大气环境化学3(2009.12.2) (2).ppt

1、大气环境化学 （Atmospheric Environmental Chemistry) 陈 娟 荣 2009.12.2,主要内容 （1） 天然大气 （2） 大气污染和大气化学 （3） 大气中的重要化学反应 （4） 几个综合性的大气污染问题,大气环境化学1 天然大气 主要内容: 一、天然大气组成和结构 二、大气中的自由基 三、光化学反应基础 2009.11.25,大气环境化学2 大气污染 大气化学 2009.11.27,大气环境化学3 温室效应 平流层臭氧 2009.12.2,全球暖化，北极冰山日渐消溶，威胁北极熊生存空间，美国2008年5.14日将北极熊列入“濒临危险物种法”的保护名单。,联

2、合国IPCC警告 如果人类不立即采取措施 到本世纪末 地球的气温将比现在升高6. （近100年来,平均气温上升为0.3-0.6，海平面上升了10-20cm。）,Intergovernmental Panel on Climate Change 政府间气候变化专门委员会,地球平均温度升高1,地球平均温度升高2,地球平均温度升高3,地球平均温度升高4,地球平均温度升高5,温室效应,基本要求： 1. 了解温室效应形成的因素。 2. 了解全球变暖带来的危害。,英文：Greenhouse effect 温室效应，又称“花房效应”，是大气保温效应的俗称。 大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波

3、热辐射线却被大气吸收，这样就使地表与低层大气温度增高，因其作用类似于栽培农作物的温室，故名温室效应。,温室效应,温室效应,1.地球的热平衡 进入大气的太阳辐射约50%以直接方式或被云、颗粒物和气体散射的方式到达地球表面；另外的50%被直接反射回去或被大气吸收。 地球表面能量返回大气由传导、对流和辐射三种能量传输机制来完成。,温室效应和温室气体,2.温室气体 增加大气中CO2等温室气体浓度，阻止地球热量的散失，使地球气温升高，就是有名的“温室效应”。 二氧化碳气体具有吸热和隔热的功能。它在大气中增多的结果是形成一种无形的玻璃罩，使太阳辐射到地球上的热量无法向外层空间发散，其结果是地球表面变热起来

4、。因此，二氧化碳也被称为温室气体。,温室气体包括两类： 一类在对流层混合均匀， 如CO2、CH4、N2O和CFCs。 另一类在对流层混合不均匀，如O3。,温室效应和温室气体,温室有两个特点：温度较室外高，不散热。 生活中我们可以见到的玻璃育花房和蔬菜大棚 就是典型的温室。 使用玻璃或透明塑料薄膜来做温室，是让太阳光 能够直接照射进温室，加热室内空气，而玻璃或透 明塑料薄膜又可以不让室内的热空气向外散发，使 室内的温度保持高于外界的状态，以提供有利于植 物快速生长的条件。,温室效应和温室气体,温室气体和温室效应,3.温室气体的作用 大气中的CO2、CH4等气体可以强烈地吸收波长1200-1630

5、 nm的红外辐射，因而它在大气中的存在对截留红外辐射能量影响较大。这些气体如同温室的玻璃一样，它允许来自太阳的可见光到达地面，但阻止地面重新辐射出来的红外光返回外空间，因此，这些温室气体起到了单向过滤作用，吸收了地面辐射出来的红外光，把能量截留在大气之中，从而使大气温度升高，这种现象称为温室效应。,温室气体的作用,温室气体和温室效应,温室气体和温室效应,环境影响 (1)“全球变暖” (2)海平面上升 (3)气候反常，海洋风暴增多 (4)土地干旱，沙漠化面积增大 (5)地球上的病虫害增加,温室效应的危害,地球上的病虫害增加 温室效应可使史前致命病毒威胁人类。 美国科学家近日发出警告，由于全球气温

6、上升令北极冰层溶化， 被冰封十几万年的史前致命病毒可能会重见天日，导致全球陷入疫症 恐慌，人类生命受到严重威胁。 纽约锡拉丘兹大学的科学家在最新一期科学家杂志中指出，早 前他们发现一种植物病毒TOMV，由于该病毒在大气中广泛扩散，推 断在北极冰层也有其踪迹。于是研究员从格陵兰抽取 4块年龄由 500至 14万年的冰块，结果在冰层中发现TOMV病毒。研究员指该病毒表层 被坚固的蛋白质包围，因此可在逆境生存。 这项新发现令研究员相信，一系列的流行性感冒、小儿麻痹症和天 花等疫症病毒可能藏在冰块深处，目前人类对这些原始病毒没有抵抗 能力，当全球气温上升令冰层溶化时，这些埋藏在冰层千年或更长的 病毒便

7、可能会复活，形成疫症。科学家表示，虽然他们不知道这些病 毒的生存希望，或者其再次适应地面环境的机会，但肯定不能抹煞病 毒卷土重来的可能性。,对人类生活的潜在影响 （1）经济的影响 （2）农业的影响（3）海洋生态的影响（4）水循环的影响 科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续 发展，到2050年全球温度将上升24，南北极地冰山将 大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城 市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上 海，东京和悉尼。,温室效应的危害,温室效应的防治,防治温室效应可以从使用清洁能源；提高能源利用率；进行清洁生产；植树造林、绿化大地等方面着手， 而最主

8、要的措施是新能源的开发和植树造林。,2009年12月7日，为期两周的联合国气候变化大会 将在丹麦首都哥本哈根开幕。 192个国家的领导人就未来应对气候变化的全球行动签署新的 协议。这是继京都议定书后又一具有划时代意义的全球气 候协议书，毫无疑问，对地球今后的气候变化走向产生决定性 的影响。 这是一次被喻为“拯救人类的最后一次机会”的会议。 值得我们关注。,哥本哈根气候大会,中国总理温家宝将前往哥本哈根出席这次会议。 美、英、法、德、日、巴西和印尼等国领导人也已宣 布届时将与会。 中国政府日宣布减排目标，决定到年 实现单位国内生产总值二氧化碳排放比年减 少至。 美国政府日宣布，将在气候变化大会上

9、承诺， 到年时，本国温室气体排放量比年 减少。,哥本哈根气候大会,哥本哈根气候大会,气候变化是我们这一两代人面临的最严峻、深远的挑战之一。 科学家预测，随着温室效应不断加剧，到本世纪末全球升温范围将在1.1-6.4度之间。更加令人震惊的是，从最新的温室气体排放增加速度来看，地球气候已经开始朝着6-7度严酷升温发展，大大超出2摄氏度的地球生态警戒线,几乎宣告了生态系统的死刑，世界处在毁灭性的气候混乱状态边缘。,人类的底线是要把全球升温控制在2摄氏度甚至更低，一旦 超过2摄氏度全球变暖就会无法控制的继续，那时候即使人类想采取补救措施也没有机会了。为了达到这个目标，全世界温室气体排放总量上升的趋势必

10、须在2015年前得到扭转，这意味着从现在起留给我们拯救地球的时间只有6年！,平流层臭氧,基本要求： 1.了解平流层O3的生成和损耗的基本反应。 2. 了解影响臭氧层损耗的因素。,臭氧层的形成与损耗,臭氧层存在于对流层上面的平流层中，主要分布在距地面15-35 km的范围内，峰值浓度在20-25 km处。,臭氧的形成 (天然),O2 + hv O + O ( 243 nm) 2O + 2O2 + M 2O3 + M,3O2 + hv 2O3,NO2 + hv NO + O ( 420 nm) O + O2 + M O3 + M,臭氧形成：人为来源,臭氧层的形成与损耗,动态平衡：生成和耗损的速率相

11、同，臭氧的浓度保持恒定。,O3 + hv O2 + O O3 + O 2O2,2O3 + hv 3O2,耗损,210 290 nm,臭氧层的形成与损耗,臭氧层耗损 由于水蒸气、NOx、氟氯烃等污染物进入平流层，它们能加速臭氧耗损过程，破坏臭氧层的稳定状态。,The yearly variation in total ozone (mean values for October) over Halley bay Station, Antarctica.,臭氧层的形成与损耗,（1）水蒸气的影响 平流层中存在的水蒸气，可与激发态氧原子形成含氢物质(H，OH与HO2)，这些物质可造成O3损耗约10%。

12、 OH + O3 HO2 + O2 HO2 + O OH + O 总反应： O + O3 2O2,臭氧层的形成与损耗,平流层HOX主要是由H2O, CH4 或H2与O反应而生成的。,臭氧层的形成与损耗,（2）NOx的催化作用 平流层中的N2O可为紫外线辐射分解为N2和O，其中，约有1%的N2O又与激发态的氧原子结合，经氧化后产生NO和NO2是造成O3损耗的重要过程，估计约占O3总损耗量的70%。 NO + O3 NO2 + O2 NO2 + O NO + O2 总反应： O + O3 2O2,臭氧层的形成与损耗,假设可催化臭氧分解的物质为Y，则有如下反应：,平流层中NO, NO2的主要天然来源

13、是N2O的氧化：,臭氧层的形成与损耗,（3）天然或人为的氯、溴及其氧化物的催化作用 ClOx的人为来源是制冷剂，如F-11(CFCl3)和F- 12(CF2Cl2)，它们在波长175-220 nm的紫外光照射下会产生Cl。,臭氧层的形成与损耗,2002年1月1日起我国汽车业全面禁止新车使用氟里昂的空调 这个规定是为了履行保护臭氧层的国际义务，执行保护臭氧层维也纳公约和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书而制定的。,澳科学家称大气氟里昂水平下降 澳大利亚科学家保罗弗雷泽说，1990年蒙特利尔议定书禁止氟里昂的规定已经取得效果。大气中的氟里昂水平正在下降，南极上空的臭氧洞应在2050年前闭合。,臭氧

14、“空洞”及其形成机制,第一个发现南极上空臭氧出现空洞的是两位日本科学家，1982年9月，他俩在南极昭和站的观察活动中偶然发现并报道了臭氧减少的这一现象，但是当时很少有人注意到这件事，臭氧空洞并没有为全世界的人们所瞩目 。,平流层臭氧损耗的发展,英国南极站的科学家约瑟法曼等在哈雷湾站也观察到一种异常的现象，每年的早春时期南极上空臭氧就急剧减少。1985年，英国南极探测局公布哈雷湾站1980年初以来在南极春季观察到臭氧层空洞这一消息。这个空洞面积非常大，基本上与美国领土面积相当，于每年9月上旬(春季)出现，然后迅速地减少一半左右，并形成一个“臭氧空洞”，持续到11月又逐渐恢复。这一报道引起全世界的

15、震惊。,在南极上空，约有2000多万平方千米的区域为臭氧稀薄区，其中14-19千米上空的臭氧减少达50%以上，科学家们形象地将之称为“臭氧空洞”。,平流层臭氧损耗的发展,1986年,美国公布了通过“雨云二号”卫星得到的数据， 证实了自1979年到1984年10月在南极上空的确出现了总臭 氧合量持续减少的况，这样显著的变化已经超出了由气候 变化引起的变化范围。直到这个时候，南极上空的“臭氧 空洞”才受到全球的关注。,平流层臭氧损耗的发展,臭氧空洞指的是因空气污染物质，特别是氧化氮和卤化代烃等气溶胶污染物的扩散、侵蚀而造成大气臭氧层被破坏和减少的现象。,人们已经认识到氟利昂等人造物质对臭氧层造成破

16、坏，所以，国际组织通力合作来降低这些破坏性化合物的使用量，24个国家于1987年签订了限制使用氟利昂等化学品的条约。荷兰、墨西哥和美国三位科学家研究的结果，确认了人造物质对臭氧层的破坏，因而获得了1995年的诺贝尔化学奖。,这几年来，它们在大气里的含量也的确降低了一点。这张照片是用特殊方法拍摄的，因为我们用肉眼是看不到哪里的臭氧被破坏了。在这张照片里，蓝色的深浅代表臭氧的含量，颜色愈深，臭氧的含量愈少。从照片中我们清楚地看到臭氧最少的地方在南极上空，这就是我们平常说的南极臭氧空洞。科学家们一直关注着南极上空的这个空洞，因为它在不停地变化着。,2000年臭氧空洞形状 旋涡状,2002年臭氧空洞变

17、形了,根据世界气象组织的图表数据，2006年8月中旬以来，观测卫星拍摄的照片显示，南极洲上空臭氧层空洞突然增大1000万平方公里。,目前的空洞集中在南极上空，面积大概有2700多万平方千米，并且预计在本月还将继续扩大。2000年，南极洲上空的臭氧层空洞面积突然增大到创纪录的2800万平方公里，近乎4个澳大利亚的面积。 除了南北两极之外，近年来，在青藏高原上空也发现了臭氧分布稀薄区。,平流层臭氧损耗的发展,所谓南极臭氧洞是指南极地区上空大气臭氧总含量季节性大幅度下降的一种现象，并非臭氧完全消失出现了真正的洞，南极臭氧洞通常于每年8月中旬开始逐渐形成，10月中、上旬达到最大面积，并于11月底或12

18、月初臭氧洞消失。对迄今已掌握的卫星和地面观测资料的分析表明，南极大陆上空大气中臭氧含量的明显减少始于20世纪70年代末，1982年10月南极上空首次出现了臭氧含量低于200DU（DU为多普逊臭氧单位）的区域形成了臭氧洞,在随后的几年里臭氧洞的面积不断扩大，洞内的臭氧含量不断降低。进入20世纪90年代以来，南极臭氧洞继续发展，臭氧洞的最大面积已由80年代末的2000万平方公里左右扩展到目前的大约2900万平方公里。,D.U. 将0 ，标准海平面压力下，10-5m厚的臭氧浓度定义为1个Dobson单位，即1D.U.,平流层臭氧损耗机制,美国宇航局弗吉尼亚州汉普顿芝利中心Callis等提出南极臭氧层

19、的破坏与强烈的太阳活动有关的太阳活动学说。 麻省理工学院Tung等人认为是南极存在独特的大气环境造成冬末春初臭氧耗竭，提出了大气动力学学说。 人们普遍认为大量氟氯烃化合物的使用和排放，是造成臭氧层破坏的主要原因。,平流层臭氧损耗机制,CF2Cl2 + hv CF2Cl + Cl CFCl3 + hv CFCl2 + Cl Cl + O3 ClO + O2 Br + O3 BrO + O2 ClO + BrO Br + ClO2 ClO2 + M Cl + O2 + M 总反应： 2O3 3O2,产生的Cl会使臭氧发生分解,另外，氯和溴会发生耦合作用是臭氧损耗速率提高,臭氧层损耗物质,氟氯烃类化合物主要是CFC系列 性能优良的冷冻剂,早期冷冻剂为二氧化