大气环境化学课件：概述2017

1、2020/10/7,北京大学物理学院大气科学系,大气环境化学,1995年诺贝尔化学奖,The 1995 Nobel Prize in Chemistry for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone.,目前世界面临的最严重的环境问题,温室效应造成气候变暖,生物多样性减少,酸雨蔓延,森林锐减,土地荒漠化,烟霾尘埃,江河湖泊地下水水体污染,海洋污染、赤潮,固体废弃物污染,光化学烟雾,平流层臭氧减少,简直糟透了?！,国际科协理事会环境污

2、染问题科学委员会的问卷调查50多个国家200名科学家关心的未来主要问题,Global Envionmental Outlook 2000,1 酸沉降 2 大气气溶胶 3 平流层臭氧损耗 对流层臭氧增加 4 大气化学与气候变化,几个重要的大气环境化学课题,干吗要学大气环境化学,从化学的角度理解大气科学 识别重要的环境因素、加强环境意识 通过监测、试验弄清机理和规律 预报变化，研究控制对策 。,第一章 地球大气的组成和演化,1.1 大气化学研究的对象和内容,1.2 大气的结构和组成,1.3 地球大气的演化,1.1 研究的对象和内容,了解大气科学的历史是有用的,P. J. Crutzen and V

3、. Ramanathan The Ascent of Atmospheric Sciences Science, V290, N5490, pp. 299-304. issued on 13 Oct. 2000,发展历史,18-19世纪，试图确定大气的主要化学组成。 上世纪初期，研究重点开始转移到痕量气体上来。 上世纪20年代开展了臭氧观测和平流层臭氧理论研究。 5060年代的局地大气污染：光化学烟雾，酸性雨等。 7080年代的区域大气化学研究。 80年代提出了全球变化问题。,大气化学是大气科学最年轻的分支。然而,“叙述人类对大气本质认识发展的故事大部分是在写化学和物理的历史”,怎么看地球大气

4、 和大气化学？,地球大气是氧化性介质 地球大气是一个多相化学体系 气体、云雨、粒子 大气化学过程往往由光化学开始 自由基反应起关键作用 大气化学反应包括均相和非均相反应。 大气化学反应往往是非平衡的 大气化学是交叉学科 大气化学研究包括各圈层间相互作用 大气化学着重研究物种 在大气中的循环,地球系统环境圈层间的相互作用,人类活动,日地关系,水圈,大气圈,岩石圈,生物圈,全球气候系统与大气化学,大气中主要化学过程,云雨,霾,光氧化物,气体粒子转化,CCN,再悬浮,SO2、NOx、 VOC 、 NH3 、 CO2、CO、扬尘、 Soot、粉尘、CFCs,酸沉降,区域气候,能见度,光化污染,人类活动

5、排放的初始大气污染物和次生大气污染物,臭氧耗损、臭氧洞,均相和多相大气光化学反应,全球气候变化,北京大学物理学院大气科学系,天气学，大气动力学，边界层物理学,生态学,物理化学,大气辐射学 云雨物理化学,生物地球化学，微生物学,边界层物理学 云雨物理化学,不同尺度的大气运动过程,大气化学研究的趋势,主要成分 微量成分 痕量成分 局地 区域 全球,从氧到臭氧。 从平流层到对流层,大气化学研究方法,外场实验 集中外场强化观测、和长期监测 实验室实验 光化学烟雾箱，反应速率，排放因子 风洞测扩散等 数值模拟 拉格朗日、欧拉 气象模式+空气质量模式+地面系统,中国大气化学研究（1）观测站网的布置,195

6、8年科学院建立北京昆明臭氧柱体总量Dobson仪监测站，开始进行臭氧的观测。 70年代起，我国设环境保护机构，开始建立环境监测站网。 80年代中，中国气象局开始建立全国酸雨监测站网。 80年代气象局建立浙江临安、北京上甸子与黑龙江龙凤山区域大气环境背景站。 1994年9月在WMO支持下气象部门在青藏高原建立瓦里关全球大气化学本底观象台 香港在90年代初，开始大气化学本底观测。中科院建生态网。 本世纪初气象系统建沙尘监测网、大气背景监测网,中国大气化学研究（2）发展探测手段,大气物理所1966年起研制地基激光雷达探测大气气溶胶分布和污染扩散， 北大地球物理系和中国科学院大气物理研究所在80年代发

7、展了太阳辐射计等， 用以遥感大气臭氧、气溶胶浓度以及NO2光解系数。 南大大气科学系与紫金山天文台合作进行了毫米波遥感大气臭氧的探测试验。 90年代利用激光雷达和天光偏振观测到El Chichon 和 Pinatubo 火山爆发的气溶胶，并用以研究对气候的影响。 安徽光机所于90年代中期发展的UV DIAL 激光雷达可检测1945km高度的臭氧和气溶胶。 气象局卫星中心研制MODIES卫星接收机、大气所自主研制臭氧探空仪,中国大气化学研究（3）综合性研究计划,19941997年国家自然科学基金重大项目“中国地区大气臭氧变化及其对环境生态影响”重大项目 1998年国家自然科学基金重大项目“长江三

8、角洲大气物理化学过程及其对生态影响研究” 1998年与日本合作的青藏高原大气臭氧探测的国家自然科学基金课题 19851995年连续三次开展了“我国酸雨来源、影响及其对策” 的科技攻关项目 19911995年 “全球气候变化预测” 科技攻关课题中设专题研究“温室气体浓度和排放监测” 1997国家自然科学基金重点课题“中国地区气溶胶辐射特征”研究 本世纪初国际合作沙尘暴研究、亚洲棕色云研究,参考书目,1，秦瑜、赵春生, 大气化学基础（有电子版） 2，唐孝炎，大气环境化学，高教出版社 3，王明星，大气化学，气象出版社 4，J.Seinfeld and J.Pandis, 1999 Atmospher

9、ic Chemistry and Physics, Weiley 5，D.Jacob, 1999（有电子版） Introduction to Atmospheric Chemistry, Precton, 6, P.Hobbs, 2000 Introduction to Atmospheric Chemistry, Cambridge, 7, G.Brasseur et al, 1999 Atmospheric chemistry and global change,Oxford,认识大气层,天有多高？,1.2 大气的结构和组成,大气垂直结构,各层大致高度,对流层顶的高度,全球平均温度分布,大

10、气状态方程和组分浓度,目的：描述某成分在大气中的量 变量：质量浓度，数浓度，摩尔浓度，混合比 单位变换,描述气体含量的方法,混合比 (ppm, ppb, ppt) 质量浓度 (gm-3) 摩尔浓度 (molm-3) 数浓度 (cm-3) 分压 (hPa、mPa),ppbv、 ppbm,大气组成分类,按浓度分类 主要成分：浓度为百分之几，如N2，O2，Ar。 微量成分：浓度在1ppmv到1%，如CO2，H2O，CH4， He 等。 痕量成分：浓度在1ppmv以下。 按生命时间分类 定常成分：寿命在100年以上，如N2，O2，和惰性气体。 可变成分：寿命在几年到十几年，如CO2，H2，CH4 等。

11、 快变成分：寿命在1年以下。如H2O，.,地球大气气体的组成,气体的时空尺度,人类活动对大气组成的影响,CO2 SO2 人工固氮 CFCs 生物体燃烧 O3 ？,主要的大气污染物,含硫化合（H2S，SO2，DMS，COS等） 含氮化合物（NO，NO2，NH3，HNO3等） 一氧化碳和二氧化碳（CO，CO2） 碳氢化合物，碳氢氧化合物（烃、醛、酮等） 光化学氧化剂（臭氧，H2O2，PAN等） 卤素化合物（HF，HCl，氯氟化碳等） 大气气溶胶 放射性物质,对流层清洁大气和城市污染大气微量成分浓度(浓度ppb),3、现代大气： 以氮气和氧气为主。,地球大气的演化大体可分为三个阶段：,1、原始大气：

12、 以宇宙中最丰富的轻物质 H2、He和CO为主。,2、次生大气（4520亿年前）： 地球逐渐冷却以后, 由于造山运动、火山喷发 和从地幔中释放出地壳内原来吸附的气体, 形 成了次生大气, 其主要成分是CO2、CH4、NH3 和H2O等。,1.3 地球大气的演化,地球的次生大气和水圈生成,原始大气,次生大气,水圈,46亿年前，H2，O2，CH4，H2S,火山爆发和固体吸附。主要成份是CO2、 CH4、NH 3和水汽。CO2至30亿年前大 约是现在大气的10倍。强温室效应使地 表平均温度可达300左右。,随着二氧化碳浓度下降，大气温度也下降。 水汽可以凝成液体水，出现云、雨， 并在地球表面积聚，演

13、变成水圈。,生物圈,大气中氧的产生和生物圈的形成,现在大气与类地行星大气的区别,O2生命 O3UVB,现在大气的形成是在和生物圈相互作用中形成的： 光合作用 生物圈形成,碳循环：为什么重要？,1、大气的组成；温室气体 2、生物体的基本组成 3、生物的呼吸是氧和碳循环 4、有机物的燃烧和腐败释放碳氧 5、影响海洋pH,光合作用使无机碳变为有机碳,CO2 + H20 CH2O + O2,营养素(NO3-, NH4+, PO4-3, H4SiO4, Fe） 参与此反应，形成各种有机物,营养素 + 106 CO2 + 170 H2O = (CH2O)106(NH3)16(PO4) + 138 O2,呼

14、吸,光合作用,根据目前世界燃料的消耗量计算,人类一年燃烧的碳量 相当于 植物光合作用1000年生成的总量,人类活动与大气圈的演化,大气科学几乎涉及科学的各个领域,人和自然的协调发展,宿命论： 以消极适应自然为特征，只强调人的受动性 征服论： 以无节制地开发自然为特征，只强调人的能动性 和谐论： 以人与自然协调发展为特征，强调人的受动性与 能动性的统一。,第一章 小结 1，大气化学是大气科学的分支，近年来得到迅速发展, 是与多种学科密切联系的交叉学科；它研究大气的组成及影响其组成变化的过程。 2，随人口的急剧增加、经济高速发展、工业化、城市化、能源和各种资源大量消耗、土地利用的急剧变化所导致的局地、区域和全球的环境、生态和气候的变化提出和推动了此学科的快速发展；经济发展、现代科技进步为学科发展提供了条件。,3，大气化学不仅研究发生在大气中的化学转化过程、要研究自源发射、输送、转化、沉降乃至对受体的影响的循环过程；大气圈层是地球环境圈层的一部分，大气化学不仅研究发生在大气圈中的物理、化学过程还要研究气圈与生物圈、水圈、地圈的相互作用。 4，氧、氮构成地球大气的主要成分、大气还包含了惰性气体和H2O、CO2、O3、CH4、CO以及其他的各种微量气体组分、自由基和悬浮的液态、固态的粒子。大气是多相化学体系；大气的强氧化性是其重要的特征，许多微量组分活