（环境化学）第一章大气环境化学第一节大气的组成和主要污染物课件.ppt

1、第二章 大气环境化学1第1页，共40页。大气环境化学的任务大气环境化学的任务研究大气中主要污染物的存在、化学特性、研究大气中主要污染物的存在、化学特性、迁移、转化、环境效应、危害及其如何控制迁移、转化、环境效应、危害及其如何控制的化学原理和方法。的化学原理和方法。第二章第二章 大气环境化学大气环境化学2第2页，共40页。第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物 1.1 大气的重要性及主要大气环境问题大气的重要性及主要大气环境问题 1.2 大气圈层结构大气圈层结构 1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念 1.4 大气的化学组成大气的化学组成 1.5 大

2、气污染物的分类及来源大气污染物的分类及来源第二章第二章 大气环境化学大气环境化学3第3页，共40页。1.大气对地球的重要作用大气对地球的重要作用 一切生命赖以生存的气体环境一切生命赖以生存的气体环境 人和动物：呼吸人和动物：呼吸O2，1012m3空气（空气（13kg）/天天 植物：光合作用植物：光合作用CO2 地球的保护伞：吸收来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和地球的保护伞：吸收来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和紫外辐射；紫外辐射；适宜温度：天然温室效应为生物生存创造了适宜的温度环境。适宜温度：天然温室效应为生物生存创造了适宜的温度环境。第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一

3、节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.1 大气的重要性及主要大气环境问题大气的重要性及主要大气环境问题4第4页，共40页。2.大气环境问题大气环境问题当代国际三大环境热门话题都是发生在大气圈的当代国际三大环境热门话题都是发生在大气圈的物理化学过程物理化学过程l全球气候变化全球气候变化l酸沉降酸沉降l臭氧损耗臭氧损耗第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.1 大气的重要性及主要大气环境问题大气的重要性及主要大气环境问题5第5页，共40页。第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物 1.1 大气的重要

4、性及主要的大气环境问题大气的重要性及主要的大气环境问题 1.2 大气圈层结构大气圈层结构 1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念 1.4 大气的化学组成大气的化学组成 1.5 大气污染物的分类及来源大气污染物的分类及来源第二章第二章 大气环境化学大气环境化学6第6页，共40页。1.2 大气圈层结构大气圈层结构l大气圈大气圈(Atmosphere)l定义：包围在地球表面并随地球旋转的空气层，称大气圈定义：包围在地球表面并随地球旋转的空气层，称大气圈或大气层或大气层l相关术语：相关术语：空气和大气空气和大气空气：习惯上将供人类和动植物活动的某个场所的气体环境称空气：习惯上

5、将供人类和动植物活动的某个场所的气体环境称为空气为空气大气：大区域或全球性的气流大气：大区域或全球性的气流.第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物7第7页，共40页。2.大气圈分层依据大气圈分层依据l 层结作用大气在垂直方向的自然分布层结作用大气在垂直方向的自然分布l 密度层结大气的密度在垂直方向的分布密度层结大气的密度在垂直方向的分布l 温度层结大气的温度在垂直方向的分布温度层结大气的温度在垂直方向的分布 第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.2 大气圈层结构大气圈层结

6、构8第8页，共40页。大大气气圈圈温温度度层层结结T(K)Z(km)2001602402808060402001009第9页，共40页。3.大气圈结构大气圈结构l对流层对流层l平流层平流层l中间层中间层l热层热层l逸散层逸散层中间层中间层热成层热成层Z(km)T(K)200160240280806040200100对流层对流层平流层平流层环境化学环境化学研究范围研究范围第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.2 大气圈层结构大气圈层结构10第10页，共40页。对流层（对流层（Troposphere）位置：大气的最底层位置：大气的最底

7、层;厚度：平均厚度厚度：平均厚度12km，随纬度和季节变化；，随纬度和季节变化；赤道赤道1618km；两极；两极89km；中纬度；中纬度1012 km；平均；平均12km夏季厚，冬季薄夏季厚，冬季薄3.大气圈结构第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.2 大气圈层结构大气圈层结构11第11页，共40页。对流层进一步分层对流层进一步分层 近地层近地层 地面至地面至10m（100m）;大气与地表之间较大的摩擦力；大气与地表之间较大的摩擦力；边界层边界层 近地层顶至近地层顶至 300m（10002000m）较大的内摩擦力较大的内摩擦力 自

8、由大气层自由大气层 1km至至10km（对流层顶）对流层顶）受地表影响小，理想气体受地表影响小，理想气体第一节第一节1.2 大气圈大气圈12第12页，共40页。对流层对流层 气温随高度升高而降低：气温随高度升高而降低：大气降温率大气降温率-0.6K/100m；上冷下热，垂直方向对流，有利于污染扩散；上冷下热，垂直方向对流，有利于污染扩散；逆温（上热下冷）易发生污染事件；逆温（上热下冷）易发生污染事件；空气密度大：空气密度大：平均厚度平均厚度1012km(1%)，大气总质量的大气总质量的3/4以上以上 天气现象复杂多变天气现象复杂多变 大气污染及其迁移转化主要发生在该层大气污染及其迁移转化主要发

9、生在该层13第13页，共40页。平流层（平流层（Stratosphere）位置：对流层顶到约位置：对流层顶到约50km的大气层的大气层 温度层结：温度层结：平流层的下层，大约平流层的下层，大约25km以下，气温保持不变或稍有上升，称为同温层。以下，气温保持不变或稍有上升，称为同温层。大约大约25km以上，以上，温度随高度升高而升高温度随高度升高而升高，平均递增率为平均递增率为 1.4K/km，到平，到平流层顶，温度接近流层顶，温度接近0空气对流运动小，随地球自转产生平流运动；空气对流运动小，随地球自转产生平流运动；平流层底部（平流层底部（1020km）的空间是现代高速飞机的理想飞行区域的空间是

10、现代高速飞机的理想飞行区域3.大气圈结构第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.2 大气圈层结构大气圈层结构14第14页，共40页。平流层平流层密度层结：空气稀薄，水汽、尘埃甚微，透明密度层结：空气稀薄，水汽、尘埃甚微，透明度高；度高；臭氧层：高约臭氧层：高约1535km范围内，厚约范围内，厚约20km的的臭氧层；臭氧层；90吸收太阳短波紫外线，防止地球遭受高能辐射吸收太阳短波紫外线，防止地球遭受高能辐射吸收太阳辐射转化为分子内能，平流层的温度随吸收太阳辐射转化为分子内能，平流层的温度随高度升高而升高高度升高而升高15第15页，共4

11、0页。中间层中间层（Mesosphere）位置：从平流层顶到位置：从平流层顶到80km的高度称中间层；的高度称中间层；温度层结：温度随高度增加而降低温度层结：温度随高度增加而降低(顶：顶：-100)Why？层内热源仅靠其下部的平流层提供层内热源仅靠其下部的平流层提供空气的垂直运动相当激烈（与对流层类似）空气的垂直运动相当激烈（与对流层类似）密度层结：空气更加稀薄，无水分；密度层结：空气更加稀薄，无水分；60km的高空，大气分子开始电离。的高空，大气分子开始电离。主要组成：主要组成：N2、O2、O2+、NO+16第16页，共40页。热成层热成层/电离层电离层（Thermosphere/Ionos

12、phere）l高度范围：高度范围：80km500kml温度层结：温度随高度增加而迅速增加，温度层结：温度随高度增加而迅速增加，300km以上，以上，1000Kl电离成离子或自由电子：电离层电离成离子或自由电子：电离层l能反射无线电波，远距离无线通讯能反射无线电波，远距离无线通讯17第17页，共40页。逸散层逸散层/逃逸层（逃逸层（Exosphere）位置：热层以上的大气层；位置：热层以上的大气层；密度层结：极为稀薄，与太空密度相当；外大密度层结：极为稀薄，与太空密度相当；外大气层气层空气受地心引力极小，飞出地球重力场进入太空气受地心引力极小，飞出地球重力场进入太空。空。18第18页，共40页。

13、大气环境化学研究的主要领域大气环境化学研究的主要领域对流层对流层 部分平流层部分平流层污染物质进入平流层，形成薄层，污染污染物质进入平流层，形成薄层，污染物遍布全球物遍布全球飞机排放的废物可破坏臭氧层，全球性环飞机排放的废物可破坏臭氧层，全球性环境问题境问题19第19页，共40页。第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物 1.1 大气的重要性及主要的大气环境问题大气的重要性及主要的大气环境问题 1.2 大气圈层结构大气圈层结构 1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念 1.4 大气的化学组成大气的化学组成 1.5 大气污染物的分类及来源大气污染物的分类

14、及来源第二章第二章 大气环境化学大气环境化学20第20页，共40页。1.源（源（Source）和源强（）和源强（Fi）源源大气组分产生的途径和过程大气组分产生的途径和过程天然源自然界发生的物理、化学、生物过程向大气输送物质。天然源自然界发生的物理、化学、生物过程向大气输送物质。人为源人类生活、生产活动向大气输送污染物人为源人类生活、生产活动向大气输送污染物 源强源强进入大气的组分输入速率进入大气的组分输入速率(Fi(Fi）第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念21第21页

15、，共40页。2.汇（汇（Sink）和汇强（）和汇强（Ri）汇汇 指大气组分从大气中去除的途径和过程指大气组分从大气中去除的途径和过程降水湿去除降水湿去除化学反应转化化学反应转化地表物质吸收或反应去除地表物质吸收或反应去除向平流层输送向平流层输送汇强汇强从大气输出组分的速率（从大气输出组分的速率（Ri）第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念22第22页，共40页。大气组分动态平衡的盒子模式大气组分动态平衡的盒子模式把大气圈看做一个盒子，是各种大气组分的把大气圈看做一个盒子，

16、是各种大气组分的储库储库（Reservoir）当当FiRi时时，大气组分的质量大气组分的质量Mi恒定（千百年的地质变恒定（千百年的地质变化过程中，化过程中，FiRi）23第23页，共40页。当当Fi Ri时时：污染物相污染物相对积累对积累24第24页，共40页。3.停留时间（停留时间（Residence time）定义：某种组分在进入大气后到被清除之前在大气中停留的平定义：某种组分在进入大气后到被清除之前在大气中停留的平均时间称为平均停留时间或均时间称为平均停留时间或停留时间停留时间（存在时间、寿命）（存在时间、寿命）清除的含义：清除的含义：沉降沉降化学转化化学转化 大气中的总贮量大气中的总贮

17、量Mi/Fi 或者或者Ri第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念25第25页，共40页。例题：计算对流层气中例题：计算对流层气中CH4的停留时间的停留时间已知已知CH4在对流层的平均浓度在对流层的平均浓度 c1.55106（w/w），且），且不随时间变化；已知：不随时间变化；已知：大气的总质量大气的总质量5.141018 kg；FCH4RCH41.51014（mol/a）；）；对流层占总大气圈质量的比例：对流层占总大气圈质量的比例：3/4；CH4的相对分子质量为的相对分子

18、质量为16；26第26页，共40页。lMCH4=(5.141018103)(3/4)(1.5510-6)/16 =3.73 1014 moll甲烷的保留时间甲烷的保留时间 MCH4/FCH4 3.731014/1.5 1014 2.4（a）27第27页，共40页。研究停留时间的意义研究停留时间的意义 某组分的停留时间越长，表明该组分在离开大气或转化成其它某组分的停留时间越长，表明该组分在离开大气或转化成其它物质以前，在环境中存留的时间也越长；物质以前，在环境中存留的时间也越长；某组分的停留时间越长，表明该组分在大气中的储量相对于输入某组分的停留时间越长，表明该组分在大气中的储量相对于输入（出）

19、来说是很大的，即使人类活动改变了该组分的的输入（出）（出）来说是很大的，即使人类活动改变了该组分的的输入（出）速度，对其总量的影响也不明显；速度，对其总量的影响也不明显；若组分停留时间越短，其输入（出）速率的改变就对总贮量很敏若组分停留时间越短，其输入（出）速率的改变就对总贮量很敏感。感。28第28页，共40页。大气中各组分的停留时间大气中各组分的停留时间惰性气体：惰性气体：Ar、Ne、He、Kr、Xe 107（a），准永久性气体或非循环，准永久性气体或非循环气体气体生物循环气体：生物循环气体：N2（100a）、）、O2（6000a）H2（5a）、）、CO2（10a）CH4（2.4a）、）、N

20、2O（815a）CO（1a）可变化组分可变化组分 小于小于1年的气体：年的气体：H2O（10.1d）O3（1d）SO2（0.02a）NH3（1d）NO和和NO2（1 month）强可变化组分强可变化组分29第29页，共40页。4.大气污染物的浓度表示法大气污染物的浓度表示法l混合比单位表示法混合比单位表示法（体积、质量）；体积、质量）；l单位体积内物质的质量分数；单位体积内物质的质量分数；l单位体积内物质的数量表示法。单位体积内物质的数量表示法。第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究

21、中的基本概念30第30页，共40页。混合比单位表示法混合比单位表示法 x（ppm）(部分部分/全部全部)106（V/V，W/W）x（pphm）(部分部分/全部全部)108 x（ppb）(部分部分/全部全部)109 x（ppt）(部分部分/全部全部)1012主要用于气态污染物主要用于气态污染物低浓度物质低浓度物质O3的本底值的本底值0.03ppm，CO2的本底值的本底值320ppm31第31页，共40页。单位体积内物质的质量分数表示法单位体积内物质的质量分数表示法气体气体g/m3；颗粒物颗粒物 g/m3x(g/m3)污染物的质量污染物的质量(g)/空气的取样体积空气的取样体积(m3)106单位换

22、算关系单位换算关系 ppm g/m3(22.4/M)10-3 22.4理想气体体积（理想气体体积（L）M气体摩尔质量（气体摩尔质量（g/mol）条件标准大气压（条件标准大气压（1.01105Pa）273K（0）32第32页，共40页。单位体积内物质的数量表示法单位体积内物质的数量表示法 分子分子/cm3 用于比用于比ppt还要低的浓度水平还要低的浓度水平 标准大气压下（标准大气压下（1.013105Pa），），273K（0），），每每1立立方厘米空气中的分子数方厘米空气中的分子数 (6.0231023/22.4)10-3=2.691019分子分子/cm3 1ppm相当于相当于2.691013分

23、子分子/cm3 OH自由基在污染空气中的浓度自由基在污染空气中的浓度0.1ppt2.69106分子分子/cm333第33页，共40页。5.环境本底值环境本底值(Environmental Background Value)定义：指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中的化学定义：指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中的化学元素或化学物质的基线含量，又叫环境背景值元素或化学物质的基线含量，又叫环境背景值.说明：说明：l任何一种化合物都有可能成为环境污染物；任何一种化合物都有可能成为环境污染物；l当今的环境中都含有一定量的污染物，要取得绝对准确的环境当今的环境中都含有一定量的污染物，要取

24、得绝对准确的环境背景值资料比较困难，相对的概念；背景值资料比较困难，相对的概念；l同一环境要素在不同的地理同一环境要素在不同的地理/地质环境中，背景值不同地质环境中，背景值不同第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念34第34页，共40页。干洁大气和本底值干洁大气和本底值l干洁大气干燥清洁的空气干洁大气干燥清洁的空气l大气组成的大气组成的“本底值本底值”近海平面洁净近海平面洁净的大气的大气组分的含量来表示。组分的含量来表示。35第35页，共40页。第一节第一节 大气的组成和

25、主要污染物大气的组成和主要污染物 1.1 大气的重要性及主要的大气环境问题大气的重要性及主要的大气环境问题 1.2 大气圈层结构大气圈层结构 1.3 大气环境化学研究中的基本概念大气环境化学研究中的基本概念 1.4 大气的化学组成大气的化学组成 1.5 大气污染物的分类及来源大气污染物的分类及来源第二章第二章 大气环境化学大气环境化学36第36页，共40页。1.大气的化学组成大气的化学组成 总质量：总质量：5.141018kg 主要组分：氮气（主要组分：氮气（N2）、）、氧气（氧气（O2）次要组分：氩气（次要组分：氩气（Ar）和二氧化碳（和二氧化碳（CO2）占总大气的占总大气的99.9999.

26、992 2（体积分数）（体积分数）痕量组分：惰性气体和微量有毒气体痕量组分：惰性气体和微量有毒气体 NO、NO2、CO、SO2、H2S第二章第二章 大气环境化学大气环境化学/第一节第一节 大气的组成和主要污染物大气的组成和主要污染物1.4 大气的化学组成大气的化学组成37第37页，共40页。干洁大气组分干洁大气组分lN278.08 O220.95lAr0.93 CO20.032lHe1.8210-3 CH41.3 10-5 lKr1.2 10-5 H2 5 10-5lN2O2.5 10-5 CO 1.0 10-5 lO32.0 10-6 NH31.0 10-6 lNO21.0 10-7 SO2

27、2.0 10-8 注：体积分数注：体积分数 38第38页，共40页。2.几点说明几点说明 除去水蒸气和杂质除去水蒸气和杂质“干洁大气干洁大气”的组成的组成 90km以下的大气层中，空气的密度随高度的增加而减小，以下的大气层中，空气的密度随高度的增加而减小，但大气中的主要成分的组成比例几乎不变但大气中的主要成分的组成比例几乎不变“均匀层均匀层”有毒气体本底值小于百万分之一，一旦遭受人类活动影响，有毒气体本底值小于百万分之一，一旦遭受人类活动影响，产生环境效应。产生环境效应。39第39页，共40页。大气环境化学知识要点大气环境化学知识要点l 大气圈的组成、结构大气圈的组成、结构 l 存在存在污染物的组成、分类及来源污染物的组成、分类及来源l 迁移迁移空间变化、其它圈层之间的交换、循环空间变化、其它圈层之间的交换、循环l 转化转化光化学反应与光化学烟雾、硫酸烟雾型污染光化学反应与光化学烟雾、硫酸烟雾型污染l 环境效应环境效应臭氧层破坏、温室效应、酸雨臭氧层破坏、温室效应、酸雨l 大气污染危害及控制大气污染危害及控制l 大气颗粒物大气颗粒物第二章第二章 大气环境化学大气环境化学40第40页，共40页。