1、大气环境化学全册配套最完整大气环境化学全册配套最完整 精品课件精品课件1 大气环境化学大气环境化学 教材教材： 大气环境学大气环境学 编著：编著：唐孝炎唐孝炎 张远航张远航 邵敏邵敏 考试：考试：闭卷闭卷 考试成绩：考试成绩： 平时成绩平时成绩20%30% 试卷成绩试卷成绩70%80% 参考书目：参考书目： n大气环境化学（第二版），唐孝炎，张远航，邵敏主编，大气环境化学（第二版），唐孝炎，张远航，邵敏主编， 2006年，高等教育出版社。年，高等教育出版社。 n大气化学（第一版），大气化学（第一版），J.海克伦，海克伦，1983年。年。 n大气化学基础（第一版），莫天麟，大气化学基础（第一版）
2、，莫天麟，1988年。年。 n中层大气化学和物理学，中层大气化学和物理学，G.布拉塞，布拉塞，S.索洛蒙，索洛蒙，1988年。年。 n大气化学基础，秦瑜，赵春生编著，大气化学基础，秦瑜，赵春生编著，2003年。年。 n大气化学概论，王明星，郑循华编著，大气化学概论，王明星，郑循华编著，2005年。年。 n大气化学（第二版），王明星著，大气化学（第二版），王明星著，1999年，气象出版社年，气象出版社 大气的基本知识大气的基本知识 地表至地表至1000km左右的高空所围绕的一层空气，由干结空气、水蒸气和各种左右的高空所围绕的一层空气，由干结空气、水蒸气和各种 固体杂质组成的混合物。固体杂质组成的
3、混合物。 什么是大气？什么是大气？ 西太平洋的阿里亚纳海沟，深西太平洋的阿里亚纳海沟，深11000米米 珠穆朗玛峰，珠穆朗玛峰，8848米米 Radius of the earth Radius of earth Thickness of atmosphere Thickness influenced human being About 10 km,约气层约气层 1/10 Average pressure of atmosphere : 101.325kPa Total mass of atmosphere: 5.21018kg About millionth of the mass of e
4、arth The mass distribution: 50% below 6 km 75% below 10 km 99% below 35 km ，约地球半径1/5 阿联酋迪拜塔阿联酋迪拜塔 高度：高度：828米米 大气边界层：大气边界层：12km The height and mass of atmosphere which has direct impact on human being are both very small but it is crucial for our survival. 什么是大气环境？什么是大气环境？ 大气环境是指生物赖大气环境是指生物赖 以生存的空气的以
5、生存的空气的物理、化物理、化 学和生物学学和生物学特性。特性。 大气的大气的物理特性物理特性主要包括空气的温度、湿度、风速、气压和降水；主要包括空气的温度、湿度、风速、气压和降水；化化 学特性学特性则主要为空气的化学组成：大气对流层中氮、氧、氢则主要为空气的化学组成：大气对流层中氮、氧、氢3种气体占种气体占 99.96，二氧化碳约占，二氧化碳约占0.03，还有一些微量杂质及水汽。人类生活或工，还有一些微量杂质及水汽。人类生活或工 农业生产排出有害气体可改变原有空气的组成，造成全球气候变化，破坏农业生产排出有害气体可改变原有空气的组成，造成全球气候变化，破坏 生态平衡。大气环境和人类生存密切相关
6、，大气环境的每一个因素几乎都生态平衡。大气环境和人类生存密切相关，大气环境的每一个因素几乎都 可影响到人类。可影响到人类。 第一章：绪论第一章：绪论 2.1 2.1 现场实验研究现场实验研究 2.2 2.2 实验室研究实验室研究 2.3 2.3 模式计算模式计算 n 大气化学大气化学是研究对环境有重要影响的是研究对环境有重要影响的大气组分大气组分在大气中在大气中 的的化学行为化学行为的科学。的科学。 n 研究的内容和范围随着世界范围内大气污染新问题的出研究的内容和范围随着世界范围内大气污染新问题的出 现和控制的需求以及科学研究技术的发展而逐步发展的。现和控制的需求以及科学研究技术的发展而逐步发
7、展的。 n 由于全球和区域性大气污染问题的出现以及全球性国际由于全球和区域性大气污染问题的出现以及全球性国际 公约的制定和执行，大气中存在和发生的公约的制定和执行，大气中存在和发生的化学变化（包括现化学变化（包括现 象、特征、来源、过程和归宿等）象、特征、来源、过程和归宿等）日益受到关注，大气环境日益受到关注，大气环境 化学得到前所未有的快速发展，并成为大气科学和环境科学化学得到前所未有的快速发展，并成为大气科学和环境科学 的重要分支学科。的重要分支学科。 名称 发生地及时间中毒情况原因 马斯河谷烟 雾事件 1932年12月比利时 马斯河谷 数千人发病60人死亡，咳嗽、呼 吸短促、流泪等 SO
8、2转化为SO3进入 肺部 多诺拉 烟雾事件 1948年10月美国 多诺拉 4天内6000人患病，17人死亡， 咳嗽、喉痛、胸闷 SO2同烟尘作用生成 硫酸盐，吸入肺部 伦 敦 烟雾事件 1952年12月 英国伦敦 5天内4000人死亡，已发生12次 死近万人，胸闷、咳嗽、喉痛 粉尘中Fe2O3使SO2转 为硫酸，吸入肺部 洛衫矶光化 学烟雾事件 1943年5月到10月 美国洛衫矶 400人死亡，多数人患病，刺激 眼、鼻、喉，引起眼病，喉炎 石油、汽车废气在紫外 线照射下，光化学烟雾 水俣病 事件 1953年日本九州南 部熊本水俣镇 50人死亡，180人患病，口齿不 清、面部痴呆、神经失常死亡
9、食用含有甲基汞的鱼 痛痛病事件1931年1973年日本 富山县 34人死亡，280人患病，关节痛 骨骼软化萎缩，自然骨折 使用含镉米和含镉水 四日哮喘 事件 1955年日本四日市36人死亡，500多人患病，支气 管炎、支气管哮喘、肺气肿 有毒重金属颗粒及 SO2吸入肺部 米糠油事件1968年日本九州16人死亡，5000多人患病，眼皮 肿、出汗、恶心、肺功能下降 食用含有多氯联苯的 米糠油 世界八大公害事件 20世纪世纪40年代起年代起，多起大气污染事件发生：，多起大气污染事件发生： 伦敦烟雾事件（伦敦烟雾事件（1952）：大气颗粒物与：大气颗粒物与 的协同作用的协同作用 洛杉矶烟雾事件（洛杉矶
10、烟雾事件（1944）：自由基氧化链锁反应：自由基氧化链锁反应 n大气不只是物理过程，它始终进行着活跃的化学过大气不只是物理过程，它始终进行着活跃的化学过 程，使物质组分、性状改变，即改变了大气的性质。程，使物质组分、性状改变，即改变了大气的性质。 n这一阶段大气环境化学主要集中在这一阶段大气环境化学主要集中在气相均相化学反气相均相化学反 应应及其动力学的研究上。及其动力学的研究上。 2 SO 60年代后年代后酸性降水在北美、北欧的出酸性降水在北美、北欧的出 现，人们便开展了酸雨形成机制的研究现，人们便开展了酸雨形成机制的研究 （发展了液相和多相化学）（发展了液相和多相化学）。同时建立了。同时建
11、立了 监测网络，发展了在线监测技术。监测网络，发展了在线监测技术。 70年代后年代后由于南极上空由于南极上空“臭氧洞臭氧洞”的发的发 现，以及温室效应对气候变暖的作用，使现，以及温室效应对气候变暖的作用，使 得人们开始注意并研究氯氟烃（得人们开始注意并研究氯氟烃（CFCs）等）等 痕量气体对平流层痕量气体对平流层O3的耗损，的耗损，CO2、CH4 增多而造成的地球温室效应。增多而造成的地球温室效应。 （平流层化学迅速发展）（平流层化学迅速发展） 80年代初年代初世界范围内兴起了保护大气环世界范围内兴起了保护大气环 境的浪潮。大气环境中的化学问题，受到人境的浪潮。大气环境中的化学问题，受到人 们
12、的重视。们的重视。 目前国内外研究动向和发展趋势来看，目前国内外研究动向和发展趋势来看， 仍是大气污染化学仍是大气污染化学 研究的中心课题研究的中心课题. 小知识点： 气相、液相、固相气相、液相、固相 均相化学反应均相化学反应 非均相化学反应非均相化学反应 大气环境化学其主要特点：大气环境化学其主要特点： 1. 由于大气本身是一个氧化性的介质，故发由于大气本身是一个氧化性的介质，故发 生在大气中的化学过程往往是一个氧化的生在大气中的化学过程往往是一个氧化的 过程，即过程，即物质从低氧化态趋向于高氧化态物质从低氧化态趋向于高氧化态。 2. 由于太阳辐射的作用，大气中的化学反应由于太阳辐射的作用，
13、大气中的化学反应 往往为光化学和热化学的综合过程，往往为光化学和热化学的综合过程，光化光化 学反应学反应在大气污染化学中占有重要的地位。在大气污染化学中占有重要的地位。 3. 由于大气始终处在物理、化学的非平衡状态中，由于大气始终处在物理、化学的非平衡状态中， 所以主要考虑所以主要考虑大气中化学反应过程的反应速度问大气中化学反应过程的反应速度问 题题，而不是化学平衡问题。，而不是化学平衡问题。 4. 由于大气中含有多种反应，各物种之间并非孤由于大气中含有多种反应，各物种之间并非孤 立，往往通过大气自由基等活性粒子的作用而密立，往往通过大气自由基等活性粒子的作用而密 切联系在一起，故切联系在一起
14、，故大气中的化学反应是十分复杂大气中的化学反应是十分复杂 的的。 5. 由于大气中的化学反应过程都是在一定气象条由于大气中的化学反应过程都是在一定气象条 件下进行的，受各种气象因素的影响，因此，件下进行的，受各种气象因素的影响，因此，大大 气污染化学的研究必须与其它学科如大气物理学气污染化学的研究必须与其它学科如大气物理学 等紧密结合等紧密结合 大气环境化学大气环境化学主要研究主要研究大气中对环大气中对环 境有影响的重要组分在大气中的境有影响的重要组分在大气中的来源、来源、 存在形式、迁移过程中的化学转化、存在形式、迁移过程中的化学转化、 归宿归宿以及以及对大气质量的影响对大气质量的影响等。等
15、。 1.现场实测现场实测 Field research 2. .实验室模拟实验室模拟 Simulative system 3.模式模拟计算模式模拟计算 Computer Modeling 1.1.现场实验研究现场实验研究 实地布点、采样或直接测量的方法取得直接数据实地布点、采样或直接测量的方法取得直接数据 a.a.大气污染物浓度的时空分布和变化规律大气污染物浓度的时空分布和变化规律 b.b.同步测定反应物和产物，找出化学转化关系同步测定反应物和产物，找出化学转化关系 c.c.进行污染源及源谱测定进行污染源及源谱测定 d.d.为模式验证取得现场数据为模式验证取得现场数据 2.2.实验室研究实验室
16、研究 研究和开发痕量物质的准确、灵敏、便于操作的分析技术；研究和开发痕量物质的准确、灵敏、便于操作的分析技术； 有关阐明污染行程机制和过程的基础性研究。有关阐明污染行程机制和过程的基础性研究。 3.3.模式计算模式计算 在计算机较发达的今天，可通过模式计算来处理庞大的化学反应在计算机较发达的今天，可通过模式计算来处理庞大的化学反应 体系。尤其是描述真实大气情况时，往往需要将物理过程和化学过程体系。尤其是描述真实大气情况时，往往需要将物理过程和化学过程 结合在一起，构建空气质量模式，采用数值模拟的方式来描述污染物结合在一起，构建空气质量模式，采用数值模拟的方式来描述污染物 在大气中的时空分布和迁
17、移转化规律。在大气中的时空分布和迁移转化规律。 大气环境化学的发展方向大气环境化学的发展方向 污染物概念的更新（人为源到天然源）污染物概念的更新（人为源到天然源） 大气污染类型的概念的变化（煤烟型和汽车尾气型到耦合型）大气污染类型的概念的变化（煤烟型和汽车尾气型到耦合型） “一个大气一个大气” 大气复合污染大气复合污染 大气中多种来源的多种污染物在一定的大气条件下（如温大气中多种来源的多种污染物在一定的大气条件下（如温 度、湿度、阳光等）发生多种界面间的相互作用、彼此耦合构度、湿度、阳光等）发生多种界面间的相互作用、彼此耦合构 成的复杂大气污染体系成的复杂大气污染体系 章节安排章节安排 n地球
18、大气环境概貌地球大气环境概貌 大气环境基础知识大气环境基础知识 n大气中对环境有影响的组分大气中对环境有影响的组分 对流层和平流层对环境有影响的组分源、汇、对流层和平流层对环境有影响的组分源、汇、 循环以及在大气环境中的行为、寿命和环境浓度循环以及在大气环境中的行为、寿命和环境浓度 n对流层大气环境对流层大气环境 光化学烟雾、酸雨以及气溶胶霾光化学烟雾、酸雨以及气溶胶霾 大气污染物传输模式大气污染物传输模式 n气候变化与大气环境原理气候变化与大气环境原理 n平流层化学平流层化学 n室内空气污染室内空气污染 思考题 n你认为周边大气环境污染中有哪 些突出的问题？你觉得该如何解 决这些问题？ 可要
19、好好可要好好 听讲啊！听讲啊！ 致谢致谢 本课件部分图片来自互联网资源，在此本课件部分图片来自互联网资源，在此 对所有的原作者表示感谢。由于网络资源版对所有的原作者表示感谢。由于网络资源版 权难以追溯，如果侵犯了原作者的版权和利权难以追溯，如果侵犯了原作者的版权和利 益，请与本人联系，将及时予以删除！益，请与本人联系，将及时予以删除！ 第一章 地球的大气环境 The evolution of components of atmosphere Atmosphere Basic component Minor component CH4 H2 H2O N2 H2S NH3 Ar Reducing
20、atmosphere N2 H2O CO2 O2 Oxidation atmosphere N2 O2 H2O Modern atmosphere First stage Second stage Third stage 土星、木星、海王星金星、火星 原始生命光合作用 第一章：地球的大气环境第一章：地球的大气环境 第一节第一节 大气的发展史大气的发展史 第二节第二节 大气的分层大气的分层 根据大气在铅直方向上的温度、化学组根据大气在铅直方向上的温度、化学组 成、物理特性，大气圈可分为若干层次。成、物理特性，大气圈可分为若干层次。 （1）对流层（）对流层（troposphere） 平均厚度约平均
21、厚度约12km，密度大，质量约为整个大气圈，密度大，质量约为整个大气圈80%90%（3/4 以上）直接与地表的水圈、土壤岩石圈相接触，具有以下以上）直接与地表的水圈、土壤岩石圈相接触，具有以下4个特点：个特点： A.吸收地表热量，底层空气先被加热，然后热量被传递到高吸收地表热量，底层空气先被加热，然后热量被传递到高 层；由于海、陆、昼、夜及纬度和地形的差异，低层空气层；由于海、陆、昼、夜及纬度和地形的差异，低层空气 的温度差异很大，形成了的温度差异很大，形成了垂直和水平方向的对流垂直和水平方向的对流，直接影，直接影 响到污染物的传输和扩散。响到污染物的传输和扩散。 B. 绝大部分空气组分不能直
22、接吸收太阳能，只能吸收地面辐绝大部分空气组分不能直接吸收太阳能，只能吸收地面辐 射能，因此射能，因此对流层温度随高度的增加而降低对流层温度随高度的增加而降低。 C.尘埃等固态物质进入该层，造成扬尘、飞沙；水蒸气进尘埃等固态物质进入该层，造成扬尘、飞沙；水蒸气进 入该入该 层，形成云、雾、雨、雪、霜、露等天气现象。层，形成云、雾、雨、雪、霜、露等天气现象。 D. 从地面污染源排放的污染物几乎都直接进入对流层，因此空从地面污染源排放的污染物几乎都直接进入对流层，因此空 气污染问题主要出现在该圈层。气污染问题主要出现在该圈层。 行星边界层（摩擦层）：地面以上行星边界层（摩擦层）：地面以上1 2km
23、近地面层：近地面层：50100m 自由大气层：自由大气层：12 km 以上对流层大气以上对流层大气 对流层顶：平流层和对流层之间对流层顶：平流层和对流层之间 （ 2）平流层（）平流层（stratosphere） 从对流层顶到约从对流层顶到约50km的大气层即为平流层。的大气层即为平流层。 3035 km以下，温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为以下，温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为 同温层；同温层； 在在3035km以上，温度随高度升高而迅速升高，到达平流层顶，以上，温度随高度升高而迅速升高，到达平流层顶， 气温可上升到气温可上升到270290K，故该层也称为逆温层。因下冷上热
24、，空，故该层也称为逆温层。因下冷上热，空 气没有垂直对流运动，主要为大气平流运动。气没有垂直对流运动，主要为大气平流运动。 该层空气稀薄，水分少，很少发生天气现象；该层空气稀薄，水分少，很少发生天气现象； 该层大气含尘量低，透明度高；该层大气含尘量低，透明度高； 该层中离地面高约该层中离地面高约1535km范围内，集中存在有约范围内，集中存在有约 20km厚的臭厚的臭 氧层。氧层。因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射故使得平流层气温升高。因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射故使得平流层气温升高。 由于平流层中大气稳定，由于平流层中大气稳定，故一旦污染物进入，将造成长期滞留的严故一旦污染物进入，将造成长期滞留的严
25、重后果。重后果。 （3）中间层（）中间层（mesosphere） 从平流层顶到约从平流层顶到约80km的高度称为中间的高度称为中间 层，此层中层，此层中温度又随高度的上升而减弱，温度又随高度的上升而减弱， 相当强烈的垂直混合，相当强烈的垂直混合，这是由于高空吸收这是由于高空吸收 辐射的物质（尤其是臭氧的浓度减少），辐射的物质（尤其是臭氧的浓度减少）， 在在80km左右可降到最低温度（左右可降到最低温度（170k），空），空 气更为稀薄。气更为稀薄。 （4）热层（）热层（thermosphere） 从中间层顶至约从中间层顶至约800km高度的大气层高度的大气层 称为热层，该层中称为热层，该层中O
26、2对太阳远紫外线有强对太阳远紫外线有强 烈的吸收，因而使该层大气温度随高度上烈的吸收，因而使该层大气温度随高度上 升而急剧升高，气温可高达升而急剧升高，气温可高达1473K以上。以上。 此层空气非常稀薄，此层空气非常稀薄，O2、N2分子在太阳紫分子在太阳紫 外线和宇宙射线的作用下发生电离而成为外线和宇宙射线的作用下发生电离而成为 离子或原子，故此层又称为离子或原子，故此层又称为电离层电离层。 小知识点小知识点： 逆温：逆温：一般情况下，在低层大气中，通常气温一般情况下，在低层大气中，通常气温 是随高度的增加而降低的。但有时在某些层是随高度的增加而降低的。但有时在某些层 次可能出现相反的情况，气
27、温随高度的增加次可能出现相反的情况，气温随高度的增加 而升高，这种现象称为逆温。出现而升高，这种现象称为逆温。出现逆温现象逆温现象 的大气层称为逆温层的大气层称为逆温层。 温度梯度：温度梯度：是自然界中气温、水温或土壤温度是自然界中气温、水温或土壤温度 随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的 阶梯式递增或递减的现象阶梯式递增或递减的现象。 1.按大气中按大气中化学组成化学组成的分布，大气圈可分为的分布，大气圈可分为均质层均质层 （90km以下）和以下）和非均质层非均质层（90km以上）；以上）； 均质层均质层- -90km以下大气组成比例几乎不变，以下大气
28、组成比例几乎不变， 主要是主要是N2 、O2、Ar，该，该层层“干洁空气干洁空气”的平均的平均 分子量接近常数。分子量接近常数。 非均质层非均质层，90km以上以上N2和和 O2的解离，平均分子的解离，平均分子 量随高度的增加而降低。量随高度的增加而降低。 Chemical component of homosphere, clean and dry atmosphere: Gas Content Relative molecular mass Gas Content Relative molecular mass N2 O2 Ar CO2 O3 78.084 20.946 0.934 0.0
29、20.04 (05)10-6 28.016 32.000 39.944 44.010 48.000 Ne He Kr H2 Xe 18210-5 5310-5 1210-5 510-5 0.910-5 20.1087 4.003 83.700 2.016 131.300 N2,O2 and Ar 99.9% The proportional is almost steadiness and the relative molecular mass of the air is 28.966. 固定成分固定成分 可变成分可变成分 2.按大气的按大气的电离状态电离状态分布，可将在大气分为分布，可将在大
30、气分为电离层电离层 （60km以上）和以上）和非电离层非电离层（60km以下）。以下）。 60km以下，大气成分处于中性，即非电离状态；以下，大气成分处于中性，即非电离状态； 60km以上为电离层，离子密度大；以上为电离层，离子密度大； 6090km主要为主要为NO光解离；光解离； 90120km主要为主要为O2光解离；光解离； 120km以上主要为以上主要为O2和和N2光解离，离子和电子的浓度都光解离，离子和电子的浓度都 较大。较大。 500km以上 磁层 非电离层 电离层 大气的能量来源：大气的能量来源： 大气的平均温度又称地表的平均温度，就是地表以上 1.25 2m 之间的气温，约15
31、(1227 )。 大气和地球的能量主要来源于太阳的辐射 太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡。 辐射平衡对地球表面的环境控制极为重要。 第三节：大气的能量平衡第三节：大气的能量平衡 小知识点：小知识点： 辐射：辐射：自然界自然界中的一切物体，只要中的一切物体，只要温度温度在绝对温度零度以上，在绝对温度零度以上， 都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量，这种传送能量能量 的方式称为辐射。的方式称为辐射。 辐射以辐射以电磁波和粒子电磁波和粒子（如（如阿尔法粒子、贝塔粒子阿尔法粒子、贝塔粒子等）的形式等）的形式 向外放散。向外放散。 无线电波和
32、光波都是电磁波。无线电波和光波都是电磁波。 在真空中的传播速度为在真空中的传播速度为3 310108 8米米/ /秒，在空气中稍慢一些。秒，在空气中稍慢一些。 电磁波是由不同波长的波组成的合成波。电磁波是由不同波长的波组成的合成波。 一、太阳辐射一、太阳辐射 太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳表面温太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳表面温 度约为度约为6000K6000K，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括 了整个电磁光谱，但是能量绝大部分集中在了整个电磁光谱，但是能量绝大部分集中在170-4000nm170-4000nm
33、。 可见光（可见光（400800 nm） 40% x射线、射线、射线射线 1% 紫外线紫外线 (200400 nm) 9% 不可见的红外线（不可见的红外线（8003000 nm）50% 太阳电磁太阳电磁 辐射能量辐射能量 地球大气层外界的阳光强度是以地球大气层外界的阳光强度是以太阳太阳 常数常数（Solar Constant）来表示的，定义）来表示的，定义 为与光传播方向垂直的平面上，每单位面为与光传播方向垂直的平面上，每单位面 积接受到的光的总量。世界气象组织积接受到的光的总量。世界气象组织 WMO1981年公布的数字是年公布的数字是1368W/m2。 CO2 太阳电磁辐射经过大气太阳电磁辐
34、射经过大气 时，大气中各种组分时，大气中各种组分 （N N2 2 、O O2 2、O O3 3水蒸气、水蒸气、 COCO2 2和尘埃）能辐射、反和尘埃）能辐射、反 射、或散射一定波长的射、或散射一定波长的 辐射辐射. . 到达地面：到达地面：50%50% 反射回宇宙反射回宇宙 30% 30% 大气层吸收大气层吸收 20% 20% 二、大气成分对太阳辐射的吸收二、大气成分对太阳辐射的吸收 原子及分子氧原子及分子氧 和氮的吸收和氮的吸收 分子氧吸分子氧吸 收收 O3的吸收的吸收 2060408012 0 10 0 14 0 18 0 16 0 20 0 24 0 22 0 26 0 30 0 28
35、 0 60 40 80 20 140 120 160 100 波长波长 (nm) 离地面高度离地面高度 (km) 太阳当顶时太阳当顶时,各物质对太阳辐射最大吸收的近似区域各物质对太阳辐射最大吸收的近似区域 高能量的太阳光量子还能引起分子的解离：高能量的太阳光量子还能引起分子的解离： NNh N 2 NNh N 2 Nh N 2 290nm-被被N2、O2、O3 吸收，不能到达地面吸收，不能到达地面 300800nm-基本不被吸收，能透过大气到达地面，构成基本不被吸收，能透过大气到达地面，构成 光谱上的光谱上的窗窗， 占太阳光总能量的占太阳光总能量的40%。 8002000nm-几乎都被水分子和
36、二氧化碳分子吸收。几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收。 波长波长/m O3 O2 H2O O3 O3 CO2 H2O H2O CO2CO2 0.20.10.3 0.4 0.6 0.8 12 3410520308 1 0 大大 气气 吸吸 收收 谱谱 维恩定律： 太阳短波辐射太阳短波辐射 4 m 极大值极大值10 m，被水分子和，被水分子和 二氧化碳分子吸收二氧化碳分子吸收 max 2897.8 T 科氏力科氏力 北半球向右北半球向右 南半球向左南半球向左 逆温：气温随高度的增加而升高 天气和气候的推动力来自于太阳辐射的时空分布天气和气候的推动力来自于太阳辐射的时空分布 地球表面大气主要是由地球表
37、面大气主要是由 氧、氮、和氩组成，它们氧、氮、和氩组成，它们 占空气总质量的占空气总质量的99.9%以以 上，其余气体加起来还不上，其余气体加起来还不 到到0.1%，且某些组分如，且某些组分如 CO2、O3浓度是有较大变浓度是有较大变 化的，各种组分各有其不化的，各种组分各有其不 同的循环过程。同的循环过程。 成成 分分 体体 积（积（%） N2 78.1 O2 20.9 Ar 0.934 CO2 0.0330 Ne 0.00182 He 0.00052 CH4 0.00016 Kr 0.00011 H2 0.00005 N2O 0.000028 第四节、大气的物质组成第四节、大气的物质组成
38、一、大气组分的源、汇和循环一、大气组分的源、汇和循环 n循环（循环（cycles）：大气组分通过大气圈与其他三个圈（水：大气组分通过大气圈与其他三个圈（水 圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化学或生物化学圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化学或生物化学 过程，不断进行着物质转化或转换过程，不断进行着物质转化或转换 n源（源（sources）：通过循环过程（如大气中的化学过程、：通过循环过程（如大气中的化学过程、 生物活动、火山爆发、放射性衰变以及人类活动）而产生生物活动、火山爆发、放射性衰变以及人类活动）而产生 的过程的过程 n汇（汇（sinks）：通过大气中的化学过程、生物活动、物理：通
39、过大气中的化学过程、生物活动、物理 过程（如形成颗粒物或沉降）而由大气中去除气体的过程过程（如形成颗粒物或沉降）而由大气中去除气体的过程 The source, sink and circulation of components: Circulation of vapor Circulation of oxygen 第二节、大气的保留时间第二节、大气的保留时间 1. 大气组成动态平衡的大气组成动态平衡的盒子模式盒子模式 视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，进入大气的视大气圈为盒子，是各种大气组分的储库，进入大气的 组分输入速率为组分输入速率为F Fi i，称为，称为源强源强；从大气输出的组
40、分速率；从大气输出的组分速率 为为R Ri i，称为，称为汇强汇强。 在千百年的地质变化中，在千百年的地质变化中，F Fi i=R=Ri i， 因此在研究物质的循环过程时，因此在研究物质的循环过程时， 认为认为大气质量大气质量M Mi i恒定。恒定。 例：环境中水的质量循环如下图，其中，大气中MH2O=7.21014mol，计 算大气中水的输入速率和输出速率。 n FH2O=(2.161016+0.91015)=2.251016 mol/y n RH2O=(1.91016+3.51015)= 2.251016 mol/y 大气中水的含量处于相对大气中水的含量处于相对 稳定的状况，同样计算，海稳
41、定的状况，同样计算，海 洋和地壳中水的含量也是处洋和地壳中水的含量也是处 于稳定状态。于稳定状态。 当发生剧烈的地质或气候当发生剧烈的地质或气候 变化时，输入和输出速率会变化时，输入和输出速率会 变化，进而达到一个新的平变化，进而达到一个新的平 衡点。衡点。 2. 大气组成的大气组成的停留时间停留时间（存在时间、寿命）（存在时间、寿命） 气体和微粒在大气中的留存（形式）称为气体和微粒在大气中的留存（形式）称为储库（储库（reservoir）。 停留时间（停留时间（t t）：某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平：某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平 均停留时间或停留时间。均停留时间或停留
42、时间。 ii i i RF M t 或输出速率输入速率 大气中总量 源强源强Fi = 天然源排放速率天然源排放速率+人为源排放速率人为源排放速率 = 源速率源速率 汇强汇强Ri = 干沉降速率干沉降速率+湿沉降速率湿沉降速率+化学反应去除速率化学反应去除速率+向平流层输向平流层输 入速率入速率 = 汇速率汇速率 u 根据大气中各组分的停留时间，可将大气组分分成三类：根据大气中各组分的停留时间，可将大气组分分成三类： （1）准永久性气体准永久性气体（停留时间为（停留时间为106107年）：年）：N2、 、Ar、 、Ne、Kr、Xe 等。等。 （2）可变组分可变组分（停留时间为（停留时间为215年
43、）：年）：CO2、CH4、 H2、N2O、O3、 O2等。等。 （3）强可变组分强可变组分（停留时间为（停留时间为2200天）：天）：CO、NOX、NH3、SO2、 H2S、有机、有机HC、H2O、颗粒物等。、颗粒物等。 物种 ArNeKrXeHeNeO2 ti(y)107107107107107106103 物 种 CO 2 CH 4 H 2 N 2O O 3 ti(y)5152.5868102 物种 H2OCONOxSO2H2SHCSPM ti(days)1073185810240.5221030 第二章第二章 天然大气环境及性质天然大气环境及性质 第二节、大气的组成及性质第二节、大气的组
44、成及性质 由于由于可变组分和强可变组分可变组分和强可变组分在大气中停留时间短，有在大气中停留时间短，有 可能积极参与平流层或对流层中的化学反应。它们在大气可能积极参与平流层或对流层中的化学反应。它们在大气 中的时空分布受局地源的影响，在不同地区和不同高度，中的时空分布受局地源的影响，在不同地区和不同高度， 其分布往往有很大的不同，故对于因人类活动而造成的输其分布往往有很大的不同，故对于因人类活动而造成的输 入（出）速率变化相对比较敏感，入（出）速率变化相对比较敏感，所以这两类组分是我们所以这两类组分是我们 研究的主要对象。研究的主要对象。 质量浓度表示法质量浓度表示法 第五节第五节 大气组成的
45、浓度表示方法大气组成的浓度表示方法 一般常用一般常用 或或 3 /mg m 3 /g m 33 3 ( ) (/)10 () g x mg m m 物质的质量 空气的取样体积 36 3 ( ) (/)10 () g xg m m 物质的质量 空气的取样体积 混合比浓度表示法混合比浓度表示法 这种浓度表示法主要用于气态污染物，对于大气中的这种浓度表示法主要用于气态污染物，对于大气中的 低浓度物质是适用的。低浓度物质是适用的。 ppm part per million 百万分之一 ppb part per billion 十亿分之一 ppt part per trillion 万亿分之一 6 10
46、 9 10 12 10 例：大气中例：大气中COCO2 2的本底浓度为的本底浓度为350ppm350ppm，O O2 2的本底浓度为的本底浓度为0.03ppm.0.03ppm. X(体积分数）=24.5/M 6 ()10 x ppm 部分 全部 8 ()10 x pphm 部分 全部 9 ()10 x ppb 部分 全部 12 ()10 x ppt 部分 全部 为了表明是体积比还是质量比，通常在后面加上为了表明是体积比还是质量比，通常在后面加上V V或或M M。 混合比浓度表示法可不因大气温度和压力的变化而变化。混合比浓度表示法可不因大气温度和压力的变化而变化。 单位体积内的数浓度表示法单位体
47、积内的数浓度表示法 在大气压为在大气压为101.325Pa101.325Pa（标准气压），温度为（标准气压），温度为2525（298k298k）时，）时， 气体的物质量浓度为：气体的物质量浓度为： 101.325 0.0409/ 8.314 298 np mol L VRT 换算成每立方厘米分子数：换算成每立方厘米分子数： 23319 0409 6.02 10102.46 10 n V 3 个/cm 6.021023 1mol任何微粒的粒子数为阿伏伽德罗常数任何微粒的粒子数为阿伏伽德罗常数 自由基，化学上也称为自由基，化学上也称为“游离基游离基”，是含有一个不，是含有一个不 成对电成对电原子团
48、原子团。 在一个化学反应中，或在外界（光、热等）影响下，在一个化学反应中，或在外界（光、热等）影响下， 分子中共价键分裂的结果，使共用电子对变为一方所分子中共价键分裂的结果，使共用电子对变为一方所 独占，则形成独占，则形成离子离子；若分裂的；若分裂的结结使共用电子对分属于使共用电子对分属于 两个原子（或基团），则形成自由基两个原子（或基团），则形成自由基。 第六节第六节 大气中的自由基大气中的自由基 小知识点：小知识点： 一一.原子核外电子的排布原子核外电子的排布 1.电子在原子核外相对大实际小的空间不停地做高速运动电子在原子核外相对大实际小的空间不停地做高速运动 （速度接近光速）。（速度接近
49、光速）。 2.所有电子都具有一定的能量，在多电子原子里，各电子所所有电子都具有一定的能量，在多电子原子里，各电子所 具有的能量不尽相同，有的电子能量还相差较大。具有的能量不尽相同，有的电子能量还相差较大。 3.能量低能量低的电子在的电子在离核较近离核较近的区域运动，的区域运动，能量较高能量较高的电子在的电子在 离核较远离核较远的区域运动。的区域运动。 4.我们把不同的电子运动区域简化为不连续的壳层，称之为我们把不同的电子运动区域简化为不连续的壳层，称之为 “电子层电子层”，各电子层的能量、序号如下表，各电子层的能量、序号如下表： 电子层的代号电子层的代号n 各各 电电 子子 层层 序号序号 1
50、234567 KLMNOPQ 与原子核的与原子核的 距离距离 小小 大大 能量能量 低低 高高 核外电子分层排布的一般规律核外电子分层排布的一般规律 第第n电子层最多容纳的电子数（电子层最多容纳的电子数（n为电子层序号）为电子层序号） k层为最外电子层时，最多可容纳的电子数层为最外电子层时，最多可容纳的电子数2 除除k层外其他各电子层作为最外电子层时最多可容纳的层外其他各电子层作为最外电子层时最多可容纳的 电子数电子数 8 除除K、L层外其他各电子层作为次外电子层时最多可容纳层外其他各电子层作为次外电子层时最多可容纳 的电子数的电子数 18 除除K、L、M层外其他各电子层作倒数第三电子层时最多
