第三章 全球大气环境问题的形成机制及其防治对策.ppt

1、环境学概论,第三章 全球大气环境问题的形成机制及其防治对策,随着世界人口爆炸式的增长，资源和能源的消耗量也在迅速增加，从而生活和生产排放出的种种化学物质，给自然净化作用造成了巨大负担。这不仅使区域性环境问题的范围明显地扩大，而且由于氟利昂、二氧化碳、二氧化硫等物质大量排放到大气中，导致了臭氧层破坏，大气气温上升及酸沉降等全球性大气环境问题。这些问题由于其影响面大，已被提升到国际议事日程上，引起了全世界的关注。,本章共有四部分内容： 一、全球变暖与防治对策 二、臭氧层破坏与防治对策 三、酸沉降与防治对策 四、森林与全球大气环境问题,第一节 全球变暖 与防治对策,一、近百年来的全球气候,近百年全球

2、平均地表温度经历了冷暖冷暖两次波动，总的趋势是上升的。,全球地表温度年平均值的变化,区域性气候变化以及高空气温变化与地表平均气温变化并不相同。以20世纪50年代后期为例，地面气温变化趋势主要发生在低纬度及中纬度大陆，北大西洋和北太平洋北部均呈下降趋势；而极区温度变化趋势升、降各占一半。就高空气温来说，自50年代末到80年代，9千米高空以上气温明显下降，北半球尤为激烈，近20年来916千米高空的气温约下降0.5，4655千米高空的气温则下降4以上。,通常所谓“全球变暖”指的是全球平均地表温度的升高，原因为： 1.地面是人类的主要活动空间，地面温度与人类关系最为密切； 2.个别地区的冷暖常常受天气

3、形势的影响。,归纳近一百年来全球气温变化有如下特点： （一）全球气温上升趋势明显，平均大约上升0.6； （二）全球气温的变化不呈直进式，而是呈现冷暖交替波动。,二、温室效应与温室气体,（一）温室效应（ greenhouse effect）,太阳和地球辐射的波谱分布,大部分太阳短波辐射可以通过大气层到达地面，使地球表面温度升高，与此同时，大气能强烈地吸收地面放出的长波辐射，仅散失少量热辐射到宇宙空间中去。由于大气吸收热量多，散失少，形成了大气的“温室效应”。随着气温的升高和地面长波辐射的增强，散失到宇宙空间去的热量也随之增多，最终，地球受到的太阳辐射热量和地球散失的长波辐射热量会达到平衡，形成地

4、球上的平衡温度，即目前地球的平均温度。 由于大气中温室气体浓度增加，使得入射能量和逸散能量之间的平衡遭到破坏，使得地球表面的能量平衡发生变化，温室气体吸收来自地球的红外辐射，引起地面层空气温度的增高，使地球表面大气温度上升，这被称之为温室效应。,（二）温室气体（greenhouse gases） 大气由许多气体组成，其中氮、氧占了总体积的99%，但主要影响温室效应的却是众多的微量气体，这些气体可以让太阳短波辐射自由通过，同时吸收地面发出的长波辐射。因此，当它们在大气中的浓度增加时，就会加剧“温室效应”，引起地球表面和大气层下温度升高，从而，这些气体就被统称为“温室气体”。 温室气体对地球辐射热

5、量的收支平衡起重要作用。CO2吸收带在波长1250017000nm初，正是在这一谱段地球射出的长波受到很大削弱，而在波长750013000nm间长波辐射被削减的较少，有70%90%的地球长波辐射是从这个波段散失到宇宙空间去的。这一谱段也常被称为“大气窗”，有N2O、CH4、O3、氟里昂等微量气体的吸收带，一旦这些气体大量增多，在750013000nm谱段的地球长波辐射也将被大量吸收，即地球赖以散失辐射热量的大气窗被关闭，温室效应就会加剧。,大气中的温室气体及其现有浓度和增长率,（三）温室气体的浓度变化与地球变暖趋势 引起气温变化的因子是多方面的，可分为自然因子和人为因子。气候变化本身又可分为长

6、期气候变化和短期气候变化。自然因子在短期内的变化是不显著的，而人为因子如CO2和其它微量气体浓度的持续增加，会对短期气候尤其是区域性气候变化带来较显著的影响。,1.二氧化碳（CO2）：在工业化以前，即19世纪初，大气中CO2浓度为270ppm，而到1988年已上升到350ppm，一百多年增长了将近30%。大气中CO2浓度急剧增加的原因主要由两个：一是随着工业化的发展和人口剧增，人类消耗的矿物燃料迅速增加，燃烧产生CO2的释放进入大气层，使大气中CO2浓度增加；二是，大片森林的毁坏一方面使森林吸收的CO2大量减少，另一方面烧毁森林时又释放大量的CO2 ，使大气中CO2含量增多。,目前，矿物能源消

7、耗达70亿TDE（吨石油当量），占全部能源消耗的90%。热带森林平均每年以9002450公顷的速度从地球上消失。19世纪60年代每年排放到大气中的CO2只有0.9亿吨左右，而到1985年，每年排放到大气中的CO2已达50亿吨。目前排放到大气中的CO2主要是燃料产生的，约占排放总量的70%，其余为森林毁坏造成的，主要在发展中国家，尤其是热带雨林地区，如巴西、印尼等。另外，排放到大气中的CO2有45%被生物（主要为陆地植物、海洋浮游生物等）吸收和溶于海水，人们在开发利用煤炭、石油和天然气等由亿万年前生物形成的资源时，相当于把远古时期禁锢的CO2释放到现代大气中。,未来CO2浓度的增长率，取决于世界

8、各国的能源需求变化，即未来的能源战略。不同研究者对未来世界能源消耗的估计不同，推测出的结果也就不同，实际的估算过程是非常复杂的，有许多不确定因素，其一般思路是： 首先，估算未来全球矿物燃料消耗量的增长，以及排放到大气中CO2的数量； 其次，估算生物对CO2吸收量和海水对CO2溶解量及其变化，还需考虑未来石灰石生产和其它社会活动释放的CO2及其进入或退出大气的途径。,2.其他温室气体： （1）甲烷的温室效应比CO2大20倍，因此它的浓度持续增长也是不容忽视的。根据南极冰芯成分的分析，工业化以前大气中甲烷浓度仅为0.7ppm左右，目前则为1.65ppm，近一百年增长了1倍多，而且正以1.1%的速率

9、增加。 （2）氟氯烃（氟里昂）是人类的工业产品，其中其温室作用的主要是CFC11和CFC12，其半衰期可达7080年。近几十年来，由于人为的因素，向大气中排放的氟里昂大增。1980年初，对流层下沿CFC11的平均浓度估计达到0.168ppb，每年递增5.7%，CFC12浓度估计达0.285ppb，每年递增6%。按照这样的增长率，氟里昂将在下世纪成为温室效应的第二大促成因素，仅次于CO2 。 （3）N2O，由于施用化肥的影响，N2O在大气中的浓度也在缓慢增长，年增长率为0.2%0.3%。 （4）臭氧是大气中浓度仅次于CO2的温室气体。在近几十年里，平流层的臭氧在减少，对流层的臭氧却有所增加。在过

10、去20年里，中高纬度地区的臭氧浓度升高了，上升率约为1%2%/每年，对流层臭氧浓度也有升高趋势。但是由于大多数臭氧集中在平流层，从总的趋势看，大气中臭氧总量在减少。,三、全球变暖对人类的影响,（一）沿海地区的海岸线变化： 温室气体增多所造成的小幅度升温，不仅不会使南极冰盖消融，反而会由于降雨、降雪增多，而使冰盖增加，海水水位下降。据估计，温度上升3，可使南极降水增多24%，南极冰盖增加约1%，从而导致海平面下降50厘米左右。 另一方面，全球变暖确会使海平面上升，其原因在于，随着温室气体增强，气温升高，海水温度也随之升高，海水将会由于升温而膨胀，促使海水平面升高。据估计，在综合考虑海水膨胀、南极

11、冰增多、北极和高山冰雪融化等因素的前提下，当全球增暖1.54.5时，海水平面可能上升20165厘米。据统计，近百年来随着全球气候增暖为0.6，全球海水平面大约上升了1015厘米。 海水平面上升主要使沿海地区受到威胁，沿海低地有被淹没的危险，海拔稍高的沿海地区的海滩和海岸也会遭受侵蚀，需耗费巨资修建海岸维护工程；另外，还会引起海水倒灌，洪水排泄不畅、土地盐渍化等后果。航运、水产养殖业也会受到影响。,（二）气候带移动： 气候带移动包括温度带和降水带的移动。 全球变暖会引起温度带的北移，一般说来，在北纬2080度之间，每隔10个纬度温度相差7，因此，按照全球平均增暖3.5计算，温度带平均北移5个纬度

12、。但不同纬度地区增暖幅度是不一样的，低纬地区增暖幅度小，温度带移动幅度也小，中纬度地区增暖幅度大，温度带北移也较大。 温度带移动会使大气运动发生相应的变化，全球降水也将改变，一般说来，低纬度地区现有雨带的降水量会增加，高纬度地区冬季降雪量也会增多，而中纬度地区夏季降水将会减少。 气候带的移动会引起一系列的环境变化。对于大多数干旱、半干旱地区，降水的增多可以获得更多的水资源，这是十分有益的；对于低纬度热带多雨地区，则面临着洪涝威胁；对于降水减少的地区，如北美洲中部、中国西北内陆地区等，则会因为夏季雨量的减少，变得更加干旱，造成供水紧张，严重威胁这些地区的工农业生产和人们的日常生活。,（二）气候带

13、移动： 气候带移动包括温度带和降水带的移动。 气候带移动引起的生态系统改变也是不容忽视的：据估算，气候增暖将使森林所占土地面积从现在的58%减到47%，荒漠将从21%扩展到24%；另一方面，草原将从18%增加到29%，苔原将从3%减到零，又使人类增加了可利用的土地。 气候变暖对农业的影响可以说有利也有弊。虽然变暖会使高纬度地区生长季节延长，有些干旱、半干旱地区降雨可能增多，CO2的增多能促进作物生长，但是，作物分布区向高纬度移动，有时可能移到现在土壤贫瘠的地区。对于生产力水平低，粮食储备少的国家，其农业生产系统对气候变化敏感性大，如果气温升高而降水不增加很少，则有可能使干旱加剧，连续长时间的干

14、旱势必对这些国家造成严重灾害。另外，高温闷热天气会使病虫害变得更严重。,（三）全球变暖对中国的影响： 中国有关部门及科学界对全球气候变暖对中国环境的影响做出了多方面的论证和评估。 1.气候变暖使中国农业生产的不稳定性增大； 2.海水平面上升使中国沿海经济发展受到威胁； 3.全球气候变暖还会对中国生物多样化产生影响。,四、控制全球变暖的综合对策,全球气候问题与其他全球环境问题的区别： 1.全球变暖问题主要是由CO2引起的，而CO2是由消费能源产生的，与人们的日常生活和生产有着密切的关系，人类不易加以防止； 2.全球变暖问题具有很大的不确定性。 控制温室气体剧增的基本对策： 1.调整能源战略 2.

15、绿化对策 3.控制人口，提高粮产，限制毁林 4.加强环境意识教育，促进全球合作,东京大学工学部某教授指出，CO2排放量和经济增长有如下关系： CO2排放量增加率=能源/GNP的增加率+ CO2 /能源的增加率+GNP的增加率 相当于能源效率 相当于对化石燃料的依赖程度,温室气体排放量占世界前10名的国家（1989年）,1950年1989年间从矿物燃料中排放CO2积聚量最多的国家和组织,提高现有能源利用率，减少CO2排放采取的措施： 1.采用高效能转化设备； 2.采用低耗能工艺； 3.改进运输，降低油耗； 4.推出新型高效家电； 5.改进建筑保温； 6.利用废热、余热集中供暖； 7.加强废旧物资

16、回收利用。,第二节 臭氧层破坏 与防治对策,一、臭氧层变化与臭氧洞,臭氧存在于地面以上至少10千米高度的地球大气中，其浓度随海拔高度而异。,O3在大气中的分布,约有50多个反应参与臭氧平衡。 大气臭氧是由氧原子和氧分子结合产生的： O+O2+MO3+M 有大约20千米高度上氧原子几乎都是由于短波紫外线辐射，使O2分子光解而产生： O2+hrO+O 在较低的高度，特别是在大气对流层内，氧原子主要是由于长波紫外线辐射，使NO2光解而产生： NO2+hrNO+O 臭氧自身通过紫外线和可见光照射后，也会发生光解： O3+hvO2+O 臭氧主要是与中含有的活泼自由基发生同族气相反应： X+O3XO+O2

17、 X+OX+O2 O+O3O2+O2,目前已有多种技术用于测定臭氧的浓度。 臭氧洞被定义为臭氧的柱浓度小于200Du，即臭氧的浓度较臭氧洞发生前减少超过30%的区域。臭氧洞用三维结构来描述，即臭氧洞的面积、深度以及延续的时间。 经过几年的连续观测，科学家发现，臭氧洞通常在南极的春天出现，即每从9月开始出现臭氧减少，到11月消失。 1995年观测到臭氧洞的发生期间是7d，1996南极80d，1998超过100d。 监测结果表明，大气层中的臭氧正在日益减少，人们需要积极行动起来，研究如何拯救臭氧层。,二、臭氧层破坏的原因,多数科学家认为，人类过多使用氟氯烃（用CFCs表示）类物质是臭氧层破坏的一个

18、主要原因。 在平流层内存在着O、O2和O3的平衡，而O3与氮氧化物、氯、溴及其它各种活性基团的作用会破坏这种平衡。 其他某些人造化学活性物质也会对臭氧层有很大威胁。,大气中影响臭氧层物质的来源,三、臭氧层的变化对人类的影响,（一）对人类健康的影响,臭氧层减少对人体健康的影响,（二）对植物的影响 （三）对水生生态系统的影响 （四）对其它方面的影响,四、拯救臭氧层,世界上CFCs使用情况（1985年估计1000吨）,CFCs的排放可通过四种方法加以控制： 1.提高利用效率，降低操作损失； 2.回收与循环； 3.改进CFCs产品； 4.非CFCs产品的替代品。,1985年3月22日，20个国家的代表

19、达成了维也纳保护臭氧层公约，这是把大气作为一种资源加以保护的第一个国家法律文件。1987年9月16日在加拿大蒙特利尔召开了保护臭氧层国际大会，签署了“蒙特利尔保护臭氧层议定书”，规定了特定的破坏臭氧层物质的生产量和消费量。,为保护臭氧层的被控物质,1990年6月在伦敦召开了第二次缔约国会议，提出了现行控制物质生产量及消费量削减的新的时间表；新增了控制物质及削减时间。,控制物质生产量及消费量的削减时间表,新增的控制物质,新增被控制物质的削减时间表,第三节 酸沉降（Acid Deposition）与防治对策,一、酸雨（Acid Rain）现象及其发展,酸沉降的科学概念包括“湿沉降”和“干沉降”。湿

20、沉降通常指值低于5.6的降水包括雨、雪、霜、雹、雾和露等各种降水形式。干沉降指大气中所有酸性物质转移到大地的过程。 酸雨（Acid Rain）一词最早是由英国化学家史密斯（R.A.Smith）使用的。从19世纪80年代20世纪中期，北欧地区先后发现降水化学组成的变化。在50年代后期，酸雨在比利时、荷兰和卢森堡被察觉，10年后，酸雨在德国、法国、英国等相继出现。进入80年代后，酸雨的危害更为严重，并且扩展到了世界范围。,我国对酸雨的监测与研究起步较晚。,我国部分城市降水的平均pH值,二、酸雨的来源与形成,（一）酸雨的来源 1.天然排放的硫化合物 2.人为排放的硫化合物和氮氧化物 （二）酸雨的形成

21、 人为源和天然源排放的硫化合物和氮化合物进入大气后，要经历扩散、转化、输运以及被雨水吸收、冲刷、清除等过程。气态的NOX、SO2在大气中可以氧化成不易挥发的硝酸和硫酸，并溶于云滴或雨滴而成为降水成分，它们的转化速率受气温、辐射、相对湿度以及大气等因素的影响。,酸沉降形成示意图,1. SO2氧化途径： SO2+O2 SO3 SO3+H2O H2SO4 总反应方程式： 2SO2+2H2O+O2 2H2SO4 2. NOX氧化途径： （1）NO氧化成NO2：NO+O3 NO2+O2 （2）NO氧化成HONO（亚硝酸）和HNO3 NO+OH HONO NO+HO2 HNO3 NO2的氧化也有两条途径： （1）NO2化成HNO3 （2）NO2转化为过氧化酰基硝酸酯和过氧硝酸（HO2NO2）,催化剂,催化剂,（金属盐）,主要国家硫氧化物和氮氧化物排放量 （单位：万吨）,世界一些地区酸