大气环境化学课件

第二章：大气环境化学(鱼水鱼水-人空气人空气)当前三大全球环境话题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内当前三大全球环境话题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内 重点内容重点内容重点内容重点内容:（1 1）污染物在大气中的迁移）污染物在大气中的迁移 气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定度、大气混合层度、大气混合层 污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等 污染物迁移的数学模式：推导与应用污染物迁移的数学模式：推导与应用（2 2）污染物在大气中的转化）污染物在大气中的转化 光化学反应基础光化学反应基础 自由基反应和来源自由基反应和来源 氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化（3 3）几种代表性的大气环境污染问题）几种代表性的大气环境污染问题 酸雨酸雨 温室效应温室效应 臭氧层损耗臭氧层损耗第二章：大气环境化学(鱼水-人空气)当前三大全球环境话题：1第一节、污染物在大气中的迁移第一节、污染物在大气中的迁移一、大气垂直分层一、大气垂直分层一、大气垂直分层一、大气垂直分层二、基本气象要素二、基本气象要素二、基本气象要素二、基本气象要素三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度五、逆温五、逆温五、逆温五、逆温六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响迁移迁移迁移迁移：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。原因原因原因原因：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中温度的差异是空气运动的动力源。温度的差异是空气运动的动力源。温度的差异是空气运动的动力源。温度的差异是空气运动的动力源。第一节、污染物在大气中的迁移一、大气垂直分层迁移：污染物由于21 1、对对流流层层:平均厚度12km,赤道19km，两极8-9km，云雨主要发生层，夏季厚，冬季薄。特点特点:（1）气温随高度升高而降低。（2）空气密度大。（3）天气复杂多变。（4）对流层下部1-2km受地面摩擦的影响，具有边界层的性质，其内空气运动呈现湍流形式。由于对流而较好地混合的边界层下部称为混合层。一、大气垂直分层一、大气垂直分层:19621962年年WMOWMO根据大气的化学成根据大气的化学成分和物理性质在垂直方向的差异，分为五层：对流层、分和物理性质在垂直方向的差异，分为五层：对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。平流层、中间层、热成层、逸散层。1、对流层:平均厚度12km,赤道19km，两极8-9km3大气环境化学课件4特点：特点：（1）空气基本无对流，平流运动占显著优势。（2）空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，很少有天气现象，透明度极高，10-20km范围是超音速飞机的理想飞行场所。（3）在15-35km的范围内（平流层上层），有一层厚度约20km的臭氧层，能够吸收太阳短紫外线，使平流层上部温度增高，同时也成为地球生命的保护伞。2 2、平流层、平流层:对流层顶到约50km的地方，为大气圈平流层。平流层基上温度随高度增加而升高。特点：2、平流层:对流层顶到约50km的地方，为大53 3、中间层、中间层 从平流层顶到约85km的高度。（1 1）空气更稀薄空气更稀薄（2 2）无水分无水分（3 3）温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低 （-100-100）中间）中间层种上部，气体分子（层种上部，气体分子（O O2 2、N N2 2）开始电离。）开始电离。4 4、热（成）层、热（成）层 从80km到约800km的地方(1)(1)温度随高度增加迅速增高；温度随高度增加迅速增高；(2)(2)大气更为稀薄大气更为稀薄;(3)(3)大大部部分分空空气气分分子子被被电电离离成成为为离离子子和和自自由由电电子子，又又称称电电离层，可以反射无线电波离层，可以反射无线电波3、中间层从平流层顶到约85km的高度。（1）空气更65 5、逸散层、逸散层（1）800km以上高空（2）空气稀薄，密度几乎与太空相同（3）空气分子受地球引力极小，所以气体及其微粒可以不断从该层逃逸出去5、逸散层7二、基本气象要素二、基本气象要素 对污染物扩散有重要作用的气象要素是：气温、气压、湿度、风、云量等。1 1、气温、气温 一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。二、基本气象要素对污染物扩散有重要作用的气象要素是82 2、气气压压:大大 气气 的的 压压 强强，一一 般般 标标 准准 状状 态态 下下，大大 气气 压压 强强p=1.0110p=1.01105 5papa。p=gh=gz,p=gh=gz,由由于于大大气气密密度度随随高高度度增增加加而而减减小小，所以压强也逐渐减小。所以压强也逐渐减小。初始状态：初始状态：地面处高度地面处高度0 0：压强压强p1=gzp1=gz高度增加高度增加z,z,则高度则高度zz处：处：压强压强p2=g(z-z)p2=g(z-z)所以，得到：所以，得到：P2-P1=p=-gzP2-P1=p=-gz转化为微分形式则：(1)（密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nRT =(令 )=(2)2、气压:大气的压强，一般标准状态下，大气压强p=1.019其其中中R=8.314JR=8.314Jmolmol-1-1K K-1-1,M,M气气体体摩摩尔尔质质量量（空空气气的的摩摩尔尔体体积积为为22.4l22.4lmolmol-1-1，空空气气密密度度=1.29g=1.29gl l-1-1,所所以以M=22.4*1.29=28.869gmolM=22.4*1.29=28.869gmol-1-1）,所以所以R=R/M=287 JR=R/M=287 Jkgkg-1-1K K-1-1。由（由（1 1）和（）和（2 2）得到：）得到：=（3）可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。其中R=8.314Jmol-1K-1,M气体摩尔质量（空10 风速玫瑰图（风速玫瑰图（m/sm/s）3 3、风、风 水水平平方方向向的的空空气气运运动动，垂垂直直方方向向则称为对流或升降气流。则称为对流或升降气流。一一般般用用风风向向、风风速速来来表表示示风风的的特特征征（矢矢量量，既既有有大大小小又又有有方方向）向）风风向向一一般般用用1616个个方方位位表表示示，(E S W N)(E S W N)风风速速是是单单位位时时间间内内空空气气在在水水平方向移动的距离（平方向移动的距离（m/sm/s）一一般般风风速速是是地地面面以以上上10m10m处处风风速仪观测得到的平均值速仪观测得到的平均值风速玫瑰图（m/s）3、风114 4、云、云 大气中水汽凝结的产物大气中水汽凝结的产物 一般用云量、云高来确定大气稳定度一般用云量、云高来确定大气稳定度 云云高高：云云层层底底部部距距离离地地面面的的高高度度，高高云云（5 5 000m000m）中云（中云（2500-5000m2500-5000m）低云（）低云（2500m=根据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系内能变化，Jmol-1K-1)所以：所以：pdv=-nCvdT16=对于空气对于空气R=287 JmolR=287 Jmol-1-1K K-1-1 Cp=996.5 Jmol Cp=996.5 Jmol-1-1K K-1-1所以：所以：3 3、干绝热递减率、干绝热递减率气气团团干干绝绝热热升升高高或或降降低低单单位位距距离离时时，温温度度降降低低或或升升高高的的数数值值，称称为为干干绝绝热递减率热递减率:推导过程：推导过程：r rd d=-=-因为：因为：（干绝热方程）（干绝热方程）17所以所以r rd d=-=-=又因为又因为所以：所以：r rd d=又由于又由于p=RTp=RT故故r rd d=0.98K/100m=0.98K/100m （1N=1kg m s1N=1kg m s-2-2,1J=1N m,1J=1N m）干绝热递减率常数的推导干绝热递减率常数的推导所以rd=-=干绝热递减率常数的推导18四、大气稳定度四、大气稳定度 大气稳定度：是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。根据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）的对比关系，可以确定大气稳定度。稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（rrd）中性：介于上述两种情况之间（r=rd）注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大。四、大气稳定度大气稳定度：是指大气中某一高度上的气块在垂直19解释解释：当当rrrrd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。当当r rr rd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定解释：rrd不稳定20五、逆温五、逆温 由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd的关系可表示为：rd=0.980.00不 稳定稳定中性超稳定（逆温）一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散 而逆温则使大气的温度变化逆转，随着高度升高，温度也升高（rh,所以HH3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。hhHH气团下沉过程中，由于受到压缩，顶部下降距23六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响 海海洋洋和和大大陆陆在在白白天天和和夜夜间间的的热热力力差差异异，导导致致的的白白天天和和夜夜间间海海洋洋和和陆陆地地之之间间的的风向转换。风向转换。白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风对污染扩散的影响：对污染扩散的影响：白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温易易造造成成污污染染物物往往返返，海海陆陆风风转转换换期期间间，原原随随陆陆风风吹吹向向海海洋洋的的污污染染物物又又会会被被吹吹会会陆陆地地。循循环环作作用用，如如果果污污染染源源处处于于海海路路风风交交界界处处，并并处处于于局局地地环环流流，则则污污染染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。1 1、海陆风、海陆风 六、局地环流对污染物扩散的影响海洋和大陆在白天和夜间的热力242 2、城郊风、城郊风主要动力是城市热岛效应造成的城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧。郊区城市郊区3 3、山谷风、山谷风白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡谷风谷风夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底山风山风处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地。再是建造工业企业的胜地。2、城郊风郊区城市郊区3、山谷风25七、思考题七、思考题1 1、何谓大气的温度层结？简述大气垂直分层中各层次的主要特征？、何谓大气的温度层结？简述大气垂直分层中各层次的主要特征？2 2、何何谓谓逆逆温温？逆逆温温的的几几种种主主要要类类型型及及其其成成因因？逆逆温温对对污污染染物物扩扩散散有有什么影响？什么影响？3 3、何何谓谓大大气气垂垂直直递递减减率率和和干干绝绝热热垂垂直直递递减减率率？如如何何用用它它们们的的相相互互关关系判断大气稳定度？系判断大气稳定度？4 4、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式：、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式：5 5、设设地地面面处处温温度度为为T T0 0=25,P=25,P0 0=1.0110=1.01105 5帕帕.现现有有一一气气团团从从该该地地绝绝热热上上升升，用用探探空空气气球球测测得得地地面面以以上上5km5km高高处处气气温温T=-13,T=-13,求求该该处处压压强强（P P）。）。七、思考题1、何谓大气的温度层结？简述大气垂直分层中各层次的26