中国环境概论__大气环境

第二章大气环境•§1大气的结构和组成•§2大气污染•§3、大气污染源及主要污染物•§4、大气中污染物的扩散•§5、中国大气污染综合防治与管理§1大气的结构和组成•一、大气的结构•二、大气的组成一、大气的结构•自然地理学把受地心引力而随地球旋转的大气称为大气圈，厚度大约有10000km。•由于大气圈层与宇宙空间很难确切划分，在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈层上界定为1200-1400km。1400km以外，气体已非常稀薄，就是宇宙空间了。•大气圈中的空气分布是不均匀的。海平面上的空气密度最大，近地面的空气密度随高度上升而减小。•在地球表面上空400-1400km的大气层，空气是逐渐变稀薄的。地球表面的大气温度不仅随纬度、季节变化，而且随高度变化。•大气质量的90%集中在30km以下的范围内，高度100km以上大气的质量仅占大气图质量的1%。世界气象组织（WMO）根据大气温度的垂直分布特点，并考虑大气垂直运动等情况，将大气分为5层：•对流层•平流层•中间层•暖层•散逸层1、对流层•贴着地球表面，其厚度大约为10km-16km，主要成分为N2、O2、H2O、CO2和Ar等。•两个显著特点：一是气温随高度上升而递减，平均每升高100m气温降低0.65℃；二是密度大。大气总质量75%和90%的水蒸气集中在此层。•该层既有大规模的空气运动，又有强烈的空气垂直运动（即对流运动）以及不规则的流流运动，从而使不同地区和不同层次的空气得以变换。•在1－2km以下的大气受地表机械，热力学作用强烈，称为边界层或摩擦层，受地表性质影响很大。•特别是50－100m以下的贴地层，主要受地表热力的影响，是人类活动的主要场所，进入大气中的污染物绝大部分在此层活动。•1km-2km以上大气受地表影响小，称为自由大气层，主要天气过程，如雨、雪、雹的形成都在此层。2、平流层•对流层顶向上到50km左右的大气层，又称同湿层，该层主要成分是O3、N2、O2。•特点：一、对流层顶到30km左右的大气层气温变化很小，为-55℃左右，故称为同温层；同温层以上的平流层随高度升高而升高，至平流层顶达-3℃。二、空气没有对流运动，以平流运动为主，大气稳定，因此一旦污染物进入平流层，停留时间很长，从而造成较大的全球影响。•在高约15-35km的范围内，有厚约20km的臭氧层，臭氧有吸收紫外线的能力，使人类等免受紫外线的辐射。3、中间层•平流层顶到85km高度左右的区域称为中间层。•主要特征是温度随高度的增加迅速降低，顶部温度可降到-83℃以下。•大气稀薄，主要物质是O2、N2、NO＋、O2＋等。4、热层•从中间层顶向上导800km的区域称为热层，又称电离层，其主要成分是氧。•在强烈的紫外线和宇宙射线的作用下，大气中的N2、O2分子电离成了O2＋、O＋及NO＋等离子，该层温度随高度的增加而急剧上升，最高可达1700℃。5、逃逸层•热层以上的大气层称为逃逸层。此处大气极为稀薄，大部分分子电离，气体及微粒受地心引力小，能飞离地球重力场进入太空。二、大气的组成1、干洁空气•比较稳定的原因:分子态氮和惰性气体的性质不活泼；•固氮作用所耗去的氮素基本上被反硝化作用形成的氮素所补充；•自然界中由于燃烧、氧化、岩石风化、呼吸、有机物腐解所消耗的氧，基本上由植物光合作用释放的氧分子而得到补偿。2、水蒸气•水蒸气在大气中的平均含量不到0.5%，随空间、时间和气象条件变化而变化。•在热带雨林地区，其体积分数可达4%；沙漠干燥区域极地区可小于0.01%。一般低纬度地区高于高纬度地区，下层高于上层，夏季高于冬季。•水蒸气是实际大气中唯一能在自然条件下发生相变的成分。通过水蒸气相变，使得地表和大气之间以及大气内部的水蒸气，热和能量得以输送和交换。•水蒸气对太阳辐射的吸收能力较小，但对地面长波辐射的吸收能力较强。因此，它与二氧化碳一起，对地球起着保温作用。3、悬浮颗粒物•大气中含有沉降速率很小的固体和液体微粒，称之为悬浮颗粒物或悬浮微粒，它是地层大气的重要组成部分，粒径一般在104µm－几十µm，多集中于大气底层，不论含量还是化学成分都是不变的。•悬浮颗粒物组成：固体和水蒸气凝结成的水滴和冰晶；固体微粒可分为有机物和无机物两类。•有机物微粒数量较少，主要有植物花粉、微生物和细菌等；无机物微粒数量较多，主要来源于岩石或土壤风化后的尘粒、流星燃烧后的灰烬、大山爆发似的尘埃等。•悬浮颗粒物的浓度分布随时间、地点和气象条件而变化，通常是陆上多于海上，城市多于乡村，冬季多于夏季。•悬浮颗粒物对辐射的吸收与散射，云、雾和降水的形成，大气光电现象具有重要作用，对大气污染有重要影响。§2大气污染•一、大气污染的回顾（八大公害中的例子）•二、大气污染和大气污染类型§2大气污染北京沙尘暴大气环流是影响沙尘暴的主因•一般人都认为土地荒漠化是引发沙尘暴的罪魁祸首，但专家们最新的研究成果表明，土地荒漠化只是沙尘暴形成的一个重要因素，真正让沙尘天气增多或减少的决定因素是大气环流的变化。•中国科学院寒区旱区环境与工程研究所的沙尘暴专家钱正安教授指出，在过去５０年里，我国土地荒漠化面积一直在增长，尤其是１９９８年到２０００年更是以每年３６００平方公里的面积在增加。•但同一时期，我国北方从上世纪５０年代到９０年代的强和特强沙尘暴的实际频数分别是４８次、６８次、８９次、４７次和３６次。这种生态环境不断恶化的背景和上世纪５０年代到７０年代沙尘暴活动波动上升的事实是吻合的，但难以解释上世纪８０年代以来沙尘暴活动明显减弱，２０００年和２００１年突然增强，２００２年和２００３年又突然减弱的事实。•对这种变化，钱正安教授和台湾大学柳中明教授等从东亚大气环流的年际变化中找到了规律。•钱正安说，从上世纪５０年代到７０年代，蒙古国地区春季多低气压活动，它后面的冷空气常沿西北或北路路径入侵我国西北地区，多强风，所以多沙尘暴；但自上世纪８０年代以来，因大气环境变化，加上全球增温的影响，春季蒙古国地区多高气压活动，因而西北及北路冷空气活动减弱，少强风，故少沙尘暴。•此外，钱正安还剖析了２０００年以来的沙尘暴发生频数与东亚大气环流变化间的关系。•统计表明，２０００年到２００３年，我国大规模沙尘天气发生的次数分别为８次、１０次、５次、３次。•钱正安说，２０００年和２００１年沙尘暴突然增强，是因为２０００年和２００１年３到５月，蒙古国虽然仍多高气压活动，但因日本海地区转而多低气压活动，它后部的冷空气常沿东北路径入侵蒙古国东部和我国东部，多强风，故蒙古国东部和我国北京地区多沙尘暴；•而２００２年特别是２００３年春季，因日本海低气压活动减弱了，所以沙尘暴比较少。•钱正安认为，丰富的沙尘源、强风和极不稳定的大气是引发沙尘暴的三个不可或缺的因素，后两者主要与气象条件有关，而前者则和土地荒漠化有关。•因此，土地的荒漠化虽不是引发沙尘暴及其变化的主要因素，但却是一个重要因素，千万不能因此忽视对土地荒漠化的治理。图北京smog一、大气污染的回顾（八大公害中的例子）第一阶段：18世纪末到20世纪中期，出现所谓的“煤烟型”污染。•主要污染物：烟尘、SO2。第二阶段：20世纪50年代至60年代，出现所谓的“石油型”污染。•主要污染物：飘尘、重金属、SO2、NOx、CO和CH等。第三阶段：20世纪70年代后期，区域性污染或全球性污染。•中国的大气污染是复杂型、煤烟型、石油型共生，当前世界的大气问题主要是温室效应、酸雨、臭氧层破坏。二、大气污染和大气污染类型•（一）大气污染的概念•（二）大气污染类型（一）大气污染的概念•大气污染：是指大气中一些物质的含量达到有害的程度，以至破坏人和生态系统的正常生存和发展，对人体、生态和材料造成危害的现象。•大气污染物由人为源或天然源进入大气(输入)，就参与了大气的循环过程，经过一定的滞留时间后，又通过大气中的化学反应、生物活动和物理沉降等过程从大气中去除(输出)。•如果它们输出大气的速率小于输入大气的速率，就会在大气中相对地积聚，造成大气中某种物质浓度的升高。•当浓度升高到一定程度时，就会直接或间接地对人体、生物或材料等造成急、慢性危害。•一般地说，由于自然环境所具有的物理、化学和生物作用过程(自然的净化作用)，使天然源造成的大气污染，经过一定时间后会得到恢复，所以说，大气污染主要是指人类活动造成的。•造成大气污染的物质，主要是由于人类活动的结果，如工业的发展，城市人口的增加，交通运输等活动使大气加入了各种各样的有害气体和烟尘，造成了大气污染。•一般认为大气污染只发生在城市和工业区，那里的大气污染物浓度往往要比农村或郊区高出许多倍，似乎大气污染仅局限于局部地区或是区域性问题。•但是，从实际表现大气污染是全球性的问题，因为污染物最终将散布到整个大气层。（二）大气污染类型•1．根据污染物的性质划分•2．根据燃料性质和大气污染物的组成划分1．根据污染物的性质划分•(1)还原型(煤炭型)•(2)氧化型(汽车尾气型)(1)还原型(煤炭型)•常发生在以使用煤炭和石油为燃料的地区。•主要污染物是SO2、CO和颗粒物，在低温、高湿度的阴天、风速很小，并伴有逆温存在的情况下，一次性污染物在低空聚积，生成还原性烟雾，•如“伦敦烟雾”事件发生时的大气污染类型。所以人们也称之为伦敦烟雾型。(2)氧化型(汽车尾气型)•这种类型大多发生在以使用石油为燃料的地区，污染物的主要来源是汽车排气、燃油锅炉以及石油化工生产。•主要的一次性污染物是一氧化碳、氮氧化物和碳氢化合物。•这些大气污染物在阳光照射下能引起光化学反应，并生成二次性污染物——臭氧、醛类、酮类、过氧乙酰硝酸酯等物质。•由于它们具有强氧化性质，对人眼睛等粘膜能引起强烈刺激，如洛杉矶的光化学烟雾就属这种类型。2．根据燃料性质和大气污染物的组成划分•(1)煤炭型•(2)石油型•(3)混合型•(4)特殊型(1)煤炭型•代表性污染物是由煤炭燃烧时放出的烟气、粉尘、二氧化硫等所构成的一次污染物，以及由这些污染物发生化学反应而生成的硫酸、硫酸盐类气溶胶等二次污染物。•主要污染源为工业企业烟气排放。其次，家庭炉灶的排放物也起重要作用。如“伦敦烟雾”事件发生时的大气污染类型。(2)石油型•主要污染物来自汽车排气、石油冶炼及石油化工厂的排放。•主要污染物是氮氧化物、烯烃等碳氢化合物，它们在大气中形成臭氧，各种自由基及其反应生成的一系列中间产物与最终产物。如洛杉矶的光化学烟雾就属这种类型(3)混合型•包括以煤为燃料的污染源排出的污染物；以石油为燃料的污染源排出的污染物；•从工厂企业排出的各种化学物质等，例如，日本横滨、川崎等地曾发生的污染事件便属于此类型。(4)特殊型•指有关工业企业生产排放的特殊气体所造成的局部小范围的污染，如生产磷肥的工厂造成周围大气的氟污染等。氟污染•氟和氟化物的用途非常广泛，化学、医学、农业、民用工业、军事工业、原子能和宇航事业等都需要氟或氟的化合物。•“八五”期间全国工业污染源调查资料表明，全国氟化物（以氟化氢计）年排放量为6.0万吨，年排放量超过千吨的有10个省、市、自治区。•近年来，工业的迅速发展、排氟企业的增多及生产规模的扩大，导致环境氟污染日趋严重，一些厂矿的氟污染已经影响了居民的健康。•如年产铝锭20万吨的某铝业有限责任公司，其污染给附近村民造成严重损失，农业严重减产，大量牲畜致残、死亡，村民们普遍感到身体不适，手脚僵硬、腰痛、牙病、呼吸道疾病增多，以致1999年村民中30人征兵体检没有一个合格；•又如某氟化总厂没有任何环保措施，所有污染物都一律直排，使原本山清水秀、鸟语花香的一方乐土，变得浓烟滚滚、恶臭熏天，数百户居民像生活在梦魇之中。•据该村村民反映，有40％左右的村民不同程度地患骨质疏松症，小孩的个头不见长，牲畜无法繁殖，农作物枯死，湖里鱼虾绝迹，森林大面积被毁，果树不结果实。•如1999年1月24日中国环境报载文《一万头羊毒死六千，三任书记状告无门，“氟毒”威胁包头》，文中介绍了位于包钢北部的沙德格苏木，严重的氟污染不仅损害了当地百姓的健康，而且给当地的畜牧业带来危机，