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1、第三章 空气中的有害物质与空气离子第一节 大气有害物质对人畜的影响 一 、大气的结构及组成（一） 大气圈及其结构 大气是自然环境的重要组成部分，是人和动物赖以生存的物质基础。在地理学上，把由于地心引力而随地球旋转的大气层叫做大气圈，大气圈的厚度约有1000km，并随着海拔高度的增加而变得稀薄。但由于大气圈与宇宙空间很难确切划分，在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈层上部边缘界定为距地面12001400km的空气层，距地面距离大于1400 km的空间，则是宇宙空间。大气圈中空气分布是不均匀的，海平面上的大气最稠密，近地层的大气密度随海拔高度上升而递减。根据大气层的物理性质，可将大气层分为：
2、1.对流层 对流层是大气圈中靠近地面密度最大的一层空气，该层空气厚度因地球纬度不同而有所差别，在极地地区其厚度为610km;在中纬度地区其厚度约为1012km，；在赤道地区其厚度可达1618km。对流层平均厚度约为12km，而其空气质量约占大气层总量的75%左右。在对流层大气里除了含有纯净的空气外，还含有一定量的水蒸气，对流层空气湿度适宜，对人和动植物的生存具有重要作用。在对流层，温度随着海拔高度的增加而减少（速率为0.65/100m），这种对流层上下层空气的温差导致了大气强烈的对流运动。由于太阳辐射和大气环流的作用，对流层出现“冷、热、干、湿、风、云、雨、雪、霜、雾、雷、电”等极其复杂的天气
3、现象。此外，人类和动物活动排放的污染物也大多聚集于对流层，即大气污染主要发生在对流层。因此，对流层尤其是靠近地面12km的近地层空气与动植物生产和人类活动关系最为密切。2.平流层 平流层位于对流层之上，上层边缘高度达8090km。平流层下部空气温度几乎不随高度而变化，称之为低温恒温层（空气温度为-55C）。低温恒温层上部边缘大约距地面为2040km。平流层的上部（距离地面4050km）空气温度随海拔高度上升而增高，在距地面5055km的平流层层顶处，气温可升至-3C0C，比对流层顶部的气温高出6070C。这是因为在平流层的上部存在着厚度为20km的臭氧层，臭氧层能强烈吸收波长为200300nm
4、的太阳紫外线，致使平流层上部气温明显地升高。在平流层中，由于上热下冷呈现逆温，因而该层很少发生大气的上下对流，极少出现云、雨、风暴等天气，大气透明度好，气流稳定。进入平流层的污染物，由于在大气层中扩散速度较慢，污染物能够在该层长期停留，有时可达数十年之久。进入平流层的氮氧化物、氯化氢以及氟利昂有机制冷剂等能与臭氧层中的臭氧发生化学反应，致使臭氧浓度降低，严重时可导致臭氧层出现“空洞”。由于空洞的出现，使到达地面的太阳辐射及紫外线增强，一方面使患皮肤癌等病的人比率增加，另一方面对地球上的生态系统构成了极大的威胁。3.中间层 中间层位于平流层层顶之上，距地面高度大约为8085km。中间层没有臭氧，
5、不能吸收紫外线，气温随高度增加而迅速下降，中间层顶部温度可降至-100C左右。由于上冷下热，该层经常发生强烈的大气垂直对流运动。4. 暖层（电离层 ） 暖层（电离层 ）位于中间层的上部，暖层的上界距地球表面约有800多公里，其下部基本上是由分子氮组成，而上部是由原子氧组成。原子氧可吸收太阳辐射光中的紫外线，因而，暖层中气体的温度随高度增加而迅速上升；由于太阳光和宇宙射线的作用，使得暖层中气体分子被大量电离，所以，暖层又称为电离层。5.外层 外层是大气圈的最外层，在暖层的上部，这层相当厚，是从大气圈逐步过渡到星际空间的大气层。距地面高度大约有8001400km，外层空气极为稀薄。（二）大气的组成
6、大气是多种气体的混合物。首先，大气是由氮（N）、氧（O）、氩（Ar）及微量的的氖（Ne）、氦（He）、氪（K r）、氙（Xe）等稀有气体组成，其中N、O、Ar三种气体占大气总体积的99.96%，这些气体的组分含量基本不变，可称之为恒定组分，主要集中在地面到高空85km这段大气层中。其次，大气中还含有CO2和水蒸气，这些气体的含量由于受地区、季节、气象以及人们生活和生产活动等因素的影响而发生变化，这些气体组分称之为可变组分；在通常情况下，水蒸气的含量为04%，CO2的含量近年来已达0.036%（详见表3-1）。表3-1 标准状态下干燥空气的组成空气成分 体积百分比（%） 重量百分比（%）氮（N2
7、） 78.09 75.1氧（O2） 20.95 23.15氩（Ar） 0.93 1.28氖（Ne） 0.0018 0.00125氦（He） 0.00052 0.000072氪（K r） 0.0001 0.00029氙（Xe） 0.000008 0.0000036氢（H） 0.00005 0.0000035臭氧（O3） 0.000004 0.000007二氧化碳（CO2） 0.03 0.046甲烷（CH4） 0.00022 0.00012据蒋展鹏，环境工程学.北京：高等教育出版社，1992大气中还含有各种不同来源的微细尘埃和自然界产生的某些化合物，称为不定组分。进入大气的尘埃有土壤和岩石表层风化
8、及粉碎而形成的地面尘，有工业生产、交通和人类活动产生的粉尘和烟尘，有火山爆发喷发出的火山尘，有森林、泥炭和草原火灾产生的烟尘，有因暴风雨溅起海水形成的细小海盐微粒海洋尘，有从宇宙空间飞来的宇宙尘埃，此外，还有有机微粒如动植物碎屑（粪、毛、皮屑及植物碎片、花粉、孢子等）以及微生物、真菌、细菌等，还有来源于自然灾害和人类社会生活消费、交通和工农业生产排放的废气，如硫、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物及恶臭气体等。这些不定组分进入大气中，可造成一定空间范围内暂时性的大气污染。 空气不利于微生物生活和繁衍，主要原因是：（1）干燥的空气可使微生物失去水分而干瘪；（2）空气中缺乏营养物质；（3）太阳辐射中紫外线
9、具有的杀菌作用。因此，大部分微生物在空气中存活时间较短。但是，当空气中存在气溶胶（固体微粒和液体微滴）时，则可为微生物提供庇护和营养。因此，空气中微生物含量与空气含尘量呈正相关，刮风时空气含尘量高，微生物附着在粒径为5m的微粒上随风传播30Km，而降水可使空气中微生物大大减少。大气中微生物有上百种，有人测定，其含量约有10000个/m3，有杆菌37种、球菌26种、丝状菌20种、芽孢菌7种，但大多数是非致病菌。二、大气污染（一）大气污染的概念 大气污染就是指在空气的正常成分之外又增加新的成分，或者使原有某种成分骤然增加，对人、畜和其它生物的健康产生了不良的影响，甚至会引起自然界发生某些变化。大气
10、中的污染物质来自自然界和人为两方面。自然界的火山爆发、森林火灾、地震和开采各种天然矿藏可产生大量的污染物质(如各种微粒、硫化氢、硫氧化物、各种盐类和异常气体)等，能造成局部的或短期的大气污染。人为的污染物主要来自为工业生产过程和人类生活排放的有毒、有害气体、微生物和烟尘，如氟化物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氧化铁微粒、氧化钙微粒、砷、汞、氯化物、各种农药的气体等。畜牧场和畜产品加工厂既可排放氨、硫化氢、甲烷、吲哚、粪臭素等有害气体，也可以排放粉尘和微生物（详见表3-2）。表3-2 空气污染物的种类固体（颗粒）污染物种类气体状态污染物种类一次性气体污染物 二次性气体污染物粉尘飞尘烟黑烟雾煤烟
11、含硫化合物碳氧化合物含氮化合物碳氢化合物卤素化合物SO2，H2SCO2、CONO、NH3、NO2CmHnHCL，HFSO3、H2SO4、M SO4（硫酸盐）无H NO3 、 MNO3（硝酸盐）、O3醛、酮、酯无 （二）大气污染的危害1 大气污染对空气环境的危害 烟尘对太阳光有一定的吸收和散射能力，因此，烟尘可以减少太阳直接辐射到地球表面的辐射强度，导致空气浑浊度增加，能见度降低。大气中的酸性污染物与降水结合，产生酸雨，造成水体污染，导致水生生物大量死亡，污染土壤，导致农作物减产。大气中的二氧化碳、尘埃等能使大气产生“温室效应”，引起全球气温升高，造成冰川融化，海平面上升，导致沿海城市被淹，土壤
12、盐碱化，气温升高还导致大陆局部地区干旱，水涝、土地沙漠化等灾害频繁发生。由于人类使用氯氟烃做空调、冰箱等制冷剂，可导致大气层臭氧层被破坏。2. 大气污染对动物的危害 大气污染首先对动物呼吸器官造成危害，当动物吸入受到污染的空气时，可引起呼吸器官机能的改变，影响肺组织的气体交换。同时，进入肺泡的污染物质可迅速被吸收、不经肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；其次，大气污染可以影响动物体血液中血红蛋白的运输氧的功能。实验证明：当血液中碳氧血红蛋白达到5%时，可损害血红蛋白输送氧的能力相当于丧失200毫升的血液。对贫血和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重影响。第三，大气污染对动物体可产生急性和慢性中
13、毒，当大量有毒物质浓度急剧增加时，可产生急性毒害作用，当大气污染物浓度低，但长期作用也能使动物产生慢性中毒。3大气污染对植物的危害 绿色植物除提供动物营养物质以外还具有吸收有害气体、过滤烟尘、杀灭病菌、减弱噪音等作用。但是，大气污染物如二氧化硫、氟化氢、光化学烟雾、乙烯等可对植物产生毒害作用，造成植物倒伏枯死，烟尘堵塞植物呼吸孔，影响植物光合作用，使植物营养供给发生障碍，导致植物不能正常生长。4大气污染对水生生物系统的影响 大气污染物中的硫氧化物、氮氧化物及二氧化硫在金属离子催化剂作用下，与大气中的水气结合形成酸雨，酸雨降落到湖泊江河对水生生物构成潜在的危害。由于酸雨的作用使水pH降低，导致有
14、些重金属如镉、锌、铅和汞等溶解，这些重金属离子通过食物链被水生生物吸收和富集，对人类健康构成很大威胁。 （三）大气中的主要污染物1.二氧化碳 二氧化碳（CO）含量的变动与气温关系极为密切，CO允许来自太阳的短波辐射通过而到达地面，从而使地温和低层大气的温度增高。但是却不允许从地表放射出来的长波辐射(热辐射)透过，而且能够强烈地吸收长波辐射，从而阻止热辐射扩散到高空中去，从而把热量储存在大气中，使大气的平均温度增高，这种现象称之为二氧化碳的“温室效应”。因此，所谓温室效应就是指大气CO含量的增加引起气温升高的现象。近一个世纪以来，工业发展排放的二氧化碳量大为增加，其中约有1/3不能被绿色植物和水体所吸收而在大气中积累起来，这样，随着二氧化碳数量的不断增加，“温室效应”亦越来越强，导致地表上的空气温度越来越高。据估测，如果空气二氧化碳含量增加一倍，则平均气温至少上升2。温室效应导致全球气候变暖，其结果是冰山溶化，海平面上升，沿海城市和农田被淹没，局部地区出现严重的干旱或洪涝。为了避免上述不良倾向，首
