5.1地球大气环境（1 / 2）

5.1地球大气环境

2018-04-15 作者： 王麟生；戴立益

5.1地球大气环境

5.1.1大气的组成和结构

大气的组成

大气圈的主要成分是空气,另外还有少量水气、尘粒和其他微量杂质。Www.Pinwenba.Com 吧

空气的主要成分是氮(78.09％)、氧(20.94％)、氩(0.93％),三者共占整个空气的99.9％,空气中的CO2含量只占0.033％,另外还有一些稀有气体(He、Ne、Kr、Xe)和CH4、NO2、SO2、CO、NH3、O3等,总共也不过占据0.1％。

大气中的水气主要来自江河湖海等水体、土壤和植物中水分的蒸发,大部分集中在低层大气中,含量最多不超过低层大气总量的4％,一般情况下,空气中水气含量随高度增加而减少,是大气中随地区、季节和气象等变化含量变化较大的成分,也是天气变化和大气污染中的重要因素。

大气中的固体悬浮粒子主要来自宇宙尘埃、岩石风化、火山喷尘、植物花粉、工业烟尘和海浪飞逸溅入大气的水滴蒸发后形成的盐粒等,粒径较大者称降尘,几小时可落到地面,粒径小的(小于10微米)称飘尘,可在大气中飘荡数年之久。

大气的结构大气的总质量3.9×1015吨,只有地球总质量的百万分之一。由于重力的作用,大气质量的垂直分布很不均匀,其质量的一半集中在离地面5千米以下,90％集中在30千米以下。

根据大气物理性质(温度、扩散速度、电子密度等)垂直分布的特征,可将大气圈分为许多层次。以温度随高度的分布,将大气层自下而上分为对流层、平流层、中间层和热层。

G.S.Thomas,M.S.William,ChemistryoftheEnvironment,PrenticeHall,Inc.,1996图51地球大气层的结构1.对流层

对流层是大气圈的最下层,其厚度在中纬度附近为10—12千米,在赤道附近为16—18千米,在两极附近为8—9千米。其厚度还与季节有关,夏季较厚,冬季较薄。对流层特点是:

a.气体密度大

对流层的厚度虽然不及整个地球大气圈的百分之一,但大气总质量的75％,水气的90％以上都集中于对流层。因此,主要的天气现象(云、雾、降水等),化学污染物的产生和变化等,都发生在对流层里。对流层与人类的关系最密切。人类通过下列途径将大量物质排入对流层:如城市中工业和交通运输排放的气体和微粒;燃烧农作物残渣的烟尘;草原、森林火灾的烟尘等。

b.气温随高度增加而下降。高度大约每上升100米,温度平均降低0.6℃,所以对流层上部的气温为零下50℃左右。其原因与地面热辐射有关。

c.空气强烈的上下对流。由于贴近地面的空气受地面热辐射的影响而膨胀上升,上部冷空气下沉，在垂直方向上形成强烈的对流。近地面空气中的热量、水汽和污染物质通过对流向上层输送,这种空气对流对地面污染物的扩散稀释是有利的。但如果由于气象、地形等因素影响而形成下冷上热的逆温层时,污染物则难以扩散而容易造成污染事件。

2.平流层

平流层处于地面上12—50千米的区域。

平流层的温度分布由下而上逐渐升高,平流层顶的温度可达到最高值(273K)。平流层的大气稳定,没有对流现象,空气水平移动占显著优势,这是由于上热下冷的温度分布所致。平流层的大气是稳定的,污染物进入平流层后,往往随着气流随地球旋转而运动,甚至可停留多年,如在离地面20千米处发现的一层(NH4)2SO4气溶胶便是著名的例子。大气稳定的特征使污染物进入平流层后容易造成较大的全球性影响。

平流层的空气比对流层干燥且要稀薄得多,水气和尘埃的含量甚微,因而很少出现天气现象。

在平流层中高度为15—35千米范围内,形成厚度约20千米的臭氧(O3)层,由于臭氧有吸收太阳光中短波辐射的能力,这种吸收能量转变成热量释放出来,致使平流层气温随高度增加而增加。

由于超音速飞机和宇航业的发展,排放出大量CO和NO等还原性气体,形成对臭氧层的破坏。

3.中间层

距地面50—85千米范围称中间层。这一层的空气更加稀薄,气温随高度的增加而降低,至中间层顶(85千米左右),气温可降低到-63℃—-103℃(中纬度上空),这与臭氧浓度减小有关。

4.热层

高度在85—500千米。这一层气体温度随高度增加而迅速升高,至300千米高度处,温度可高达1000℃以上。

由于太阳紫外线和宇宙射线的作用强烈,使热层和中间层空气分子发生电离,形成带电离子,因而又将60—1000千米高度范围,叫做电离层。电离层又可细分为D、E、F三个区:

D区(60—90千米):主要发生NO的离解；E区(90—120千米):主要发生O2的离解；F区(120千米以上):O、O2和N2都发生离解。

这种高空中原子和分子氧和氮强烈吸收太阳辐射中的远紫外部分(波长小于200纳米)的能量,并将能量变成热是热层气温增高的主要原因。

大气的温度分布与大气的化学组成有着密切关系,二者都是太阳辐射穿过大气被吸收的结果。

大气能量吸收与发射环境中物质的循环伴随着能量的交换与传递。

大气中的全部能量都来自太阳的辐射。太阳表面温度高达6000K,具有非常强烈的辐射能力,不断地以电磁辐射形式发散能量。太阳辐射光谱按波长大小可主要分为三个区:紫外区、可见光区和红外区。紫外区包括X射线、闵湎 ,只占太阳辐射总能量的9％;可见光约占40％,红外部分约占50％,其余部分约1％。

辐射光的波长 (一周期的长度)、频率 (每秒的周期数)和能量E之间满足下面的关系:

E=h =hc/ ( =c/ )频率 (Hz)递增能量E递减

大气圈各层温度随高度的变化规律,与大气组成及其对太阳和地球辐射的吸收、反射密切相关,近地面大气集中了大部分CO2、H2O和尘粒,吸收地面长波红外辐射而增温,这一效应随高度增加而减弱,形成对流层气温随高度增加而递减的现象。

由于离地面15—35千米范围内存在臭氧层,O3吸收220—320纳米短波紫外辐射致使平流层气温随高度增加而递增(上部优先吸收)。

平流层上限至85千米处的中间层,空气稀薄,气温又随高度增加而降低。

高出地面85千米以上的热层,由于N2,O2对小于240纳米波长的太阳辐射的吸收,而引起温度迅速升高。

5.1.2大气污染物与污染源

大气中含有几十种不同物质,一般把由N2、O2、稀有气体等恒定组分和CO2(0.02%—0.04％)、水蒸气(4％以下)等可变组分所组成的大气叫做“清洁空气”,而将含有来自天然源或人为源的一定浓度的不定组分(NOx、硫氧化物、CO、颗粒物、碳氢化合物)的大气叫做“污染空气”。

通常的大气污染物质(如NOx,SO2)在大气中的含量(本底值)很低,不足以产生对人类的危害作用。

世界卫生组织给大气污染下的定义是“室外的大气中若存在人为造成的污染物质,其含量与浓度及持续时间可引起多数居民的不适感,在很大范围内危害公共卫生并使人类、动植物生活处于受妨碍的状态。”

但是随着人类频繁的生活和生产活动,特别是近代科学技术的迅速发展,工农业随之发展,其结果给人类带来幸福的同时,产生了大气污染物,大气圈则成了人类重要的倾废场所之一。进入大气的污染物当其浓度超过了自然界自身的净化能力时,就造成了大气污染。污染了的大气对人类健康、动植物的生长、城市设施及名胜古迹的保护均有不同程度的影响,生态环境被破坏,并造成严重的经济损失。

第一次经仔细研究报道的重大大气污染事件是1930年12月1—5日在比利时马斯河谷发生的大气污染。该地区集中有钢铁冶炼、火力发电、化肥、炼锌及硫酸制造等工业。它们向大气排放大量的污染物,加上生活用煤燃烧时产生的污染物,在当时的天气条件下,使河谷地区上空大雾笼罩,污染物经久不散,污染气体浓度愈积愈大,造成63人死亡,许多居民出现胸疼、呼吸困难等症状。此事件中的污染元凶是硫的氧化物。此后世界上大气污染重大事件不断发生,引起了人们对大气污染的关注和研究。

大气污染源

大气污染源分为自然源和人工源。

自然源是来源于自然界的生命活动或其他自然现象的变化所产生的,如大气中的一些萜类有机污染物(指(C5H6)n一类链状或环状烯烃,在自然界广泛存在于树脂等物体中),是针叶树的叶或花向大气发散的一类碳氢化合物;火山爆发可向大气排放大量的颗粒物及含硫气体化合物;森林火灾是大气中一氧化碳及二氧化碳的自然源;海水水花喷洒出含氯化物及硫酸盐等的微细水滴。

人为源是人类生活及生产活动产生的大量污染物,危害严重的大气污染物主要来自人为源。

1.工业污染源

由火力发电厂、钢铁厂、化工厂及农药厂、造纸厂等各种工矿企业生产过程中排放出来的烟气,含有烟尘、硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳及碳黑、卤素化合物、金属氧化物等有害物质。

2.交通污染源

飞机、汽车、船舶排放的尾气中含NO、NO2、二氧化硫、碳氢化合物(HC)、CO、Pb氧化物、苯并(a)芘、多环芳烃等。

3.生活污染源

在生活中燃烧化石燃料用于取暖和加热食物等排放出大量污染物。

煤的主要成分是碳、氢、氧及少量硫、氮等元素,此外还含有其他微量组分,如金属硫化物或硫酸盐等。

煤中含硫量随产地不同变化较大(约在0.5%—5％左右)，其中一部分硫元素与煤中主要化学成分结合而存在，大部分则以硫铁矿及硫酸盐的形式存在。当煤燃烧时,这些硫元素主要转化成二氧化硫形式随烟气排入大气,是大气中硫氧化物的主要来源。

4.农业污染源

喷洒的农药、杀虫剂、杀菌剂挥发形成极细液滴,成为大气中的颗粒物,或从土壤表面挥发进入大气。使用化肥,产生的氮氧化物在土壤微生物的反硝化作用下形成N2O,进入对流层成为温室气体,进入平流层能破坏臭氧层。据测算,施用化肥的土壤,释放出的N2O为未施用化肥的2—10倍。在工业化国家,牲畜和化肥产生的氨的排放量占总排放量的80%—90％。焚烧农业垃圾会排放出高浓度的CO、CO2和NOx及其他一些气体,而水稻耕作和牲畜是释放甲烷的主要来源。

大气污染所波及的范围较广,按其影响程度通常可分为:

局部性污染:污染影响范围局限在污染源排出的局部地区,如某个工厂排出废气或排出污水造成的影响。

地方性污染:污染范围仅在有限的区域内,如一个工业区,一个城镇及附近地区。如印度博帕尔农药厂事件。

广域性污染:污染影响范围可扩展到较为广阔的地区,如大工业城市及附近地区,对国土范围较小的国家,污染影响有时可波及数国。如英、法、德等国的大气污染物,造成了斯堪的纳维亚半岛各国的酸雨危害。

全球性污染:严重的大气污染,会造成全球性的环境污染,如矿物燃料燃烧产生的二氧化碳和颗粒飘尘,可造成全球性的大气污染。1992年菲律宾皮纳图博火山大爆发,喷发出大量尘埃、颗粒物,形成冷凝核心,导致全球气温下降。

大气污染物

一次污染物是指由污染源直接排放入大气的污染物。二次污染物又称继发性污染物,是排入环境中的一次污染物在大气环境中经物理、化学或生物因素作用下发生变化或与环境中其他物质发生反应,转化而形成的与一次污染物物理、化学性状不同的新污染物。如二氧化硫在大气中被氧化成硫酸盐气溶胶,汽车排气中的一氧化氮、碳氢化合物等发生光化学反应生成的臭氧、过氧乙酰硝酸酯等。二次污染物的形成机制往往很复杂,二次污染物毒性一般较一次污染物强,其对生物和人体的危害也要更严重。

近年来,大气中挥发性有机化合物(VOC)对环境的影响日益引起人们的重视。VOC包括碳氢化合物、有机卤化物、有机硫化物、羰基化合物、有机酸和有机过氧化物等,人类活动产生的VOC主要来自交通,其次是化工生产和溶剂的使用等。

5.1.3大气中重要的化学反应

大气光化学反应

污染物在大气中的化学转化,除常规热化学反应之外,更多的与光化学反应有关,即往往是由光化学反应引发所致。

1.光子的能量与分子能级

光具有波粒二象性,光的衍射、干涉等现象说明光具有波性,而光电效应等又说明光具有粒子性,光是携带着能量的粒子——光量子(简称光子)。

每个光子具有的能量E=h· =hc/肫渲衕:Planck常数为6.62×10-34焦·秒c:光速,为2.998×1010厘米/秒 :光子的波长,单位为厘米 :光子的频率,单位为赫兹E:每个光子的能量,单位为焦耳。

1摩尔光子具有的总能量为:E=N0·h· =N0穐穋/ ,式中N0为阿佛加德罗常数6.02×1023/摩尔,E的单位常用千焦/摩尔。随着波长的增加,光子的能量减小。