1、四、大气稳定度,1、大气稳定度大气垂直方向上的稳定程度。2、几个概念气块:宏观的微小容积绝热(adiabatic)过程:无热量交换干过程:不发生水相变化的过程干绝热过程:无热量交换和质量变化,可逆,绝热上升过程:外界压力减小,气块对外做功,温度降低;绝热下降过程:外界压力增大,外界对气块作功,温度升高。,干空气在升降时的绝热变化,干绝热垂直递减率(d):干空气上升时温度降低值与上升高度的比:式中A功热当量 Cpd干空气的定压比热 g 重力加速度d 1/100m,3、大气稳定度的划分稳定:气块减速并有回到原来位置的趋势;不稳定:气块继续加速前进和离开原来的位置;中性:不加速也不减速。稳定:d;不
2、稳定:d;中性:d。,未饱和空气三种不同稳定度,A0.8、B=1.0、C=1.2。,气块C:不稳定状态。,越大,气块越不稳定;越小,气块越稳定。,气块B:平衡状态。,气块A:稳定状态。,第2节大气中污染物的迁移,一、大气污染物与污染源 二、影响大气污染物迁移的因素,一、大气污染物与污染源,1、清洁空气和污染空气2、大气污染和大气污染物3、大气污染物(pollutant)的分类按化学组成和内部结构:无机污染物、有机污染物;按形态:气态污染物、液态污染物、固态污染物;按性质:物理污染物、化学污染物、生物污染物;按毒性和致病效应(nosogenesis):毒性污染物、剧毒污染物、致癌物carcino
3、genic、遗传诱变物inducement等;按来源:一次污染物(primary pollutant)、二次污染物(secondary pollutant),4、大气污染源(pollution source),自然源:自然的生命活动或自然现象。人为源:人类生活及生产活动而产生。工业污染源交通运输污染源生活污染源农业污染源,各类工业企业向大气中排放的主要污染物质,环境化学中主要研究化学污染物,不涉及物理污染物、较少涉及生物污染物,因为后两者分别属于环境物理学和环境医学的范畴。大气污染化学中主要讨论氮氧化物、碳氧化物、含硫化合物、颗粒物、挥发性有机物等大气污染物。,二、影响大气污染物迁移的因素,迁
4、移过程受多种因素的影响:空气的机械运动影响天气形势和地理地势的影响污染源本身的特性,1、扩散作用(气流扩散)风:气块作有规则运动时,速度在水平方向的分量。污染物的迁移方向与风向有关,迁移距离跟风力大小有关。铅直速度:气块作有规则运动时,速度在铅直方向的分量。铅直运动使污染物随空气升到高空而扩散。,系统性铅直运动:在大尺度范围内有规则运动,铅直速度小;对流:在小尺度范围内有规则运动,铅直速度大。,摩擦层:乱流混合层,厚约10001500m,底部与地面相接触。产生原因:动力乱流(湍流):由于规则水平运动的气流遇到起伏不平的地形干扰时所产生;热力乱流(对流):由于地表表面的温度与地表附近的温度不同,
5、产生温差而形成。自由大气:摩擦层以上的气层。污染物很少到达这里。,在摩擦层内,有时以湍流(动力乱流)为主,有时以对流(热力乱流)为主,有时两者共存、主次难分,这些是大气中污染物迁移的主要原因。,低层大气中污染物的分散程度取决于对流与湍流的混合程度。,最大混合层高度,最大混合层高度:对于一个静态平衡大气的流体元,有下式:dP=-gdz(1)式中 P大气压;大气密度;g重力加速度;z高度。当气块受热受到浮力的作用而进行向上加速运动,则有:(2)式中 dv/dt气块加速度;受热气块密度。,(1)式代入(2)式中,且由理想气体状态方程,并考虑压力相等,则:受热后气块会产生速度不断上升,直到T与T相等为
6、止,此时气块与周围达到中性平衡,此时的高度定义为对流混合层上限,或称最大混合层高度。,夜间最大混合层高度较低;白天时最大混合层高度则升高。,随季节不同,冬季平均高度最小,夏初为最大。,当最大混合层高度小于1500m时,城市会普遍出现污染现象。,2、天气形势和地理地势的影响天气形势:气压分布,气象条件,扩散条件。地理地势:地面物理性质的差异引起热状况在水平方向上分布的不均匀,可能产生局地环流。,地理地势形成的局地环流:海陆风形成原因:海洋和大陆的物理性质差异:大陆表面温度变化剧烈,海洋表面温度变化较缓。对空气污染的影响:a.循环作用;b.往返作用;c.封闭型和漫烟型污染:城郊风形成原因:城市热岛
7、上暖而轻的空气上升,周围郊区的冷空气向市内流动,形成城郊环流。(热岛效应)对空气污染的影响:这种环流造成城市本身排放的烟尘等污染物积聚在城市上空,形成烟幕,导致市区大气污染加剧。,山谷风形成原因:山区复杂的地形,使山坡和谷地受热不均而产生一种复杂的局地环流。对空气污染的影响:山风和谷风转换时会造成严重空气污染;地形作用造成山区的辐射逆温作用增强:夜间冷空气沿坡下滑,在谷中聚集,再由于地形阻挡,便易形成厚而强大且持续时间长的逆温层。,ATMOSPHERIC TRANSPORT TIME SCALES,Source:Introduction to Atmospheric Chemistry,Jac
8、ob,D.J.,1999,北美,南美,非洲,欧洲,亚洲,第3节大气中污染物的转化,一、大气中的重要污染物 二、光化学反应基础 三、大气中重要自由基的来源 四、氮氧化物的转化 五、碳氢化合物的转化和光化学烟雾六、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染七、酸性降水八、大气颗粒物九、温室气体和温室效应十、臭氧层的形成与耗损,一、大气中的重要污染物,大气污染的发展阶段大气污染的形成时期:18世纪末至20世纪初。大气污染加剧时期:20世50年代至70年代。全球性大气污染:20世纪80年代以后。,含硫化合物:硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、亚硫酸盐、硫酸、硫酸盐和有机硫化合物等。含氮化合物:N2O、NO、NO2、N2
9、O5、NH3、硝酸、亚硝酸、硝酸盐、亚硝酸盐、硝酸酯ester、亚硝酸酯和铵盐等。含碳化合物:CO、CO2、碳氢化合物hydrocarbon等含卤素化合物:CH3Cl、CH3Br、CH3I、氟氯烃类(CFCs)化合物等。,主要污染物,1、含硫化合物,1969年Robinson等人报道,地球上全年SO2的产生量为2.97亿吨。天然源:来自火山、有机物分解和陆地、海洋中的微生物厌氧活动:硫酸盐(还原)H2S(氧化)SO2人为源:矿物燃料和含硫矿物的燃烧。煤的含硫量约为0.5-5%,石油0.5-3%。SO2SO2(燃烧过程)2SO2O22SO3(15%的氧化过程),2、含氮化合物,N2O(笑气)无色
10、气体,含量约为0.3ppm。是清洁空气的组分,是低层大气中含量最高的含氮化合物。是目前已知的温室气体之一。主要通过微生物的作用下分解产生。天然源:主要有海洋、土壤、淡水和雷电。人为源:主要有氮肥、化石燃料燃烧及工业排放等。,NOx(NO和NO2)天然源:闪电、微生物固定及NH3的氧化等,火山爆发和森林大火等都会产生氮氧化物。N(高温下氧化)NO(转化)NO2人为源:各种燃料在高温下燃烧,硝酸、氮肥、炸药和染料等生产过程中产生的废气,其中最严重的是燃料燃烧排出的废气。危害:NOx由呼吸能够进入人体肺部,引起支气管炎bronchitis或肺气肿emphysema,senile emphysema
11、老年性肺气肿NOx能和碳氢化合物生成光化学烟雾。,特点:城市空气中的NOx含量大约高出全球平均值2个数量级。NOx的浓度变化受季节和气象因素影响:一般冬季高于夏季;取暖期高于非取暖期。NOx的汇:被土壤和植被吸收;转化成HNO3和硝酸盐而去除。,3、含碳化合物,CO人为源:含碳燃料的不完全燃烧,或者是内燃机在高温、高压的条件下燃烧。天然源:海洋中生物的作用、植物叶绿素chlorophyl的分解、森林中放出萜terpene的氧化、森林大火以及大气中CH4的光化学氧化和CO2的光解等,放电作用引起云层中有机物的光氧化作用,二氧化碳的轻微解离作用,以及种子发芽burgeon、籽苗生长及人和动物新陈代
12、谢metabolism过程等等。,CO2CO2是大气的一个组分。无毒的温室气体。人为源:通过燃烧产生。天然源:通过动物的呼吸排出;植物体废弃物作为燃料燃烧或腐败decay而自然氧化时能够产生;甲烷在平流层中与OH自由基反应的最终产物为CO2;海水与大气进行交换作用而排出(海水中CO2比大气高60余倍)。,碳氢化合物指碳原子数C1C8的可挥发的碳氢化合物,包含烷烃alkyl、烯烃alkene、炔烃alkyne、脂肪烃和芳香烃aromaticity等,CH4是主要的碳氢化合物。罗宾逊等1968年估计,全球碳氢化合物每年的总产量为18.58亿吨,其中天然源占几乎95%以上,CH4约16亿吨;其次是植
13、物排出的萜烯化合物约1.7亿吨。,CH4:化学性质稳定,不易发生光化学反应。其温室效应比CO2大20倍。近100年在大气中的增长速度快。天然源:主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽swamp、泥塘moss、湿冻土带tundra、水稻田底部、牲畜反刍regurgitation和白蚁termite的墓穴grave等产生。人为源:汽油燃烧(38.5%)、焚烧incinerate(28.3%)、溶剂蒸发(11.3%)、石油蒸发和运输损耗(8.8%)、提炼废物(7.1%)。,汽车废气:烃类:甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丁烷等;醛类:甲醛formaldehyde、乙醛acetaldehyde、丙醛、丙烯醛和苯甲benzyl醛等;少量芳烃和和微量致癌物如苯并(a)芘等。,碳氢化合物的危害:一般对人的毒性不大。甲醛和丙烯醛是刺激性物质,长时间接触0.15ppm甲醛能引起催泪现象。碳氢化合物是形成光化学烟雾的主要参与者。烯烃以及醛类等,他们能在空气中反应形成污染更大的二次污染物。,4、含卤素化合物,天然源:主要来自海洋,包括CH3Cl、CH3Br、CH3I。人为源:其余都是由于人类活动产生的。如:氟氯烃类(CFCs)化合物(氟里昂)可用作冰箱制冷剂、喷雾器中的推进剂、溶剂和塑料起泡剂等。CFCs完全由人为产生。最常用的氟里昂是二氟二氯甲烷(F12)和一氟三氯甲烷(F11)。,
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