环境与化学课件2

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1、第二章 大气污染与防治化学 研究大气的组成、各种成分的性质、来源和发生于大气中的化学现象、化学过程及 其规律的学科，是大气科学的一个分支。与其他大气科学的分支学科相比，大气化学属于起步晚、发展慢，目前尚处于初始发展阶段的学科。直到20世纪60年代以后，出现了光化烟雾、臭氧层破坏、酸雨等一系列严重环境问题时，人们才注意大气化学的研究，形成独立的大气化学学科。,本学科研究内容分为：对流层化学，目前以研究二氧化硫的氧化而造成酸雾、酸雨问题为热门课题；高层大气化学，目前以研究臭氧层破坏、臭氧层空洞的机制问题为紧迫课题；气溶胶化学，包括气溶胶组成、远距离输送及多相反应化学等；降水化学；大气放射性物质化学

2、等等。大气化学研究的方法有：对采样的样本进行化学分析的方法；对各种大气化学反应（如光化反应、光致离解、光致电离、复合反应、化学沉降、生化反应等）进行化学模拟。,包围在地球外部的一层气体总称为大气或大气圈。大气圈以地球的水陆表面为其下界，称为大气层的下垫面。地球大气在重力场的作用下，保持在地球的外表面上，其密 度随高度升高呈指数递减，越向上越稀薄。大气上界约在10002000公里高度。,第一节 大气结构和组成,一、大气结构,大气的垂直分层 自地面向上，大气层可以延伸到数千千米的高空。根据大气的热力性质在垂直方向上差异，可将大气分为五层：对流层、平流层、中间层、热层、和外层。,大气的垂直分层 自地

3、面向上，大气层可以延伸到数千千米的高空。根据人造卫星的探测资料，在2000 千米3000 千米的高空，地球大气的密度已经与星际空间的密度非常相近，这个高度可以大致地看作是地球大气的上界。根据大气的热力性质在垂直方向上差异，可将大气分为五层：对流层、平流层、中间层、热层、和外层。,这是紧贴地面的一层。它的高度因纬度而异。在低纬度地区（赤道附近）高17千米18千米，在中纬度地区高10千米12千米，在高纬度地区高仅8千米9千米。整个大气层质量的四分之三和几乎全部水汽、杂质，都集中在对流层。主要天气现象和过程如寒潮、台风、雷雨、闪电、龙卷风等都发生在 这一层。,（一）对流层,对流层有三个主要特点：,（

4、1） 天气现象复杂多变。 近地面的水汽和杂质通过对流运动向上空输送，在升过程中随着气温的降低，容易成云致雨。云、雨、雪等天气现象都发生在这一层。对流层与人类的关系最为密切。,（2）空气对流运动显著。 对流层上部冷下部热，有利于空气的对流运动 。低纬度地区受热多，对流旺盛，对流层所达高度就高；高纬度地区受热少，对流层高度就低 。,（3）气温随高度的增加而递减。这主要是因为对流层大气的热量绝大部分直接来自地面，因此 离地面愈高的大气，受热愈少，气温愈低。平均每上升100米，气温降低0.6 摄氏度。,对流层中存在着极其复杂的气象条件，各种天气现象也都出现在这一层，因而在该层中有时形成污染物易于扩散的

5、条件，有时又会形成污染物不易扩散的条件。人类活动排放的污染物主要是在对流层中聚集，大气污染主要也是在这一层发生。因而对流层的状况对人类生活影响最大，与人类关系最密切。,（二）平流层 从对流层顶到50千米55 千米高度的范围是平流层. 这一层的特点是：（1） 气温的的垂直分布除下层随高度变化很小外，在 30 千米以上，气温随高度增加迅速上升。这是因为平流层中的臭氧大量吸收太阳紫外线而使气温升高。,（2）平流层上部因为存在臭氧层(2235公里处)，臭氧吸收太阳紫外辐射 使大气温度增加，这种下部冷上部热的逆温结构使平流层大气稳定，对流很弱，空气大 多作水平运动，大气污染物如核爆残留碎片，火山喷发的火

6、山灰等，能在平流层内滞 留很长时间。,（3）平流层中水汽和尘埃很少，也没有对流层中的云和天气现象。大气以水平运动为主。大气平稳天气晴朗，对高空飞行有利。,（三）中间层 从平流层顶到 85 千米高度的范围是中间层。这一层的主要特点是：（1）气温随高度增加而迅速降低。这是因为这里几乎没有臭氧。（2）上部冷、下部暖，空气的垂直对流运动相当强烈，又称高空对流层。,（四）热层 从中间层顶层 到800 千米高度的范围是热层。 这一层的特点是：气温 随高度增加上升很快。 这是由于该层中的大气物质（主要是氧原子），吸收了所有波长小于0.175微米的太阳紫外线。据人造卫星观测，在800千米高度上，气温已达100

7、0摄氏度以上。地球卫星就在暖层运行。,1961年前苏联加加林遨游太空时所处的高度为 188千米,热层顶以上的大气统称为外层。这里受地球引力场的束缚很弱，一些高速运动的空气质点，经常散逸到星际空间 去，所以叫做外层（又叫 散逸层）. 它是地球大气 向星际空间过渡的层次。 极光大都发生在暖层， 有时也发生在外层。,（五）外层,在加拿大的丘吉尔城，一年有300个夜晚能见到极光,二、大气的组成 过去人们认为地球大气是很简单的，直到十九世纪末才知道地球上的大气是由多种气体组成的混合体，并含有水汽和部分杂质。它的主要成分是氮、氧、氩等。在80-100公里以下的低层大气中，气体成为可分为两部分：一部分是“不

8、可变气体成分”，主要指氮、氧、氩三种气体。,这几种气体成分之间维持固定的比例，基本上不随时间、空间而变化。另一部分为“易变气体成分”，以水汽、二氧化碳和臭氧为主，其中变化最大的是水汽。总之，大气这种含有各种物质成分的混合物，可以大致分为干洁空气、水汽、微粒杂质和新的污染物。,干洁大气的主要成份和比例如表： 气 体 按容积百分比 按质量百分比 分子量,氮 78.084 75.52 28.0134,氧 20.948 23.15 31.9988,氩 0.934 1.28 39.948,二氧化碳 0.033 0.05 44.0099,干洁大气成份 地球大气由多种气体混合组成。低层（85公里以下）大气的

9、气体成份可分为两类， 一类为常定成分，主要包括氮、氧、氩，以及微量的惰性气体氖、氦、氪、氙等，它们在大气成份中保持固定的比例；第二类为可变成份，其比例随时间、地点而变，其中水 气的变化幅度最大，二氧化碳和臭氧所占比例最小，但对气候影响较大，硫、碳和氮的 各种化合物还影响到人类生存的环境。,干洁空气是指大气中除去水汽、液体和固体微粒以外的整个混合气体，简称干空气。它的主要成分是氮、氧、氩、二氧化碳等，其容积含量占全部干洁空气的99.99以上。其余还有少量的氢、氖、氪、氙、臭氧等。 由于大气中存在着空气运动和分子扩散作用，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合。从地面向上至到80-100公里

10、高处，干洁空气的各种成分的比例基本上是不发生变化的。,其中对人类活动及天气变化有影响的大气成份为： (1) 氧气：氧气占大气质量的23，它是动植物生存、繁殖的必要条件。氧的主要来源是植物的光合作用。有机物的呼吸和腐烂，矿物燃料的燃烧需要消耗氧而放出二氧化碳。,(2)氮气：氮气占大气质量的76，它的性质很稳定，只有极少量的氮能被微生物固定在土壤和海洋里变成有机化合物。闪电能把大气中的氮氧化（变成二氧化氮），被雨水吸收落入土壤，成为植物所需的肥料。,(3) 二氧化碳：二氧化碳含量随地点、时间而异。人烟稠密的工业区占大气质量的万分之五，农村大为减少。同一地区冬季多夏季少，夜间多白天少，阴天多晴天少。

11、这是因为植物的光合作用需要消耗二氧化碳。 (4) 臭氧：臭氧是分子氧吸收短于0.24微米的紫外线辐射后重新结合的产物。臭氧 的产生必需有足够的气体分子密度，同时有紫外辐射，因此臭氧密度在2235公里处为 最大。臭氧对太阳紫外辐射有强烈的吸收作用，加热了所在高度（平流层）的大气，对平流层温度场和流场起着决定作用，同时臭氧层阻挡了强紫外幅射，保护了地球上的生命。,水汽能强烈地吸收地表发出的长波辐射，也能放出长波辐射，水汽的蒸发和凝结又能 吸收和放出潜热，这都直接影响到地面和空气的温度，影响到大气的运动和变化。,大气中的水汽来源于下垫面，包括水面、潮湿物体表面、植物叶面的蒸 发。由于大气温度远低于水

12、面的沸点，因而水在大气中有相变效应。水汽含量在大气中 变化很大，是天气变化的主要角色，云、雾、雨、雪、霜、露等都是水汽的各种形态。,杂质和微粒 大气中除了气体成分以外,还有很多的液体和固体杂质、微粒。杂质是指来源于火山爆发、尘沙飞扬、物质燃烧的颗粒、流星燃烧所产生的细小微粒和海水飞溅扬入大气后而被蒸发的盐粒，还有细菌、微生物、植物的孢子花粉等。它们多集中于大气的底层。,液体微粒，是指悬浮于大气中的水滴、过冷水滴和冰晶等水汽凝结物。 大气中杂质、微粒，聚集在一起，直接影响大气的能见度。但它能充当水汽凝结的核心，加速大气中成云致雨的过程；它能吸收部分太阳辐射，又能削弱太阳直接辐射和阻挡地面长波辐射

13、，对地面和大气的温度变化产生了一定的影响。,1.什么是大气污染 (1)大气污染的产生 地球上的大气是环境的重要组成部分。大气圈相对稳定的结构和成分，对于人类和其他生物的生存是适宜的。但是，由于人类的活动，使得排放到大气中的某些物质呈现出过量的浓度，且持续较长的时间，对人类的生活和身体健康，对设施或环境产生了不利影响，这就开成了大气污染。,第二节 大气污染的影响和危害,一、大气污染和大气污染物,3.大气污染物 （1）大气污染物从哪里来？ 大气污染的来源有自然和人为两种。 火山爆发、地震、森林火灾产生的烟尘、硫氧化物、氮氧化物等，叫作自然污染源；人类的生产、生活活动形成的叫作人为污染源。,大气污染

14、主要 来源于人类的活动，特别是工业和交通运输，因而在工业区和城市中空气 污染特别严重。,大气的污染来源及常见污染物,1.什么是大气污染 (1)大气污染的产生 地球上的大气是环境的重要组成部分。大气圈相对稳定的结构和成分，对于人类和其他生物的生存是适宜的。,但是，由于人类的活动，使得排放到大气中的某些物质呈现出过量的浓度，且持续较长的时间，对人类的生活和身体健康，对设施或环境产生了不利影响，这就形成了大气污染。,(2)大气污染:大气中污染物或由它转化成的二次污染物的浓度达到了有害程度的现象,称为大气污染。,一、大气污染的来源 大气污染包括自然污染和人为污染两方面的原因。自然污染如植物腐烂、森林火

15、灾、火山爆发等，多为一时性的。,人为污染包括生活性污染、生产性污染、交通运输污染等，,案例:哈伯的毒气与米勒的DDT 1）极端的爱国精神驱使的哈伯。 德国犹太科学家哈伯（F.Haber，18681934）一生从事化学研究，曾在1906年发明了氨的合成法，1908年又发明了合成氨的催化剂，为工业化生产奠定了基础。,1906年哈伯成为卡尔斯鲁厄大学的化学教授，1914年世界大战爆发。他所领导的实验室成了为战争服务的重要军事机构：哈伯承担了战争所需的材料的供应和研制工作，特别在研制战争毒气方面。,哈伯明知他的研究结果已经被直接用于战争，但一种偏狭的爱国热情战胜了科学家的道德良知，在遭到妻子等多人的斥责后仍然不遗余力地潜心研究威力更大的新型毒气弹，他的妻子因为对丈夫行为的负罪感而自杀。,