第2章：大气环境化学1

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二章：大气环境化学,当前三大全球环境问题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内,重点内容,:,（,1,）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,污染物迁移的数学模式：推导与应用,（,2,）污染物在大气中的转化,光化学反应基础,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,（,3,）几种代表性的大气环境污染问题,酸雨，光化学烟雾，,温室效应，全球变暖,臭氧层破坏,第一节、污染物在大气中的迁移,一、大气垂直分层,二、基本气象要素,三、气块的绝热过程和干绝热递减率,四、大气稳定度,五、逆温,六、局地环流对污染物扩散的影响,迁移,：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。,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。所以大气中温度的差异是空气运动的动力源。,1,、对流层,:,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,:,（,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,）对流层下部湍流。,一、大气垂直分层,:,1962,WMO,对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。,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。,（,3,） 在,15-35km,的范围内（平流层上层），厚度约,20km,的臭氧层。,2,、平流层,:,对流层顶到约,50km,的地方,3,、中间层,从平流层顶到约,85km,的高度。,（,1,） 空气更稀薄,（,2,）无水分,（,3,） 温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低 （,-100,）,（,4,） 中间层中上部，气体分子（,O,2,、,N,2,）,开始电离。,4,、热（成）层,从,80km,到约,800km,的地方,温度随高度增加迅速增高；,大气更为稀薄,;,大部分空气分子被电离成为离子和自由电子，又称电离层，可以反射无线电波,5,、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,二、基本气象要素,气温、气压、湿度、风、云量,1,、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。,2,、气压,:,初始状态： 地面处高度,0,：,压强,p1=,gz,高度增加,z,则高度,z,处： 压强,p2=g(z-z),所以，得到：,P2-P1=p=-gz,转化为微分形式则：,(1),（,密度,g/m,3,，,空气,=1.29g/L,，,g,重力加速度,9.8m/s,2,）。,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),其中,R=8.314J,mol,-1,K,-1,M,气体摩尔质量（空气的摩尔体积为,22.4l,mol,-1,，,空气密度,=1.29g,l,-1,所以,M=22.4*1.29=28.869gmol,-1,）,所以,R=R/M=287 J,kg,-1,K,-1,。,由（,1,）和（,2,）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。,风玫瑰图（,m/s,）,3,、风,水平方向的空气运动，垂直方向则称为对流或升降气流。,一般用风向、风速来表示风的特征,风向一般用,16,个方位表示，,(E S W N),风速是单位时间内空气在水平方向移动的距离（,m/s,）,一般风速是地面以上,10m,处风速仪观测得到的平均值,4,、云,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,云高：云层底部距离地面的高度，高云（,5000m,）,中云（,2500-5000m,）,低云（,=,=,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,-1,K,-1,),所以：,= = =,对于空气,R=287 Jmol,-1,K,-1,Cp=996.5 Jmol,-1,K,-1,所以：,3,、干绝热递减率,气团干绝热,升高或降低,单位距离时，温度,降低或升高,的数值，称为干绝热递减率,:,推导过程：,r,d,=-,因为： （干绝热方程）,所以,r,d,=- =,又因为,所以：,r,d,= =,又由于,p=RT,故,r,d,= = =0.98K/100m,（,1N=1kg m s,-2,1J=1N m,）,干绝热递减率常数的推导,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（,r,d,）,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（,rr,d,）,中性：,介于上述两种情况之间（,r=r,d,）,注意其中,r,d,基本为不变常数,0.98k/100m,，,r,则可能变化很大。,解释,：,当,rr,d,时，,气团离开原来位置上升到某一高度时，由于,rr,d,，,所以气团内降温（速率为,r,d,）,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,rr,d,时，,气团离开原来位置上升到某一高度时，由于,rr,d,，,所以气团内降温（速率为,r,d,）,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。,rr,d,不稳定,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,r,d,的关系可表示为：,r,d,=0.98,0.00,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,HH,3,、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。,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差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的风向转换。,白天：海风，夜晚：陆风,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。,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,易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地。循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。,1,、海陆风,2,、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,、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,谷风,夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底,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，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。,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主要特征？,2,、何谓逆温？逆温的几种主要类型及其成因？逆温对污染物扩散有什么影响？,3,、何谓大气垂直递减率和干绝热垂直递减率？如何用它们的相互关系判断大气稳定度？,4,、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式：,5,、设地面处温度为,T,0,=25,P,0,=1.0110,5,帕,.,现有一气团从该地绝热上升，用探空气球测得地面以上,5km,高处气温,T=-13,求该处压强（,P,）。,