环境科学概论琼

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1、环境科学概论,主讲：史云峰（博士） 学时：48,生物科学与技术学院,第二章 大气环境,地球上的大气环境是环境的重要组成要素，并参与地球表面的各种过程，是维持一切生命所必需的。大气环境的优劣，对整个生态系统和人类健康有着直接的影响。某些自然过程不断地与大气之间进行着物质和能量交换，直接影响着大气的质量，尤其是人类活动的加强，对大气环境质量产生深刻的影响。研究大气受到的污染，是当前面临的重要环境问题之一。,第一节 大气的结构与组成,大气的结构 对流层: 对流运动显著，大气现象复杂多变 平流层:臭氧( O3 )层, 平流层中空气无对流 ,适于空中飞行 中间层 热成层（暖层、电离层） 逸散层,高层大气

2、,第一节 大气的结构和组成,15,35,臭氧层,大气的垂直分层,对流层,平流层,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。,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,上冷下热 高空对流,高层大气,电离层能反射无线电波，对无线电通讯有重要作用,（一）对 流 层 对流层是大气的最低层，其厚度随纬度和季节而变化。在赤道低纬度区为17-18km；在中纬度地区为10-12km；两极附近高纬度地区为8-9km。夏季较厚，冬季较薄。这一层的显著特点： 1.气温随高度升高而递减，大约每上升100m，温度降低0.6； 2.密度

3、大，大气总质量的3/4以上集中在此层。,（二）平 流 层 对流层顶到约50km的大气层为平流层。 在平流层下层，即30-50km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称同温层；在30-35km以上，温度随高度升高而升高。,（三）中 间 层 从平流层顶到80km高度这一层称为中间层，在这一层里有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，中间层顶温可降到-83113。,（四）热 成 层 中间层之上为热成层，上界达800km，在这层中的气体温度随高度增加而迅速上升。由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故称为电离层，电离层能将电磁波反射回地球，

4、故对全球性的无线电通讯有重大意义。,（五）逸 散 层 这是大气圈的最外层，高度达800km以上。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。,大气边界层： 在对流层下部靠近下垫面的1.2-1.5公里范围内的薄层大气。由于贴近 地面，空气运动受到地面摩擦作用影响，又称摩擦层。,大气边界层的主要特征：,湍流运动：在大气边界层中，由于地面粗糙度的影响，风速越靠下层变得越小，因而产生了风速的垂直梯度，形成湍流。（湍流是一种具有强烈涡旋性的不规则运动，烟囱排出的烟气总是涡旋性地扩展，便是大气湍流的形象表征

5、 ，近地层湍流强弱主要与下垫面粗糙度、平均风速和大气稳定度有关，下垫面越粗糙，平均风速越大，大气越不稳定，湍流愈会加强。因为几乎所有场合污染物质的扩散都是在大气边界层中进行的，因此，边界层大气运动的高度湍流性对污染物的扩散稀释起着重要作用。,大气的组成,大气是一种气体混合物，其中除含有各种气体元素及化合物外，还有水滴、冰晶、尘埃和花粉等杂质。大气中除去水气和杂质的空气称为干洁空气。从对流层清洁空气的气体组成来看，地球表面大气主要由氧、氮和几种惰性气体组成，它们约占空气总量的99.9%以上。除二氧化碳和臭氧外，其它组成在对流层的大气中是稳定的；大气的可变组分主要是指大气中的二氧化碳和水蒸气等。,

6、第一节 大气的结构与组成,干洁空气 大气中除去水汽和杂质的空气。 干洁空气的组成 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。,大气可变成分 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。 干洁空气较稳定 原因：主要组成物质为N2和 O2，前者化学性质不活泼，后者的消耗与释放量相互补偿。,干洁大气的成分,成云致雨的必要条件,主要 成分,次要 成分,水 汽,固体杂质,生物体的基本成分,

7、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,吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害,成云致雨的必要条件；对地面保温,干 洁 空 气,O3,N2,O2,CO2,大气各成分的作用,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

8、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。 来源：火山爆发、沙尘飞扬、物质燃烧、海水溅沫及细菌 等微生物和植物花粉 分布：低空多、陆地多、城市多 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。,有害气体： 种类：CO、NH3、SO2、H2S、Cl2、 NO2和甲醛 。 影响：直接影响人体及各类生物的生存 健康。,大气中二氧化碳、臭氧、水汽、悬浮微粒及微量有害气体 的含量目前的变化情况：,大气污染 概念: 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

9、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。,第二节 大气污染和污染源,大气污染 发生过程:,大气环境,污染源,输入,输出,输入速率输出速率,大气污染源 概念: 向大气环境排放有害物质或对大气环境产生有害影响的场所、设备和装置。,人为大气污染源的分类 按污染物存在形式：固定污染源、移动污染源 按污染物排放形式：点源、面源、线源 按污染物排放空间：高架源、地面源 按污染物排放时间：连续源、间断源 按污染物发生类型：农业污染源、工业污染源 生活污染源、交通污染源,大气污染源及污染物,污 染 源,天然源：

10、自然界自行向大气环境排放污染物的污染源。,人为源：人类的生产活动和生活活动所形成的污染源。,火山,雷电山火,燃煤,汽车,空调,岩石风化,海啸,沙尘暴,生物腐烂,大 气 污 染 源,大气污染物及大气污染类型 大气污染物的概念 指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。 大气污染物的分类: 从形成过程：一次、二次污染物 从存在状态：气态和固体颗粒态的污染物,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

11、次污染物还强。最常见的二次污染物如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂OX，以及许多不同寿命的活性中间物，如HO2、HO等。,气溶胶状污染物(粒状) 总悬浮颗粒物(TSP)：D(粒径)在100m以下，其中多数在10m以下，是分散在大气中的各种粒子的总称。 飘尘（可吸入粒子(IP)）：D10m能在大气中长期飘浮的悬浮物质，如煤烟、烟气、雾等。 降尘：D30m的粒子，靠重力作用可在短时间内降到地面的。,颗粒物有固体的灰尘、烟尘、烟雾以及液体的云雾和雾滴，它们中一部分是致癌、致畸、致突变物质，并能被人体吸收而危害人体健康，另一方面，它们是有毒物质的载体，使一些气体污染物转化成为

12、有害的颗粒物或使某些污染物的毒性增强。,烟尘的作用：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10m的颗粒物能被鼻腔的鼻毛吸留住，而小于10m的飘尘却能长驱直入侵蚀肺泡，叫“可吸入粒子”。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。,气状污染物 含硫化合物 主要指SO2和SO3、H2S。 危害：,温度大时，与水作用，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。 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

13、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。,气状污染物 氮的氧化物 NOX是NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称，造成大气污染的NOX最主要是NO和NO2。 来源：汽车尾气排放 危害：,1）氮氧化物可转化为硝酸，形成酸雨 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,气状污染物 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。

14、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。,气状污染物 碳氢化合物(HC) HC是自然界中必不可少的物质，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。碳氢化合物主要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。 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。,大气污染类型

15、 污染物性质划分 还原型：煤炭型 氧化型：汽车尾气型,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。,伦敦烟雾事件,煤烟型污染的原理： 燃煤产生的SO2在大气中被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，是环境 酸化的重要前体物，也是大气污染的主要酸性污染物。因此，当 一次污染物主要为SO2和煤烟时，二次污染物主要是硫酸雾和硫酸盐 气溶胶。 在相对湿度比较高、气温比较低、无风或静风的天气条

16、件下 ，SO2在重金属（如铁、锰）氧化物的催化作用下，易发生氧化 作用生成SO3，继而与水蒸气结合形成硫酸雾。硫酸雾是强氧化剂， 其毒性比SO2更大。它能使植物组织受到损伤，对人的主要影响是 刺激其上呼吸道，附在细微颗粒上时也会影响下呼吸道。一般多 发生在冬季，尤以清晨最为严重，有时可连续数日。当大气中SO2 浓度为0.21mL/m3，烟尘浓度大于0.3mg/m3时，可使呼吸道疾病发病 率增高，慢性病患者的病情迅速恶化，使危害加剧。,“伦敦烟雾事件”。 1952年12月58日，一场灾难降临了英国伦敦。地处 泰晤士河河谷地带的伦敦城市上空处于高压中心，一连几日无风，风速表读 数为零。大雾笼罩着伦敦城，又值城市冬季大量燃煤，排放的煤烟粉尘在无 风状态下蓄积不散，烟和湿气积聚在大气层中，致使城市上空连续四五天烟 雾弥漫，能见度极低。在这种气候条件下，飞机被迫取消航班，汽车即便白 天行驶也须打开车灯，行人走路都极为困难，只能沿着人行道摸索前行。 由于大气中的污染物不断积蓄，不能扩散，许多人都感到呼吸困