第2章：大气环境化学课件

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1、第二章：大气环境化学当前三大全球环境问题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内,重点内容: （1）污染物在大气中的迁移 气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定度、大气混合层 污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等 污染物迁移的数学模式：推导与应用 （2）污染物在大气中的转化 光化学反应基础 自由基反应和来源 氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化 （3）几种代表性的大气环境污染问题 酸雨，光化学烟雾， 温室效应，全球变暖 臭氧层破坏,第一节、污染物在大气中的迁移,一、大气垂直分层 二、基本气象要素 三、气块的绝热过程和干绝热递减率 四、大气稳定度 五

2、、逆温 六、局地环流对污染物扩散的影响,迁移：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。原因：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中温度的差异是空气运动的动力源。,1、对流层: 平均厚度12km,赤道19km，两极8-9km，云雨主要发生层，夏季厚，冬季薄。 特点:（1）气温随高度升高而降低。 （2）空气密度大。 （3）天气复杂多变。 （4）对流层下部湍流。,一、大气垂直分层:1962,WMO, 对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。,特点： （1） 空气基本无对流，平流运动占显著优势。 （2） 空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，很少有天气现象，透明度极高。 （3）

3、 在15-35km的范围内（平流层上层），厚度约20km的臭氧层。,2、平流层: 对流层顶到约50km的地方,3、中间层 从平流层顶到约85km的高度。,（1） 空气更稀薄 （2）无水分 （3） 温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低 （-100） （4） 中间层中上部，气体分子（O2、N2）开始电离。,4、热（成）层 从80km到约800km的地方 温度随高度增加迅速增高； 大气更为稀薄; 大部分空气分子被电离成为离子和自由电子，又称电离层，可以反射无线电波,5、逸散层 （1） 800km以上高空 （2） 空气稀薄，密度几乎与太空相同 （3） 空气分子受地球引力极小，所以 气体及其微粒可以

4、不断从该层逃逸出去,二、基本气象要素,气温、气压、湿度、风、云量,1、气温 一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。 大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。 气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物。,2、气压: 初始状态： 地面处高度0： 压强p1=gz 高度增加z, 则高度z处： 压强p2=g(z-z) 所以，得到：P2-P1=p=-gz,转化为微分形式则： (1) （密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）。 另外，气象

5、学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nRT = (令 ) = (2),其中R=8.314Jmol-1K-1,M气体摩尔质量（空气的摩尔体积为22.4lmol-1，空气密度=1.29gl-1,所以M=22.4*1.29=28.869gmol-1）,所以R=R/M=287 Jkg-1K-1。 由（1）和（2）得到： = = = = = （3） 可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。,风玫瑰图（m/s）,3、风 水平方向的空气运动，垂直方向则称为对流或升降气流。 一般用风向、风速来表示风的特征 风向一般用16个方位表示，(E S W N) 风速是单

6、位时间内空气在水平方向移动的距离（m/s） 一般风速是地面以上10m处风速仪观测得到的平均值,4、云 大气中水汽凝结的产物 一般用云量、云高来确定大气稳定度 云高：云层底部距离地面的高度，高云（5000m）中云（2500-5000m）低云（2500m） 云量：云遮蔽天空的成数。将可见天空分为10份，被云遮挡了几份，云量就是几。晴空无云，云量为0，乌云遮天，云量为10.,三、气块的绝热过程和干绝热递减率,1、气团运动的绝热过程 空气移动,高压区低压，膨胀降温，压缩升温。 当气团在水平方向运动, 非绝热过程。 当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程。,高温暖气团倾向于从地表移动到低压的高处，气团绝

7、热膨胀并降温。若没有水汽凝结，冷却速率为0.98/100m，称为温度的干绝热递减率（rd）。 然而，一般气团中都含有水蒸气，冷凝放潜热，得到温度的垂直递减率（r）,冷却速率为0.65/100m。 当污染源排放的污染刚进入大气环境的时候，可视为一个绝热过程。,温度垂直递减率，干绝热递减率,2、气团运动的绝热方程 根据热力学第一定律： dq=du+dw(q外界加于体系的热量，u体系内能变化，w体系对外做功) 绝热过程中： 外界加于体系的热量dq=0 体系对外做功dw=pdv(体系膨胀或压缩) 体系内能变化du=nCvdT(体积不变情况下，内能变化，定容比热Cv),所以：pdv=- nCvdT （4

8、） 又由于pv=nRT,取全微分得到：pdv+vdp=nRdT （5） 由（4）和（5）可得：nRdTvdp= pdv=- nCvdT,即： = = = 根据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能变化，Jmol-1K-1) 所以：,= = = 对于空气R=287 Jmol-1K-1 Cp=996.5 Jmol-1K-1 所以： 3、干绝热递减率 气团干绝热升高或降低单位距离时，温度降低或升高的数值，称为干绝热递减率: 推导过程： rd=- 因为： （干绝热方程）,所以rd=- = 又因为 所以：rd= = 又由于p=RT 故rd= = =0.98K/100m （1N=1

9、kg m s-2,1J=1N m）,干绝热递减率常数的推导,四、大气稳定度,大气稳定度：是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。 根据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）的对比关系，可以确定大气稳定度。 稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（rrd） 中性：介于上述两种情况之间（r=rd） 注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大。,解释： 当rrd时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，所以气团有回归趋势。 当rrd时，气团离开原

10、来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，所以气团有继续移动离开趋势。,rrd不稳定,五、逆温,由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd的关系可表示为：,一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散 而逆温则使大气的温度变化逆转，随着高度升高，温度也升高（r0），这将会使大气的状态更为稳定，更加明显地不利于污染物的扩散，所以逆温成为大气污染气象学中的重要研究内容。,r,几种常见典型逆温的形成 1、辐射逆温（最常见地面逆温） 地面辐射出大量的热量后，温度过度降低。 晴朗无

11、云，无风夜晚，没有云层阻挡，地面辐射丧失大量能量，温度降低过多，易于形成辐射逆温（地面冷）； 若风速在2-3m/s，辐射逆温不易形成，若风速大于6m/s，则可完全阻止辐射逆温的形成，这是由于风带来气流运动，使外界较暖气团运动过来后补充了当地地面辐射的热量损失。 2、下沉逆温（地面逆温） 下沉压缩增温效应引起，一般上升降温，下沉增温；,气团下沉过程中，由于受到压缩，顶部下降距离大，增温多，底部下降距离相对小，增温少，因此形成顶部温度高，底部温度低的气团。 因为hh,所以HH,3、湍流逆温（高空逆温） 低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。 在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝

12、热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。,六、局地环流对污染物扩散的影响,海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的风向转换。 白天：海风，夜晚：陆风 对污染扩散的影响： 白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温。 夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温 易造成污染物往返，海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地。循环作用，如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流，则污染物很

13、难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度。,1、海陆风,2、城郊风 主要动力是城市热岛效应造成的 城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。 使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧。,3、山谷风 白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡谷风 夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底山风 处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地。,七、思考题,1、何谓大气的温度层结？简述大气垂直分层中各层次的主要特征？ 2、何谓逆温？逆温的几种主要类型及其成因？逆温对污染物扩散有什么影响？ 3、何谓大气垂直递减率和干绝热垂直递减率？如何用它们的相互关系判断大气稳定度？ 4、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式： 5、设地面处温度为T0=25,P0=1.01105帕.现有一气团从该地绝热上升，用探空气球测得地面以上5km高处气温T=-13,求该处压强（P）。,