1、环境化学教案制作：sahaEmail：dina_2007 年 5 月 27 日目录第一章：绪论一、环境问题旧话重提二、环境化学时代需要三、环境污染物四、环境效应五、几个基本概念阐述第二章：大气环境化学第一节、污染物在大气中的迁移第二节：大气圈物质组分和主要物质源汇分析一、大气的化学组分二、大气污染三、大气圈主要物质的源汇分析第三节：大气中污染物的转化一、光化学反应基础二、大气中重要吸光物质的光解三、大气中重要自由基的来源四、大气中氮氧化物的转化五、大气中碳氢化合物的转化六、光化学烟雾七、大气中硫氧化合物的转化八、酸性降水九、酸性降雨十、温室气体和温室效应十一、臭氧层破坏第三章：水环境化学天然水
2、的基本特征以及污染物存在形态一、水和水分子结构的特异性二、天然水的基本特征一、水和水分子结构的特异性二、水体污染和自净三、水中污染物的分布和存在形态四、典型水污染的特征第二节、水中无机污染物的迁移转化一、颗粒物与水之间的迁移二、水中胶体颗粒物聚集的基本原理和方式三、溶解和沉淀四、氧化还原五、配合作用第三节 水中有机污染物的迁移转化 -一、概述二、分配作用三、挥发作用四、水解作用五、光解作用六、生物降解作用第四章：土壤环境化学一、土壤的立体剖面构型二、土壤的组成三、土壤的粒级分组四、土壤吸附性五、土壤酸碱性六、土壤的氧化还原性第二节 污染物在土壤中的迁移转化1）土壤污染源2）土壤的主要污染物3）
3、氮和磷的污染与迁移转化4）土壤的重金属污染主要重金属在土壤中的迁移转化及其生物效应第三节 土壤的农药污染及其迁移转第四节 土壤污染的防治措施第五章：生物体内污染物质的运动过程及毒性一、污染物质在机体内的转运二、污染物质的生物宫集、放大和积累第一章：绪论将大气、水、土壤、生物等各个圈层分开讲述，只是为了讲述上的方便，实际上环境中各个圈层之间的环境化学行为是相互联系的。第一章：绪论Environmental ChemistryChemistry is all around us。我们生活的环境无处不包含着化学过程，而且这些化学过程也在时时刻刻影响着我们生存的环境，为了说明化学和环境之间密不可分的关
4、系，先讲述两个小故事：1）COCO 2：早期的汽车尾气中，燃烧不充分，排放较多的 CO。人们很早就认识到 CO 对人类的毒害性，因此想尽办法改善内燃机的燃烧效率，燃烧充分完全，这样尾气中排放的 CO 大大减少，这样大大净化了空气。但是充分燃烧的 C 又转化为 CO2，这是不可避免的。后来人们才认识到大量的CO2会导致全球气候变暖（Global Warming），最终导致的全球气候问题可能更难于控制。2）HCNOx：在早期的洛杉矶烟雾发生时，人们当时认为这主要是由于其中碳氢化合物（HC）和 CO 导致的，因此出台了许多规定，严格限制汽车排放的 HC 和 CO。为此汽车制造商大动脑筋，增加空气/染
5、料比率来使燃烧更为充分，从而减少 HC 和 CO 的排放量。但是人们马上又认识到，这样做的代价就是尾气排放量增加，而且其中含有的 NOx 也明显增加了，这又是导致酸雨的重要污染气体。DilemmaEnvironment Coin3）為什麼雨過天晴使人精神爽快? 這不僅是因為風雨洗淨了空氣當中令人討厭的塵埃，也是由於經過雨水淋洗之後，空氣當中二氧化碳、二氧化硫、硫化氫、氯化氫、氨等不良氣體成分溶於水中，使空氣得到純化，人們呼吸到了新鮮空氣。使人感到精神爽快還有一個重要原因，就是在下雨的時候，常有雷電現象發生。一般雷電發生時，可以產生高達二萬至二十萬安培的電流。使空气分子电离，导致臭氣的生成：O2
6、=O+OO+O2=O3臭氣不稳定，在空氣中可不斷分解，釋放出氧原子。這樣實質上就延長了氧原子在空氣中存在的時間，並使氧原子從雷電生區域擴散到大氣其他部分。游離的氧原子具有強烈的氧化作用，它可以殺死空氣中的某些病菌，起到消毒作用虽然环境中无时无刻不存在化学问题，但是人们真正对环境化学的研究是从对付环境问题开始的。一、环境问题旧话重提1、环境1）定义环境是指与某一中心事物有关（相适应）的周围客观事物的总和，中心事物是指被研究的对象。对人类社会而言，环境就是影响人类生存和发展的物质、能量、社会、自然因素的总和。中心事物和环境总是相互关联，相互适应的，例如： 小麦种在麦仙翁的野草中，产量明显提高； 羊
7、角芹的种子同期它植物种子种植在一起，其它植物不会发芽； 黄鱼不能生长在淡水中； 鲤鱼不会生长在海水中； 人体血液中元素含量和地壳中元素的丰度具有高度的一致性；2）分类：环境包括自然环境和社会环境两大部分。自然环境是人类目前赖以生存、生活和生产所必需的自然条件和自然资源的总称，即阳光、温度、气候、地磁、空气、水、岩石、土壤、动植物、微生物以及地壳的稳定性等自然因素的总和。 “直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体”，简称为环境。社会环境是指人类的社会制度等上层建筑条件，包括社会的经济基础、城乡结构以及同各种社会制度相适应的政治、经济、法律、宗教、艺术、哲学的观念与机构等。
8、中华人民共和国环境保护法把环境定义为：“影响人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然保护区、风景名胜、城市和乡村等。” 2、环境问题1）定义全球环境或区域环境中出现不利于人类生存和发展的各种现象，称为环境问题。2）分类原生环境问题：自然力引发，也称第一类环境问题，火山喷发、地震、洪灾等次生环境问题：由于人类生产、生活引起生态破坏和环境污染，反过来危及人类生存和发展的现象，也称第二类环境问题。又包括：环境污染和生态破坏。目前的环境问题一般都是次生环境问题。生态破坏：人类活动直接作用于自然生态系统，造成生态系统的生产能力显
9、著减少和机构显著该变，如草原退化、物种灭绝、水土流失等。环境污染：人类活动产生的副产品和废物进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，便环境系统的结构与功能发生变化，对生态系统产生的一系列干扰和侵害，如水污染、大气污染、酸雨、臭氧层破坏、海洋污染等等。具体地说：环境污染就是指有害物质对大气、水、土壤和动植物污染并达到有害的程度。3）认识过程 20 世纪 60 年代，人们只把环境问题作为污染来看待，认为环境问题就是大气污染、水污染、噪声污染、土壤污染。没有认识到生态破坏的问题，对土地荒漠化、水土流失、物种灭绝、热带雨林破坏等并没有从环境问题的角度去认识。对环境的认识也只是为了保护人们的生存健康，没有
10、注意将环境问题和自然生态联系起来，低估了环境问题的危害性和复杂性。例如：我国当时早期的环境管理就是“以污染控制为中心”，早期得环境管理实际上就是“三废管理”，早期的一些院校内设“三废系”。 20 世纪 79 年代，1972 年联合国，瑞典，斯德哥尔摩“人类环境会议”，将环境污染和生态破坏提升到同一高度看待。“环境问题不仅表现在对水、大气、土壤等的污染，而且表现在生态的破坏和资源枯竭”，并正式组建 UNEP（联合国环境规划署）从规划上解决生态环境问题。但仍旧是一种“防治”的态度。 20 世纪 80 年代，1987 年，由挪威首相布伦特兰夫人组建的“联合国世界环境与发展委员会”发表了我们共同的未来
11、。环境问题：是我们共同的问题，需要共同来对待，共同承担起责任，途经是“可持续发展”。转到“防止”态度上来。 20 世纪 90 年代，1992 年，巴西，里约热内卢，联合国环境与发展大会，强调和正式确立了可持续发展的思想，并形成了当代的环境保护的主导意识。所以说今后的对待环境污染和生态破坏的态度应是：“防止”+“防治”。这就需要研究清楚污染物在环境各个生态圈层中的迁移、转化和归宿过程，因此环境化学一经产生，就得到重视，并迅速发展起来。 实际上，环境化学是在人类对环境污染控制的长期实践中逐步发展起来的。因为早期人们对环境问题的认识集中在“污染控制”上，而实际上早期的许多著名的环境问题，绝大多数是由
12、于化学物质引起的，调查表明，造成环境污染的因素中，化学物质占 8090%。例如： 1984 年 12 月 3 日，印度博帕尔，美国联合碳化物公司印度子公司泄漏 46 吨剧毒的异氰酸甲酯，造成 20 万人中毒，10 万人残废，4 万人重伤，3000 人死亡。该事件三年后，当地人立碑纪念：“不要广岛，不要博帕尔，我们要生存，献给 1984 年 12 月 3 日在一场由跨国联合碳化物杀人公司造成的灾难中丧生的人们”。 1930 年 12 月初，比利时马斯河谷工业区，出现逆温，工业区排放的多种有毒有害气体累积，一周内造成 60 多人死亡； 1991 年的海湾战争，点燃 700 多口油井，每天烧掉 50
13、0 万桶原油，流入大海约 3.5-7 亿吨原油。1L 原油在水面扩展 1000m2，扩展为 56km*16km 的污染带，飘到哪里，死亡就降临到哪里，初步统计有 200 万只海鸟丧生。战后 1991 年 7 月，伊朗突降“黑雨”，珠穆朗玛峰上突降“黑雪”。 1986 年前苏联切尔诺贝利核电站泄漏爆炸事件，使北欧、东欧等国大气层中放射性尘埃增高达一周之久,是世界上第一次核电站污染环境的严重事故。 其它：洛杉矶光化学烟雾、水俣病事件（汞，神经系统）、痛痛病事件（Cd，全身疼痛）。 南极企鹅体内检出 DDT，曾经认为非常安全的氯氟烃类物质也会进入平流层，引起臭氧层的破坏。二、环境化学时代需要环境污染
14、问题促进了环境化学研究的发展：为了探讨环境问题，逐渐发展了新的研究方法和手段，提出新的观点和理论，于是形成了一门新的化学分支学科-环境化学。1、环境化学的发展大致可以划分为三个阶段： 孕育阶段(1970 年以前)：1950 年代开始，1960 年代的酝酿和准备。针对早期的污染控制工作和污染防治工作，结合化学的理论，提出了环境化学的一些基本观点。 形成阶段(70 年代)：虽然最早是一门化学分之学科，但并最早并不是由从事化学研究的学者开始的。主要是由于非化学专业的研究人员提出的，如湖泊学、生态学、生物地球化学等方面的学者提出的。如农药对水生生物的影响，湖泊的富营养化，环境中元素的地理分布等。 发展
15、阶段(80 年代以后)：进入新的发展阶段，各研究领域开始向纵深发展。出现一些新的趋势。第一个趋势是全面开展对主要元素，尤其是生命必需元素的生物地球化学循环和主要循环之间的相互作用，人类活动对这些循环产生的干扰和影响，以及对这些循环有重大影响的各种因素的研究。第二个趋势是重视化学品安全评价。第三个趋势是 80 年代出现的全球变化研究，涉及臭氧层耗损、全球变暖、海干面上升这样一些次级环境效应或更高级环境效应的研究。第四个趋势是污染控制化学的研究，从深入地开展末端控制的过程化学和材料化学研究以寻找更加高效的控制方法和材料，逐步转向“污染预防” 概念的研究。80 年代末到 90 年代初，提出了“ 污染
16、预防” 、“ 清洁生产” 、“零排入 ”等概念。2、环境化学的概念 1972 年 R.A Honne 在所著环境化学定义：“ 环境化学是研究岩石圈、水圈、生物圈、外层大气圈的化学组成和其中发生的过程，特别是界面上的化学组成和过程的学科”。戴树桂等认为：“环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。它既是环境科学的核心组成部分，也是化学科学的一个新的重要分支”。自然科学学科发展战略研究报告：环境化学一书提出：“环境化学是一门研究潜在有害化学物质在环境介质中的存在、行为、效应（生态效应、人体健康效应及其它环境效应）以及减少或消除其产生的科学
17、”。Environmental Chemistry may be defined as the study of the sources（来源）, reactions（反应）, transport（传输）, effects（效应）, and fates（归宿） of chemical species in water, soil, air, and living environments（水、大气、土壤、生物环境）, and the effects of technology thereon. -Environmental Chemistry( seventh edition ) 2000,
18、Stanley E. Manahan3、环境化学的内容从上述概念上，可见这些经典定义都离不开下面几个关键词： “水、大气、土壤、生物环境”环境介质 离不开“来源、反应、传输、归宿”环境过程 “生态效应、人体健康效应”环境效应 “控制，消除”环境控制。由此可得到环境化学主要内容为：（1）查明潜在有害物质在环境介质中存在，浓度水平和形态分布；（2）对这些潜在有害物质溯本求源，并查明它们在环境介质中和不同环境介质之间的迁移转化和归宿(环境行为 )；（3）查明这些潜在有害物质对环境( 生态系统)和人体健康发生作用的途径、方式、程度和风险；（4）探索缓解或消除这些有害物质已造成的影响或防止它们可能造成影
19、响的方法和途径。4、环境化学的分支学科（三个）（1） 环境分析化学：无机分析、有机分析。对环境中的无机、有机污染物进行分析、测试和鉴别的化学分支。如对多环芳烃(PAHs)、多氯联苯（PCBs）、挥发性有机物、重金属等等的监测分析。（2） 各圈层环境化学：大气环境化学（颗粒物、酸沉降、臭氧损耗、全球变暖，光化学以及自由基反应）、土壤环境化学（农药排放和污染、温室气体的排放、土壤多孔介质中污染物的迁移转化）、水环境化学（河流、湖泊、海洋、地下水污染，重金属以及金属甲基化），分别研究化学污染物在大气、水、土壤环境中的化学行为和生态效应。（3） 环境工程化学：大气污染控制化学、水污染控制化学、固废污染
20、控制化学。利用工程化的手段和方法来处理污染，过去一般集中在末端控制方面。5、环境化学的研究特点（三个）（1） 以微观研究宏观：从原子、分子水平，研究宏观环境圈层中环境现象和变化机制；（2） 研究对象复杂：既有人为来源的也有天然来源的，处于环境开放体系内，多种环境因素同时相互作用，其研究需要多学科的结合。（3） 物质水平低：mg/kg(ppm,10 -6)、ug/kg(ppb,10 -9)、甚至 ppt,10-12，因此其监测和分析很重要，所以如 PCBs、PAHs、二恶英的监测分析等。三、环境污染物1 定义环境污染物：是环境化学研究的对象，主要指进入环境后使环境的正常组分和性质发生直接或间接的
21、有害于人类的变化的物质。2 环境污染物类别环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、土壤污染物等。按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体废物。按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物。人类社会不同功能产生的污染物 工业：工业生产对环境造成污染主要是由于对自然资源的过量开采，造成多种化学元素在生态系统中的超量循环；能源和水资源的消耗与利用；生产过程中产生的“三废”。农业：农业对环境产生污染主要是由于使用农药、化肥、农业机械等工业品，农业本身造成的水土流失和农业废弃物。农家肥料中常含有细菌和微生物。 交通运输：污染主要是噪声、汽油(柴油) 等燃料燃烧产
22、物的排放和有毒有害物的泄漏、清洗、扬尘和污水等。生活：生活活动也能产生物理的、化学的和生物的污染，排放“三废”。分散取暖和炊事废气、生活污水、生活垃圾等。3 化学污染物目前一般分为 9 大类(1)元素：Cr,Hg,As,Pb,Cl(2)无机物:CO,NOx,SO 2,KCN(3)有机化合物和烃类:烷烃（饱和）、芳香烃（苯环）、不饱和非芳香烃（不饱和，不带苯环）、多环芳烃(4)金属有机和准金属有机化合物：四乙基铅、三丁基锡(5)含氧有机化合物：环氧乙烷、醚、醇、醛、酮、酚、有机酸等(6)有机氮化合物：胺、腈、硝基苯、三硝基苯（TNT）(7)有机卤化物：氯仿（四氯化碳）、PCBs、氯代二恶英、氯代
23、苯酚(8)有机硫化合物：硫醇类（甲硫醇）、硫酸二甲酯(9)有机磷化合物：有机磷农药、磷酸二甲酯、磷酸三乙酯4 优先控制污染物（黑名单）美国环保局基于有毒化学物的毒性、自然降解的可能性及在水体中出现的概率等因素，从 7 万余种有机化学物中筛选出 65 类，129 种优先控制的污染物名单。其中有毒有机化合物有 114 种，占总数的 88.4%。包括 21 种杀虫剂，8 种多氯联苯及有关化合物，26 种卤代脂肪烃，7 种卤代醚，12 种单环芳烃，11 种苯酚类。6 种邻苯二甲酸酯，16 种多环芳烃，7 种亚硝胺及其他化合物。 欧州经济共同体于 1975 年提出有毒化合物的“ 黑名单”和“灰名单”。联
24、邦德国和荷兰也提出有机污染物的控制名单。中国优先控制的有毒有机化合物：在“黑名单” 中，共有 14 类，68 种优先控制的污染物。其中优先控制的有毒有机化合物有 12 类，58 种，占总数的 85.29%，包括 10 种卤代( 烷、烯)烃类，6 种苯系物，4 种氯代苯类，1 种多氯联苯。7 种酚类，6 种硝基苯，4 种苯胺，7 种多环芳烃，3 种酞酸酯，8 种农药、丙烯腈和 2 种亚硝胺。四、环境效应自然过程或人类的生产和生活活动会对环境造成污染和破坏，从而导致环境系统的结构和功能发生变化，称为环境效应。一般按环境变化的性质划分，可分为环境物理效应、环境化学效应和环境生物效应。1、环境物理效应
25、由物理作用引起的环境效应即为环境物理效应。例如：噪声、地面沉降、热岛效应、温室效应、城市增雨效应。2、环境化学效应在各种环境因素影响下，物质间发生化学反应产生的环境效应即为环境化学效应。例如：湖泊酸化、土地盐碱化、光化学烟雾、臭氧层破坏。3、环境生物效应环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果即为环境生物效应。例如：水利工程破坏水生生物的洄游途径、生物由于环境污染而死亡绝迹、重金属常常会引起生物组织的毒性反应、一些有机有毒化学物往往成为“三致”化合物。五、几个基本概念阐述1、环境本底也称环境背景值（Environmental Background Value），某地未受污染的环境中某种化学元素
26、或化学物质的含量（浓度）。目前，未受污染的环境已经基本不存在，因此获得环境本底已经十分困难，一般只能获得相对轻污染的环境背景值。例如我国 1970-1980 年代对长江流域进行了大规模的环境背景值研究，包括水环境、土壤环境中各种重金属的研究，这为以后该区域重金属的污染研究提供了重要的参考值。2、环境容量Environmental Capacity，特定环境单元在不影响其特定环境功能的情况下，能够容纳污染物的最大量。这里的特定环境功能一般以环境质量标准为依据。例如湖泊环境容量：EC=V(CsC B)。V 为湖泊水域体积（m 3），Cs 和 CB 分别为某种污染物的水环境质量标准和环境背景值（mg
27、/L，g/m 3）。3、生物浓缩因子（BCF）BCFBiological Concentration FactorBCF=例如：浮游生物对铅：BCF=3012 000，对铜 BCF=40090 000藻类对六六六：BCF=600鱼类对六六六：BCF=1260，鱼类对氯化甲基汞：BCF=3 000又如有研究表明，鱼体内 BCF 和正辛醇水分配系数（Poct）有关系：lgBCF=0.76lgPoct0.23，则只要测得某污染物的 Poct，很容易得到其 BCF，这为研究过程提供了方便。4、生物半衰期（BHL）BHLBiological half Life，污染物进入生物体内后，在代谢作用下，污染物
28、削减到初始浓度的一半所需要的时间，即生物半衰期。一般，污染物在生物体内的代谢符合一级动力学方程：（k 为衰减常数）所以：例如在人体内衰减 pb：t 1/2=20aCd：t 1/2=13a无机 Hg：t 1/2=45d气态 Hg：t 1/2=58d甲基 Hg：t 1/2=70d5、协同作用、拮抗作用协同作用：一种污染物的存在会导致另一种污染物的毒性或危害性增加。也称相乘作用。例如伦敦烟雾中，冶炼厂排出的 SO2 废气中若含有锌、铁等金属离子的烟气气溶胶，则其危害性就会大大增加。拮抗作用：一种污染物质的毒性能够被另一种物质所抑制，称为拮抗作用。例如：金属硒(Se)能够抑制 Hg 的毒性金属锌(Zn
29、)能够抑制 Cd 的毒性6、常用单位介绍mg/L一般水环境中污染物的浓度；mg/kg一般土壤中污染物的浓度，或生物体内污染物的浓度；mg/m3一般大气中污染物浓度。ppm,ppb,ppt10-6，10 -9，10 -12LD致死剂量，lethal doseLD100绝对致死剂量，lethal doseLD50半致死剂量，lethal doseLD0最大耐受剂量，lethal doseppm 和 mg/m3之间的换算（原因是有些大气污染物的浓度是用 ppm 表示的，有些是用 mg/m3表示的）。mg/m3 =ppm=ppm一般标态下（T=25，P=101.325Pa），摩尔体积=22.4 l/m
30、ol。一些自由基浓度为 ppt 级，经常用每立方厘米中的分子个数来表示，这是可以有换算关系：在标态下：每立方厘米的分子数目：n/V=2.4610 19个分子/cm 3则 1ppm 相当于 2.461013个分子/cm 31ppt 相当于 2.46107个分子/cm 3第二章：大气环境化学“我们离不开大气，如同鱼儿离不开水” 一个成年人每天需要 1012 立方的空气（13kg），是每天摄取食物的 10 倍，是饮用水的 3-4 倍，一个人可以几天不饮水、不取食，但是不能几分钟不呼吸空气。大气环境化学主要研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、
31、消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响等。当前国际三大热门环境话题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内。重点内容:（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 温室效应 臭氧层损耗第一节、污染物在大气中的迁移迁移：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。原因：空气运
32、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。一、大气垂直分层1962 年 WMO（世界气象组织），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、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 8-9km，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。-0.65/100m,所以一般空气上冷下热，易于对流，这一般有利于污染物扩散，但在逆温时，则易于造成污染；（2） 空气密度大。整个厚度不大，但集中大气总质量的 3/4 以及几乎所有的水汽。（3） 天气复杂多变。强烈的对流地表的影响较大
33、，地表状况的不同可能会使对流增强或减弱，甚至形成逆温，风云雨雪等多发生在这一层。（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。2、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：（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
34、度增高，同时也成为地球生命的保护伞。3、中间层从平流层顶到约 85km 的高度。特点：（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） 中间层种上部，气体分子（O 2、N 2）开始电离。4、热（成）层（1） 从 80km 到约 800km 的地方（2） 温度随高度增加迅速增高；（3） 大气更为稀薄（4） 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、基本气象要素对污染物扩散有重
35、要作用的气象要素是：气温、气压、湿度、风、云量等。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、气压大气的压强，一般标准状态下，大气压强 p=1.01105pa。p=gh=gz,由于大气密度随高度增加而减小，所以压强也逐渐减小。初始状态： 高度 z： 压强 p=gz高度增加z, 则高度 z+z：压强 p-p=gz(z+z)所以，得到：-p=gz转化为微分形式则：
36、(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)其中 R=8.314Jmol -1K -1,M 气体摩尔质量（空气的摩尔体积为 22.4lmol -1，空气密度=1.29gl -1,所以 M=22.4*1.29=28.869gmol-1）,所以 R=R/M=287 Jkg -1K -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。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
37、示风的特征（矢量，既有大小又有方向） 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（5 000m）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 -1K-1)所以：=对于空气 R=287 Jmol-1K-1 Cp=996.5 Jmol-1K-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
38、干绝热递减率:r d=-推导过程：因为： （干绝热方程）所以 rd=- =又因为所以：r d= =又由于 p=RT,所以rd= = =0.98K/100m（1N=1kg m s -2,1J=1N m）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 rd基本为不变常数 0.98k/100m，r 则可能变化很大。解释：当 rh,所以 HH3、湍流逆温（高空逆温） 低层空气湍流混合而
39、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。4、平流逆温（地面逆温）暖气团平流运动到冷地面或水面上，会发生接触面的冷却降温作用，越近地面或水面的部分，气温越低，这样就形成逆温。五、局地环流对污染物扩散的影响1、海陆风 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
40、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。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。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，
41、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。第二节：大气圈物质组分和主要物质源汇分析大气圈内的物质组成和循环是许多大气环境化学行为发生的基础，因为有一些大气污染物是一次污染物和大气组分发生化学反应形成的（光化学烟雾），而了解大气圈主要的物质循环对于了解大气圈中主要的污染物的来源、迁移转化途径、归宿有重要作用，这对于深刻了解后面的典型大气污染具有重要的基础作用。一、大气的化学组分1、大气的化学组成 大气总质量：5.1410 18kg，对流层占 3/4。 主要成分为氮、氧、氩，三者之和为 99.96%，加上二氧化碳总量为
42、 99.995%。 次要成分：惰性气体，微量有毒气体（NO、NO 2、SO 2、H 2S、CO、O 3），其环境背景值非常小一般小于 ppm 级。 没有水汽和悬浮物的空气称为干洁空气（其中各种组分浓度接近常数，可用近海平面洁净大气组分含量来表示）2、有关大气化学的几个概念大气储存库模型概念：将大气圈看作一个储存库，进入大气的组份输入速率为 F，称为源强，输出大气组分的输出速率为 R，称为汇强，长期平衡情况下，F=R。即此时 dX/dt=F-R=0,平衡情况下大气圈内某种组分的多少和 F、R 没有直接关系。气体循环：大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理、化学、生物过程进行物质交换和转换、称为大
43、气的气体循环。这一过程需要理解以下概念：源（source）：大气组分产生的途径和过程，包括天然源和人为源。天然源:季节风扬尘、火山、森林或草原火灾。人为源：工业排放源、交通排放源、生活排放源。汇（sink）:大气组分从大气中去除的途径和过程。包括降水湿去除、大气中化学反应去除、或被其它颗粒物质吸附去除等。或称：干沉降、湿沉降、化学反应去除、向平流层输送。大气组分停留时间（寿命）：某种大气组分在大气中的平均存留时间，称为 （）。计算为：=大气中某组分的总质量/(输入速率或输出速率)=M i/(Fi或 Ri)F=天然源+人为源R=干沉降速率+湿沉降速率+化学反应去除速率+向平流层输送速率计算出的平
44、均存留时间越短，说明该组分在大气中的更新速度越快，这说明该组分在大气中越不稳定，对外界变化的敏感性强。例子：已知如下数据，表示全球环境中的水循环，计算大气中水的输入速率（F）和输出速率(F),并计算水分在大气圈中的平均存留时间（）。解：F=(21.6+0.9)10 15mol/a=22.51015mol/aR=(19+3.5)1015mol/a=22.51015mol/a说明，长期平衡情况下，大气中水分的输入和输出向平衡。=M/F=0.7210 15mol/22.51015mol/a=0.032a=12d(12 天大气中水分要进行一次更新)二、大气污染1、概念大气污染的定义起源于对有害影响的观
45、察，即若大气污染物达到一定浓度，并持续足够的时间，达到对公众健康、动植物、材料、大气特性或环境美学产生可以测量的影响，就是大气污染。这种定义方法在很大程度上是基于传统的公害概念，现在又有新的延伸。例如，大量能量（如热能）释放进入大气引起不良影响，人类活动导致大气中某些组分变化产生的危害等也归入了大气污染的范畴。大气污染物一旦进入大气这个动态体系，就会参加到不同介质间进行物质交换，并参与大气的整体循环，并可能经过各种途径去除。一旦输入速率大于输出速率，就会在大气中累积，长时间会导致对人、生态系统、材料等造成急慢性伤害。大气污染对大气性质的影响：降低能见度、形成雾和降水（颗粒物增加）、减少太阳辐射
46、（反射散射增加）、改变温度和风的分布（温室效应）2、大气污染物组成分类（1）按来源，分为一次污染物：直接由污染源排放的污染物，如 CO、SO 2、NO x和二次污染物：进入大气的一次污染物之间或与正常大气组分发生反应，以及在太阳辐射下引起光化学反应而产生的新的污染物，它常比一次污染物对环境和人体的危害更为严重。如光化学氧化剂（Ox）、臭氧（O 3）、硫酸盐颗粒物（2）按存在状态 分为颗粒物：降尘是指用降尘罐采集到的大气颗粒物,一般直径大于 30m，由于其自身的重力作用会很快沉降下来。单位面积的降尘量可作为评价大气污染物程度的指标之一。飘尘指可在大气中长期飘浮的悬浮物，分为 PM10（粒径10m
47、）和 PM2.5（粒径2.5m）。PM 10可以通过呼吸道进入人体，从而对人体健康产生危害，PM 2.5的危害则更为严重。TSP：总悬浮颗粒物，一般直径在 100m 以内颗粒物的总称 和气态污染物：主要有一次污染物：SO 2、H 2S 、NO、NH 3、CO、CO 2、HF、HCl、C 1C12化合物 。 二次污染物：SO 3、H 2SO4、MSO 4 、NO 2、MNO 3 、醛类、酮类、酸类。（3）按污染物的化学类型 含硫化合物：SO 2、H 2S、(CH 3)2S(甲硫醇)、H 2SO4 含氮化合物：NO、NH 3 碳氧化合物：CO、CO 2 碳氢化合物：C 1C12化合物、醛类、酮类、
48、酸类 光化学氧化剂：O 3、PAN、H 2O2 含卤素化合物：HF、HCl、CFCs三、大气圈主要物质的源汇分析1、含硫化合物 主要包括： SO2、H 2S、(CH 3)2S(甲硫醇)、H 2SO4、CS2、 SO42-、金属硫化物等 其环境背景浓度一般在 ppb 级 其大气存留时间较短，一般在 0.5-22d 内。（1）H2S+有机硫（HS）来源：天然源：生物、火山、有机硫氧化，人为源：工业排放细菌作用 C 6H12O6+SO42-H 2S+CO2+CO32-+H2O汇：主要去除机制是氧化，主要氧化剂有 OH、O 2、O 3例如 CS2+OHHS+COSHS+HO2H 2S+O2HS+H2O2H 2S+HO2H2S+O3H 2O+SO2（2）SO2源：大气中约半数来自于
