环境学概论第二章大气环境

*研究环境污染问题的主线索污染源污染物污染物在环境中的迁移、转化和扩散规律控制和管理措施及对策第二章大气环境主要内容第一节：大气的组成和结构第二节：大气污染和污染物第三节：大气环境中污染物的化学转化第四节：大气中污染物的扩散第五节：大气污染综合防治与管理录相教学：人类活动对大气圈的影响§1大气的结构和组成1、N2、O2等气体3、冰晶和固体微粒（如尘埃、花粉）2、水滴（如云滴、雾滴）除去水汽和杂质的空气称为干洁空气问题1：大气的垂直分层结构？问题3：大气由哪几个组份组成？干洁空气指什么？问题2：大气环境问题主要集中在层？对流二氧化碳：来源：呼吸作用，有机体的燃烧与分解。现状：在大气中的含量有增加的趋势。影响：强烈吸收地面的长波辐射，引起温室效应的加剧。臭氧：来源：高空通过光化作用，低空通过闪电或有机物氧化及高空传输。作用：能大量吸收太阳紫外线，使地面生物免受过量紫外线的灼伤。分布：自然大气中含量很少。随高度分布不均匀，也随纬度和时间而异。水汽：来源：海洋和地面蒸发与植物蒸腾。分布：随时间、地点变化很大。在铅直方向，一般随高度增加而减少。影响：形成云、雾、雨、雪等大气现象。对生物的生长和发育有重要影响。微粒：种类：固体微粒与液体微粒。影响：影响太阳辐射传输，使能见度变低，有的能起凝结核的作用。与环境问题有关的大气成份§2大气污染和污染物大气污染：是指大气中某些物质的含量远远超过了大气自净能力，以至对人体、生态、材料造成危害的现象。(图123)污染源：即造成环境污染的发生源。一般指向环境排放有害物质或对环境产生有害影响的场所、设备和装置等。大气污染源：指向大气中排放污染物质的发生源。一、大气污染的发生二、大气污染的来源1、定义2、分类火山喷发燃料燃烧森林火灾工业生产过程天然污染源自然尘人为污染源交通运输过程森林植被释放农业活动排放海浪飞沫固定污染源②按污染源存在形式流动污染源无组织排放源①按照污染物质的来源点源③按污染源排放的形式线源面源体源连续源④按污染源排放时间间断源瞬时源⑤按污染源排放点高度地面源高架源*按污染物存在的颗粒物质（粉尘、雾尘、烟尘、煤尘）物理形态气态物质（硫化物、氮氧化物等）三、大气污染物及大气污染类型1、大气污染物及其分类*按污染物形成过程直接从污染源排放的污染物质。分为反应物和非反应物。一次污染物在大气中经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物物理化学性质完全不同的新的污染物质，其毒性比一次污染物更强。二次污染物一次污染物①定义P17②分类①气溶胶状污染物按粒径的大小可分为总悬浮颗粒物（ＴＳＰ）：D１００微米，是分散在大气中各种粒子的总称，是目前大气质量评价中的重要污染指标。飘尘：Ｄ＜１０微米，能在大气中长期飘浮，是环保工作者研究对象之一。降尘：Ｄ＞３０微米，可在重力作用下降落下来，单位面积的降尘量可作为评价大气污染程度的指标之一。可吸入粒子（ＩＰ）：ＩＳＯ（国际标准化组织）定Ｄ≤１０微米为可吸入呼吸道的粒子。②气态污染物（硫化物、碳氧化物、氮氧化物、碳氢、卤素化合物）P212.主要大气污染物质主要气态污染物的来源及所产生的一次，二次污染物污染物主要来源一次污染物二次污染物硫化物煤、石油的燃烧SO2,H2SSO3,H2SO4,MSO4气溶胶碳氧化物汽车尾气CO,CO2无含氮化合物汽车尾气NO,NH3NO2,HNO3,MNO3气溶胶，O3碳氢化合物汽车尾气及石油化工工业CMHN（形成光化学烟雾前体物）醛、酮、过氧乙酰硝酸酯卤素化合物有机合成工业，化工厂，塑料厂HF,HCL无3.大气污染类型①根据污染物的性质划分还原型（煤炭型）：氧化型（汽车尾气型）②根据燃料性质和大气污染物的组成划分P26石油型煤炭型混合型特殊型§3大气环境中污染物的化学转化大气污染的化学转化：从污染源排放进入大气中的污染物，在扩散、输送过程中，由于其自身的物理、化学性质的影响和其他条件（如阳光、温度、湿度等）的影响，在污染物之间，以及它们与空气原有组分之间进行化学反应，形成新的二次污染物的过程。包括光化学过程和热化学过程。当前受到关注的大气污染化学问题有：气体硫化物污染，氮的氧化物污染，光化学烟雾、酸雨及臭氧层的变化问题。•SO2SO3H2SO4(H2SO4)m(H2O)n一、大气光化学特性二、硫氧化物在大气中的化学转化直接光氧化光化学氧化间接光氧化催化氧化SO2的氧化作用1、光辐射特点2、光化学特性SO2SO31、SO2的光化学氧化NONO2HNO3或(MNO3)m(H2O)n缓慢三、氮氧化物在大气中的化学转化2、SO2的催化氧化（非均相反应）思考：在由碳氢化合物和氮氧化物污染了的大气环境中,SO2光氧化反应速率大大高于在清洁大气中的情况.②SO2的间接光化学氧化P29.①SO2的直接光化学氧化P28NONO2★在大气中无其它反应干预下，O3的浓度取决于；低层大气压中O3增加的前提是NONO2.][][2NONO1、NO2的光化学反应2、NO2的化学反应P31①光解NO2+hv(290—430nm)NO+O*②O*+O2+MO3+M(对流层中O3的唯一人为源）③O3+NONO2+O2四、“光化学烟雾”的形成(photo-chemicalsmog)1.光化学烟雾的定义及特征P32*光化学烟雾：指含有氮氧化物和烃类的大气,在阳光中紫外线的照射下发生反应所产生的产物及反应物的混合物被称为光化学烟雾.(图)特征：烟雾呈蓝色,具有强氧化性,刺激人们眼睛,伤害植物叶子,能使橡胶开裂,并使大气能见度降低。2.光化学烟雾的形成P33重要过程(关键性的反应)：◆碳氢化合物的氧化生成了活性自由基◆过氧自由基引起NO向NO2转化，并导致含N的二次污染物的生成◆NO2的光解导致了O3的生成＊＊形成机制：(P35)BNO向NO2转化是产生“光化学烟雾”的关健C碳氢化合物是产生“光化学烟雾”的主要成分ANO2的光解是“光化学烟雾”形成的开始光化学烟雾的形成过程是由一系列复杂的链式反应组成的，是以NO2光解生成O的反应为引发，导致了O3的生成；碳氢化合物的存在打破了NO2的光解循环，生成了重要的自由基(HO2和RO2)，促使NO向NO2快速转化；NO2继续光解产生O3，同时在转化过程中产生的自由基又继续参与反应生成更多的自由基。如此循环直到NO或碳氢化合物消失为止。所产生的醛类、O3、PAN等二次污染物是最终产物。3.光化学烟雾的形成条件P35在副热带高压控制地区的夏季和早秋季节为光化学烟雾发生的有利季节位置条件：太阳天顶角θ60°A地理条件时间条件：夏季中午前后天气条件：晴朗，高温、低湿、逆温以石油为动力燃烧的工厂汽车排气B污染源条件4.光化学烟雾的危害A危害健康ａ刺激眼睛和呼吸道粘膜ｂ使哮喘病增多ｃ引起潜在性的全身影响D损害有机物质B降低能见度E毁坏植物§4大气中污染物的扩散Diffusionofatmosphericpollution影响大气污染的因素：气象条件动力因子：风和湍流热力因子：大气温度层结和大气稳定度天气形势：降水；雾下垫面条件：地形和地物；山谷风；海陆风；城市热岛环流其它因素：污染物的性质和成分；污染源的几何形状和排放方式(地理因素)一、气象条件1.热力因子①大气温度层结温度层结：气温沿垂直高度的分布曲线.四种类型：（1）γ＞0，称为正常分布层结或递减层结；（2）γ=γd，称为中性层结；（3）γ=0，称为等温层结；（4）γ＜0，称为逆温区别rd和rrd是对气块而言，r则是对周围空气而言；rd是常数，而r大小与周围环境有关②大气稳定度(atmosphericstability)γ-γd≥0为大气静力稳定度的判据当γ-γd＞0时，a＞0，气块加速运动，大气不稳定；当γ-γd＜0时，a＜0，气块减速运动，大气稳定；当γ=γd时，a=0，大气是中性的。③逆温(Inversion)会造成严重的大气污染现象辐射逆温(Radiationinversion)与大气污染的关系最为密切即垂直方向上大气稳定的程度A翻卷型（波浪型wavilness）：烟流呈波浪状,气温层结处于不稳定状态，即γ＞0；γ-γd＞0时，扩散条件较好，污染物落地最大浓度点距烟囱较近，多发生在晴朗的白天。④不同温度层结下的烟型五种典型的烟流形状B锥型coniform：烟流呈圆锥形，发生在中性条件下，即γ＞0；γ-γd≈0。扩散速度、落地浓度较波浪型低，污染物输送较远，多出现于多云或阴天的白天，强风的夜晚或冬季夜间。C平展型(扇型Fanning）：垂直方向扩散很小，出现逆温层，大气处于稳定状态，即γ＜0；γ-γd＜0。污染物可传送很远，多出现于弱晴朗的夜晚和早晨。D屋脊型（上升型climbing）：烟流下部是稳定的大气，上部是不稳定的大气。持续时间短，对近地面污染较小，一般在日落前后出现。F熏蒸型（漫烟型Fumigation）：烟流上部是稳定的大气，下部是不稳定的大气。持续时间短，但地面污染严重，一般在日出后出现。2.动力因子①大气的水平运动风对污染物的扩散有两个作用整体输送作用冲淡稀释作用②大气的湍流运动A.定义：不规则的大气运动称为湍流风和湍流是决定污染物在大气中扩散稀释的最直接最本质的因素，风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度就越低。B.分类：根据形成原因分为热力湍流和机械湍流C.湍流扩散理论湍流统计理论；梯度输送理论；相似扩散理论假定大气湍流场是均匀、稳定的。则从原点放出大量粒子在x轴上的浓度最高，且浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。由湍流引起的扩散3.天气形势①降水的淋洗作用：②雾的凝聚作用：降水，能冲洗空气中的污染物质，净化空气，但过多的SO2之类的气体会溶于降水中，往往形成酸雨，导致二次污染。雾形成于稳定的大气条件，会凝聚大量的污染物，使污染物扩散受阻，因而会造成不利的地面空气污染状况。二、影响大气污染的地理因素(下垫面条件)1．地形和地物的影响2．山谷风3．海陆风4．城市热岛环流三、影响大气污染的其他因素1.污染物的性质和成分2.污染源的几何形状和排放方式补充：大气中污染物的扩散模式1．坐标系2．高斯模式的四点假设（P47）（一）有界条件下的大气扩散模式3．高架连续点源扩散的高斯模式C总=c实+c虚（二）几种常用的大气扩散模式1．高架连续点源2．地面连续点源：He=03．有效源高He：地面上任一点的浓度z=0：He=Hs+ΔHHs－烟囱（或排放筒）本身的高度ΔH－烟气抬升高度(由霍兰德〈Holland〉公式计算1、大气污染对人体健康的危害(表)大气污染物侵入人体主要有三条渠道：a、呼吸道吸入；b、随食物和饮水摄入；c、体表接触侵入3、大气污染对材料的危害2、大气污染对植物的危害4、大气污染对大气环境的影响补充：大气污染的危害污染物对健康的影响随污染物质强度、感染时间以及人体健康状况而异。室内空气污染：主要是由于人造板、内墙涂料、木器涂料、胶粘剂、地毯、壁纸、家具、地板革和建筑材料等及不健康的生活习惯引起。室内装修污染存在的主要问题⑴芳香“杀手”苯⑵游离“杀手”甲醛⑶无孔不入的氡清除室内污染的有效对策⑴增加室内换气频度⑷正确使用家庭化学剂⑵室内拒绝吸烟⑸增加户外活动时间⑶讲究厨房内空气卫生⑹室内摆放花卉植物名称对人体的影响二氧化硫视程减少，流泪，眼睛有炎症。闻到有异味，胸闷，呼吸道有炎症，呼吸困难，肺水肿，迅速窒息死亡硫化氢恶臭难闻，恶心、呕吐，影响人体呼吸、血液循环、内分泌、消化和神经系统，昏迷，中毒死亡氮氧化物闻到有异味，支气管炎、气管炎，肺水肿、肺气肿，呼吸困难，直至死亡粉尘伤害眼睛，视程减少，慢性气管炎、幼儿气喘病和尘肺，死亡率增加，能见度降低，交通事故增多光化学烟雾眼睛红痛，视力减弱，头疼、胸痛、全身疼痛，麻痹，肺水肿，严重的在1小时内死亡碳氢化合物皮肤和肝脏损害，致癌死亡一氧化碳头晕、头疼，贫血、心肌损伤，中枢神经麻痹、呼吸困难，严重的在1小时内死亡氟和氟化氢强烈刺激眼睛、鼻腔和呼吸道，引起气管炎，肺水肿、氟骨症和斑釉齿，氯气和氯化氢刺激眼睛、上呼吸道，严重时引起中毒性肺水肿铅神经衰弱，腹部不适，便泌、贫血，记忆力低下几种大