《大氣環(huán)境化學(xué)》課件：ozone-1

1、平流層化學(xué)和臭氧層耗損平流層化學(xué)和臭氧層耗損對流層化學(xué)和光化學(xué)煙霧對流層化學(xué)和光化學(xué)煙霧主要內(nèi)容主要內(nèi)容1）平流層大氣中的臭氧）平流層大氣中的臭氧2）平流層中幾個主要物種族循環(huán)）平流層中幾個主要物種族循環(huán)3）臭氧層的耗損）臭氧層的耗損4）南極臭氧層的異常變化）南極臭氧層的異常變化平流層中的主要物種族平流層中的主要物種族1、族間時間尺度大、族間時間尺度大2、族內(nèi)時間尺度小、族內(nèi)時間尺度小3、族間有相互作用、族間有相互作用 平流層研究中引入物種族的概念，使得問題討平流層研究中引入物種族的概念，使得問題討論更為系統(tǒng)化、更有條理。論更為系統(tǒng)化、更有條理。1 1）平流層大氣中的臭氧）平流層大氣中的臭氧平

2、流層大氣中有臭氧平流層大氣中有臭氧層、集中了整層大氣層、集中了整層大氣中的大部分臭氧中的大部分臭氧臭氧的測量和單位臭氧的測量和單位臭氧柱體總量臭氧柱體總量指相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫指相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下，底為度下，底為1平方厘米的平方厘米的垂直柱中的臭氧量，通常垂直柱中的臭氧量，通常約為約為0.3大氣厘米?；虼髿饫迕住；?00 Dobson（1大氣厘米臭氧為大氣厘米臭氧為1000 Dobson單位）單位）19951995年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎The 1995 Nobel Prize in Chemistry for their work in atmospheric chemistry,

3、 particularly concerning the formation and decomposition of ozone.臭氧與輻射臭氧與輻射臭氧吸收太陽輻射的紫外和可見光區(qū)（臭氧吸收太陽輻射的紫外和可見光區(qū)（12 W/m12 W/m2 2），），同時吸收地面發(fā)射的同時吸收地面發(fā)射的9.69.6 m m的紅外輻射的紅外輻射（8 W/m8 W/m2 2）。臭氧本身發(fā)出輻射量（臭氧本身發(fā)出輻射量（4 W/m4 W/m2 2），），60%60%向外。向外。平流層臭氧變化的凈輻射效應(yīng)決定于：平流層臭氧變化的凈輻射效應(yīng)決定于：對流層太陽輻射通量的增加（減少）對流層太陽輻射通量的增加（減少）與與

4、從冷（暖）平流層向下輻射量的減少（增加）的平衡。從冷（暖）平流層向下輻射量的減少（增加）的平衡。A：大氣上界，：大氣上界，B：地面，：地面，C：30km.輻射衰減到大氣上界輻射通量輻射衰減到大氣上界輻射通量1/e的對應(yīng)高度的對應(yīng)高度生物對太陽輻射的敏感性生物對太陽輻射的敏感性UVUV與健康與健康UV-A: 320-400 nm; 大部分達到地面大部分達到地面無害無害 可能影響免疫系統(tǒng)可能影響免疫系統(tǒng) 古銅色皮膚古銅色皮膚UV-B: 290-320 nm; 大多數(shù)有害大多數(shù)有害 比比UV-A更有害更有害 生物體對輻射有反應(yīng)生物體對輻射有反應(yīng) 不象不象UV-C那樣被臭氧完全吸收那樣被臭氧完全吸收

5、可導(dǎo)致皮膚癌和眼病（白內(nèi)障）可導(dǎo)致皮膚癌和眼?。ò變?nèi)障） 過多的過多的UV-B可使植物生長緩慢可使植物生長緩慢UV-C: 200-290; 能量更多，更有害，能量更多，更有害， 但被臭氧吸收，很少達到地面但被臭氧吸收，很少達到地面 DNA的吸收峰值是在的吸收峰值是在UV-C區(qū)域區(qū)域臭氧減少引起的臭氧減少引起的UVBUVB增加和氣候變增加和氣候變化對地面生命活動的影響化對地面生命活動的影響臭氧的形成臭氧的形成 平流層中臭氧和平流層中臭氧和UVUV的相互作用的相互作用臭氧生成臭氧生成吸收紫外（和其他波段輻射）吸收紫外（和其他波段輻射） 激發(fā)光化學(xué)循環(huán)激發(fā)光化學(xué)循環(huán) 生態(tài)效應(yīng)生態(tài)效應(yīng) 氣候效應(yīng)氣候效

6、應(yīng)奇氧族循環(huán)奇氧族循環(huán)奇氧族的濃度滿足如下不等式奇氧族的濃度滿足如下不等式O(O(1 1D)D)OOOO3 3 平流層臭氧的產(chǎn)生和輸送平流層臭氧的產(chǎn)生和輸送平流層中臭氧的生命時間平流層中臭氧的生命時間 = O= O3 3/P(O/P(O3 3) )赤道地區(qū)：赤道地區(qū)：15km15km，3 3年；年；40km40km，1 1天。天。赤道赤道20km20km以下，極地以下，極地40km40km以下，以下，O O3 3有足夠時間輸送有足夠時間輸送在高于這些高度上的地方，臭氧是局地產(chǎn)生而不是輸送來的。在高于這些高度上的地方，臭氧是局地產(chǎn)生而不是輸送來的。產(chǎn)生速率最大的是赤道產(chǎn)生速率最大的是赤道40km

7、40km處處2 2） 平流層中幾個主要物種族循環(huán)平流層中幾個主要物種族循環(huán)每個族都含有三種基本類型的物種：每個族都含有三種基本類型的物種：源分子、活性基和儲庫分子源分子、活性基和儲庫分子奇氫族的循環(huán)奇氫族的循環(huán)奇氫族的循環(huán)奇氫族的循環(huán)平流層中平流層中NOx和和NOy的源和匯的源和匯NOx =NO+ NO2NOy =NOx+所有氮氧化物所有氮氧化物奇氮的循環(huán)奇氮的循環(huán)N循環(huán)循環(huán)平流層平流層CH4的光化學(xué)反應(yīng)的光化學(xué)反應(yīng)1、甲烷反應(yīng)的最終效果是生成了、甲烷反應(yīng)的最終效果是生成了CO2、H2O和和H2。2、甲烷是平流層中、甲烷是平流層中20km以上高以上高度的水汽分子的主要來源。度的水汽分子的主要來

8、源。3、甲烷是平流層下部奇氫的重要、甲烷是平流層下部奇氫的重要源。源。4、當(dāng)有、當(dāng)有NO存在時，甲烷氧化可存在時，甲烷氧化可 導(dǎo)致產(chǎn)生導(dǎo)致產(chǎn)生O3。5、甲烷是平流層中、甲烷是平流層中CO的主要源。的主要源。平流層中平流層中ClOx和和Cly的源和匯的源和匯CFC11CCl3FHCFC22HFC125CHClF2CF3-CHF2CFC12CCl2F2CFC113F:3,H:0,C:2CF2ClCFCl2進入平流層的氯的主要來源進入平流層的氯的主要來源CFCs對全球環(huán)境的雙重威脅對全球環(huán)境的雙重威脅臭氧破壞臭氧破壞溫室效應(yīng)溫室效應(yīng) ClO3ClOO2 ）ClOOCl O2 凈反應(yīng)：凈反應(yīng)： O3O

9、2O2中止反應(yīng)中止反應(yīng)氯族循環(huán)氯族循環(huán)第一儲庫第一儲庫第三儲庫第三儲庫第二儲庫第二儲庫平流層中氯化學(xué)平流層中氯化學(xué) 2（Br O3 BrOO2） ） 2BrO 2Br O2 凈反應(yīng)：凈反應(yīng)： 2O3 3O2白天晚上一樣重要白天晚上一樣重要BrO3BrOO2 ClO3ClOO2 ）BrOClOBrClO2 凈反應(yīng)：凈反應(yīng)： 2O3 3O2“并發(fā)癥并發(fā)癥”反應(yīng)反應(yīng)（1）煙熏土壤，每年）煙熏土壤，每年2060千噸，千噸， 煙熏劑中大約煙熏劑中大約50%被釋放到大氣中。被釋放到大氣中。（2）生物體燃燒，每年）生物體燃燒，每年1050千噸；千噸；（3）含鉛汽油的汽車廢氣，）含鉛汽油的汽車廢氣， 每年每年

10、0.51.5千噸或千噸或922千噸（？）；千噸（？）；（4）海洋，每年）海洋，每年60160千噸。千噸。甲基溴的源：甲基溴的源：Chemistry of the Stratosphere3）臭氧層的耗損）臭氧層的耗損1、自然變化在、自然變化在 75 Dobson單位單位2、太陽黑子、太陽黑子11年循環(huán)，影響為年循環(huán)，影響為1-3%3、 1979-1994期間有期間有6%的減少的減少 ( 火山排放的火山排放的SO2 吸收吸收UV)4、中緯度減少最嚴(yán)重，赤道基本不變化。、中緯度減少最嚴(yán)重，赤道基本不變化。非極地地區(qū)臭氧變化趨勢非極地地區(qū)臭氧變化趨勢Total Ozone Reduction Rat

11、io vs Latitude in China(1975-1993)00.10.20.30.40.50.60.70.8202530354045505560latitudedecrese ratio(%/yr)我國不同地區(qū)柱體臭氧濃度年遞減率我國不同地區(qū)柱體臭氧濃度年遞減率1985年英國的年英國的J.Farman領(lǐng)導(dǎo)的研究組提出領(lǐng)導(dǎo)的研究組提出轟動并震驚整個科學(xué)界的發(fā)現(xiàn)：南極上空轟動并震驚整個科學(xué)界的發(fā)現(xiàn)：南極上空平流層臭氧在春季有劇烈減少的現(xiàn)象，當(dāng)平流層臭氧在春季有劇烈減少的現(xiàn)象，當(dāng)時的理論不足以解釋這個現(xiàn)象。這就是被時的理論不足以解釋這個現(xiàn)象。這就是被媒體稱為媒體稱為“南極臭氧洞南極臭氧洞”

12、現(xiàn)象?，F(xiàn)象。Polar Ozone DepletionFarman et al., Nature, 19854）南極臭氧層的異常變化）南極臭氧層的異常變化十月南極洲十月南極洲 O3趨勢趨勢臭氧洞可達到南美洲臭氧洞可達到南美洲南極站臭氧的垂直廓線南極站臭氧的垂直廓線平流層臭氧被氯和溴破壞的證據(jù)平流層臭氧被氯和溴破壞的證據(jù)PSCPSC理論可解釋以下的觀測事實理論可解釋以下的觀測事實1. 臭氧洞出現(xiàn)在溫度低于臭氧洞出現(xiàn)在溫度低于-80 C的極地渦旋中且的極地渦旋中且PSC非常多。非常多。2. 臭氧洞局限于平流層下部，即下部臭氧損耗最大。臭氧洞局限于平流層下部，即下部臭氧損耗最大。3. 當(dāng)太陽照射渦旋

13、時，臭氧洞產(chǎn)生；當(dāng)太陽照射渦旋時，臭氧洞產(chǎn)生； 而當(dāng)溫度高于而當(dāng)溫度高于-80 C 時，時，PSC消散，臭氧洞消失。消散，臭氧洞消失。4. 臭氧洞與低濃度的臭氧洞與低濃度的NOx密切相關(guān)。密切相關(guān)。5. 臭氧洞與低濃度的氯儲庫成分（臭氧洞與低濃度的氯儲庫成分（HCl和和ClONO2）相關(guān)，）相關(guān)， 與高濃度的活性氯成分與高濃度的活性氯成分ClO和副產(chǎn)品如和副產(chǎn)品如OClO 有關(guān)。有關(guān)。6. 在臭氧洞中，在臭氧洞中，ClO濃度與臭氧濃度有精確的反相關(guān)，濃度與臭氧濃度有精確的反相關(guān)， 高濃度高濃度ClO伴隨著低濃度臭氧。該相關(guān)有精確的定量關(guān)系。伴隨著低濃度臭氧。該相關(guān)有精確的定量關(guān)系。7. 實驗室實驗表明氯的儲庫成分在冰粒子表面反應(yīng)產(chǎn)生活性氯。實驗室實驗表明氯的儲庫成分在冰粒子表面反應(yīng)產(chǎn)生活性氯。8. 在極地平流層中的空中觀測表明經(jīng)過含在極地平流層中的空中觀測表明經(jīng)過含PSC地區(qū)的空氣中氯地區(qū)的空氣中氯 的儲庫成分濃度低而活性氯濃度高。的儲庫成分濃度低而活性氯濃度高。南極臭氧洞現(xiàn)象南極臭氧洞現(xiàn)象南極臭氧洞的成因南