent heat and 147 W of sensible heat transferred from earths atmosphere by evaporation and convection1293 W infrared radiation absorbed a

33、t the earths surface1534 W of infrared radiation emitted from Earths surface环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-33The average surface temperature is maintained at a relatively comfortable 15 because of an atmospheric greenhouse effect in which water vapor and, to a lesser extent, carbon dioxide reabsorb m

34、uch of the outgoing radiation and reradiate about half of it back to the surface. Were this not the case, the surface temperature would average around -18 . Most of the absorption of infrared radiation is done by water molecules in the atmosphere. Absorption is weak in the regions of 7 to 8.5 and 11

35、 to 14 m, and nonexistent between 8.5 and 11 m, leaving a hole in the infrared absorption spectrum through which radiation may escape. Carbon dioxide, though present at a much lower concentration than water vapor, absorbs strongly between 12 and 16.3 m and plays a key role in maintaining the heat ba

36、lance. There is concern that an increase in the carbon dioxide level in the atmosphere could prevent sufficient energy lose to cause a perceptible and damaging increase in the earths temperature.环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-34碳氢化合物是大气中的重要污染物。碳氢化合物是大气中的重要污染物。大气中以大气中以气态气态存在的碳氢化合物的存在的碳氢化合物的碳原子数主要为碳原子数

37、主要为110，包括可挥发性的所有烃类。它们是，包括可挥发性的所有烃类。它们是形成光化学形成光化学烟雾的主要参与者烟雾的主要参与者。其他碳氢化合物大部分以。其他碳氢化合物大部分以气溶胶气溶胶形式形式存在于大气中。存在于大气中。烷烃、烯烃、芳香烃。烷烃、烯烃、芳香烃。人们常常根据烃类化合物在光化学反应过程中活性的人们常常根据烃类化合物在光化学反应过程中活性的大小，把烃类化合物区分为大小，把烃类化合物区分为甲烷（甲烷（CH4）和和非甲烷烃非甲烷烃（NMHC）两类。两类。（3）碳氢化合物）碳氢化合物 (Hydrocarbons，HCs)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-35甲

38、烷甲烷 (Methane)甲烷是无色气体，性质稳定。它在大气中的浓度仅甲烷是无色气体，性质稳定。它在大气中的浓度仅次于二氧化碳，大气中的碳氢化合物有次于二氧化碳，大气中的碳氢化合物有80%85%是甲烷。甲烷是甲烷。甲烷是一种重要的是一种重要的温室气体温室气体，可以吸收波，可以吸收波长为长为7.7 m的红外辐射，将辐射能转化为热量，影的红外辐射，将辐射能转化为热量，影响地表温度。响地表温度。每个每个CH4分子导致温室效应的能力比分子导致温室效应的能力比CO2分子大分子大20倍倍；而且，目前甲烷以每年；而且，目前甲烷以每年1%的速率的速率增加，增加速率之快在其他温室气体中是少见的。增加，增加速率之

39、快在其他温室气体中是少见的。 环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-36 甲烷的主要甲烷的主要排放源（排放源（IPCC，1995） 排放源数量和范围/Tg(CH3) a-1天然源湿地115 (5150)白蚁20 (1050)海洋10 (550)其他15 (1040)小计160 (110210)人为源化石燃料（煤、石油、天然气）100 (70120)反刍类家畜85 (65100)水田60 (20100)生物质燃烧40 (2080)废物填埋40 (2070)动物排泄物25 (2030)下水道处理25 (1580)小计375 (300450)环境化学环境化学 第二章第二章 大气

40、环境化学大气环境化学2-37产生甲烷的机制都是产生甲烷的机制都是厌氧细菌的发酵过程厌氧细菌的发酵过程，该过程可发生在，该过程可发生在沼泽、沼泽、泥塘、湿冻土带和水稻田底部泥塘、湿冻土带和水稻田底部等环境；此外，等环境；此外，反刍动物及蚂蚁反刍动物及蚂蚁等等的呼吸过程也可产生甲烷。的呼吸过程也可产生甲烷。 中国是一个农业大国，其水稻田面积约占全球中国是一个农业大国，其水稻田面积约占全球水稻田面积的水稻田面积的1/31/3。因而因而水稻田成为我国大气中甲烷的最大排放源。水稻田成为我国大气中甲烷的最大排放源。 中国主要的甲烷排放源（中国主要的甲烷排放源（1988） 研究表明，水稻田排放的甲烷的数研究

41、表明，水稻田排放的甲烷的数量受多种因素的影响，如气温、土量受多种因素的影响，如气温、土壤的性质和组成、耕作方式等。而壤的性质和组成、耕作方式等。而且，在水稻不同的生长期，其排放且，在水稻不同的生长期，其排放甲烷的能力也不同甲烷的能力也不同。排放源排放量/1012 ga-1水稻田172家畜5.5煤矿6.1天然湿地2.2农村堆肥3.2城镇0.6合计34.60.2环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-38b. 大气中大气中CH4的去除的去除CH4在在大气中主要是通过大气中主要是通过与与HO 反应反应被去除：被去除：使得使得CH4在大气中的寿命约为在大气中的寿命约为11年年 。近

42、近200年来大气中甲烷浓度的增加，年来大气中甲烷浓度的增加，70是由于直接排放的结是由于直接排放的结果，果，30则是由于大气中则是由于大气中HO 浓度下降所造成的。浓度下降所造成的。c. 大气中大气中CH4的浓度分布特征的浓度分布特征CH4的排放源主要分布在北半球。因为排放源的季节变化随地的排放源主要分布在北半球。因为排放源的季节变化随地区不同而异，因此在北半球区不同而异，因此在北半球CH4浓度的季节变化也因地而异。浓度的季节变化也因地而异。在南半球，在南半球，CH4大多为天然源排放，其浓度主要受大多为天然源排放，其浓度主要受HO 控制，控制，因此它的季节变化十分有规律。总体上逐年增加的趋势是

43、十因此它的季节变化十分有规律。总体上逐年增加的趋势是十分明显的。分明显的。OHCHHOCH234环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-39图大气中CH4的变化（Dlugokencky, et al.，1994）环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-40非甲烷烃非甲烷烃 (Non-methane Hydrocarbons, NMHC)全球大气中非甲烷烃的来源包括煤、石油和植物等。全球大气中非甲烷烃的来源包括煤、石油和植物等。非甲烷烃的种类很多，因来源而异。非甲烷烃的种类很多，因来源而异。 a. 非甲烷烃的天然来源非甲烷烃的天然来源植被最重要，其他天然来

44、源则包括微生物、森林火灾、动植被最重要，其他天然来源则包括微生物、森林火灾、动物排泄物及火山爆发。物排泄物及火山爆发。乙烯乙烯 、萜烯类化合物，约占非甲烷烃总量的、萜烯类化合物，约占非甲烷烃总量的65。 -蒎烯异戊二烯苎烯(1,8-萜二烯)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-41环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-42ICHICH33h环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-43许多卤代烃是重要的化学溶剂，也是有机合成工业的重要的原许多卤代烃是重要的化学溶剂，也是有机合成工业的重要的原料和中间体，因此，三氯甲烷料和中间体，因此

45、，三氯甲烷(CHCl3)、三氯乙烷、三氯乙烷(CH3CCl3)、四氯化碳四氯化碳(CCl4)和氯乙烯和氯乙烯(C2H3Cl)等可通过生产和使用过程挥发等可通过生产和使用过程挥发进入大气，成为大气中常见的污染物。它们主要是来自于人为进入大气，成为大气中常见的污染物。它们主要是来自于人为来源。来源。在对流层中，三氯甲烷和氯乙烯等可通过与在对流层中，三氯甲烷和氯乙烯等可通过与HO 反应，转化为反应，转化为 HCl，然后经降水而被去除。如：，然后经降水而被去除。如：34222223233CHHClCHClOHOClHOClONOClNOClOClOCOClOCClOHCClHOCHCl环境化学环境化学

46、 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-44（2）氟氯烃类氟氯烃类 (Chlorofluorocarbons, CFCs)一氟三氯甲烷一氟三氯甲烷(CFCl3，CFC-11或或F-11)二氟二氯甲烷二氟二氯甲烷(CF2Cl2，CFC-12或或F-12)它们可以用作制冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、它们可以用作制冷剂、气溶胶喷雾剂、电子工业的溶剂、制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。制造塑料的泡沫发生剂和消防灭火剂等。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-45因此，它们最可能的去除途径就是扩散进入平流层。因此，它们最可能的去除途径就是扩散进入平流层。 环境化学环境化

47、学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学危害危害进入到平流层的氟氯烃类化合物，在平流层强烈的紫外线作进入到平流层的氟氯烃类化合物，在平流层强烈的紫外线作用下，会发生下面的反应：用下，会发生下面的反应：每每放出放出1个氯原子就可以和个氯原子就可以和105个臭氧分子发生反应。个臭氧分子发生反应。2-46而在烷烃而在烷烃分子中尚有分子中尚有H未被取代的氟氯烃类化合物，寿命未被取代的氟氯烃类化合物，寿命要短得多。这是因为含要短得多。这是因为含H的卤代烃在对流层大气中能与的卤代烃在对流层大气中能与HO 发生反应：发生反应：该反应导致了该反应导致了CHCl2F的寿命约为的寿命约为22a。ClOOClOO

48、ClOOClClCFCl220nm175nmCFCl22323hOHFCClHOFCHCl222环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-47二氧化碳长波辐射环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-48Organic compounds from US EPA List of 160 hazardous air pollutants环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-49环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-50环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-51环境化学环境化学 第二章第二章 大气

49、环境化学大气环境化学2-52From Environmental Chemistry, S.E. Manahan, CRC Press, 2004环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-53Aromatic hydrocarbons were been found in the atmosphere, the first six compounds are among the top 50 chemicals manufactured and the last two are polycyclic aromatics BenzeneTolueneEthylbenzeneSt

50、yreneXylene (3 isomers)Cumene2,6-dimethylnaphthalenePyrene环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-54一、一、二、二、三、三、环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-55环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-56根据逆温形成的过程不同，可分为两种：根据逆温形成的过程不同，可分为两种：近地面层近地面层的逆温的逆温自由大气自由大气的逆温的逆温辐射逆温平流逆温融雪逆温地形逆温乱流逆温下沉逆温锋面逆温热力学条件热力学条件动力学条件动力学条件环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学

51、大气环境化学2-57环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-58环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-59一、一、二、二、三、三、环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-60 (Definition)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-61图未饱和空气三种不同稳定度（陈世训等，图未饱和空气三种不同稳定度（陈世训等，1981）环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-62一、一、二、二、三、三、环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-63一、一、二、二、三、三、环境化学环境

52、化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-64四、影响大气污染物迁移的因素四、影响大气污染物迁移的因素(Factors Affecting the Transport of Atmospheric Pollutants)环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-65环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-66环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-67C. C. 气体污染物的扩散很大程度取决于对流与湍流的混合程度，气体污染物的扩散很大程度取决于对流与湍流的混合程度，垂直运动程度越大，用于稀释污染物的大气容积量也就越大垂直运动程度越

53、大，用于稀释污染物的大气容积量也就越大。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-68日变化日变化夜间最大混合层高度夜间最大混合层高度较低、夜间逆温较重情况下，最大混合层较低、夜间逆温较重情况下，最大混合层高度甚至可以达到零；白天则升高，在白天可能达到高度甚至可以达到零；白天则升高，在白天可能达到20003000 m。季节性变化季节性变化冬季平均最大混合层高度最小，夏初为最大。冬季平均最大混合层高度最小，夏初为最大。当最大混合层高度小于当最大混合层高度小于1500 m时，城市会普遍出现污染时，城市会普遍出现污染现象。现象。环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化

54、学2-69环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-70热气流上升冷气流下降陆陆 地地海海 洋洋白天白天表面温度低表面温度低 表面温度高表面温度高表面温度高表面温度高 表面温度低表面温度低夜晚夜晚海风海风陆风环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-71热气流上升冷气流下降陆陆 地地海海 洋洋陆风海陆风海风海风白天白天表面温度低表面温度低 表面温度高表面温度高环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-72热气流上升冷气流下降陆陆 地地海海 洋洋海风海陆风1 上下循环上下循环2 水平循环水平循环3 逆温逆温 阻碍扩散阻碍扩散封闭型、漫烟型污染

55、封闭型、漫烟型污染陆风表面温度高表面温度高 表面温度低表面温度低夜晚夜晚环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-73郊区冷空气热岛效应城 市冷空气郊区城郊风城郊风污染物聚集在城市上空污染物聚集在城市上空环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-74环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-75环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-76环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-77Climate Impacts of Air Quality Policy: Switching to a Natural

56、 Gas-Fueled Public Transportation System in New DelhiC. C . O . Reynolds and M. Kand LikarEnviron Sci Technol 2008, 42: 5860-5865 Between 2001 and 2003, public transport vehicles in New Delhi were required to switch their fuel to natural gas in an attempt to reduce their air pollution impacts. This

57、study examines the climatic impacts of New Delhis fuel switching policy, and outlines implications for such efforts in rapidly industrializing countries. Natural gas is mostly composed of methane, an important greenhouse gas. Emitted aerosols (black carbon, particulate organic carbon, and sulfate) a

58、lso cause radiative forcing. We find that methane and black carbon emissions 文献学习文献学习环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-78are critical contributors to the change in carbon dioxide equivalent CO2(e) emissions. In New Delhi, the switch to natural gas results in a 30% increase in CO2(e) when the impact of a

59、erosols is not considered. However, when aerosol emissions are taken into account in our model, the net effect of the switch is estimated to be a 10% reduction in CO2(e), and there may be as much as a 30% reduction in CO2(e). There is significant potential for emissions reductions through the United

60、 Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC) Clean Development Mechanism for such fuel switching projects.环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-79环境化学环境化学 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2-80 Representation of major atmospheric chemical processesInterchange of chemical species,M. with particlesParticlesMMM*M