【環(huán)境化學】第一章大氣環(huán)境化學第一節(jié)大氣的組成和主要污染物課件

1、第二章 大氣環(huán)境化學1第1頁，共40頁。大氣環(huán)境化學的任務研究大氣中主要污染物的存在、化學特性、遷移、轉(zhuǎn)化、環(huán)境效應、危害及其如何控制的化學原理和方法。第二章 大氣環(huán)境化學2第2頁，共40頁。第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物 1.1 大氣的重要性及主要大氣環(huán)境問題 1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu) 1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念 1.4 大氣的化學組成 1.5 大氣污染物的分類及來源第二章 大氣環(huán)境化學3第3頁，共40頁。1. 大氣對地球的重要作用 一切生命賴以生存的氣體環(huán)境人和動物：呼吸O2，1012m3空氣（13kg）/天 植物：光合作用CO2 地球的保護傘：吸收來自太陽和宇宙空間的大部分高能宇宙

2、射線和紫外輻射； 適宜溫度：天然溫室效應為生物生存創(chuàng)造了適宜的溫度環(huán)境。第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.1 大氣的重要性及主要大氣環(huán)境問題4第4頁，共40頁。2. 大氣環(huán)境問題當代國際三大環(huán)境熱門話題都是發(fā)生在大氣圈的物理化學過程全球氣候變化酸沉降臭氧損耗第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.1 大氣的重要性及主要大氣環(huán)境問題5第5頁，共40頁。第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物 1.1 大氣的重要性及主要的大氣環(huán)境問題 1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu) 1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念 1.4 大氣的化學組成 1.5 大氣污染物的分類及來源第二章 大氣環(huán)

3、境化學6第6頁，共40頁。1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu)大氣圈(Atmosphere) 定義：包圍在地球表面并隨地球旋轉(zhuǎn)的空氣層，稱大氣圈或大氣層相關術(shù)語：空氣和大氣空氣：習慣上將供人類和動植物活動的某個場所的氣體環(huán)境稱為空氣大氣：大區(qū)域或全球性的氣流.第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物7第7頁，共40頁。2. 大氣圈分層依據(jù)層結(jié)作用大氣在垂直方向的自然分布密度層結(jié)大氣的密度在垂直方向的分布溫度層結(jié)大氣的溫度在垂直方向的分布 第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu)8第8頁，共40頁。大氣圈溫度層結(jié)T(K)Z(km)200160240280806

4、0402001009第9頁，共40頁。3. 大氣圈結(jié)構(gòu)對流層平流層中間層熱層逸散層中間層熱成層Z(km)T(K)200160240280806040200100對流層平流層環(huán)境化學研究范圍第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu)10第10頁，共40頁。對流層（Troposphere）位置：大氣的最底層;厚度：平均厚度12km，隨緯度和季節(jié)變化；赤道1618km；兩極89km；中緯度1012 km；平均12km夏季厚，冬季薄3. 大氣圈結(jié)構(gòu)第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu)11第11頁，共40頁。對流層進一步分層 近地

5、層 地面至10m（100m）; 大氣與地表之間較大的摩擦力； 邊界層 近地層頂至 300m（10002000m） 較大的內(nèi)摩擦力 自由大氣層 1km至10km（對流層頂） 受地表影響小，理想氣體第一節(jié)1.2 大氣圈12第12頁，共40頁。對流層 氣溫隨高度升高而降低：大氣降溫率-0.6K/100m；上冷下熱，垂直方向?qū)α?，有利于污染擴散；逆溫（上熱下冷）易發(fā)生污染事件； 空氣密度大：平均厚度1012km(1%)，大氣總質(zhì)量的3/4以上 天氣現(xiàn)象復雜多變 大氣污染及其遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在該層13第13頁，共40頁。平流層（Stratosphere）位置：對流層頂?shù)郊s50km的大氣層溫度層結(jié)：平流層

6、的下層，大約25km以下，氣溫保持不變或稍有上升，稱為同溫層。大約25km以上，溫度隨高度升高而升高，平均遞增率為 1.4K/km，到平流層頂，溫度接近0空氣對流運動小，隨地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生平流運動；平流層底部（1020km）的空間是現(xiàn)代高速飛機的理想飛行區(qū)域3. 大氣圈結(jié)構(gòu)第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu)14第14頁，共40頁。平流層密度層結(jié)：空氣稀薄，水汽、塵埃甚微，透明度高；臭氧層：高約1535km范圍內(nèi)，厚約20km的臭氧層；90吸收太陽短波紫外線，防止地球遭受高能輻射吸收太陽輻射轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)能，平流層的溫度隨高度升高而升高15第15頁，共40頁。

7、中間層（Mesosphere）位置：從平流層頂?shù)?0km的高度稱中間層；溫度層結(jié)：溫度隨高度增加而降低 (頂：-100) Why？層內(nèi)熱源僅靠其下部的平流層提供空氣的垂直運動相當激烈（與對流層類似）密度層結(jié)：空氣更加稀薄，無水分； 60km的高空，大氣分子開始電離。主要組成：N2、O2、O2+、NO+16第16頁，共40頁。熱成層/電離層（Thermosphere/Ionosphere）高度范圍：80km500km溫度層結(jié)：溫度隨高度增加而迅速增加，300km以上，1000K電離成離子或自由電子：電離層能反射無線電波，遠距離無線通訊17第17頁，共40頁。逸散層/逃逸層（Exosphere）位

8、置：熱層以上的大氣層；密度層結(jié)：極為稀薄，與太空密度相當；外大氣層空氣受地心引力極小，飛出地球重力場進入太空。18第18頁，共40頁。大氣環(huán)境化學研究的主要領域?qū)α鲗?部分平流層污染物質(zhì)進入平流層，形成薄層，污染物遍布全球飛機排放的廢物可破壞臭氧層，全球性環(huán)境問題19第19頁，共40頁。第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物 1.1 大氣的重要性及主要的大氣環(huán)境問題 1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu) 1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念 1.4 大氣的化學組成 1.5 大氣污染物的分類及來源第二章 大氣環(huán)境化學20第20頁，共40頁。1. 源（Source）和源強（Fi） 源大氣組分產(chǎn)生的途徑和過程天然源自然界發(fā)

9、生的物理、化學、生物過程向大氣輸送物質(zhì)。人為源人類生活、生產(chǎn)活動向大氣輸送污染物源強進入大氣的組分輸入速率(Fi）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念21第21頁，共40頁。2. 匯（Sink）和匯強（Ri）匯 指大氣組分從大氣中去除的途徑和過程降水濕去除化學反應轉(zhuǎn)化地表物質(zhì)吸收或反應去除向平流層輸送匯強從大氣輸出組分的速率（Ri）第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念22第22頁，共40頁。大氣組分動態(tài)平衡的盒子模式把大氣圈看做一個盒子，是各種大氣組分的儲庫（Reservoir）當F

10、iRi時，大氣組分的質(zhì)量Mi恒定（千百年的地質(zhì)變化過程中，F(xiàn)iRi）23第23頁，共40頁。當Fi Ri時：污染物相對積累24第24頁，共40頁。3. 停留時間（Residence time）定義：某種組分在進入大氣后到被清除之前在大氣中停留的平均時間稱為平均停留時間或停留時間（存在時間、壽命）清除的含義：沉降化學轉(zhuǎn)化 大氣中的總貯量Mi / Fi 或者Ri第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念25第25頁，共40頁。例題：計算對流層氣中CH4的停留時間已知CH4在對流層的平均濃度 c1.55106 （w/w），且不隨時間變化；已知： 大氣

11、的總質(zhì)量5.141018 kg； FCH4RCH41.51014（mol/a）； 對流層占總大氣圈質(zhì)量的比例：3/4； CH4的相對分子質(zhì)量為16；26第26頁，共40頁。MCH4=(5.141018103)(3/4)(1.5510-6) /16 =3.73 1014 mol甲烷的保留時間 MCH4 / FCH4 3.731014/1.5 1014 2.4（a）27第27頁，共40頁。研究停留時間的意義某組分的停留時間越長，表明該組分在離開大氣或轉(zhuǎn)化成其它物質(zhì)以前，在環(huán)境中存留的時間也越長；某組分的停留時間越長，表明該組分在大氣中的儲量相對于輸入（出）來說是很大的，即使人類活動改變了該組分的的

12、輸入（出）速度，對其總量的影響也不明顯；若組分停留時間越短，其輸入（出）速率的改變就對總貯量很敏感。28第28頁，共40頁。大氣中各組分的停留時間惰性氣體：Ar、Ne、He、Kr、Xe 107（a），準永久性氣體或非循環(huán)氣體生物循環(huán)氣體：N2（100a）、O2（6000a） H2（5a）、 CO2（10a） CH4（2.4a）、N2O（815a） CO（1a） 可變化組分小于1年的氣體： H2O（10.1d） O3（1d） SO2（0.02a）NH3（1d） NO和NO2（1 month）強可變化組分29第29頁，共40頁。4. 大氣污染物的濃度表示法混合比單位表示法（體積、質(zhì)量）；單位體積內(nèi)

13、物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)；單位體積內(nèi)物質(zhì)的數(shù)量表示法。第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念30第30頁，共40頁?；旌媳葐挝槐硎痉▁（ppm）(部分/全部)106（V/V，W/W）x（pphm）(部分/全部)108x（ppb） (部分/全部)109x（ppt） (部分/全部)1012主要用于氣態(tài)污染物低濃度物質(zhì)O3的本底值0.03ppm，CO2的本底值320ppm31第31頁，共40頁。單位體積內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)表示法氣體g/m3；顆粒物g/m3x (g/m3 )污染物的質(zhì)量(g)/空氣的取樣體積(m3)106單位換算關系 ppm g/m3 (22.

14、4 / M) 10-3 22.4理想氣體體積（L） M氣體摩爾質(zhì)量（g/mol） 條件標準大氣壓（1.01105Pa） 273K（0）32第32頁，共40頁。單位體積內(nèi)物質(zhì)的數(shù)量表示法分子/cm3用于比ppt還要低的濃度水平標準大氣壓下（1.013105Pa），273K（0），每1立方厘米空氣中的分子數(shù) (6.0231023/22.4)10-3=2.691019分子/cm3 1ppm相當于2.691013分子/cm3 OH自由基在污染空氣中的濃度0.1ppt2.69106分子/cm333第33頁，共40頁。5. 環(huán)境本底值(Environmental Background Value)定義：指

15、自然環(huán)境在未受污染的情況下，各種環(huán)境要素中的化學元素或化學物質(zhì)的基線含量，又叫環(huán)境背景值.說明：任何一種化合物都有可能成為環(huán)境污染物；當今的環(huán)境中都含有一定量的污染物，要取得絕對準確的環(huán)境背景值資料比較困難，相對的概念；同一環(huán)境要素在不同的地理/地質(zhì)環(huán)境中，背景值不同第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念34第34頁，共40頁。干潔大氣和本底值干潔大氣干燥清潔的空氣大氣組成的“本底值”近海平面潔凈的大氣組分的含量來表示。35第35頁，共40頁。第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物 1.1 大氣的重要性及主要的大氣環(huán)境問題 1.2 大氣圈層結(jié)構(gòu) 1

16、.3 大氣環(huán)境化學研究中的基本概念 1.4 大氣的化學組成 1.5 大氣污染物的分類及來源第二章 大氣環(huán)境化學36第36頁，共40頁。1. 大氣的化學組成總質(zhì)量：5.141018kg主要組分：氮氣（N2）、氧氣（O2）次要組分：氬氣（Ar）和二氧化碳（CO2） 占總大氣的99.992（體積分數(shù)）痕量組分：惰性氣體和微量有毒氣體 NO、NO2、CO、SO2、H2S第二章 大氣環(huán)境化學 / 第一節(jié) 大氣的組成和主要污染物1.4 大氣的化學組成37第37頁，共40頁。干潔大氣組分N278.08 O220.95Ar0.93 CO20.032He1.8210-3 CH41.3 10-5 Kr1.2 10-5 H2 5 10-5N2O2.5 10-5 CO 1.0 10-5 O32.0 10-6 NH31.0 10-6 NO21.0 10-7 SO22.0 10-8 注：體積分數(shù) 3