1、Environmental ChemistryChemistry is all around us环环境境科科学学与与工工程程专专业业主要参考书目主要参考书目o王晓蓉王晓蓉. 环境化学环境化学M. 南京大学出版社，南京大学出版社，1997o戴树桂戴树桂. 环境化学环境化学M. 高教出版社，高教出版社，2006o刘绮刘绮. 环境化学环境化学M. 化学工业出版社，化学工业出版社，2004o赵美萍，邵敏赵美萍，邵敏. 环境化学环境化学M. 北京大学出版社，北京大学出版社，2005o邓南圣，吴峰邓南圣，吴峰. 环境化学教程环境化学教程M. 武汉大学出版社武汉大学出版社(第二版第二版) ，2006 oV
2、aloon G.W., Duffy S.J. Environmental Chemistry: A global perspective M. Oxford University Press, 2000 oManahan, S. Environmental ChemistryM. Lewis publishers (第七第七版版), 1999 大气环境化学篇大气环境化学篇 大气环境化学主要研究大气环境中污染物的化学组成、大气环境化学主要研究大气环境中污染物的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、积累、消除等过程中的化
3、学行为，反应机制和变化转化、积累、消除等过程中的化学行为，反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响。本篇从环境化学规律，探讨大气污染对自然环境的影响。本篇从环境化学角度出发，介绍天然大气的性质和组成，大气重要污染物，角度出发，介绍天然大气的性质和组成，大气重要污染物，大气的气相反应及光化学烟雾，大气的液相反应及酸沉降，大气的气相反应及光化学烟雾，大气的液相反应及酸沉降，大气颗粒物等大气环境化学的基本原理和方法。大气颗粒物等大气环境化学的基本原理和方法。第八章第八章 天然大气和重要污染物天然大气和重要污染物大气的组成和停留时间大气的组成和停留时间大气的主要层次大气的主要层次大气中的离子及
4、自由基大气中的离子及自由基大气中的重要污染物大气中的重要污染物温室气体和温室效应温室气体和温室效应大气组分浓度表示法大气组分浓度表示法第一节第一节 大气的组成和停留时间大气的组成和停留时间一、大气的组成一、大气的组成主要成分主要成分次要成分次要成分水水 汽汽固体杂质固体杂质78.08%20.95%0.9%0.1-5%(正常范围为正常范围为1-3%)干干洁洁空空气气CO2N2O2Ar 0.03%78.0878.08 20.9520.95 tx=Mx/Rx = Mx/Fx 二、大气的组分的停留时间二、大气的组分的停留时间认为大气圈是各种气体和微粒组分的认为大气圈是各种气体和微粒组分的“贮库贮库”，
5、某组分的总，某组分的总输入速度输入速度(Fx )和总输出速度和总输出速度(Rx)是相等的。若假设是相等的。若假设X组分的组分的贮量为贮量为Mx，则可由下式确定组分，则可由下式确定组分X在大气中的停留时间在大气中的停留时间tx：意义：意义：组分停留时间长说明该组分在离开大气或转化为其他物质之前，组分停留时间长说明该组分在离开大气或转化为其他物质之前，在环境中存留相当长时间；也表明该组分在大气中的储量相对在环境中存留相当长时间；也表明该组分在大气中的储量相对于输入输出来说是很大的，意味着即使人类活动大大改变组分于输入输出来说是很大的，意味着即使人类活动大大改变组分的输入输出速率，对其总量影响也不明
6、显。若停留时间短，则的输入输出速率，对其总量影响也不明显。若停留时间短，则输入输出的改变对总储量就很敏感。输入输出的改变对总储量就很敏感。主要关注参与生主要关注参与生物地球化学循环物地球化学循环及较易变化的气及较易变化的气体体(停留时间短，停留时间短，可能参与平流层可能参与平流层或对流层的化学或对流层的化学变化变化)例：例：大气中甲烷的总量为大气中甲烷的总量为2.25 1014mol，在低层大气中浓度保持，在低层大气中浓度保持1.4ppm，可以认为其输入输出速度相等，估计为，可以认为其输入输出速度相等，估计为91012mol a-1。则甲烷在大气中的停留时间为：则甲烷在大气中的停留时间为：t=
7、Mx/Rx = 2.251014mol/ 91012mol a -1 =2.5a第二节第二节 大气的主要层次大气的主要层次一、对流层一、对流层 高度：高度：0-17km 温度：温度：15 -56， 组成：组成：N2 、O2 、CO2 、H2O特点：特点：（1 1）气温随高度增加而降低，平均每上升）气温随高度增加而降低，平均每上升100m100m，气温下，气温下降降0.650.65。 （2 2）大气具有强烈的对流运动，使高低层的空气得以进）大气具有强烈的对流运动，使高低层的空气得以进行交换。行交换。 （3 3）气体密度大，组成复杂。大气污染现象也主要发生）气体密度大，组成复杂。大气污染现象也主要
8、发生在这一层（在这一层（特别是靠近地面的特别是靠近地面的1 12km2km范围内范围内）。）。（4 4）气候变化也主要发生在该区域。）气候变化也主要发生在该区域。二、平流层二、平流层 高度：高度：17-50km 温度：温度： -56 -2， 组成：组成：O3特点：特点：（1 1）温度变化小，随高度增加而升高）温度变化小，随高度增加而升高。 （2 2）大气组成很稳定）大气组成很稳定 （3 3）垂直对流少）垂直对流少（4 4）大气透明度高，无天气现象）大气透明度高，无天气现象三、中层三、中层 高度：高度：50-80km 温度：温度： -2 -92， 组成：组成：NO+、O2+特点：特点：（1 1）
9、温度随高度增加而降低。）温度随高度增加而降低。 （2 2）垂直运动剧烈）垂直运动剧烈 四、热层四、热层 高度：高度：80-500km 温度：温度： -92 1200， 组成：组成：NO+、O2+、O+特点：特点：（1 1）随高度增加温度越来越高）随高度增加温度越来越高 （2 2）气体密度小）气体密度小 （3 3）空气处于高度电离状态）空气处于高度电离状态( (密度小，温度高，运动剧密度小，温度高，运动剧烈、离子间碰撞机会小烈、离子间碰撞机会小) )第三节第三节 大气中的正离子和自由基大气中的正离子和自由基一、大气中的正离子一、大气中的正离子 主要：电离层（由紫外照射产生）主要：电离层（由紫外照
10、射产生）二、大气中的自由基二、大气中的自由基 1 1、自由基：具有未成对电子的原子或原子团，具有高度活、自由基：具有未成对电子的原子或原子团，具有高度活性性 3 3、自由基反应：凡有自由基参加或诱发其产生的反应都称为自、自由基反应：凡有自由基参加或诱发其产生的反应都称为自由基反应。由基反应。自由基活性大，反应性强，不论液相、气相均能反应，自由基活性大，反应性强，不论液相、气相均能反应，且产物常为另一个自由基，因此又能引发后续反应，所以且产物常为另一个自由基，因此又能引发后续反应，所以也称自由基反应为自由基链锁反应（也称自由基反应为自由基链锁反应（Free radical chain react
11、ion） 2 2、自由基的产生：光致电离；电磁辐射、自由基的产生：光致电离；电磁辐射例例:自由基链锁反应一般分引发（自由基链锁反应一般分引发（initiation）自由基产生、自由基产生、传播（传播（propagation）自由基传递、终止自由基传递、终止（termination）自由基消失，三个阶段。自由基消失，三个阶段。引发：引发：Cl2+hv2Cl传播：传播： Cl +CH4HCl+ CH3 CH3+Cl2 CH3Cl+Cl CH3+CH3Cl C2H6+Cl终止：终止： CH3+ Cl CH3Cl Cl + Cl Cl2 CH3+ CH3 C2H6 一般，自然界排入大气的很多微量气体为
12、还原态的，如一般，自然界排入大气的很多微量气体为还原态的，如CO、H2S、NH3、CH4，但这些还原态气体一般在大气，但这些还原态气体一般在大气中存在时间并不长，或者说，从大气中经过干沉降或者湿中存在时间并不长，或者说，从大气中经过干沉降或者湿沉降回到地面时，他们为什么常常以氧化态的面目如、沉降回到地面时，他们为什么常常以氧化态的面目如、CO2、H2SO4、HNO3、HCHO等形式出现呢？等形式出现呢？ 后来（后来（20C初），认为是大气中初），认为是大气中O3、H2O2所致，但发现所致，但发现大气对流层中并没有足够的大气对流层中并没有足够的O3、H2O2；而且他们的氧化性而且他们的氧化性不足
13、以快速将这些物质氧化。不足以快速将这些物质氧化。 最早人们以为是大气中氧所致，但实际情况是，常温常压最早人们以为是大气中氧所致，但实际情况是，常温常压下，氧并不能氧化这些气体；下，氧并不能氧化这些气体；近近10多年来，研究表明主要是大气中的自由基氧化所致多年来，研究表明主要是大气中的自由基氧化所致三、大气中主要自由基及其来源三、大气中主要自由基及其来源（1）HO化学活性：化学活性： HOHO与烷烃、醛类、烯烃、芳烃和卤代烃等有机与烷烃、醛类、烯烃、芳烃和卤代烃等有机物的反应速度常数要比物的反应速度常数要比O O3 3大几个数量级。大几个数量级。 HOHO在大气化学反应在大气化学反应过程中是十分
14、活泼的氧化剂。过程中是十分活泼的氧化剂。 根据研究，根据研究， HOHO自由基的全球平均值为自由基的全球平均值为7 710105 5个个/cm/cm3 3，理论，理论计算南半球比北半球多约计算南半球比北半球多约20%20%。这主要是由于南半球平均温度。这主要是由于南半球平均温度比北半球高所致。比北半球高所致。时空分布规律：时空分布规律：一般高温有利于一般高温有利于HOHO自由基的形成，所以自由基的形成，所以HOHO自由基的时空分布自由基的时空分布是：是：低空大于高空，低纬大于高纬，南半球多于北半球，夏天低空大于高空，低纬大于高纬，南半球多于北半球，夏天多于冬天，白天多于夜间。多于冬天，白天多于
15、夜间。清洁大气中清洁大气中：HOHO自由基的天然来源是臭氧的光解。自由基的天然来源是臭氧的光解。污染大气中污染大气中：亚硝酸和过氧化氢的光解也可能是：亚硝酸和过氧化氢的光解也可能是HOHO的来源的来源 HNOHNO2 2+hv(+hv(波长小于波长小于400nm)HO+NO (400nm)HO+NO (光分解光分解) ) H H2 2O O2 2+hv(+hv(波长小于波长小于360nm)HO+HO (360nm)HO+HO (光分解光分解) )来源来源(1)(1)长波光子长波光子（一般不能形成（一般不能形成HOHO ） O O3 3+hvO+hvO2 2+O(+O(基态原子氧基态原子氧) (
16、) (315nm)315nm) O O2 2+O+MO+O+MO3 3+M+M平流层中臭氧吸收的主要是波长小于平流层中臭氧吸收的主要是波长小于290nm290nm的紫外光，在对流的紫外光，在对流层中，仍有一定的波长大于层中，仍有一定的波长大于290nm290nm光通过，臭氧可以在对流层光通过，臭氧可以在对流层内吸收这部分光线发生光解，一般波长在内吸收这部分光线发生光解，一般波长在290-400nm290-400nm。(2)(2)短波光子短波光子（可以形成（可以形成HOHO ） O O3 3+hvO+hvO2 2+O+O* *（激发态原子氧）（激发态原子氧） (315nm)(315nm) O O
17、* *+H+H2 2O2HOO2HO 实际上，大气中总是存在氧分子的，因此只要能够生成实际上，大气中总是存在氧分子的，因此只要能够生成H H或或HCHCO O的反应，都可能是的反应，都可能是HOHO2 2的来源。的来源。例：例：HOHO与与COCO作用也能导致作用也能导致HOHO2 2的形成的形成 HOHO+CO CO+CO CO2 2+ H+ H H H+O+O2 2 HO HO2 2（2 2） HOHO2 2自由基自由基 HCHO H +HCOhvHO2O2O2HO2+CO来源：来源：HOHO2 2自由基天然源是大气中醛类（尤其甲醛）光解自由基天然源是大气中醛类（尤其甲醛）光解 烃类光解或
18、者烃类被烃类光解或者烃类被O O3 3氧化，都可能产生氧化，都可能产生HOHO2 2 RH+hv RH+hv R R+H+H H H+O+O2 2 HO HO2 2 RH+O RH+O3 3 +hv +hv RO RO+HO+HO2 2HOHO在清洁大气中的主要汇机制是在清洁大气中的主要汇机制是与与COCO和和CHCH4 4的反应的反应：（3 3） HOHO和和HOHO2 2之间的转化和汇之间的转化和汇HOHO和和HOHO2 2自由基在清洁大气中可以相互转化，互为源和汇。自由基在清洁大气中可以相互转化，互为源和汇。CHCH4 4+ HO+ HO H H3 3C C +H+H2 2O OH H3
19、 3COCO2 2O O2 2HOHO2 2O O2 2 CO+ HO CO+ HO CO CO2 2+H+HHOHO2 2自由基在清洁大气中的主要汇机制是自由基在清洁大气中的主要汇机制是与大气中的与大气中的NONO或或O O3 3反应，结果将反应，结果将NONO转化为转化为NONO2 2，同时得到，同时得到HOHO自由基。自由基。 HO2 + NONO2+ HO HO2 + O32O2+ HO另外另外HOHO和和HOHO2 2之间也可以相互作用去除之间也可以相互作用去除 HO +HO H2O2 HO2 +HO2 H2O2+O2 HO2 +HO H2O+O2 烷基自由基烷基自由基O O和和HO
20、HO与烃类发生摘氢反应时，也能生成烷基自由基与烃类发生摘氢反应时，也能生成烷基自由基 RH+HORH+HO R R +H +H2 2O O RH+O R RH+O R +HO +HO（4 4） R R、RORO和和RORO2 2等自由基等自由基大气中存在最多的烷基自由基是甲基，主要来自乙醛和丙酮的大气中存在最多的烷基自由基是甲基，主要来自乙醛和丙酮的光解光解 CHCH3 3CHO+hvCHCHO+hvCH3 3 +HCO(+HCO(乙醛光解乙醛光解) ) CH CH3 3COCHCOCH3 3+hvCH+hvCH3 3 +CH+CH3 3COCO（丙酮光解）（丙酮光解） 主要来自甲基亚硝酸酯和
21、甲基硝酸酯的光解主要来自甲基亚硝酸酯和甲基硝酸酯的光解CHCH3 3ONO+hvCHONO+hvCH3 3O O +NO +NO（甲基亚硝酸酯光解）（甲基亚硝酸酯光解）CHCH3 3ONOONO2 2+hvCH+hvCH3 3O O +NO +NO2 2（甲基亚硝酸酯光解）（甲基亚硝酸酯光解） 甲氧基（甲氧基（RORO，CHCH3 3O O）大气中过氧烷基（大气中过氧烷基（RORO2 2）主要由烷基与空气中的氧分子结合得到主要由烷基与空气中的氧分子结合得到R R +O +O2 2RORO2 2第四节第四节 大气中的主要污染物大气中的主要污染物1 1、主要物质：、主要物质：H H2 2S S、S
22、OSO2 2、 SOSO3 3 、 H H2 2SOSO4 4 、 H H2 2SOSO3 3 、硫酸盐硫酸盐一、含硫化合物：一、含硫化合物：2 2、主要来源、主要来源天然源：火山喷发、微生物降解天然源：火山喷发、微生物降解人为源：燃料燃烧人为源：燃料燃烧3 3、危害、危害酸雨、硫酸烟雾酸雨、硫酸烟雾4 4、归趋、归趋主要以硫酸盐形式进入地表及水体主要以硫酸盐形式进入地表及水体( (包括海洋包括海洋) )1 1、主要物质：、主要物质：N N2 2O O、NONO、NONO2 2、 N N2 2O O5 5 、 HNOHNO3 3 、 HNOHNO2 2、NHNH3 3二、含氮化合物：二、含氮化
23、合物：(1)(1)主要来源主要来源天然源：天然源：海洋、土壤、淡水和雷电。天然源是其主要来源。海洋、土壤、淡水和雷电。天然源是其主要来源。人为源：人为源：主要有氮肥、化石燃料燃烧及工业排放等。土壤中含主要有氮肥、化石燃料燃烧及工业排放等。土壤中含氮化肥经过生物作用后可产生氮化肥经过生物作用后可产生N N2 2O O，这是主要的人为源之一。，这是主要的人为源之一。NONO3 3- -NONO2 2- -NONO- -NOHNOHNN2 2O O(2)(2)危害危害破坏臭氧层；继续发生氧化形成烟雾或酸雨；参与温室效应破坏臭氧层；继续发生氧化形成烟雾或酸雨；参与温室效应(3)(3)归趋归趋通过土壤清
24、除；平流层中的光解作用通过土壤清除；平流层中的光解作用2 2、 N N2 2O O(1)(1)主要来源主要来源天然源：火山天然源：火山人为源：化肥人为源：化肥(2)(2)危害危害烟雾；酸雨烟雾；酸雨(3)(3)归趋归趋以以NHNH4 4+ +、 NONO3 3- -形式归于地表形式归于地表3 3、 NONOx x1 1、主要物质：、主要物质：CHCH4 4、COCO、COCO2 2、 C C1 1- C- C1010 的烃类的烃类三、含碳化合物：三、含碳化合物：(1)(1)主要来源主要来源天然源：厌氧细菌发酵天然源：厌氧细菌发酵人为源：较少人为源：较少(2)(2)危害危害温室效应温室效应(3)
25、(3)归趋归趋土壤细菌的清除作用；与大气中羟基反应土壤细菌的清除作用；与大气中羟基反应2 2、 CHCH4 4(1)(1)主要来源主要来源天然源：较少天然源：较少人为源：工厂人为源：工厂(2)(2)危害危害温室效应；破坏臭氧层温室效应；破坏臭氧层(3)(3)归趋归趋研究中研究中2 2、 C C1 1- C- C1010 的烃类的烃类(CFCs(CFCs等等) )(1)(1)主要来源主要来源天然源：海洋生物活动、叶绿素分解、萜的氧化、森林大火、天然源：海洋生物活动、叶绿素分解、萜的氧化、森林大火、COCO2 2光解、光解、 CHCH4 4光氧化光氧化人为源：燃料不完全燃烧（人为源：燃料不完全燃烧
26、（80%80%来自于汽车尾气）来自于汽车尾气）(2)(2)危害危害光化学烟雾；继续氧化形成光化学烟雾；继续氧化形成COCO2 2参与温室效应参与温室效应(3)归趋归趋3 3、 COCO CO + 1/2O2 CO2细菌细菌 CO + 3H2 CH4 +H2O 细菌细菌(1)(1)主要来源主要来源天然源：动物呼吸天然源：动物呼吸人为源：燃烧人为源：燃烧(2)(2)危害危害 温室效应温室效应(3)(3)归趋归趋光合作用光合作用4 4、 COCO2 2第五节第五节 温室效应与温室气体温室效应与温室气体v本来温室效应是有利于全球生态系统的，并正是由于本来温室效应是有利于全球生态系统的，并正是由于“温室
27、温室效应效应”才使全球充满了生机。正是由于温室效应，使地球表面才使全球充满了生机。正是由于温室效应，使地球表面的平均温度维持在的平均温度维持在1515摄氏度左右，特别适合于地球生命的延续，摄氏度左右，特别适合于地球生命的延续，如果没有温室效应，地球表面平均温度将是如果没有温室效应，地球表面平均温度将是-18-18摄氏度左右摄氏度左右, ,现现有的大多数生物将会无法生存。有的大多数生物将会无法生存。一、一、研究背景研究背景v温室效应有效地保存了地球表面吸收的来自太阳的能量，并温室效应有效地保存了地球表面吸收的来自太阳的能量，并返回地球表面，保持地球的温暖和生机，同时温室效应也和一返回地球表面，保
28、持地球的温暖和生机，同时温室效应也和一些其他的一些些其他的一些“制冷效应制冷效应”机制相平衡，保持地球热量的平衡。机制相平衡，保持地球热量的平衡。 例如大气平流层中的例如大气平流层中的O O3 3拦截了绝大多数的太阳高能紫外线，使地球拦截了绝大多数的太阳高能紫外线，使地球环境有效降温，保护了地球生命（冰室效应）环境有效降温，保护了地球生命（冰室效应）大气对流层中的颗粒物反射和散射太阳光，使地球降温大气对流层中的颗粒物反射和散射太阳光，使地球降温 （阳伞效应）（阳伞效应）如在公元如在公元1550-19001550-1900年地球上频繁的火山喷发形成的阳伞效应过强，年地球上频繁的火山喷发形成的阳伞
29、效应过强，使地球温度过低，形成了延续使地球温度过低，形成了延续330330年的年的“小冰期小冰期”v但是在近代开始，人们的观点发生了变化，温室效应已经但是在近代开始，人们的观点发生了变化，温室效应已经成为一个不可忽视的全球性环境问题，主要原因在于人类排成为一个不可忽视的全球性环境问题，主要原因在于人类排放的大量温室效应气体，对地球的保温的放的大量温室效应气体，对地球的保温的“温室效应温室效应”过强，过强，产生了过犹不及的效果。产生了过犹不及的效果。二、二、地球热平衡地球热平衡v进入大气的太阳辐射约进入大气的太阳辐射约50%50%以直接方式或被云、颗以直接方式或被云、颗 粒物和气粒物和气体散射的
30、方式到达地球表面；另外的体散射的方式到达地球表面；另外的50%50%被直接反射回去或被被直接反射回去或被大气吸收。大气吸收。v达到地面的辐射有少量的紫外光、大量的可见光和长波红外达到地面的辐射有少量的紫外光、大量的可见光和长波红外光；这些辐射在被地面吸收之后，除了地表存留一部分用于光；这些辐射在被地面吸收之后，除了地表存留一部分用于维持地表生态系统热量需要，其余最终都以长波辐射的形式维持地表生态系统热量需要，其余最终都以长波辐射的形式返回外空间，从而维持地球的热平衡。返回外空间，从而维持地球的热平衡。地球表面能量返回大地球表面能量返回大气由气由传导、对流和传导、对流和辐射辐射三种能量传输机制来
31、完成。三种能量传输机制来完成。v被地面反射回外空间的长波辐射，被大气中能够吸收长波辐被地面反射回外空间的长波辐射，被大气中能够吸收长波辐射的气体如二氧化碳、甲烷等吸收后再次反射回地面，从而射的气体如二氧化碳、甲烷等吸收后再次反射回地面，从而保证了地球热量不大量散失，如果该过程过强，就会造成温保证了地球热量不大量散失，如果该过程过强，就会造成温室效应。室效应。增加大气中增加大气中COCO2 2等温室气体等温室气体浓度，阻止地球热量的散失，使地浓度，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的球发生可感觉到的气温升高，这就是有名的“温室效应温室效应”。COCO2 2吸收的红外光线
32、的波长吸收的红外光线的波长1200-1630nm1200-1630nm，并强烈吸收。，并强烈吸收。850-850-1200nm1200nm范围的红外光，能够强烈地被范围的红外光，能够强烈地被CFCsCFCs（还有甲烷、一氧（还有甲烷、一氧化二氮等）吸收，因此人为排放的大量气体造成的温室效应化二氮等）吸收，因此人为排放的大量气体造成的温室效应要远远大于自然条件下的温室效应。要远远大于自然条件下的温室效应。三、三、温室效应温室效应一般主要是由于水分子的吸收红外辐射引起的，一般主要是由于水分子的吸收红外辐射引起的，H H2 2O O吸收的吸收的红外光线的波长红外光线的波长700-850nm700-8
33、50nm和和1100-1400nm1100-1400nm，而且吸收微弱，而且吸收微弱，所以自然条件下的温室效应不是很强烈所以自然条件下的温室效应不是很强烈2.2.人为的温室效应人为的温室效应：1 1、大气中自然发生的温室效应、大气中自然发生的温室效应温室气体包括两类：一类在对流层混合均匀，如温室气体包括两类：一类在对流层混合均匀，如COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2O O和和CFCsCFCs。另一类在对流层混合不均匀，如。另一类在对流层混合不均匀，如O O3 3、nMHCsnMHCs。造成。造成混合不同的原因是因为这些温室气体在大气中的寿命（平均混合不同的原因是因为这些温室气体在大气
34、中的寿命（平均存留时间）不同，化合物寿命长，则容易混合均匀，其温室存留时间）不同，化合物寿命长，则容易混合均匀，其温室效应具有全球特征。寿命短则不利于混合均匀，其温室效应效应具有全球特征。寿命短则不利于混合均匀，其温室效应只具有区域性特征。只具有区域性特征。四、温室气体四、温室气体许多研究资料表明，在过去的许多研究资料表明，在过去的10001000年内，自工业革命开始后年内，自工业革命开始后全球大气对流层中全球大气对流层中COCO2 2、CHCH4 4、N N2 2O O和和CFCsCFCs、O O3 3、nMHCsnMHCs等都出现等都出现了浓度增高的趋势，特别是了浓度增高的趋势，特别是18
35、701870年以来，这些温室气体几乎年以来，这些温室气体几乎呈几何级数形式在增长，这引起了人们对温室气体研究的关呈几何级数形式在增长，这引起了人们对温室气体研究的关注。注。COCO2 2：自：自17501750年以来，大气中年以来，大气中COCO2 2的浓度增加了的浓度增加了31%31%，目前大气，目前大气中中COCO2 2的浓度是过去的浓度是过去4242万年内最高的。人为排放的万年内最高的。人为排放的COCO2 2占占3/43/4是化是化石燃料的燃烧，其余石燃料的燃烧，其余1/41/4来自土地利用变化造成毁林开荒（绿来自土地利用变化造成毁林开荒（绿色植物对色植物对COCO2 2吸收的减少）。
36、过去的吸收的减少）。过去的2020年里，年里，COCO2 2的增长幅度为的增长幅度为1.55ppm/a1.55ppm/a。CHCH4 4：增长很快，：增长很快，19751975年以来增长了年以来增长了1060ppbv1060ppbv，目前大气中，目前大气中CHCH4 4浓度是浓度是4242万年以来最高的。目前约有一半多是人为排放，万年以来最高的。目前约有一半多是人为排放，例如燃烧化石燃料、家畜饲养、水稻种植、垃圾填埋等。例如燃烧化石燃料、家畜饲养、水稻种植、垃圾填埋等。H2O和和CO2H H2 2O O和和COCO2 2分子中具有多个原子，吸收红外线时，其分子发生分子中具有多个原子，吸收红外线
37、时，其分子发生波动，这样红外辐射线能够在其分子内部发生量子转换，因波动，这样红外辐射线能够在其分子内部发生量子转换，因此能够被他们吸收；这就是为什么虽然大气中氩含量很多，此能够被他们吸收；这就是为什么虽然大气中氩含量很多，但是不能有效吸收红外线的原因。但是不能有效吸收红外线的原因。因为红外辐射是电磁波，因此物质分子吸收红外光后，要求因为红外辐射是电磁波，因此物质分子吸收红外光后，要求其分子内部电场发生改变，也就是分子之间的电偶极距发生其分子内部电场发生改变，也就是分子之间的电偶极距发生变化，变化，H H2 2O O和和COCO2 2具有不对称的电偶极距，因此能够吸收红外线，具有不对称的电偶极距
38、，因此能够吸收红外线，并导致内部电场发生变化，而象并导致内部电场发生变化，而象N N2 2、O O2 2等虽然能够在受到红外等虽然能够在受到红外光辐射时，其分子内部发生原子之间的能量转换而发生分子光辐射时，其分子内部发生原子之间的能量转换而发生分子颤动，但是其分子是对称的，因此不会导致内部电场发生变颤动，但是其分子是对称的，因此不会导致内部电场发生变化，因而不能有效吸收红外线。化，因而不能有效吸收红外线。在大气中要求一定的浓度，在大气中要求一定的浓度，H H2 2O O和和COCO2 2在大气中的浓度较高，在大气中的浓度较高，象象HClHCl、COCO、NONO、N N2 2O O等分子都具备
39、这样的条件，但是其在大气等分子都具备这样的条件，但是其在大气中的浓度远远低于中的浓度远远低于H H2 2O O和和COCO2 2，因此目前他们还不是主要的温室，因此目前他们还不是主要的温室气体。气体。虽然虽然COCO2 2是研究的最主要的温室气体，但是是研究的最主要的温室气体，但是CFCsCFCs等浓度增加造成的温室效应要等浓度增加造成的温室效应要比比COCO2 2强很多。目前强很多。目前CFCsCFCs比如比如CFC-11CFC-11、CFC-12CFC-12已经成为十分有效的温室气体。已经成为十分有效的温室气体。CFCsH H2 2O O吸收的红外光线的波长吸收的红外光线的波长700-85
40、0nm700-850nm和和1100-1400nm1100-1400nm，而且吸，而且吸收微弱，收微弱，COCO2 2吸收的红外光线的波长吸收的红外光线的波长1200-1630nm1200-1630nm，并强烈吸收。，并强烈吸收。但是对于但是对于850-1200nm850-1200nm范围的红外光，对于范围的红外光，对于H H2 2O O和和COCO2 2则是透明的则是透明的（不能被吸收）。但是这个范围波段的红外光能够强烈地被（不能被吸收）。但是这个范围波段的红外光能够强烈地被CFCsCFCs（还有甲烷、一氧化二氮等）吸收。（还有甲烷、一氧化二氮等）吸收。对于对于H H2 2O O和和COCO
41、2 2对红外光的吸收，目前已经是对红外光的吸收，目前已经是“纯纯”吸收，就是吸收，就是说，在在说，在在1200nm1200nm以上和以上和850nm850nm以下的红外光目前基本上已经全部以下的红外光目前基本上已经全部被被H H2 2O O和和COCO2 2吸收了，再增加的单位的吸收了，再增加的单位的H H2 2O O和和COCO2 2浓度对于红外光的浓度对于红外光的吸收只占总吸收量的很少一部分，但是，原来大气中吸收只占总吸收量的很少一部分，但是，原来大气中CFCsCFCs等的等的浓度较低，因此他们增加一个单位浓度，对于红外光的吸收量浓度较低，因此他们增加一个单位浓度，对于红外光的吸收量是很大
42、的，因此目前是很大的，因此目前CFCsCFCs比如比如CFC-11CFC-11、CFC-12CFC-12等已经成为十分等已经成为十分有效的温室气体。有效的温室气体。五、温室效应危害五、温室效应危害全球平均温度上升，两极冰融化，海平面上升，沿海一些城全球平均温度上升，两极冰融化，海平面上升，沿海一些城市可能被淹没；市可能被淹没；全球气温上升中，由于两极温度升高快，而赤道升温慢，因全球气温上升中，由于两极温度升高快，而赤道升温慢，因此会导致全球的大气环流发生改变，例如西风漂流等减弱，东此会导致全球的大气环流发生改变，例如西风漂流等减弱，东北信风和东南信风都会减弱等，从而引发一系列的气候变化反北信风
43、和东南信风都会减弱等，从而引发一系列的气候变化反应；应；另外由于温室气体上升，还会伴随大量其他环境问题，如物另外由于温室气体上升，还会伴随大量其他环境问题，如物种对气候不适应导致的物种灭绝，生物对气候的不适应可能导种对气候不适应导致的物种灭绝，生物对气候的不适应可能导致的疾病流行等等。致的疾病流行等等。第六节第六节 大气组分浓度表示法大气组分浓度表示法混合比单位表示法混合比单位表示法单位体积内物质的质量表示法单位体积内物质的质量表示法(mg/m3、ug/m3)ppm 10-6pphm 10-8ppb 10-9ppt 10-12ppmVppmmX(ppm) = (22.4/M)A(mg/m3)1 1、大气中重要污染物的源与汇、大气中重要污染物的源与汇2 2、主要自由基的来源、主要自由基的来源本章重点：本章重点：1 1、请写出大气主要自由基的来源、请写出大气主要自由基的来源2 2、请叙述大气中含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、请叙述大气中含硫化合物、含氮化合物、含碳化合物、和含卤素化合物的源与汇和含卤素化合物的源与汇3 3、主要温室气体造成温室效应的机制、主要温室气体造成温室效应的机制思考题：思考题：
