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1、第一节 大气环境化学基础知识 地球上的大气是自然环境的组成部分。人类一刻也离不开大气，没有大气就没有地球上的生命，就没有生机勃勃的世界。大气又是人类极其重要的自然资源。 在环境保护中，对室内或某个特定场所或区域（如教室、车间等），供人和动植物生存的气体称为“空气”。 而以大区域或全球性的气流为研究对象时，则采用“大气”一词。 总之：空气和大气均指围绕地球周围的气体。二、大气层结构气象要素（气压、气温、大气密度、化学组成等）的垂直分布情况叫做大气层结构。根据大气温度随高度垂直变化情况将大气层分为五层，分别为对流层、平流层、中间层、热层、逸散层。 a、对流层：大气层最低的一层，平均厚度12km,赤
2、道附近为1618km，两极8-9km，中纬度地区为1012km.云雨主要发生层，夏季厚，冬季薄。主要成分：N2、O2、H2O、CO2、Ar 特点：（1）空气密度大，含有全部大气质量34的大气和几乎所有的水气。（2）气温随高度升高而降低(低纬度地区对流层顶的气温约- 83，高纬度地区对流层顶的气温约-53)。约每升高100m，温度降低0.6 -下热上冷（3）垂直方向上发生对流运动，使得对流层上下空气发生交换。-有利于污染物稀释扩散。（4）天气复杂多变。对流层水汽、尘埃较多，雨、雪、云、雾、雹、霜等主要天气现象发生在这一层。-主要大气污染现象发生在此层。b、平流层：对流层顶以上距地面约在50 之间
3、，主要成分O3 、O2 、N2 、He、Ne、 Kr、Xe、H2 。特点：（1）在25km以下的低层，随高度增加气温保持不变，为等温 层。从25km开始，气温随高度的增加而升高，到平流层 顶，温度可接近273.15K，-上热下冷，逆温层（大气 温度随高度增加而升高的现象）（2）在10-35km的范围内存在厚度约20km的臭氧层，其含量在 20-25km处达到最大。臭氧层可强烈吸收太阳紫外辐射。（3）空气垂直对流运动很小，只能随地球自转而产生平流运 动，所以该层内气体非常稳定，进入该层的污染物形成 一薄层遍布全球，且停留时间长。（4）空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，没有天气现 象，透明度极高
4、，飞机多在该层底部飞行。c、中间层 （平流层顶80Km)，主要成分：N2、O2为主，几乎没有O3.特点： （1） 空气更稀薄 （2）无水分 （3）由于臭氧层的消失，又没有其他能吸收射线的物质， 故温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低，可 降到190.15160.15K,空气垂直对流运动相当强烈， -上冷下热。d、热层（暖层）： 从80km到约800km的地方，主要成分：下层为氮气，上层为氧、氦等气体的原子状态。特点：（1）大气更为稀薄，大气质量仅占总质量的0.5;（2）能够吸收太阳紫外线和宇宙射线的能量，波长小于150nm的紫外线几乎全部被吸收，温度 随高度增加而迅速增高，顶部温度可达10
5、00K；（3）在太阳紫外线和宇宙射线作用下，该层空气处 于高度电离状态，因此也称为电离层，越望上 原子态越多，可以反射无线电波，对远距离通 讯有重要作用。e、逸散层（1）800km以上高空，关于该层的上界到哪还没 有一致的看法。（2）空气稀薄，密度几乎与太空相同，故又常称 为外大气层（3）空气分子受地球引力极小，所以气体及其微 粒可以不断从该层逃逸出去。（4）该层的温度随高度增加而略有增加。三、大气温度层结 静大气的温度在垂直方向上的分布1. 气温垂直递减率：单位高度（通常为100m）气温变化的负值r=dT/dz气温随高度增加而降低， r0， 称为递减层结；如对流层、中间层；=0.6K/100
6、m，每升高100m，气温降低0.6k()等温层， r=0；气温随高度增加而增加， r0，称为递增层结；如平流层上层、热层，也称为逆温层。2.辐射逆温层 指地面由于向空中进行长波辐射而冷却，进而造成地面附近大气的温度随着高度的增加而升高的现象。 辐射逆温层形成的原理 太阳向地面辐射主要是短波辐射，地面吸收了短波辐射而升温，同时向空中辐射长波辐射，而大气吸收短波辐射的能力弱，吸收长波辐射的能力强，因而近地面的大气受地表的影响最大。 地面温度升高，近地层空气温度自下而上升高； 地面温度降低，近地层空气温度自下而上降低。 在夜晚，地面不再接受太阳辐射能量，同时地面因强烈的有效辐射而很快冷却，近地面气层
7、冷却最为强烈，较高的气层冷却较慢，下冷上热，形成了自地面开始逐渐向上发展的逆温层，即辐射逆温层。 主要发生在对流层，距地面100-150米的高度内；平静而晴朗的夜间；有风、云都能减弱逆温，若风速超过23m/s，辐射逆温就不易形成。特点：空气对流运动弱，不利于污染物扩散,使污染物滞留在局地，造成局地大气污染物的聚集。四、 大气稳定度在大气中取一个微小容积的气块，称空气微团，简称气块。当气块由于某种原因受到外力的作用时，会产生上升或下降 的垂直位移，当外力消失后，会发生三种情况： 稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势； 不稳定：气团离开原来位置后有继续离开的趋势； 大气稳定度：是指大气中某一高度上
8、的气块在垂直方向上相对稳定的程度。它与风速及空气温度随高度的变化有关。 中性：气团被外力推到哪里就停到哪里或等速运动； 大气科学中将大气稳定度细化为六类。 气块在大气中稳定度与大气垂直递减率和干绝热垂直递减率 两者有关干绝热垂直递减率(rd)研究对象：气块绝热过程：状态变化过程中，气块与周围环境间没有发生热量交换。干过程：固定质量的气块所经历的不发生水相变化的过程。没有液态水或固态水的出现。干气块在绝热上升过程中，高压区低压， 膨胀降温，温度降低；相反，在绝热下降 过程中，压缩升温，温度升高。 是可逆的绝热过程。干绝热垂直递减率：气块在干绝热过程中其 温度随高度的变化根据理论推导 ：d =0.
9、98/100m 1/100md基本为一不变常数 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：气团被外力推到哪里就停到哪里或等速运动（r=rd）一般认为，当污染源排放的污染物刚进入大气环境的时候，当污染气团作垂直升降运动时，近似为一个干绝热过程。 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。五、影响大气污染物迁移的因素 1、气象动力因子的影响（
10、1）风：气压在水平方向的差异而引起水平方向的空气运 动。高压区 低压区；风对污染物扩散的作用： 整体的输送作用、污染物的稀释作用 风的两个基本特征：风速和风向 风速：单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。 由于地表摩擦作用，越近地面，风速越低；高度越高，风速越大，单位时间内污染物被输送的距离越远。对污染物的稀释程度主要取决于风速，风速大小直接决定了某一地区污染物的扩散和稀释的状况，一般情况下，污染物在大气中的浓度与污染物的总排放量成正比，与平均风速成反比。污染物浓度污染物总排放量/平均风速 风向：影响污染物扩散的方向(2)大气湍流流体的
11、运动形态层流：流体做有规则的运动，流速小；湍流：流体以不同尺度做无规则运动， 流速大，对流体搅动程度大。大气湍流：风速有大小，具有时强时弱的阵发性，并在主导风向上会出现上下左右无规则的阵发性搅动（如漩涡），大气以不同的尺度做无规则运动的流体状态。是大气的一种重要的运动形式。湍流的作用：不断将新鲜空气卷入污染烟气中，或将烟气卷入污染空气中，使污染物分散稀释。湍流尺度的大小对污染物的扩散稀释有很大影响风和湍流共同作用，影响大气中污染物的分散，但湍流影响为主。风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度就越低。2、天气形势和地形地貌（1）天气形势 大范围气压分布的情况 局部地区的气象条件（风、雨、雪等），受天气形势的影响。因此局部地区大气污染物的扩散与大气的天气形势相互联系。 如下层逆温（高压区的下沉气流形成上热下冷现象），持续时间长，分布广，使得污染物长时间积累在逆温层中不易扩散。（2）地形地貌地形地貌不同，从污染源排出的污染物的危害程度也不同；地形地貌的差异，往往形成局部空气环流，对当地的大气污染起显著作用。 典型的局部空气环流：海陆风、山谷风、城市热岛效应。8
