第四章 大气环境和性质

1、.第四章第四章 天然大气环境和性质天然大气环境和性质第四章第四章 天然大气环境和性质天然大气环境和性质第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇 第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述一、一、 大气污染化学的内容和特点大气污染化学的内容和特点大气污染化学研究的内容与大气化学相似，研究的对象大气污染化学研究的内容与大气化学相似，研究的对象更侧重于大气中对环境有影响的污染物质，即研究那更侧重于大气中对环境有影响的污染物质，即研究那些对大气环境有影响的污染物质的些对

2、大气环境有影响的污染物质的化学组成化学组成、理化性理化性质、存在状态、来源、分布及其在迁移、转化、累积质、存在状态、来源、分布及其在迁移、转化、累积和消除和消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律。等过程中的化学行为、反应机制和变化规律。第四章第四章 天然大气环境和性质天然大气环境和性质第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述对大气环境影响较大的污染物质主要有对大气环境影响较大的污染物质主要有:SO2、NOx、O3、CO、CH4、CFC及颗粒物、及颗粒物、自由基等自由基等（称为大气污染物），相当部分来（称为大气污染物），相当部分来自于人类的生产、生活活动。自于人类的生产、生活活动。第一节

3、第一节大气污染化学概述大气污染化学概述大气污染化学其主要特点是：大气污染化学其主要特点是：(1)(1) 由于大气本身是一个氧化性的介质，故发生在大气由于大气本身是一个氧化性的介质，故发生在大气中的化学过程往往是一个氧化的过程，即物质从低氧化中的化学过程往往是一个氧化的过程，即物质从低氧化态趋向于高氧化态。态趋向于高氧化态。(2)(2) 由于太阳辐射的作用，大气中的化学反应往往为光由于太阳辐射的作用，大气中的化学反应往往为光化学和热化学的综合过程，光化学反应在大气污染化学化学和热化学的综合过程，光化学反应在大气污染化学中占有重要的地位。中占有重要的地位。(3)(3) 由于大气始终处在物理、化学的

4、非平衡状态中，所由于大气始终处在物理、化学的非平衡状态中，所以主要考虑的是大气中化学反应过程的反应速度问题，以主要考虑的是大气中化学反应过程的反应速度问题，而不是其化学平衡问题。而不是其化学平衡问题。第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述 (4) (4) 由于大气中含有多种反应，各物种之间并非孤由于大气中含有多种反应，各物种之间并非孤立，往往通过大气自由基等活性粒子的作用而密切联系立，往往通过大气自由基等活性粒子的作用而密切联系在一起，故大气中的化学反应是十分复杂的。在一起，故大气中的化学反应是十分复杂的。 (5)(5) 由于大气中的化学反应过程都是在一定气象条由于大气中的化学反应过程都

5、是在一定气象条件下进行的，受各种气象因素的影响，因此，大气污染件下进行的，受各种气象因素的影响，因此，大气污染化学的研究必须与其它学科如大气物理学等紧密结合。化学的研究必须与其它学科如大气物理学等紧密结合。第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述二、大气污染化学的研究历史和发展趋势二、大气污染化学的研究历史和发展趋势 20世纪世纪40年代起，年代起，由于多起大气污染事件的发生，如洛杉由于多起大气污染事件的发生，如洛杉矶烟雾事件（矶烟雾事件（1944）、伦敦烟雾事件（）、伦敦烟雾事件（1952）等等，）等等，人们还发现了自由基氧化链锁反应及大气颗粒物与人们还发现了自由基氧化链锁反应及大气颗粒

6、物与SO2的协的协同作用同作用(硫酸烟雾硫酸烟雾-气溶胶气溶胶)对人体健康的影响。对人体健康的影响。大气不只是物理过程，始终进行着活跃的化学过程，使物质大气不只是物理过程，始终进行着活跃的化学过程，使物质组分、性状改变，即改变了大气的性质。组分、性状改变，即改变了大气的性质。第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述名称发生地及时间中毒情况原因马斯河谷烟雾事件1932年12月比利时马斯河谷数千人发病60人死亡，咳嗽、呼吸短促、流泪等SOSO2 2转化为转化为SOSO3 3进入进入肺部肺部多诺拉烟雾事件1948年10月美国多诺拉 4天内6000人患病，17人死亡，咳嗽、喉痛、胸闷SOSO2 2

7、同烟尘作用生成硫同烟尘作用生成硫酸盐，吸入肺部酸盐，吸入肺部伦 敦烟雾事件1952年12月英国伦敦5天内4000人死亡，已发生12次死近万人，胸闷、咳嗽、喉痛粉尘中粉尘中FeFe2 2O O3 3使使SOSO2 2转为转为硫酸，吸入肺部硫酸，吸入肺部洛衫矶光化学烟雾事件1943年5月到10月美国洛衫矶400人死亡，多数人患病，刺激眼、鼻、喉，引起眼病，喉炎石油、汽车废气在紫外石油、汽车废气在紫外线照射下，光化学烟雾线照射下，光化学烟雾水俣病事件1953年日本九州南部熊本水俣镇50人死亡，180人患病，口齿不清、面部痴呆、神经失常死亡食用含有甲基汞的鱼食用含有甲基汞的鱼痛痛病事件1931年197

8、3年日本富山县34人死亡，280人患病，关节痛骨骼软化萎缩，自然骨折使用含镉米和含镉水使用含镉米和含镉水四日哮喘事件1955年日本四日市36人死亡，500多人患病，支气管炎、支气管哮喘、肺气肿有毒重金属颗粒及有毒重金属颗粒及SO2吸入肺部吸入肺部米糠油事件1968年日本九州16人死亡，5000多人患病，眼皮肿、出汗、恶心、肺功能下降食用含有多氯联苯的食用含有多氯联苯的米糠油米糠油世界八大公害事件 60年代后年代后 酸性降水在北美、北欧的出现，人们便开展了酸酸性降水在北美、北欧的出现，人们便开展了酸雨形成机制的研究，并发现了酸雨的前体物（雨形成机制的研究，并发现了酸雨的前体物（SOx和和NOx）

9、以）以及几种氧化致酸的途径和作用。（及几种氧化致酸的途径和作用。（发展了液相和多相化学发展了液相和多相化学） 70年代后年代后 由于南极上空由于南极上空“臭氧洞臭氧洞”的发现以及温室效应对气的发现以及温室效应对气候变暖的作用，使得人们开始注意并研究候变暖的作用，使得人们开始注意并研究 氯氟烃（氯氟烃（CFCs）等痕量气体对平流层）等痕量气体对平流层O3的耗损，的耗损， 及及CO2、CH4增多而造成的地球温室效应。增多而造成的地球温室效应。 （平流层化学迅速发展平流层化学迅速发展）（目前臭氧洞已达（目前臭氧洞已达2800万平方公里）万平方公里）.第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述80年

10、代初年代初 在世界范围内兴起了第二次保护大气环境的浪潮。在世界范围内兴起了第二次保护大气环境的浪潮。大气环境中的化学问题，受到人们的重视。大气环境中的化学问题，受到人们的重视。 目前国内外研究动向和发展趋势来看，目前国内外研究动向和发展趋势来看，仍是大气污染化学研仍是大气污染化学研究的中心课题究的中心课题.第一节第一节大气污染化学概述大气污染化学概述第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 大气是指包被在地球表面并随地球运动的空气层，它不仅是维持地球生物圈中生命所必需的，而且也参与地球表面的各种过程，如水、养分等物质的循环等。1、人和动物的呼吸从空气中获得氧气；光合作

11、用从空气中获、人和动物的呼吸从空气中获得氧气；光合作用从空气中获得二氧化碳。得二氧化碳。2、大气中的氮通过不同形式的固氮作用转变为、大气中的氮通过不同形式的固氮作用转变为氨基酸氨基酸。3、 大气起冷凝器的作用。大气起冷凝器的作用。4、大气保护地球生物免受宇宙和太阳辐射的伤害。、大气保护地球生物免受宇宙和太阳辐射的伤害。5、 大气中的某些气体吸收太阳和地球的红外辐射。大气中的某些气体吸收太阳和地球的红外辐射。大气的总质量约为5.21015吨，仅占地球质量的106分之一。其中90%集中在地球表面30km以内。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成一、大气的范围及结构一、

12、大气的范围及结构根据大气在铅直方向上的根据大气在铅直方向上的温度、化学组成、物理特性温度、化学组成、物理特性，大气大气圈可分为若干层次。圈可分为若干层次。按大气中按大气中化学组成化学组成的分布，大气圈可分为均质层（的分布，大气圈可分为均质层（90km以下）和非均质层（以下）和非均质层（90km以上）；以上）；按大气的按大气的电离状态电离状态分布，可将在大气分为电离层（分布，可将在大气分为电离层（60km以上）和非电离层（以上）和非电离层（60km以下）。以下）。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成通常，我们通常，我们根据温度根据温度的垂直分布而将大气圈分为的垂直分

13、布而将大气圈分为对流层、对流层、平流层、中间层、热成层和散逸层平流层、中间层、热成层和散逸层等五个层次。等五个层次。1、均质层均质层- -90km以下大气组成比例几乎不变，主要是以下大气组成比例几乎不变，主要是N2 、O2、Ar，该层，该层“干洁空气干洁空气”的平均分子量接近常数。的平均分子量接近常数。非均质层非均质层，90km以上以上N2和和 O2的解离，的解离，平均分子量随高度的平均分子量随高度的增加而降低增加而降低。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成2、电离状态电离状态- 60km以上为电离层，离子密度大，以上为电离层，离子密度大， 6090km主要为主要

14、为NO光解离；光解离； 90120km主要为主要为O2光解光解离；离； 120km以上主要为以上主要为O2和和N2光解离，离子和电子的光解离，离子和电子的浓度都较大。浓度都较大。 3、温度的垂直分布温度的垂直分布第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成（1）对流层（）对流层（troposphere）对流层的厚度因纬度而异，在赤道附近对流层厚度约为对流层的厚度因纬度而异，在赤道附近对流层厚度约为1618km，中纬度地区为，中纬度地区为1012km，两极地区为，两极地区为810km。夏夏季稍厚，冬季较薄。季稍厚，冬季较薄。由于对流层的大气不能直接从太阳辐射中得到热能，但能

15、从由于对流层的大气不能直接从太阳辐射中得到热能，但能从地面反射得到热能而使大气增温，因而靠近地面的空气温度地面反射得到热能而使大气增温，因而靠近地面的空气温度高，远离地面的空气温度低高，远离地面的空气温度低. .气温随高度上升而气温随高度上升而递减递减，平均温度递减率为，平均温度递减率为0.65/100m，层顶温度层顶温度为为- -53- -83，由于上冷下暖，在垂直方向上，冷由于上冷下暖，在垂直方向上，冷暖空气形成强烈的对流。暖空气形成强烈的对流。(天气现象、大气污染天气现象、大气污染) ) 第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 （ 2）平流层（）平流层（str

16、atosphere） 从对流层顶到约从对流层顶到约50km的大气层即为平流层的大气层即为平流层，3035 km以下，以下，温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为同温层；温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为同温层；在在3035km以上，以上，温度随高度升高而迅速升高，到达平流温度随高度升高而迅速升高，到达平流层顶，气温可上升到层顶，气温可上升到270290K，故该层也称为逆温层。，故该层也称为逆温层。因下因下冷上热，空气没有垂直对流运动，主要为大气平流运动。冷上热，空气没有垂直对流运动，主要为大气平流运动。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成该层空气稀薄，

17、水分少，很少发生天气现象；该层大气含尘量该层空气稀薄，水分少，很少发生天气现象；该层大气含尘量低，透明度高；该层中离地面高约低，透明度高；该层中离地面高约1535km范围内，集中存在范围内，集中存在有约有约20km厚的臭氧层。厚的臭氧层。因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射（ ），）， 故使得平流层气温升高。故使得平流层气温升高。由于平流层中大气稳定，由于平流层中大气稳定，故一旦污染物进入，将造成长期滞留故一旦污染物进入，将造成长期滞留的严重后果。的严重后果。oA2900第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成（3）中间层（）中间层（mesospher

18、e）从平流层顶到约从平流层顶到约80km的高度称为中间层，此层的高度称为中间层，此层中温度又随高中温度又随高度的上升而减弱，度的上升而减弱，这是由于高空吸收辐射的物质（尤其是臭氧这是由于高空吸收辐射的物质（尤其是臭氧的浓度减少），在的浓度减少），在80km左右可降到最低温度（左右可降到最低温度（170k），空气），空气更为稀薄。更为稀薄。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成（4）热层（）热层（thermosphere）从中间层顶至约从中间层顶至约800km高度的大气层称为热层，该层中分高度的大气层称为热层，该层中分子氧和原子氧对太阳远紫外线有强烈的吸收，因而使该层

19、子氧和原子氧对太阳远紫外线有强烈的吸收，因而使该层大气温度随高度上升而急剧升高，气温可高达大气温度随高度上升而急剧升高，气温可高达1473K以上。以上。此层空气非常稀薄，此层空气非常稀薄，O2、N2分子在太阳紫外线和宇宙射线的作用下分子在太阳紫外线和宇宙射线的作用下发生电离发生电离而而成为离子或原子，成为离子或原子，故此层又称为电离层。故此层又称为电离层。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成（5）外层（）外层（ exosphere ）外层也称外层也称散逸层，散逸层，是指热层以上的大气层，为大气圈向星是指热层以上的大气层，为大气圈向星际空间的过渡地带，没有确定的上界

20、。极度稀薄，温度随际空间的过渡地带，没有确定的上界。极度稀薄，温度随高度变化很小。高度变化很小。由于外层地球引力很小，空气分子运动的平均自由程很大，由于外层地球引力很小，空气分子运动的平均自由程很大，使一些高速运动的空气质点不断地向星际空间逃逸，所以使一些高速运动的空气质点不断地向星际空间逃逸，所以又称散逸层又称散逸层.第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成Figure 2-3. Major regions of the atmosphere (not to scale).EarthSea levelStratosphereN2, O2 H2O, CO2 Tropo

21、sphereMesosphereThermosphereO310-16 km50 km85 km500 km15 -56 -2 -92 1200 O3 + hv (220 nm-330 nm) O2 + OO2+, NO+Incoming Solar radiationOO2O2+, O+, NO+1200 km, O=O2 High energy ultraviolet: 330 nm, penetration to Eearths surface Ultraviolet: 200-330200-330 nm, penetration to 50 km 第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇

22、大气中重要污染物的源与汇第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成二、大气的化学组成二、大气的化学组成地球表面大气主要是由氧、氮、和氩组成，它们占空气总质地球表面大气主要是由氧、氮、和氩组成，它们占空气总质量的量的99.9%以上，其余气体加起来还不到以上，其余气体加起来还不到0.1%，且某些组分，且某些组分如如CO2、O3浓度是有较大变化的，各种组分各有其不同的循浓度是有较大变化的，各种组分各有其不同的循环过程。环过程。成成 分分 体体 积（积（%） N2 78.1 O2 20.9 Ar 0.934 CO2 0.0330 Ne 0.00182 He 0.00052 CH

23、4 0.00016 Kr 0.00011 H2 0.00005 N2O 0.000028第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成大气是一个动态体系，大气组分通过大气圈与其他三大气是一个动态体系，大气组分通过大气圈与其他三个圈（水圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化个圈（水圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化学或生物化学过程，不断进行着物质转化或转换，这学或生物化学过程，不断进行着物质转化或转换，这称为气体循环。称为气体循环。气体通过这些过程而产生，又通过大气中的这些过程气体通过这些过程而产生，又通过大气中的这些过程而由大气中去除。因此我们把前一过程即产生气体的而由

24、大气中去除。因此我们把前一过程即产生气体的过程，称为气体的过程，称为气体的源源（sources），由大气中去除气），由大气中去除气体的过程就是被去除气体的体的过程就是被去除气体的汇汇（sinks）第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 储库（储库（reservoir）：气体和微粒在大气中的留存（形式）。）：气体和微粒在大气中的留存（形式）。 停留时间（停留时间（t t） ：某种组分在大气储库中存在的平均时间称：某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平均停留时间或停留时间。为平均停留时间或停留时间。源强源强Fi = 天然源排放速率天然源排放速率+人为源排放速率人为源排

25、放速率 = 源速率源速率汇强汇强Ri = 干沉降速率干沉降速率+湿沉降速率湿沉降速率+化学反应去除速率化学反应去除速率+向平流层输向平流层输入速率入速率 = 汇速率汇速率iiiiRFMt或输出速率输入速率大气中总量第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成盒子模式：视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，盒子模式：视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，Fi=Ri，Mi恒定。恒定。例：例：大气中大气中MH2O=7.21014mol FH2O=(2.161016+0.91015)=2.251016 mol/y RH2O=(1.91016+3.51015)= 2.251016

26、mol/y大气盒子模式大气盒子模式环境水的盒子模式环境水的盒子模式第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成例例1 CH4在对流层平均浓度在对流层平均浓度c=1.55ppm，不随时间变化，则，不随时间变化，则FCH4=RCH4=1.51014 mol/y，求得停留时间为，求得停留时间为（3/4指对流层占总大气圈质量的比例，指对流层占总大气圈质量的比例，16为分子量）为分子量）例例2 全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度c=1ppb，Fs=Rs=200Tg/y （1Tg=1012g），求得），求得结论：大气中结论：大气中S更替时间短，对更替

27、时间短，对Fi和和Ri变化敏感。变化敏感。daysyti702. 010200101101014. 512934318yti4 . 216105 . 11055. 1101014. 514634318第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 根据大气中各组分的停留时间，可将大气组分分成三类：根据大气中各组分的停留时间，可将大气组分分成三类：（1）准永久性气体准永久性气体（停留时间为（停留时间为106107年）：年）：N2、 Ar、Ne、Kr、Xe 等。等。（2）可变组分可变组分（停留时间为（停留时间为215年）：年）：CO2、CH4、 H2、N2O、O3、O2等。等。

28、（3）强可变组分强可变组分（停留时间为（停留时间为2200天）：天）：CO、NOX、NH3、SO2、H2S、有机、有机HC、H2O、颗粒物等。、颗粒物等。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成物种ArNeKrXeHeNeO2ti(y)107107107107107106103物 种CO2CH4H2N2OO3ti(y)5152.5868102物种H2OCONOxSO2H2SHCSPMti(days)1073185810240.5221030由于由于可变组分和强可变组分可变组分和强可变组分在大气中停留时间短，有可能在大气中停留时间短，有可能积极参与平流层或对流层中的化学

29、反应。它们在大气中的积极参与平流层或对流层中的化学反应。它们在大气中的时空分布受局地源的影响，在不同地区和不同高度，其分时空分布受局地源的影响，在不同地区和不同高度，其分布往往有很大的不同，故对于因人类活动而造成的输入布往往有很大的不同，故对于因人类活动而造成的输入（出）速率变化相对比较敏感，（出）速率变化相对比较敏感，所以这两类组分是我们研究的主要对象。所以这两类组分是我们研究的主要对象。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成三三 大气的性质与污染物的扩散大气的性质与污染物的扩散由污染源排放到大气中的污染物在迁移过程中要受到各种由污染源排放到大气中的污染物在迁移过

30、程中要受到各种因素的影响因素的影响 一、影响大气污染的气象因子一、影响大气污染的气象因子 大气污染物的行为都是发生在千变万化的大气中，大气大气污染物的行为都是发生在千变万化的大气中，大气的性状在很大程度上影响污染物的时空分布，世界上一些的性状在很大程度上影响污染物的时空分布，世界上一些著名大气污染事件都是在特定气象条件下发生的。影响大著名大气污染事件都是在特定气象条件下发生的。影响大气污染的气象因素最重要的是流场和温度层结。气污染的气象因素最重要的是流场和温度层结。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 （一）风和大气湍流的影响 污染物在大气中的扩散取决于三个因素。

31、风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各方向扩散，浓度梯度可使污染物发生质量扩散，其中风和湍流起主导作用。湍流具有极强的扩散能力，它比分子扩散快 105 106倍，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物浓度就越低。在自由大气中的乱流及其效应通常极微弱，污染物很少到达这里。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 （二）温度层结和大气稳定度的影响 1. 大气温度层结 由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层次大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得描述大气状态的温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀的分布。人们通常把静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称

32、为大气温度层结。 气温随高度的变化用气温垂直递减率来表示，其单位常用 / 100m 。气温垂直递减率和另一个在空气污染气象学中经常用到的概念干绝热垂直递减率d 是不同的。d表示干空气在绝热升降过程中每变化单位高度时干空气自身温度的变化，它表示干空气的热力学性质，是一个气象常数，d= 0.98 / 100m 。而是实际环境气温随高度的分布，因时因地而异。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 大气的垂直温度递减率大气的垂直温度递减率 d污染气团的绝热温度递减率污染气团的绝热温度递减率 d 为大气的不稳定状态，有利于污染物扩散。为大气的不稳定状态，有利于污染物扩散。 0

33、 大气的温度随高度增加而降低，大气的温度随高度增加而降低， 为大气的不稳定状态为大气的不稳定状态 0 大气的温度随高度增加而增加，大气的温度随高度增加而增加， 为大气的稳定状态，为逆温情为大气的稳定状态，为逆温情况。况。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成大气稳定度与烟型大气稳定度与烟型图图第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成 2. 大气稳定度大气稳定度 1波浪型（翻卷型）波浪型（翻卷型） 又称蛇形型。此时大气状况为又称蛇形型。此时大气状况为 d，大气处于不，大气处于不稳定状态。由于对流强烈，污染物扩散快，因此地面最大浓度落地点距稳定

34、状态。由于对流强烈，污染物扩散快，因此地面最大浓度落地点距烟囱较近且浓度较大烟囱较近且浓度较大。这种情况多发生在。这种情况多发生在晴朗的白天晴朗的白天。 2锥型锥型 烟气沿主导风向呈锥形流动，这种烟型扩散速度比波浪型低，烟气沿主导风向呈锥形流动，这种烟型扩散速度比波浪型低，大气状况为大气状况为 = d ，处于中性或弱稳定状态，处于中性或弱稳定状态，污染物落地浓度低于波浪型，污染物落地浓度低于波浪型，但但污染距离长污染距离长。这种状况多发生在多云的。这种状况多发生在多云的白天或冬季的夜晚白天或冬季的夜晚。 3 3 扇型扇型 又称平展型。又称平展型。在垂直方向上烟流扩散很小，沿水平方向缓慢在垂直方

35、向上烟流扩散很小，沿水平方向缓慢扩散，烟流从烟源处呈扇形展开。此时的大气状况为扩散，烟流从烟源处呈扇形展开。此时的大气状况为 d，即在，即在烟源出烟源出口的一层大气处于逆温口的一层大气处于逆温，因此污染情况随，因此污染情况随烟源有效源高的不同而不同烟源有效源高的不同而不同。这种烟云对地面污染较轻，且可传送到较远的地方。但若遇山峰、高层这种烟云对地面污染较轻，且可传送到较远的地方。但若遇山峰、高层建筑物的阻挡，则可出现建筑物的阻挡，则可出现下沉现象下沉现象，造成严重污染。在晴朗，造成严重污染。在晴朗天气的夜间天气的夜间或清晨常出现这种烟型。或清晨常出现这种烟型。 第二节第二节 天然大气环境特征及

36、化学组成天然大气环境特征及化学组成 屋脊型屋脊型 又称爬升型。又称爬升型。排出的烟流呈屋脊形扩散。在排烟出口排出的烟流呈屋脊形扩散。在排烟出口上方上方 d，大气处于不稳定状态；排烟口下方，大气处于不稳定状态；排烟口下方 d，大气，大气处于稳定状态处于稳定状态，气，气层为逆温层，因此，排出的烟流只能向上扩散，而不能向下扩散。这种烟层为逆温层，因此，排出的烟流只能向上扩散，而不能向下扩散。这种烟型型对地面不会造成很大的污染对地面不会造成很大的污染。这种烟型一般出现在。这种烟型一般出现在日落前后日落前后，持续时间，持续时间较短。较短。 漫烟型漫烟型 又称又称熏蒸型熏蒸型。在存在着逆温的情况下，日出后

37、由于地面增在存在着逆温的情况下，日出后由于地面增温，低层空气被温，低层空气被加热，使逆温从地面向上逐渐破坏。加热，使逆温从地面向上逐渐破坏。当不稳定大气发展到当不稳定大气发展到烟流的下缘烟流的下缘，而上部仍处于稳定状态时，就出现这种烟型。此时排出口，而上部仍处于稳定状态时，就出现这种烟型。此时排出口上上方仍存在逆温方仍存在逆温 d ，大气稳定，大气稳定，犹如上面盖了一层顶盖，阻止了烟气的犹如上面盖了一层顶盖，阻止了烟气的向上扩散；而排出口向上扩散；而排出口下方，逆温已遭破坏，大气不稳定，下方，逆温已遭破坏，大气不稳定， d ，造成烟，造成烟气大量下沉，发生熏烟情况。这种情况多发生在日出以后，持

38、续时间较短，气大量下沉，发生熏烟情况。这种情况多发生在日出以后，持续时间较短，对排出口下风向的附近地面会造成强烈的污染，很多烟雾事件就是在这种对排出口下风向的附近地面会造成强烈的污染，很多烟雾事件就是在这种情况下造成的。情况下造成的。第二节第二节 天然大气环境特征及化学组成天然大气环境特征及化学组成第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇一、一、大气污染物的来源大气污染物的来源1人为污染源人为污染源（1）燃料燃烧）燃料燃烧（2）工业排放）工业排放（3）固体废弃物的焚烧）固体废弃物的焚烧（4）农业排放）农业排放第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇2

39、天然污染源天然污染源 大气污染物的天然来源主要有：大气污染物的天然来源主要有：1）来自风砂、土壤粒子的自然尘；）来自风砂、土壤粒子的自然尘；2）来自森林、草原火灾排放的）来自森林、草原火灾排放的CO、CO2、SOx、NOx、HC等；等；3）来自火山活动排放的）来自火山活动排放的SO2、硫酸盐等颗粒物；硫酸盐等颗粒物；4）来自森林排放的）来自森林排放的HC（以萜烯类为主）；（以萜烯类为主）；5）来自海浪飞沫的气溶胶颗粒（主要为硫酸盐和亚硫酸盐）。）来自海浪飞沫的气溶胶颗粒（主要为硫酸盐和亚硫酸盐）。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇二、二、大气污染物的汇机制大气污染物

40、的汇机制大气污染物通过大气污染物通过干沉降、湿沉降、地表吸收及化学反应干沉降、湿沉降、地表吸收及化学反应过程而过程而去除。大气污染物通过上述途径去除或转化即称为大气污染物去除。大气污染物通过上述途径去除或转化即称为大气污染物的的汇汇第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇汇（汇（sink） 大气组分从大气中去除的途径和过程，包括：（a）降水湿去除（b）大气中化学反应转化为其它气体或微粒（c）地表物质吸收或反应去除（d）向平流层输送颗粒物的汇包括（a）降水湿沉降（wet depoosition） 雨除（rain out，发生在云层当中，被去除物参与成云）、冲刷（wash o

41、ut，发生在云层下，被去除物被雨水带下）（b）干沉降（dry deposition）（c）与地表物质碰撞干去除1干沉降干沉降通过重力沉降，或与植物、建筑物及地面（土壤）等相碰通过重力沉降，或与植物、建筑物及地面（土壤）等相碰撞而被捕获（被表面吸附或吸收）的过程，统称为干沉降。撞而被捕获（被表面吸附或吸收）的过程，统称为干沉降。其中重力沉降仅对直径大于其中重力沉降仅对直径大于10m的颗粒有效；与植物相碰的颗粒有效；与植物相碰撞则可能是小粒子在近地面处较有效的去除过程。撞则可能是小粒子在近地面处较有效的去除过程。2湿沉降湿沉降大气中的物质通过降水而落到地面的过程称为湿沉降。湿大气中的物质通过降水而

42、落到地面的过程称为湿沉降。湿沉降是大气颗粒或气态污染物的最有效的清除机制。湿沉沉降是大气颗粒或气态污染物的最有效的清除机制。湿沉降包括雨除（降包括雨除（rainout）和冲刷（）和冲刷（washout）两个过程。）两个过程。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇 3化学反应去除化学反应去除污染物在大气中通过化学反应生成其它气体或粒子而使原污染物得污染物在大气中通过化学反应生成其它气体或粒子而使原污染物得以消失的过程，称为化学去除。对于一些气体污染物而言，此过程以消失的过程，称为化学去除。对于一些气体污染物而言，此过程是其重要的汇机制。是其重要的汇机制。上述三种污染物去除

43、过程均存在一定的联系，如进入大气的上述三种污染物去除过程均存在一定的联系，如进入大气的SO2，经，经过一系列的化学反应可转化成过一系列的化学反应可转化成硫酸和硫酸盐气溶胶粒子硫酸和硫酸盐气溶胶粒子，其大部分，其大部分是通过湿沉降途径而得以去除。除此之外，大气污染物也可是通过湿沉降途径而得以去除。除此之外，大气污染物也可向平流向平流层输送层输送。下表下表 列出了一些主要气体污染物的汇列出了一些主要气体污染物的汇。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇一些主要气体污染物的汇一些主要气体污染物的汇 气体气体汇汇SO2降水清除：雨除、冲刷，气相或液相氧化成硫酸盐降水清除：雨除、

44、冲刷，气相或液相氧化成硫酸盐土土 壤：微生物降解、物理和化学反应、吸收壤：微生物降解、物理和化学反应、吸收植植 被：表面吸收、消化者被：表面吸收、消化者海洋、河流：吸收等有效期海洋、河流：吸收等有效期H2S氧化为氧化为SO2O3在植被、土壤、雪和海洋表面上的化学反应在植被、土壤、雪和海洋表面上的化学反应NO2土壤：化学反应。植被：吸收、消化摄取。土壤：化学反应。植被：吸收、消化摄取。气相或液相化学反应气相或液相化学反应CO平流层：与平流层：与HO基反应土壤：微生物活动基反应土壤：微生物活动COCO2植被：光合作用、吸收。海洋：吸收植被：光合作用、吸收。海洋：吸收三、大气中主要污染物三、大气中主

45、要污染物 1含硫化合物含硫化合物 （1） SO2 燃煤燃煤60%，石油的燃烧和炼制石油的燃烧和炼制30%。 SO2-是酸雨的主要前体物。大气中是酸雨的主要前体物。大气中SO2人为来源主要来自人为来源主要来自含硫燃料的燃烧及冶金、硫酸制造等工业过程，含硫燃料的燃烧及冶金、硫酸制造等工业过程，SO2为无色、为无色、有刺激性气味的气体，它能刺激人的眼睛、损伤呼吸器官、有刺激性气味的气体，它能刺激人的眼睛、损伤呼吸器官、损伤和抑制植物生长。损伤和抑制植物生长。SO2光化学氧化、均相氧化及多相催化氧化光化学氧化、均相氧化及多相催化氧化转变转变硫酸或硫酸盐硫酸或硫酸盐，并通过干（湿）沉降的形式降落到地面。

46、并通过干（湿）沉降的形式降落到地面。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇（ 2） H2S H2S-来自天然源。如动植物机体的腐烂、火山活动等。来自天然源。如动植物机体的腐烂、火山活动等。 H2S在大气中很容易被氧化，其主要的去除反应为：在大气中很容易被氧化，其主要的去除反应为： HO+ H2S H2O + SH 大气中含硫化合物主要通过下述途径迁移：大气中含硫化合物主要通过下述途径迁移：（a）降雨和水的冲刷；）降雨和水的冲刷；（b）土壤与植物的扩散吸收；）土壤与植物的扩散吸收；（c）固体颗粒的沉降。）固体颗粒的沉降。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染

47、物的源与汇2含氮化合物含氮化合物 大气中重要的含氮化合物主要有N2O、NO、NO2、NH3、HNO2、HNO3和氨盐等，其中NO和NO2合称为氮氧化物，（1）N2O N2O主要天然来源为土壤中硝酸盐在微生物作用下的还原过主要天然来源为土壤中硝酸盐在微生物作用下的还原过程：程： NO3- + 2H2 + H+ 1/2N2O + 5/2H2O N2O的人为来源主要是燃料燃烧及含氮化肥的施用。的人为来源主要是燃料燃烧及含氮化肥的施用。N2O的的化学活性较差，在低化学活性较差，在低 层大气中一般难以被氧化，但它能吸收地层大气中一般难以被氧化，但它能吸收地面辐射，是地球大气主要的面辐射，是地球大气主要的

48、温室气体之一温室气体之一。N2O难溶于水，故难溶于水，故可通过气流交换而进入平流层，在平流层中发生光化学反应：可通过气流交换而进入平流层，在平流层中发生光化学反应： N2O + hv N2 + O N2O + O N2 + O2 N2O + O 2NO 此反应生成的此反应生成的NO是平流层中是平流层中NO的天然来源，其对臭氧层有破坏作用的天然来源，其对臭氧层有破坏作用（2）NOx 大气中大气中NOx的天然来源主要为生物源及闪电作用等。的天然来源主要为生物源及闪电作用等。 NOx的人为源主要来自燃料的燃烧或化工生产过程，的人为源主要来自燃料的燃烧或化工生产过程，其中以工业炉窑、氮肥生产其中以工业

49、炉窑、氮肥生产 和汽车排放的和汽车排放的NOx量最多。量最多。 NO2是对流层大气中最重要的是对流层大气中最重要的光吸收物质，光吸收物质，也是光化学烟也是光化学烟雾的重要雾的重要引发物引发物。大气中的大气中的NOx最终被氧化转化为硝酸和硝酸盐颗粒，并通过湿最终被氧化转化为硝酸和硝酸盐颗粒，并通过湿沉降和干沉降过程从大气中去除。沉降和干沉降过程从大气中去除。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇（3）NH3 大气中的氨（大气中的氨（NH3）的天然来源主要来自动物废弃物的分）的天然来源主要来自动物废弃物的分解、土壤腐殖质及土壤中氮的转化。人为来源则主要为氨基解、土壤腐殖质及

50、土壤中氮的转化。人为来源则主要为氨基氮肥的损失及工业排放，燃煤也是氮肥的损失及工业排放，燃煤也是NH3的重要人为来源。的重要人为来源。 对流层中氨的汇主要是形成气溶胶胺盐；此外，对流层中氨的汇主要是形成气溶胶胺盐；此外，NH3也可也可被氧化成硝盐。铵盐和硝酸盐均可经湿沉降和干沉降而去除。被氧化成硝盐。铵盐和硝酸盐均可经湿沉降和干沉降而去除。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇3碳的氧化物碳的氧化物（1）CO CO主要来自天然源主要来自天然源大于大于人为源。人为源。CO的天然源主要有：的天然源主要有： （a）甲烷的氧化转化，有机体分解产生的甲烷的氧化转化，有机体分解产生

51、的CH4可被可被HO自由自由基所氧化而形成基所氧化而形成CO； （b）海水中海水中CO的挥发，其量约为的挥发，其量约为1.0 x108 t/a； （c）植物排放的烃类（主要为萜烯）经植物排放的烃类（主要为萜烯）经HO自由基而氧化自由基而氧化形成形成CO； （d）植物叶绿素的光解，其量约为（植物叶绿素的光解，其量约为（510）x107 t/a； （e）森林火灾等，其量约为森林火灾等，其量约为60 x106 t/a。 CO的人为源主要是燃料的燃烧，其中约的人为源主要是燃料的燃烧，其中约80%是来自汽车尾气是来自汽车尾气的排放。的排放。 C + 1/2O2 CO C + CO2 2CO CO的去除途

52、径主要是通过土壤中某些细菌的吸收和代谢的去除途径主要是通过土壤中某些细菌的吸收和代谢，其代谢产物主要为其代谢产物主要为CO2和和CH4；此外自由基的作用也是非常重；此外自由基的作用也是非常重要的。要的。CO的主要危害在于它能参与光化学烟雾的形成以及造的主要危害在于它能参与光化学烟雾的形成以及造成全球性的环境问题。成全球性的环境问题。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇（2）CO2 CO2是一种重要的温室气体，是一种重要的温室气体， CO2的天然来源主要有：的天然来源主要有：（a）海洋脱气，全球约有千亿吨的海洋脱气，全球约有千亿吨的CO2在海洋和大气圈之间在海洋和大气圈

53、之间进行着交换；进行着交换；（b）甲烷的氧化转化；甲烷的氧化转化；（c）动植物呼吸、腐败作用以及生物物质的燃烧；动植物呼吸、腐败作用以及生物物质的燃烧；（d）CO2不仅来自地表，而且也来自地球内部的释放（如火不仅来自地表，而且也来自地球内部的释放（如火山活动等）。山活动等）。CO2对对1218 um的红外线有强烈的吸收作用。因此，低层大气的红外线有强烈的吸收作用。因此，低层大气中的中的CO2能有效地吸收地面发射的长波辐射，而使地球近能有效地吸收地面发射的长波辐射，而使地球近地面大气变暧。地面大气变暧。 第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇4碳氢化合物（碳氢化合物（HC

54、）HC-碳氢化合物如烷烃、烯烃及烷基苯碳氢化合物如烷烃、烯烃及烷基苯等，本身毒性并不明显，但它们可被大气等，本身毒性并不明显，但它们可被大气中的中的HO等自由基或氧化剂所氧化，生成等自由基或氧化剂所氧化，生成二次污染物，并参与光化学烟雾的形成二次污染物，并参与光化学烟雾的形成 。大气污染研究中通常把大气污染研究中通常把HC分为甲烷和非分为甲烷和非甲烷烃（甲烷烃（NMHC）两类。）两类。 第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇（1）甲烷）甲烷 甲烷的主要来自如甲烷的主要来自如沼泽、泥塘、水稻田、牲畜沼泽、泥塘、水稻田、牲畜反刍等厌氧发反刍等厌氧发酵过程。酵过程。 排放到大

55、气中的排放到大气中的CH4大部分被大部分被HO所氧化，所氧化，每年留在每年留在大气中的大气中的CH4约为约为0.5x108 t，导致大气中，导致大气中CH4浓度上升。浓度上升。大气中大气中CH4的主要去除过程是与的主要去除过程是与HO的反应：的反应： CH4 + HO CH3 + H2O少量的少量的CH4（ 15%）会扩散进入平流层，在平流层中与氯原）会扩散进入平流层，在平流层中与氯原子发生反应：子发生反应： CH4 + Cl CH3 + HCl 从而减少氯原子对从而减少氯原子对O3的损耗，形成的的损耗，形成的HCl可扩散到对流层而可扩散到对流层而被雨除，被雨除，故故CH4可看成是平流层氯原子

56、的一个汇。可看成是平流层氯原子的一个汇。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇1978年甲烷排放量的估算源全球排放量/106ta-1海洋湿地淡水湖冻土带水稻田牛群生物质燃烧直接人为源其它总计13150101295120254080553第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇大气中大气中CH4的浓度仅次于的浓度仅次于CO2，也是重要的温室气体，也是重要的温室气体，其其温室效应比温室效应比CO2大大20倍倍。近。近100年来大气中甲烷浓度上升年来大气中甲烷浓度上升了一倍多，目前全球甲烷浓度已达到了一倍多，目前全球甲烷浓度已达到1.75mL/m3，其年

57、，其年增长速度为增长速度为0.8%1.0%。若按目前甲烷产生的速度，几。若按目前甲烷产生的速度，几十年后，甲烷将在温室效应中起主要作用。目前十年后，甲烷将在温室效应中起主要作用。目前CO2和和CH4的温室效应贡献率分别是的温室效应贡献率分别是56%和和11%。 第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇（2）非甲烷烃（）非甲烷烃（NMHC） 非甲烷烃的种类很多，因来源而异，如植物排放的非非甲烷烃的种类很多，因来源而异，如植物排放的非甲烷有机物达甲烷有机物达367种。极大部分非甲烷烃来自天然源种。极大部分非甲烷烃来自天然源 。非甲烷烃的人为源主要包括：非甲烷烃的人为源主要包括

58、：1）汽油燃烧）汽油燃烧 2）焚烧）焚烧 3）溶剂）溶剂蒸发蒸发 4）石油蒸发和运输损耗）石油蒸发和运输损耗 5）废物提纯）废物提纯 大气中的非甲烷烃可通过化学反应或转化成有机溶剂而大气中的非甲烷烃可通过化学反应或转化成有机溶剂而去除，其最主要的大气化学反应是与去除，其最主要的大气化学反应是与HO自由基的反应。自由基的反应。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇 5卤代化合物卤代化合物 （1）卤代烃）卤代烃 大气中卤代烃包括卤代脂肪烃和卤代芳烃。其中多大气中卤代烃包括卤代脂肪烃和卤代芳烃。其中多氯联苯（氯联苯（PCB）、有机氯农药（如六六六、）、有机氯农药（如六六六、D

59、DT）等）等高级高级卤代烃以气溶胶形式存在卤代烃以气溶胶形式存在，而含两个或两个以下碳原子的而含两个或两个以下碳原子的卤代烃呈卤代烃呈气态气态。对大气环境影响较大的卤代烃是对大气环境影响较大的卤代烃是氯氟烃类氯氟烃类。第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇含氯氟烃类（或称氟利昂类）化合物，包括含氯氟烃类（或称氟利昂类）化合物，包括CFC-11、CFC-12、CFC-22、CFC-113、CFC-114等简称为等简称为CFCs；含溴的卤代烃，；含溴的卤代烃，商业名称为商业名称为Halon(哈龙哈龙)，常用的有，常用的有Halon1211、Halon1301、Halon24

60、01等。等。CFCs（包括（包括Halon）主要被用作冰箱与空调的主要被用作冰箱与空调的制冷剂，隔热用和家用泡沫塑料的发泡剂、化妆品喷雾剂及消制冷剂，隔热用和家用泡沫塑料的发泡剂、化妆品喷雾剂及消防灭火剂等。全球每年防灭火剂等。全球每年CFCs的使用量已超过的使用量已超过106 t；第三节第三节 大气中重要污染物的源与汇大气中重要污染物的源与汇目前大气中目前大气中CFCs浓度已达到浓度已达到600g/m3，且仍以每年，且仍以每年4%5%的速度在上升。由于的速度在上升。由于CFCs可透过波长大于可透过波长大于290 nm的辐射，故其在对流层中不会发生光解反应；其与的辐射，故其在对流层中不会发生光