1、第二章 大气圈和大气污染,大气圈和大气污染,大气的作用 1、供给呼吸所需的氧气和光合作用所需的二氧化碳 2、使生命免受紫外线的伤害（由于大气的阻挡） 3、是水分循环的重要环节 4、稀释排放的废气并通过降水不断净化,空气 大气污染 空气污染,大气,大气圈的构成 大气的垂直分层大气层受重力吸引，最大密度地紧靠地球表面，随高度的增加，逐渐变得稀薄。 层结作用大气在垂直方向自然分层的作用,以大区域或全球性的气流为研究对象,供人类和动植物活动的某个场所的气体环境,指广泛的、大区域的,指局部的,图2-1 地球大气的垂直分层,8.848 km,均质层,非均质层,外来物质在这一层中 不易分散均一； 在此常发生
2、较强的光 化学反应，从而产生 许多带电粒子,层间大气的温度变化特点,大气层中温度的这种变化特点是由辐射和吸收造成的；热层的高温是由高层大气中的电离和分解反应造成的；平流层顶出现的温度最高值，与该处臭氧的存在有关；地表面的较高温度值（平均289 K），主要是由于地面大量吸收到达这里的剩余太阳辐射所致。,产生这种温度分布的物理原因：,气温： 近地面空气的温度；单位：摄氏度,测定时的限制条件：在室外离地面1.5m高、不受阳光直接照射、不受建筑物遮蔽、不受降水和强风影响而保持空气流通。 气压：某一高度上每单位面积的气压由在它上面的空气柱所产生的重力决定。气压随高度上升而下降。,气压也是影响大气污染程度
3、的气象要素之一。水平方向上气压分布的不均匀性是产生空气运动的直接原因。,湿度湿度是大气中所含水汽多寡的度量。湿度大小关系到大气中水物质的相变，从而成为构成云雾、降水等大气现象的决定因素，也是污染物通过湿沉积从大气中除去的重要气象要素。,湿度随高度的分布,大气组分浓度表示法,由于各组分物理形态各异且浓度相差悬殊，所以有多种不同的单位；气体组分浓度随温度、压力变化，所以要同时注明温度和压力 浓度单位有： %（体积分数）、mol/L、g/L、mg/L、g/m3、个数/cm3此外还有: 10-6（体积分数）、10-9（体积分数）、 10-12（体积分数） （P20 例1）,ppm, ppb,ppt 现
4、不作为气体浓度单位使用,对流层大气的组成和性质,对流层大气的四个重要的组成部分：,（1） 干空气的气体混合物（2） 水物质 （3） 大气气溶胶（4） 活性自由基,干空气的气体混合物,大气中的水物质和降水,水物质在大气中的循环与以下过程有关： （1） 水的凝结和蒸发对大气过程的热力学和大气的垂直稳定度有重要的影响； （2） 降水和云形成过程即水的相变过程； （3） 雨洗和洗脱两个过程对大气污染物的净化至关重要；,大气中的水物质以液态、气态和固态存在。浓度是易变的，在大气中的停留时间为10天左右。,雨洗：发生在云层之中，是雨滴将云中小颗粒物（云的凝结核）去除的一种作用。,洗脱：发生在云层之下，是雨
5、滴溶解气体或俘获气溶胶粒子，对雨滴所到之处大气进行净化的过程。 （4）与大气中所含其他物质直接发生化学反应，或者在形成水溶液之后，在溶液中进一步发生化学反应； （5）太阳辐射贯穿大气层的过程中，水汽和云对辐射线的大量吸收起着重要作用。,大气气溶胶,载它们的空气介质（气体组分）一起组成大气气溶胶体系。,大气中含有大量固体或液体的悬浮粒子，与承,作为凝结核促成雨、雾生成，增强云层对 阳光反射能力以及控制地表温度升降幅度等。,大气颗粒物存在的积极意义,气溶胶体系可能包含数百种有碍环境和生物健康的污染物，其危害性如下：,1）减弱大气能见度； 2）引起地面或物体表面积尘； 3）与大气中SO2等形成酸雾或
6、酸性沉降物；,5）细菌、病毒等“活”的颗粒物在气流中传播，引发感冒、支气管炎等人体疾病。,4）降落在金属器件上的尘粒成为强蚀点，加速器件腐蚀；,大气气溶胶对人体危害程度的决定因素有： 颗粒物粒度 决定颗粒物进入和滞留于呼吸道的能力； 浓度和化学组成决定颗粒物对人体生理的危害程度。,大气颗粒物分类：,细粒的产生过程：,（1） 通过大气中化学反应生成过饱和蒸气，随后又在温度不太高的空气中凝结为颗粒物； （2） 在高温燃烧中产生。,粗粒一般由机械分散过程而产生：,（1） 如岩石风化产生的颗粒、海洋喷沫产生的雾滴及火山灰尘埃可由自然界风力、水力、火山喷发力等因素形成。,（2） 煤粉、水泥粉、石棉颗粒等
7、可在工业生产过程中由碾碎操作产生,大气颗粒物依粒径分布的曲线,粒径 10 m, 不能通过呼吸道进入 粒径 10 m, 通过呼吸进入呼吸道,从环境监测角度将颗粒物分类：,大气中颗粒物的大小和沉降速率,直径小于2.5 m的颗粒 (PM2.5) 能通过呼吸过程深入人体肺部，2.5 m10 m的颗粒又易沉积在上呼吸道，所以对人体特别有害。,PM25（小于25微米的颗粒）又称为可入肺颗粒，能够进入人体肺泡甚至血液系统中去，直接导致心血管病等疾病。,主要来源： 机动车尾气尘，燃油尘，硫酸盐， 餐饮油烟尘，建筑水泥尘，煤烟尘，硝酸盐等。 PM2.5来源也存在明显的季节差异。夏季PM2.5受煤烟尘影响小，冬季
8、PM2.5受煤烟尘影响增大,PM25的比表面积较大，通常富集各种重金属元素（如As、Se、Pb、Cr等）和PAHs(多环芳烃 )、PCDD/Fs（二噁英 ）、VOCs (挥发性有机化合物 )等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。,PM2.5指数已成为一个重要的测控空气污染程度的指数,英国环境部门的研究结果表明，PM2.5在大气中停留的时间为7-30天，所以这种颗粒可以长距离传输从而造成更大更远距离的污染。,文献表明，上海的PM2.5日均浓度较南京和杭州略低，在50-150 g/m3 变化；年日均值为45-50 g/m3 。,活性自由基,自由基的定义： 在外电子层有未成对电
9、子的原子或基团,如：,自由基的特点： （1）自由基外层中的未成对电子对于外来电子有很强亲和力，故能起强氧化剂作用。 （2）有进行链式反应的倾向。原因：自由基有未成对电子，它们与电子成对的分子发生反应后必然产生另一种自由基。,对流层大气中的活性氧自由基有：,活性氧自由基 O 氢氧自由基 HO 烷氧自由基 RO 过氧自由基 HO2 、RO2 过氧阴离子自由基 O2 ,浓度较高，氧化反应能力较强,自由基反应的历程：,（1）引发（2） 传播 （3） 终止,传播,终止,引发,各地理区域近地面大气的化学 森林大气化学,森林中的很多植物经常向大气散发大量的各种烃类。HO能与其反应，经脱氢、加成氧原子，生成过
10、氧自由基。,（不饱和烃的双键上能加成HO自由基，接着再加成O2分子）,所生成的过氧自由基在大气中 可能有三种归宿：,（1） 与其他自由基复合；（2） 参与大气气溶胶组成；（3） 被NO还原,森林中针叶树、落叶松之类树木大量散发萜烯类化合物（C10H16）和半萜类化合物（C5H8）。在湿热气候条件下，这类化合物及其衍生物的分子容易由气相转移到气溶胶粒子上去，由此在松树林的上空形成轻飘的蓝色雾状物。,沼泽地大气化学,沼泽地的特点：适宜于厌氧细菌活动，因此产生很多还原性气体CH4、NH3、H2，以及硫化物H2S、CH3SCH3（二甲硫醚、二甲硫 ）、CH3SSCH3（二甲基二硫 ）。气态硫化物都容易
11、与HO自由基反应，生成SO2。,SO2能进一步发生反应：,SO3又立即溶于大气中的水，生成作为酸雨主要组分的H2SO4：,沼泽地大气中发生的H2SO4和草地大气产生的HNO3是降水中的天然酸性组分。,海面大气化学,海面大气组成的特点是含多量的 卤化物，如：CH3Cl和HCl。,在这个反应链中，由起始物CH3Cl最终生成了HCl,由海面产生的CH3Cl有相当一部分经扩散进入大气平流层，为平流层提供了一个天然氯原子来源，从而对平流层中的臭氧分子产生有害的破坏作用。,都市大气化学,化学特性的组分有NO、CO、SO2和非甲烷烃在各种燃烧过程中可能产生小的环烃。环烯类化合物可能在生成后，立即又转化为气溶
12、胶组分。,无明显污染的都市上空大气，具有环境,大气中的取代芳香化合物与HO自由基反应后，有两种转化反应的途径：,环境空气的质量,一级标准：适用于一类质量功能区，包括自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区。 二级标准：适用于二类质量功能区，包括城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区。 三级标准：适用于三类质量功能区，包括各特定工业区。,GB 3095-1996 分如下三级：,环境空气的质量,一级标准：适用于一类质量功能区，包括自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地区。 二级标准：适用于二类质量功能区，包括城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、
13、文化区、工业区和农村地区。,GB 30952012 分如下二级：,GB 3095-1996 VS GB 3095-2012,新的标准做了如下调整： 调整了环境空气功能分类方案将三类区(特定工业区)并入二类区(城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区)； 2. 调整了污染物项目及限值增设了PM2.5平均浓度限值和臭氧8小时平均浓度限值，收紧了PM10、二氧化氮、铅和苯并a芘等污染物的浓度限值； 3. 收严了监测数据统计的有效性规定将有效数据要求由50%-75%提高至75%90%； 4. 更新了二氧化硫、二氧化氮、臭氧、颗粒物等的分析方法标准，增加自动监测分析方法；
14、 5. 明确了标准实施时间。规定新标准发布后分期分批予以实施。2016年1月1日全国开始实施。,地方环境空气质量标准,各省、自治区、直辖市人民政府对国标中未作规定 的污染物项目，可以制定地方环境空气质量标准。,空气污染指数API,媒体向社会公众报告的一种定量反映和评定空气质量状况的尺度，即把常规监测的几种空气污染物浓度简化成单一的数值形式，并分级表示空气受污染程度和空气质量状况，具有简明、直观、通俗易懂的特点。目前计入空气污染指数的项目定为二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）和可吸入颗粒物（IP）。这三种污染物各有一个分指数。,空气污染指数（API）就是定时通过新闻,空气污染指数对应的污染物
15、浓度限值,空气污染指数范围及相应的空气质量类别,空气质量指数AQI,空气质量指数（AQI）是定量描述空气质量状况的无量纲指数。针对单项污染物的还规定了空气质量分指数。参与空气质量评价的主要污染物为PM10、PM2.5、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化碳等六项。2012年上半年出台规定，将用空气质量指数（AQI）替代原有的空气污染指数（API）。AQI共分六级，从一级优，二级良，三级轻度污染，四级中度污染，直至五级重度污染，六级严重污染。,问题：API和AQI 的区别有哪些？,大气污染,引起大气污染的原因：存在于大气中的一种或多种气体、气溶胶或颗粒状态的污染物引起的。 大气污染的后果：污染物以其
16、一定浓度和滞留时间存在于大气中，从而影响自然环境，对人和其他生物及社会的物质性财富造成伤害或反常的作用。,大气污染源分类,大气污染源分类,点源：工厂 线源：公路汽车排气 面源：烟囱林立的工厂 区域源：工业城市、加工区,大气污染物分类,初生污染物 直接来自污染源的污染物，且在进入大气后，能长时间保持它们原有的化学形态。 次生污染物 是大气中发生化学反应的产物，这类化学反应可能在两种或多种污染物之间发生，也可能是在污染物与大气天然组分之间发生。,初生污染物和次生污染物的产生和相互关系,大颗粒 迅速沉降 中等大小颗粒在距离污染源相当远处才沉降到地面 小颗粒 长时间悬浮于空中并随风飘荡,全球范围普遍发
17、生的大气污染物（按优先考虑顺序）有：飘尘、SOx和硫酸盐、O3、NOx、Pb、COx、石棉、反应性烃。我国大气污染主要特征是煤烟型污染，特别重视的污染物是：燃煤排放的尘和二氧化硫。,对人体或其他脊椎动物健康的危害主要表现为呼吸道疾病。 对植物的危害主要表现为损伤叶组织和果实造成产量下降，品质恶劣。对各种材料的损害会造成很大的经济损失。 使大气浑浊，能见度降低，太阳光直接辐射减少，引起全球或局部地方温度、湿度、雨量等发生变化,大气污染的危害,大气污染物在环境中的迁移转化,污染物的迁移转化是大气环境具有自净能力的一种表现。,扩散,干沉积,湿沉积,污染物的转化：经过化学反应转化为无毒化合物 或者毒性
18、更大的次生污染物 光化学反应、氧化还原、酸碱中和、聚合等反应,（1） 水平气压梯度力，是引起风的原动力，其方 向由高气压到低气压 （2） 摩擦力 （3） 由地球自转产生的偏向力 （4） 空气的惯性离心力。风力是一个矢量。大小用风速表示，单位：m/s。风向与污染物走向有关，将风的来向定为风向。风力越大，污染物沿下风向扩散稀释得越快。,风力是由四种水平方向的合力构成：,风力扩散,由大气作水平运动而形成风,垂直方向流动的空气称为气流。气流关系到污染物在上下方向间的扩散迁移。气流的发生和强弱与大气稳定度有关。 稳定大气不产生气流，而大气稳定度越差，气流越剧，则污染物在纵向的扩散稀释越快。,气流扩散,大
19、气垂直稳定度的三种情况,稳定：气团(块)受到对流冲击作用，产生向上或向下的运动。当外力消失后，运动速度逐渐减小，并有返回原来高度的趋势。 不稳定：气团(块)受到对流冲击作用，产生向上或向下的运动。当外力消失后，气团(块)持续上升或下降，并且速度不断增加，远离原来高度。,中性：气团(块)停留在外力消失的位置， 保持不动。,对于气块：Ps= sRTs,对于空气：Pa= aRTa,所以： sTs= aTa,结果：气块有回到原来位置的倾向。,气块在上升或下降过程中气压与周围 气压总是相同。,归纳三种情况：,r0,rd,标准大气,等温层 r=0,逆温层 r0,实际大气的气温垂直分布情况,逆温的后果：当在
20、某一高度上出现气温分布上高下低的逆温层时，就像有一个盖子盖在下层大气上，阻挡着下层污染物 向上扩散，由 此可造成严重 的空气污染问 题。,逆温状态：即空气层温度分布与正常状况下的分布相反（r0）,干沉积,干沉积大气污染物通过重力沉降或被地面建筑物、树木等阻留从而淀积在地面的过程，或者是进入人或其他动物呼吸道（器官）并积留于该处的过程为干沉积。 量纲：长度/时间 干沉积率：质量/面积.时间,对于直径范围1.5 m100 m的粒子，用以下公式来表述重力沉降速度：,式中： 空气粘度； 1 粒子密度2 空气密度； g 重力加速度r 粒子半径,雨洗过程：当作为凝结核时，大的颗粒物就会以夹带在雨滴或水粒中
21、的形式被带至地面，小于0.1 m的粒子，依附在水滴上，因而也包括在被雨洗过程。,对于大的颗粒物来说，消除的过程包括：,2-11 大气悬浮颗粒物的消除过程,注意：干沉积是大气中悬浮颗粒物的主要消除过程,湿沉积,大气中所含污染气体或微粒物质通过雨洗、洗脱作用随降水降落并积留在地表的过程称为湿沉积。 注意：湿沉积是污染气体在大气中被消除的重要过程。,大气光化学反应,(1) 由自然因素进入环境大气的微量气体大多是还原态的，如CO、CH4、NH3、H2S等。 (2) 由人为因素造成的大气污染物也大多是化学价态相对较低的化合物，如NO、SO2等。 (3) 存在于大气中的各种来源的有机污染物都可以看作为还原性物质。 上述这些污染物在氧化性的大气层中很容易被氧化为高氧化态物质,间接光化学反应：HO 和 O3等与污染物之间发生的反应。 直接光离解反应：污染物分子在被光量子激发后，即刻在其激发态的振动周期内离解为其构成原子或原子团的过程。,
