大气环境化学综述

,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,*,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,第一节 大气中污染物的迁移,第二节 大气中污染物的转化,第三节 大气污染数学模式,1.,引起关注的大气污染事件,12,世纪，城市空气与乡村空气有差别,13,世纪，煤代替木材作为燃料，伦敦出现空气污染,1930,年，比利时马斯河谷事件,1943,年，洛杉矶光化学烟雾事件,1948,年，美国多诺拉镇烟雾事件,1952,年，伦敦烟雾事件,1955,年，日本四日事件,前 言,2.,大气环境化学的研究内容,大气中对环境有影响的重要组分的来源、在大气中的存在形式、迁移转化过程中的化学转化、归宿以及对大气质量的影响等。,3.,大气环境化学的研究对象,气态污染物,气态污染物,颗粒物,大气降水,公认的污染物，,SO,2,、,CO,、,NOx,、,O,3,等,对全球气候有影响的微量气体，,CO,2,等,不稳定组分，自由基等,大气本身是氧化性的介质，发生在大气中的化学过程往往倾向于由低氧化态不断走向高氧化态。,4.,大气化学研究的特点,大气中的热化学过程往往与光化学过程结合，光化学反应在大气环境中占有重要地位。,大气处在物理、化学的非平衡状态,发生的化学过程主要考虑的不是化学平衡,而是反应速度问题。,大气中发生多种反应，各物种之间并非孤立的，往往通过大气自由基相互间密切联系,大气中的化学过程是在一定气象条件下进行的，现场实验中研究中，必须考虑气象条件。,一、大气的主要成分,主要组分：,N,2,(78.08%),、,O,2,(20.95%),、,Ar,(0.934%),、,CO,2,(0.0314%),稀有气体：,He,(2.54,10,-4,),、,Ne,(1.81,10,-3,),、,Kr,(1.14,10,-4,),、,Xe,(8.7,10,-6,),水 ：,13%,痕量组分：,H,2,、,CH,4,、,CO,、,SO,2,、,NH,3,、,N,2,O,、,NO,2,、,O,3,第一节 大气的组成及其主要污染物,二、大气结构,1.,按,气温,垂直分布分层,按照大气在垂直方向上的温度、化学组成及其他性质的变化，大气圈可以分为若干层次：,对流层,平流层,中间层,热层,逃逸层,热,分,层,2.,按,大气化学成分,垂直分布分层,均匀层：,90km,以下的大气层，大气中的主要成份的,组成比例几乎是不变的,。除去水蒸气和杂质外，,“,干洁大气,”,组成成分为氮,(78.084),、氧,(20.946),、氩,(0.934),、二氧化碳,(0.020.04),、,臭氧,(00.510,-5,),、氖、氦、氢、氙,非均匀层：,90km,以上的大气层，氧分子和氮分子大量解离，大气平均分子量随高度的增加而降低。,3.,按,大气电离状态,的垂直分布分层,电离层 非电离层,60500km 60km,以下,D,区,6090km,，主要为,NO,的光解离,E,区,90120km,，主要为,O,2,的光解离,F,区,120km,以上，,O,2,和,N,2,都发生光解离,三、大气的能量来源,大气对太阳辐射的吸收谱,四、,大气温度层结和大气密度层结,静大气的温度和密度在垂直方向上的分布，称为大气温度层结和大气密度层结。,五、大气中的主要污染物,1,、含硫化合物,2,、含氮化合物,3,、含碳化合物,4,、含卤素化合物,种类,危害,来源,消除,浓度变化,第二节 大气中污染物的迁移,一、逆温,在对流层中，气温一般是随高度增加而降低。但在一定条件下会出现气温随高度增加而升高的反常现象，称为逆温。,发生逆温的判据,：,大气温度垂直递减率,(),的变化,当,=0,时，称为等温气层；,当,0,时，称为逆温气层。,逆温现象经常发生在较低气层中。这时气层稳定性特强，对于大气中垂直运动的发展起着阻碍作用。,大气中污染物为什么会迁移？,对污染物来说，迁移的后果是什么？,污染物在大气中的迁移是指由污染源排放出来的污染物由于空气的运动使其传输和分散的过程。,迁移过程可使污染物浓度降低。,大气中污染物迁移,空气运动,空气温度,差异,逆温形成的过程是多种多样的。由于过程的不同，可分为近地面层的逆温和自由大气的逆温两种。,近地面层的逆温有辐射逆温、平流逆温、融雪逆温和地形逆温等。,自由大气的逆温有乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。,近地面层的逆温多由于,热力条件,而形成，以辐射逆温为主。,辐射逆温是地面因强烈辐射而冷却降温所形成。这种逆温层多发生在距地面,100150m,高度内。,最有利于辐射逆温发展的条件：,平静而晴朗的夜晚。有云和有风都能减弱逆温，如风速超过,2,3m,s,时，辐射逆温就不易形成。,辐射逆温的成因,当白天地面受日照而升温时，近地面空气的温度随之而升高。夜晚地面由于向外辐射而冷却，这便使近地面空气的温度自下而上逐渐降低，由于上面的空气比下面的冷却较慢，结果就形成逆温现象。,教材第,13,页 图,2-3,新教材第,48,页,二、气块的绝热过程和干绝热递减率,1,气块,在大气中取一个,微小容积,的宏观气块，称为空气微团，简称气块。由污染源排入大气的污染气体，也可视为一个气块来考虑。,2,气块的绝热过程,假设气块与周围的环境之间没有发生热量交换，那么它的状态变化过程就可以认为是,绝热过程,。,3.,干过程,固定质量的气块所经历的不发生水相变化的过程，通常称为,干过程,。,所谓不发生水相变化，即指气块内部既不出现液态水又不出现固态水。,图,2-4,干空气升降时的绝热变化,可逆的绝热过程,固定总质量,无水相变化,与外界无热交换,温度升高,温度降低,气块的干绝热过程,4,、干绝热（垂直）递减率,干空气（气块）在上升时温度降低值与上升高度的比，称为干绝热垂直递减率，用,d,表示。,三、大气稳定度,一个空气气块的稳定性应该是,密度层结,和,温度层结,共同作用来决定的。,1,大气稳定度,大气稳定度是指气层的稳定程度，或者说大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。,设想在层结大气中有一气块，,气块,气块,？,？,大气稳定度,大气温度垂直递减率,干绝热垂直递减率,d,，,大气是稳定的,d,，,大气是不稳定的,=,d,，,大气处于平衡状态,：,大气温度垂直递减率,d,：干绝热垂直递减率,四、影响大气污染物迁移的因素,空气的机械运动，如风和湍流,天气形势和地理地势造成的逆温现象,污染源本身的特性等,1,污染物在大气中的扩散,污染物在大气中的扩散取决于三个因素：,风可使污染物向下风向扩散，,湍流可使污染物向各方向扩散，,起主导作用,浓度梯度可使污染物发生质量扩散。,这两种不同性质的运动可以共存,气,块,的,运,动,有规则,运动,速度在水平方向的分量称为,风,铅直方向上的分量则称为,铅直速度,大尺度：系统性铅直运动，,cm/s,小尺度：对流，,m/s,无规则,运动,污染物可自排放源向下风向迁移，从而得到稀释。,随空气的铅直对流运动使得污染物升到高空而扩散。,气块的运动方式,大 气 分 层,具有乱流特征的气层称为摩擦层，摩擦层又称,乱流混合层,。,摩擦层的底部与地面相接触，厚约,1000,一,1500m,。,由于地形、树木、湖泊、河流和山脉等使得地面粗糙不平，而且受热又不均匀，这就是使摩擦层具有乱流混合特征的原因。,在摩擦层中大气稳定度较低。,自由大气,1000,1500m,地面,摩擦层,大气运动特征：,乱流,低层大气中污染物的分散在很大程度上取决于对流与湍流的混合程度。垂直运动程度越大，用于稀释污染物的大气容积量越大。,摩擦层乱流的起因：,一种是,动力乱流，也称为湍流,，它起因于有规律水平运动的气流遇到起伏不平的地形扰动所产生的；,另一种是,热力乱流，也称为对流,，它起因于地表面温度与地表面附近的温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面的冷空气下降，从而形成对流。,在摩擦层内，有时以动力乱流为主，有时动力乱流与热力乱流共存，且主次难分。这些都是使大气中污染物迁移的主要原因。,受热气块会不断上升，直到,T,与,T,相等为止。这时气块与周围达到中性平衡。这个高度定义为,对流混合层上限,，或称,最大混合层高度,(MMD),。,虚线：干绝热膨胀曲线,正常情况 近地面逆温（稳定大气）自由大气层逆温,MMD,：,与昼夜有关：夜间较低、白天较高,(,可达,2000-3000m),夜间逆温较重时，,0,与季节有关：冬季最小、夏初最大,小于,1500m,时，城市会普遍出现污染现象出现,2,天气形势和地理地势的影响,天气形势,是指大范围气压分布的状况。,不利的天气形势和地形特征结合在一起常常可使某一地区的污染程度大大加重。,例如，由于大气压分布不均，在高压区里存在着下沉气流，由此使气温绝热上升，于是形成上热下冷的逆温现象。这种逆温叫做,下沉逆温,。它可持续时间很长，范围分布很广，厚度也较厚。这样就会使从污染源排放出来的污染物长时间的积累在逆温层中而不能扩散。,世界上一些较大的污染事件大多在这种天气形势下形成的。,由于,不同地形地面,之间的,物理性质,存在着很大差异，从而引起,热状况在水平方向上分布不均匀,。这种热力差异在弱的天气系统条件下就有可能产生,局地环流,。,(1),海陆风,海陆风对空气污染的影响：,一种是循环作用。如果污染源处在局地环流之中，污染物就可能循环积累达到较高的浓度。直接排入上层反向气流的污染物，有一部分也会随环流重新带回地面，提高了下层上风向的浓度。,另一种是往返作用。在海陆风转换期间，原来随陆风输向海洋的污染物又会被发展起来的海风带回陆地。,海风发展侵入陆地时，下层海风的温度低，陆地上层气流的温度高，在冷暖空气的交界面上，形成一层倾斜的逆温顶盖，阻碍了烟气向上扩散，造成封闭型和漫烟型污染。,(2),城郊风：在城市中，工厂企业和居民要燃烧大量的燃料，燃烧过程中会有大量热能排放到大气中，于是便造成了市区的温度比郊区高这个现象称为,城市热岛效应,。这样，城市热岛上暖而轻的空气上升，四周郊区的冷空气向城市流动，于是形成城郊环流。在这种环流作用下，城市本身排放的烟尘等污染物聚积在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加剧。,(3),山谷风：是山坡和谷地受热不均而产生的一种局地环流。白天受热的山坡把热量传递给其上面的空气，这部分空气比同高度的谷中空气温度高，比重轻，于是就产生上升气流。同时谷底中的冷空气沿坡爬升补充，形成由谷底流向山坡的气流称为谷风。夜间山坡上的空气温度下降较谷底快，其比重也比谷底大。在重力作用下，山坡上的冷空气沿坡下滑形成山风。山谷风转换时往往造成严重空气污染。,山区辐射逆温因地形作用而增强。夜间冷空气沿坡下滑，在谷底聚积，,逆温发展的速度比平原快,，逆温层更厚，强度更大。并且因地形阻挡，河谷和凹地的,风速很小,，更有利于逆温的形成。因此山区全年逆温天数多，逆温层较厚，逆温强度大，持续时间也较长。,