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1、第二章 大气环境化学,知识点：大气的结构、特点和大气稳定度， 影响污染物迁移转化的因素， 大气中污染物的产生、迁移和转化规律。 重 点：大气污染物的迁移和转化规律 难 点：光化学反应历程,ATMOSPHERIC CHEMISTRY,Climate Change,Regional Air Pollution,Acid Deposition,Stratospheric Ozone,IMPORTANCE OF ATMOSPHERIC CHEMISTRY,第1节 大气的组成和结构 第2节 大气中污染物的迁移 第3节 大气中污染物的转化,第1节 大气的组成和结构,一、大气的组成 二、大气的结构 三、辐射
2、逆温层 四、大气稳定度,大气：包围在地球表面并随着地球旋转的空气层，也称为大气圈或大气层。 大气的重要性： 地球上一切生命赖以生存的气体环境； 吸收来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和紫外辐射，是地球生命的保护伞； 是地球维持热量平衡的基础，为生物生存创造适宜的温度环境。,大气圈主要成分：空气、少量水汽、尘粒和其他微量杂质。 水汽：来自水体、土壤和植物中水分的蒸发，集中于低层大气中，含量最多不超过低层大气总量的4%，是天气现象和污染化学现象中的重要角色。 固体悬浮粒子：来自工业烟尘、火山喷尘和海浪飞逸的盐质等，包括降尘和飘尘。 空气：主要成为N2、O2、Ar、CO2等。,一、大气的组成,空
3、气的主要成分,TYPICAL ATMOSPHERIC COMPOSITION,(mole fraction),Typical units Number concentration: molecules cm-3 Mixing ratio: ppm, ppb, ppt Molecular weight of air Ma = 28.96 g mole-1 Trace chemistry Reactants are present in trace amounts,大气是一个流动体系和循环体系。气体组分的寿命少则几小时，多则达百万年以上。这与组分的性质、储量及迁出或循环的途径等有密切关系。,空气组
4、成成分的寿命,非循环气体：稀有气体（107年以上） 循环气体： 以年计：O2（600年）、N2（100年）、H2（5年）、 CO2（10年）、CO（1年）、CH4（25年）、 N2O（815年） 以天计：H2O（10.1天）、O3（0.25年）、 NH3（1天）、NO和NO2（1月）、 H2S（1天 ）、SO2（0.01年）,ATMOSPHERIC TRANSPORT TIME SCALES,Source: Introduction to Atmospheric Chemistry, Jacob, D. J., 1999,二、大气的结构,有关大气的一些数据,地表大气平均压力：1个大气压（101
5、325Pa），相当于1cm2地表上承受1034g的空气柱。 地球总表面积：5.1108km2。 大气层没有明确的上限（顶），离地面800km的高空还有少量空气存在。 大气层厚度一般为1000km。 75%的大气质量在10km范围内，99%在30km范围内，而在100 km以上的范围，空气质量仅为整个大气的百万分之一。,地球大气的区域划分,按高度划分 低层大气（lower atmosphere）：从地面到大约50km 高层大气（upper atmosphere）： 50km以上 按均匀程度划分 均质层（homosphere）：从地面到大约90km高空的大气区域物质组成相对均匀，在气体组成上变化较
6、小； 非均质层（heterophere）：大气上部区域的物质组成有较大的变化，在气体组成上有极大的变化。 按照温度随高度变化和气流运动特点分类（是最常用的方法），大气温度层结。,大气温度层结,大气温度层结和大气密度层结：静大气的温度和密度在垂直方向上的分布。 对流层（troposphere） 平流层（stratosphere） 中间层（mesosphere） 热 层（thermosphere） 逸散层（escape layer）,ATMOSPHERE STRUCTURE & BULK COMPOSITION,Pressure units 1 atm = 1.013 x 106 g cm-1 s
7、-2 1 mbar = 103 g cm-1 s-2 1 hPa = 103 g cm-1 s-2 Ideal gas law p V = Rg T p = ( Rg T)/Ma,Source: Environmental Science, Cunningham, P. W. and B. W. Saigo, 2001,范围：大气的底层，平均为012km。 厚度： 随纬度变化：赤道附近为1618km，在中纬度地区为1012km，两极附近为89km。 随季节变化夏季较厚，冬季较薄。,对流层（troposphere）,对流层（troposphere）,特点： 气温随高度升高而降低： 大气垂直递减率
8、：随高度升高气温的降低率。表征大气的温度层结。 式中 T绝对温度，K； z高度。 在对流层中，dT/dz0，且0.6K/100m，即每升高100m，温度降低0.6。,空气密度大：对流层的厚度是大气层厚度的1%，但却集中了大气总质量的3/4以上和几乎所有水蒸气。 天气现象复杂多变：存在强烈的垂直对流作用和较大的水平运动。 风、云、雨、雪、雾、雹、霜等主要天气现象与过程都发生在对流层中。,平流层（stratosphere）,范围：对流层顶（约12km）到55km的大气层为平流层。 温度变化： 25km以下，温度随高度降低变化较小，气温趋于稳定，所以又称为同温层。 从25km开始，温度随高度升高而升
9、高。,特点： 大气层稳定，下部温度低，上部温度高：气流稳定，只随地球的自转运动。 空气比下层稀薄得多，水汽、尘埃的含量甚微，很少出现云、雨等天气现象，透明度高。 在1535km范围内，有厚约20km的臭氧层，保护地球。,平流层（stratosphere）,臭氧：具有吸收太阳短波紫外线的能力，吸收的辐射转化为分子内能，使平流层温度随高度升高，同时也防止地球生命遭受高能辐射的伤害，所以臭氧层是地球生命的保护伞。,中间层（mesosphere）,范围：5585km 特点： 温度随高度增加而降低，顶部达到极低值-92左右。因而下热上冷，空气垂直运动强烈。 在约60km的高空，受到阳光照射的大气分子开始
10、电离，所以在6080km之间是均质层转向非均质层的过渡层。,热层（thermosphere）,范围：85km800km，也称电离层。 特点： 温度随高度增加而迅速上升。顶部可达1000K以上。 大气分子比中间层更加稀薄。 受宇宙射线和阳光紫外线的作用，大部分空气呈离子或自由电子的高度电离状态，所以热层又称为电离层。由于电离层能够反射无线电波，所以人类可能利用它进行远距离无线电通讯。,逸散层（escape layer）,800km以上的大气层，也称逸散层或逃逸层。 特点： 该层的温度随高度增加而略有升高。 空气极为稀薄。密度几乎与太空密度相同，所以又常称为外大气层。 空气受地心引力极小，气体及微
11、粒从该层飞出地球重力场而进入太空，逃逸层因此得名。 该层可以看作是地球大气与外太空的交界区。,OXIDIZING NATURE OF THE ATMOSPHERE,Earths atmosphere is oxidizing due to presence of O2 SO2 SO42-; CH4 CO; CO CO2; NO2 HNO3 Radicals are oxidizing agents in the atmosphere OH is the cleansing agent of the atmosphere Key to understanding atmospheric oxid
12、ant chemistry Understand radical cycling but radical cycle is intimately connected to oxidant chemistry of other trace compounds including O3 Start with O3 O3 is important from chemical, climate, and health perspectives,大 气 层 高 度 km,大气圈垂直分层,三、辐射逆温层,是一种温度随高度增加而升高的反常现象。 0时，称为等温气层；0时，称为逆温气层。 逆温根据形成过程不同
13、，可分为： 近地面层的逆温：辐射逆温、平流逆温、融雪逆温和地形逆温 自由大气的逆温：乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温,危害： 逆温阻碍了污染物的混合，使得污染物滞留和集聚。 大气化学过程中易生成二次污染物的情况，如光化学烟雾。 所以形成逆温时，易发生污染事件。,辐射逆温 形成条件： 由于热力条件而形成，由于地面的强烈辐射而冷却降温所形成，多发生在近地面层内，距地面100150m高度。 最可能发生在夜间的静止空气，即平静而晴朗的夜晚是最易形成辐射逆温。,白天：直线ABC，为递减层结； 夜间：曲线FEC，其中FE段为逆温层； 清晨：曲线DBC，逆温层DB段达到最厚； 日出：地面受太阳辐射逐渐升温，逆温层自下而上逐渐变薄至最后消失。,辐射逆温的形成过程及消失,辐射逆温也称为接地逆温，典型案例就是伦敦烟雾。,
