第二章 大气环境

1. 第二章 大气环境

2. 第一节 大气的结构与组成 一、大气的结构 1、对流层: 对流运动显著，大气总质量3/4集中在此层 2、平流层:臭氧（ O3 ）层, 平流层中空气无对流 ,适于空中飞行 3、中间层 4、热成层(暖层、电离层) 5、逸散层 高层大气

3. 电 离 层 气温初稳后升热 只因层中臭氧多 水平流动天气好 高空飞行很适合 电离层能反射 无线电波，对 无线电通讯有 重要作用 对流旺盛近地面， 纬度不同厚度变； 高度增来温度减， 只因热源是地面； 天气复杂且多变， 风云雨雪较常见 大气的垂直分层 高层大气 上冷下热 高空对流 平流层 对流层

5. 二、大气的组成 大气是一个由多种气体组成的混合物。它是由干洁空气、水汽和杂质三部分组成的。 干洁空气中的主要成分为N2（占78.09%）、O2(占20.95%)、Ar(占0.93%)及一些微量元素， 如CO2、O3、H2、CH4、He、Kr、Ne等。

6. 大气成分中有些是可变的成分，主要包括CO2、O3、水汽和杂质。大气成分中有些是可变的成分，主要包括CO2、O3、水汽和杂质。 这些可变成分如含量正常，则对环境和生命有机体是有益而无害的，但含量变化后(过多或缺乏)都会造成不良影响及危害。

7. 大气组成 主 要 作 用 大气各成分的作用 生物体的基本成分 N2 主要 成分 干 洁 空 气 O2 维持生物活动的必要物质 植物光合作用的原料；对地面保温 CO2 次要 成分 吸收紫外线，使地球上的生 物免遭过量紫外线的伤害 O3 水 汽 成云致雨的必要条件；对地面保温 固体杂质 成云致雨的必要条件

8. 第二节 大气污染和污染物 一、大气污染的发生 大气污染–––指由于人类活动或自然过程使大气中一些物质的含量达到有害的程度(一般指有害物质，如SO2、NOX、HC、O3、飘尘等超过国家质量标准)，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。 二、大气污染物的来源 1、来源： 天然源 人为源

9. 污染源 特 点 主要来源 排放的污染物 天 然 源 它和人为源相比产生的污染物较少，浓度较低，具有局部地区某段时间内可能形成严重影响的特点。 火山喷发 二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、火山灰 森林火灾 一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、碳氢化合物等 自然尘 风砂、土壤尘等 森林植物释放 萜稀类碳氢化合物。 海浪飞沫 硫酸盐和亚硫酸盐 人 为 源 移动源 汽车和火车、飞机等，分布广泛分散，难于监测和治理。 交通运输过程：现代化交通运输工具 一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、硫氧化合物和铅等 静止源 静止源则包括工厂 、焚化炉等不移动的污染源。静止源污染面积广，易于集中监测治理。 燃料燃烧 二氧化硫、氮氧化物、二氧化碳、一氧化碳 工业生产过程 二氧化硫、硫化氢等 农业活动排放：农药、化肥 颗粒物、粉尘、氧化亚氮等

10. 三、大气污染物及大气污染类型 定义：由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。目前已认识到的对环境已产生影响的主要大气污染物种类很多。 分类 一次污染物：直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、颗粒物等。 二次污染物：由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。

11. 主要大气污染物： (1)气溶胶状污染物(粒状) ①总悬浮颗粒物(TSP) D(粒径)在100m以下，其中多数在10 m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。 ②飘尘（可吸入粒子(IP)）D＜10m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。 ③降尘D＞30m的粒子，靠重力作用可在短时间内降到地面的。

12. 大气气溶胶对气候影响 大气气溶胶：悬浮在大气中的颗粒物及液滴 吸收和反射辐射 云 混合气溶胶 影响成云过程 人为气溶胶 自然气溶胶 硫酸盐，硝酸盐 有机气溶胶 (二次气溶胶) 黑碳 沙尘 海盐 生物排放物 森林植被 土地利用变化 海洋 汽车尾气排放 工业排放 生物质燃烧

13. Electron microscopy images of human lung cells (red) exposed to particles. Panels A-C represent subway particles and panel D represents particles from the urban street.

14. PM2.5染毒剂量增加 • 肺泡上皮细胞增生 • 间质血管扩张淤血 • 肺泡壁逐渐增厚 来源：中国疾病预防控制中心 徐东群的报告 PM2.5 染 毒 病 理 实 验 结 果（大体）

15. 作用：1）凝结核 2）吸收太阳辐射 3）降低能见度 4）影响植物体生长 飘尘（可吸入粒子(IP)） 大于10μm的颗粒物能被鼻腔的鼻毛吸留住，而小于10μm的飘尘却能长驱直入侵蚀肺泡，叫“可吸入因子”。在可吸入微粒中 80%可沉积于肺泡，且沉积时间可达数年之久。导致肺心病等一系列病变。

16. 我国及东亚面临的大气环境问题 • 酸雨 • 气候变暖 • 灰霾 • 人类健康的影响 • 生态体系的破坏 沙尘暴 污染长距离输送 大气化学及复杂的多相反应的基础研究，对于解决这些问题至关重要。

17. （2）硫氧化合物 • ① 含硫化合物 • 主要指SO2和SO3、H2S • 湿度大的情况下，含硫化合物最终被氧化形成硫酸，是形成酸雨的主要来源。 • 二氧化硫是一种无色的刺激性气体,腐蚀性很大，会严重刺激人的呼吸系统，使人出现咳嗽、嗓子疼、胸闷和感到呼吸受阻，刺激腐蚀人的肺部，可以造成肺气肿和支气管炎。并加重哮喘病情。 • 二氧化硫破坏植物的叶绿素，使植物脱水坏死。 • 在适当条件下和飘尘结合在一起，或与水汽中的水蒸汽结合形成硫酸雾，硫酸雾微粒侵入人体肺部，可以引起肺水肿和肺硬化等疾病导致死亡。

18. （3）氮的氧化物 • NOX是NO、NO2、N2O、NO3、N2O4、N2O5等的总称，造成大气污染的NOX最主要是NO和NO2。 • 氮氧化物来源：主要来源于人类生产生活活动，以汽车尾气排放造成的污染最为严重。

19. 氮氧化物危害： • 1）氮氧化物可以转化为硝酸，是形成酸雨主要物质之一 • 2）是形成光化学烟雾的重要物质 • 3）是消耗臭氧的重要因子 • 4）NO2对人有生理刺激和腐蚀作用，引起城市居民产生急性呼吸道病变的一种原因 • 5）可腐蚀织物、材料、破坏染料，使它褪色 • 6）危害植物，使其组织受害而落叶，甚至枯萎

20. （4）碳的氧化物 CO主要是由含碳化合物不完全燃烧产生的无色无味无刺激性的有毒气体。对人体的危害主要是阻碍体内氧气的传输，使人体缺氧，导致死亡。 CO2是一种无毒的气体，是大气中的 “正常”成分，主要来源于生物的呼吸和化石燃料等的燃烧。目前，大气中CO2浓度逐渐升高，每年上升0.4%。由于二氧化碳吸收地面长波辐射，使地球升温，导致温室效应，从而形成全球气候变化。

21. （5）碳氢化合物（HC） • 主要指烷烃、烯烃和芳香烃等具有挥发性的有机物，它们主要是由碳原子和氢原子组成。 • 来源于自然界植物分解，人为产生的量很小，但它们是形成光化学烟雾的重要物质。

22. 含卤素化合物 主要指一些氟氯烃类物质，它们主要破坏臭氧层，引起温室效应.

23. 四 大气污染类型 ①还原型(煤炭型)：主要污染物：SO2、CO和颗粒物，在低温、高温阴天、小风、逆温情况下，在当地地形条件的影响下，被封盖在城市上空，造成对人体健康极大的危害，致使上千人死亡。类似这样的事件发生过多起，最典型的当属1952年12月发生在英国首都伦敦的SO2烟雾中毒事件。 ②氧化型(汽车尾气型)：污染物主要来自于汽车排气、燃油锅炉以及石油化工生产。一次污染物主要为NOX和HC、生成的二次污染物为O3、醛类、酮类、过气乙酸硝酸脂。发生在光照强烈的热带、亚热带、8～9月中午或午后阳光强烈时。最典型的当属1965年前后的洛杉矶光化学烟雾。

24. 被光化学氧化剂腐蚀的叶片 • 光化学氧化剂是臭氧、硝酸、醛类、酮类和及氧乙酰基硝酸酯等多种物质的混合物，其中80%是臭氧 • 可刺激人的眼睛、喉咙，引起红眼、流泪、肝炎、肺气肿等。对植物、家畜、橡胶、染料等制品也造成危害。一方面臭氧具有杀菌作用，另一方面又是眼、喉和肺最危险刺激物之一。臭氧进入呼吸道后，与所接触器官迅速反应。导致慢性肺疾病，肺气肿和右心衰竭。

25. 酸 雨 由于人类活动的影响，使降水中溶入其它酸性物质，从而使其pH值降到5.6以下的降水。 酸雨的形成：是复杂的大气化学和大气物理现象，是由自然排放和人为活动等释放到大气中的SO2或NOx通过氧化反应（气相或液相反应），生成硫酸或硝酸和亚硝酸，附在凝结核上降落到地面上的。 影响与危害： （1）损害水生、陆生生物：如鱼类和森林 （2）对人体健康影响：使有毒重金属溶入饮用水中，危害饮用者 （3）腐蚀建筑材料、金属构件、油漆以及名胜古迹等

28. 酸沉降问题 酸沉降 (acid deposition)是指大气中的酸性物质通过干、湿沉降两种途径迁移到地表的过程。 湿沉降 (wet deposition)指大气中的物质通过降水而落到地面的过程。被降水去除或湿沉降对气体和颗粒物都是最有效的大气净化机制。 湿沉降有两类：雨除 (rainout)和冲刷(washout)。

29. 酸沉降问题 雨除是指被去除物参与成云过程，即作为云滴的凝结核，使水蒸气在其上凝结，云滴吸收空气中成分并在云滴内部发生液相反应。 冲刷是指在云层下部即降雨过程中的去除。酸雨是由于酸性物质的湿沉降而形成的。

30. 酸沉降问题 干沉降 (dry deposition)是指大气中的污染气体和气溶胶等物质随气流的对流、扩散作用，被地球表面的土壤、水体和植被等吸附去除的过程，具体包括重力沉降，与植物、建筑物或地面 (土壤)碰撞而被捕获 (被表面吸附或吸收)的过程。

31. 酸沉降问题 1、酸雨的研究概况 pH值小于5.6的雨雪或其它形式的大气降水称为酸雨。最早引起注意的是酸性降雨，所以习惯上统称为酸雨。 本世纪以来，全世界酸雨污染范围日益扩大，由北欧扩展到中欧，又由中欧扩展到东欧，几乎整个欧洲地区都在降酸雨。

32. 酸沉降问题 1972年发表了第一篇有关北美酸雨的论文，1972年6月在UN第一次人类环境会议上 (斯德哥尔摩)瑞典政府提交了《穿越国界的大气污染：大气和降水中的硫对环境的影响》报告。 1982年6月在瑞典斯德哥尔摩召开了“国际环境酸化会议”，这标志着酸雨污染已成为当今世界重要的环境问题之一。 20世纪80年代以来，除北美、欧洲以外，东北亚主要是日本、韩国和中国的酸雨区迅速扩展成为世界第三大酸雨区。

33. 酸沉降问题 中国20世纪80年代酸雨主要发生在西南地区(重庆、贵阳等地)，到90年代中期，酸雨已经发展到长江以南、青藏高原以及四川盆地等广大地区，年均降水pH<5·6的区域占全国面积的40%左右。 降水年平均pH小于5.6的地区主要分在秦岭淮河以南，在此以北仅有个别地区。降水年平均pH小于5.0的地区主要在西南、华东及东南沿海一带。 中国酸雨的主要致酸物质是硫酸盐，降水中SO42—的含量普遍都很高。

34. 酸沉降问题 2、酸雨的形成 “清洁”地区或正常雨水的pH值为5.0~5.6。所谓“酸雨”就是指酸性强于“正常”雨水的降水。 酸雨的形成涉及一系列复杂的物理、化学过程，包括污染物的远程输送过程、成云成雨过程以及在这些过程中发生的气相、液相和固相等均相或非均相化学反应等。

35. 酸沉降问题 按反应体系SO2和NOx的氧化可分为均相氧化、非均相氧化. 按反应机理可分为光化学氧化、自由基氧化、催化氧化和强氧化剂氧化。 转化过程： (1)SO2和NOx在气相中氧化成H2SO4和HNO3以气溶胶或气体的形式进入液相； (2)SO2和NOx溶入液相后，在液相中被氧化成SO42 –和NO3– ； (3)SO2和NOx在气液界面发生化学反应转化为SO42 –和NO3 – 。

36. 酸沉降问题 煤和石油燃烧以及金属冶炼等释放到大气中的SO2已通过气相或液相反应生成硫酸，其化学反应过程如下： 2SO2 + O2 2SO3 SO3 + H2O H2SO4 SO2 + H2O H2SO3 H2SO3 + O H2SO4

37. 酸沉降问题 高温燃烧生成一氧化氮，排入大气后大部分转化成为二氧化氮，遇水生成硝酸和亚硝酸。其化学反应过程可大致表示如下： 2 NO2 + O2 2NO2 2 NO2 + H2O  2H+ + NO2— + NO3—

38. 酸沉降问题 3、降水的酸化过程 大气降水的酸度与其中的酸、碱物质的性质及相对比例有关。 在自由大气里，由于存在0.l~l0m范围的凝结核而造成了水蒸气的凝结，然后通过碰并和聚结等过程进一步生长从而形成云滴和雨滴。 在云内、云滴相互碰并或与气溶胶粒子碰并，同时吸收大气气体污染物，在云内部发生化学反应，这个过程叫污染物的云内清除或雨除。

39. 酸沉降问题 在雨滴下落过程中，雨滴冲刷着所经过空气中的气体和气溶胶，雨滴内部也会发生化学反应，这个过程叫做污染物的云下清除或冲刷。 酸雨的形成过程包括雨除和冲刷。

40. 酸沉降问题 （1）云内清除过程（雨除） 大气中硫酸盐和硝酸盐等气溶胶可作为活性凝结核参与成云过程，此外，水蒸气过饱和时也能产生成核作用。 水蒸气凝结在云滴上和云滴间的碰并，使云滴不断生长，与此同时，各种污染气体溶于云滴中并发生各种化学反应；当云滴成熟后即变成雨从云基下落。 大气污染物的云内清除(雨除)过程包括气溶胶粒子的雨除和微量气体的雨除。

41. 酸沉降问题 气溶胶粒子的雨除 气溶胶粒子进入云滴可通过以下三种机制： (1) 气溶胶粒子作为水蒸气的活性凝结核进入云滴； (2) 气溶胶粒子和云滴的碰并，气溶胶粒子通过布朗运动和湍流运动与云滴碰并； (3) 气溶胶粒子受力运动，并沿着蒸汽压梯度方向移动而进入云滴。

42. 酸沉降问题 微量气体的雨除 微量气体的雨除取决于气体分子的传质过程和在溶液中的反应性，同时还与云的类型和云滴有关。 液相氧化反应的速率取决于氧化剂的类型和浓度，而污染气体在云滴中的溶解度取决于气相浓度和云滴的pH值。

43. 酸沉降问题 （2）云下清除过程(冲刷) 雨滴离开云基，在其下落过程中有可能继续吸收和捕获大气中的污染气体和气溶胶，这就是污染物的云下清除或降水的冲刷作用。 （a）微量气体的云下清除 云下清除过程与气体分子同液相的交换速率、气体在水中的溶解度和液相氧化速率以及雨滴在大气中的停留时间等因素有关。

44. 酸沉降问题 （b）气溶胶的云下清除 雨滴在下落过程捕获气溶胶粒子，气溶胶被捕获后，其中的可溶部分如SO42—、NO3—、NH4+、Ca2+、Mg2+、Mn2+、Fe3+、H+及OH—等会释放出来，从而影响雨滴的化学组成和酸度。 云内清除和云下清除过程受大气污染程度和环境参数的影响。 云内清除和云下清除对酸雨形成的相对重要性在不同地理区域、不同源排放和不同气象条件等情况是不同的。

45. 酸沉降问题 酸雨的形成必须具备以下几个条件： (1) 污染源； (2) 有利的气候条件，以便把污染物移送到远的地方，使其发生反应和变化； (3) 大气中的碱性物质浓度较低，对酸性降水的缓冲能力很弱； (4) 容易受到酸雨影响或损害的接受体。

46. 酸沉降问题 4、酸雨的化学组成 阳离子——H+、Ca2+、NH4+、Na+、K+、Mg2+ 阴离子——SO4、、NO3—、Cl—、HCO3— 5、酸雨中的关键性离子组分 Cl—和Na+主要是来自海洋，浓度相近，对降水酸度不产生影响。 在阴离子总量中SO42—占绝对优势，在阳离子总量中，H+、Ca2+、NH4+占80%以上。 酸雨区与非酸雨区的数据，阴离子SO42—+ NO3—度相差不大，而阳离子Ca2+、NH4+、K+浓度相差却较大。

47. 酸沉降问题 6、影响酸雨形成的因素 （1）大气中的氨 氨是大气中唯一的常见气态碱。由于它的水溶性，能与酸性气溶胶或雨水中的酸反应，中和作用而降低酸度。在大气中，氨与硫酸气溶胶形成中性的硫酸铵，SO2也可由于与NH3的反应而减少，避免了进一步转化成酸。 大气中氨的来源主要是有机物分解和农田施用的氮肥的挥发。

48. 酸沉降问题 （2）颗粒物酸度及其缓冲能力 颗粒物的来源:燃煤和风沙扬尘。 颗粒物对酸雨的形成有两方面的作用: 一是所含的催化金属促使SO2氧化成酸, 二是对酸起中和作用。 我国大气污染一般存在两个特点: 一是SO2污染主要来自低价源； 二是颗粒物污染普遍较为严重而且约一半左右为风沙扬尘。

49. 酸沉降问题 酸雨的危害 1、湖泊酸化。 2、酸雨使流域土壤和水体底泥中的金属(例如铝)可被溶解进入水中毒害鱼类。 3、酸雨抑制土壤中有机物的分解和氮的固定、淋洗与土壤粒子结合的钙、镁、钾等营养元素，使土壤贫瘠化。 4、酸雨伤害植物的新生芽叶，干扰光合作用，影响其发育生长。 5、酸雨腐蚀建筑材料，金属结构、油漆及名胜古迹等。

50. 酸沉降问题 降水化学组分和 pH 的背景值 1、降水的组成 （1）大气中固定气体成分。 （2）无机物. （3）有机物：有机酸、醛类、烷烃、烯烃和芳烃。 （4）光化学反应产物：H2O2、O3和PAN等。 （5）不溶物.