XXXX环境科学概论第二章大气环境黄荣华

环境科学概论——大气环境武汉大学动力与机械学院第一节大气的结构和组成第二节大气污染和污染源第三节室内空气环境第四节大气环境中污染物的扩散第五节全球主要的环境问题第六节大气污染物展综合防治与管理第一节大气的结构和组成大气的组成大气的结构一、大气的组成氮（78。084％）氧（20。946％）氩（0。934％）二氧化碳（0。0333％）主要成分次要成分干燥清洁空气水蒸气（0.01％～4％）杂质（自然过程、人类活动）大气大气是由多种气体和水蒸气组成的混合物，可分为恒定的、可变的和不定的三种组分。恒定组分在地球上任何地方的体积分数几乎是不变的；N2、O2、Ar及微量的He、Ne、Kr、Xe等稀有气体。N2、O2、Ar三种组分占大气总量的99.97%。可变组分的含量往往随各地季节、天气变化和人类活动的状况而变化的；它包括CO2及水。正常状况下，H2O(g)约占0－4％，CO2约占0.033%。由恒定组分和可变组分所组成的大气称为洁净大气。不定组分（1）自然灾害如火山爆发、森林火灾、海啸、地震等引起。主要成分为：尘埃、S、H2S、NOX、SOX、盐类及恶臭气体。（2）人为原因造成的大气污染物及有毒气体，如煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物等。这是人类保护大气和防治大气污染的主要对象。大气成分的停留时间惰性气体He、Ne、Ar、Kr和Xe停留时间都在107年以上，属于外循环气体。其次是参与生物、水、岩石等循环的生物循环气体N2(100万年)、O2(6000年)、H2(5年)、CO2(10年)、CH4(2~5年)、N2O(8~15年)、CO(1年)。大气中停留时间小于1年的气体，如H2O(10.1天)、O3(小于1天)、SO2(小于0.01年)、NH3(~1天)、NO和NO2(小于1月)等，它们在大气中的浓度变化比较明显。二、大气圈垂直结构大气圈的总质量约为6×1015t，相当于地球质量的百万分之一。大气圈的厚度约为3000km，由于大气圈与宇宙空间很难确切划分，在大气物理学和污染气象学中，常把大气圈上界定为1400km，超出1400km，气体非常稀薄，可认为是宇宙空间了。根据大气圈在垂直高度上的温度变化、组成及运动状态，可将大气圈划分成不同的层。由大气所形成的围绕地球周围的混合气体称为大气圈。大气圈可分为对流层、平流层、中间层、电离层、和逸散层五部分。1.对流层（troposphere)大气圈的最下层，是指从地表至离地10-12km以内的这一层大气。特点：①气温随高度递减，每上升100m，温度降低0.65℃。②近地高温气流膨胀上升，上部冷空气下沉，形成垂直向上的强烈对流；大气现象复杂多变。③密度大，该层大气质量为空气总质量的75%以上和集中了几乎全部的水蒸气、微尘杂质。2.平流层（stratosphere)对流层以上直至离地表55km的大气层为平流层。特点：①该层的下部温度变化小，气温趋于稳定（-55℃），故称同温层。②该层中上部气温随高度而增高，是一逆温层,层顶温度约-3℃。③平流层无对流运动，平流运动占优势，大气扩散速度慢，空气干燥，水尘含量微，透明度高。④臭氧含量高，通常将22～25km处称为臭氧层。⒊中间层（mesosphere）从平流层顶到80km高度的大气层为中间层。特点：①空气质量仅占大气质量的1-3%。②空气的对流运动强烈，垂直方向混合明显。③气温随高度迅速下降，顶部温度在-83～-113℃。⒋电离层(ionosphere)从中间层顶部至距地表约800km的大气层。①该层下部基本上由分子氮组成，上部由原子氧组成。②气温随高度迅速上升，最高可达1200℃。③空气分子发生电离，能将电磁波反射回地球。5.逸散层(exosphere)800km以上的从大气圈逐步过渡到星际空间的大气层。①空气分子大部分电离，质子含量高。②大气稀薄，气体及微粒向太空逸散。③温度随高度上升。第二节大气污染和污染源一、大气污染及大气污染源1.大气污染的定义大气污染是指由于人类活动或自然过程使得某些物质进入大气，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间，并因此危害了人体的舒适、健康和人们的福利，甚至危害了生态环境。大气污染的分类：局部地区污染、地区性污染、广域性污染和全球性污染。2、大气污染源的分类按污染源存在的形式分：固定污染源和移动污染物；按污染物排放的方式分：点源（高架源）、面源、线源和体源；按污染物排放的时间分：连续源、间断源和瞬间源；按污染物产生的类型分：工业污染源、生活污染源、交通运输源和农业污染源二、主要的大气污染物1.定义大气污染物是指由于人类活动或自然过程排入大气的并对人和环境产生有害影响的那些物质。2.分类按存在方式分：颗粒污染物（气溶胶状态污染物）和气态污染物；按污染物形成的方式分：一次污染物和二次污染物按化学成分分：含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、卤代化合物、尘类颗粒物、有机化合物、放射性物质和其它有毒物质。（2）按污染物形成的方式分：一次污染物是指直接由污染源排放的污染物；可分为反应性污染物和非反应性污染物两类。主要有：碳氢化合物、一氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物和微粒物质等。在大气中的物理作用和化学反应①气体污染物之间的化学反应②空气粒状污染物对气体污染物的吸附作用或粒状污染物表面上的化学物质与气体之间的化学反应③气体污染物在气溶胶中的溶解④气体污染物在太阳光作用下的光化学反应二次污染物是指由一次污染物与大气中已有组分或几种一次污染物之间经过一系列化学或光化学反应生成的与一次污染物性质不同的新污染物质。主要有：臭氧、过氧化乙酰硝酸酯（PAN）、硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶，以及一些活性中间产物如氢氧自由基、氧原子、过氧化氢自由基、过氧化氮自由基等。（3）按化学成分分：含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、卤代化合物、尘类颗粒物、有机化合物、放射性物质和其它有毒物质。3主要大气污染物（1）、颗粒物颗粒物是除气体之外所有包含在大气中的物质，包括各种各样的分散于大气中的液态或固态物质。从大气污染的角度，常表示为总悬浮颗粒物（TSP）、飘尘和降尘。TSP（TotalSuspendedParticulate）：是大气中各种粒子的总称，是能浮于空中，空气动力学当量粒径小于等于100微米的颗粒物；，也是目前大气质量中的一个重要污染指标。降尘：粒径大于10微米颗粒物；飘尘：粒径小于10微米的颗粒物，亦称可吸入颗粒物（PM10）。飘尘可通过呼吸道被人吸入体内而造成危害。飘尘浓度/ug.m-3影响25-50大气中的本底浓度60-180SO2和水共存时可使钢材、锌板等腐食速度加快75-100多数人尚能忍受100视程缩短8千米，太阳紫外线减少7.5%100慢性病及可致死病的死亡率增高150-200多数人感到“肮脏”200多数人感到“肮脏”难忍表空气飘尘对人、对物的影响其他危害①遮挡阳光，使气温降低，或形成冷凝核心，使云雾和雨水增多，以致影响气候；②使可见度降低，交通不便，航空与汽车事故增加；③可见度差，照明耗电增加，燃料消耗随之增多，因此空气污染也更严重．形成恶性循环；④燃煤时生成的SOx，再加上微粒的作用，对呼吸系统的危害特别大；⑤用四乙基铅作汽油的防爆剂时，排入空气中的铅有97％为直径小于0.5微米的微粒，分布很广，危害很大。（2）、一氧化碳（CO）性质：无色、无味、无臭的气体；有毒，能与氧气争夺血液中的血色素，使血液携带氧气能力大大降低，使人体缺氧而窒息。数量：是城市大气中数量最多的污染物（约占大气污染物总量的1/3）。主要来源：汽车尾气。（3）、氮氧化物（NOx）主要污染物：NO、NO2性质：棕黄色、有刺激性气味（黄龙）；主要来源：汽车尾气、燃料燃烧、部分生产或使用硝酸的工厂排放的尾气；燃烧过程中NOx的产生：燃烧温度在300℃以下，产生的NO很少，高于1500℃时，NO的生成量显著增加。燃烧温度越高，氧的浓度越大或反应时间越长NO的生成量就越大。热解NON2+O2=2NO-181kJ燃烧的NON2+2O2=2NO+2ON2+O=NO+N2NO+O2=2NO2危害：（1）引起呼吸道病变如肺水肿和慢性支气管炎。NO与血红蛋白结合导致人体缺氧而中毒。NOX还可刺激中枢神经系统，导致麻痹和痉挛等现象发生。（2）会引起光化学烟雾。（3）造成植物生长速度减慢、叶面损伤毁坏。（4）形成硝酸，硝酸盐和亚硝酸盐等酸性雨雾，产生严重的腐蚀作用。（4）、碳氢化合物（CxHy）主要来源：自然源—由生物分解产生；CH4约3亿吨，萜烯和2-甲基丁二烯约4.4亿吨。人为源——不完全燃烧和有机物的挥发。其中汽车排放量占有相当的比重。其他如石油炼制，化工生产等也会产生多种类型的碳氢化合物。主要危害（1）不饱和烃类生成有害的光化学烟雾。（2）多环芳烃类物质如苯并芘类稠环烃强致癌作用。（5）、硫氧化合物（SOx）主要污染物：SO2、SO3性质：有刺激性气味；SO2能与水反应生产亚硫酸；SO3能与水反应生成硫酸。主要来源：含硫的煤和石油等矿物燃料的燃烧；硫铁矿焙烧、有色金属冶炼、硫酸制造、石油提炼、造纸等；火电厂是最大的SO2排放源。危害：（1）对人体健康造成危害，还有促癌作用SO2浓度（ppm）影响0.03±慢性植物损伤，叶落过多0.04±支气管炎及肺癌死亡率增多0.046±学龄儿童呼吸系统疾病增多0.11-0.19老年人呼吸系统疾病增多可能增加死亡率0.21±慢性肺癌加重0.25±死亡增加，发病率激增（2）会形成硫酸烟雾，危害更大；（SOx与颗粒物（主要是FeO）的混合物，经过化学反应生成硫酸，如伦敦烟雾事件。）（3）对植物造成伤害，破坏叶面结构；（4）腐蚀材料。（6）.二噁英二噁英（英文dioxin）是一类多氯代三环芳香化合物。主要的污染源化工冶金工业、垃圾焚烧、造纸以及生产杀虫剂等产业。日常生活所用的胶袋，PVC（聚氯乙烯）软胶等物都含有氯，燃烧这些物品时便会释放出“二噁英”，悬浮于空气中。毒性“二噁英”为脂溶性，毒性较高，它的毒性以半数致死量LD50表示，其LD50为每千克体重1微克，是氰化钾毒性的50-100倍。美国环保局1995年公布的评价结果显示，二噁英不仅具有致癌性，而且具有生物毒性、免疫毒性和内分泌毒性；特别是可能使男性雌性化。1997年，世界卫生组织国际癌症研究中心将其确定为一级致癌物。它已被世界卫生组织作为新的环境污染物列入监测名单1998年联合国环境规划署（UNEP）将其列为12种POPs之一，严格禁止和限制使用。（7）、光化学烟雾在阳光照射下，大气中的氮氧化物、碳氢化合物和氧化剂之间发生一系列光化学反应而生成的蓝色烟雾（有时带些紫色或黄褐色）。产生：光化学烟雾形成的主要步骤：（1）NO2→NO+O（2）NO+O→NO2O+O2→O3O+HC→R·+RCO·（3）O3+HC→RCO2·+RCHO（醛）+R2CO（酮）（4）RCO2·+NO→NO2+RCO·RCO·+O2→RCO3·（5）RCO3·+NO2→RCO3NO2主要成分臭氧（O3）、过氧乙酸硝酸酯（PAN）、酮类、醛类等二次污染物。形成条件大气中有氮氧化合物和碳氢化合物的存在，这是形成光化学烟雾的前提；有强烈的阳光照射；高温低湿，有逆温层存在。危害①刺激眼睛，主要由甲醛、过氧乙酰硝酸酯等引起②臭氧会引起胸部压缩、刺激粘膜、头痛、咳嗽、疲倦等症状；③臭氧能损害有机物质；④可能会引起哮喘病的增多，还会引起植物毁坏。3－34第三节室内空气环境人们约有80％以上的时间是在室内度过的。症状头痛、恶心疲乏，萎靡不振粘膜有刺激感（眼红、流泪、咽干等）易感冒患哮喘或其它呼吸道疾病密闭建筑——病态建筑综合症(SBS－SickBuildingSyndrome)：现代都市病3－35一、室内空气污染物种类1、室内空气污染物来源室内空气环境居住人员空调系统建筑围护结构建筑室内装修装饰材料等室外环境家电、燃烧设备、家具等3－36室外来源在室人员粉尘、SO2、NOX、COX、O3等大气污染军团菌、机油、苯、不洁水喷淋家电设备氡等有害物质放射室内来源(除人员)