9大气的结构与性质教学材料.ppt

NCEPUAtmospheric environmental chemistry 马双忱第一节 大气的结构与性质、大气污染概述第二节 大气光化学反应第三节 温室效应第四节 臭氧层破坏第五节 酸雨第六节 光化学烟雾第七节 大气颗粒污染物第八节 持久性有机污染物(POPs)危害及控制本 章 内 容NCEPUn 大气层的层间划分和区域划分n 对流层大气的组成n 平流层大气的组成大气的结构与性质 大气层的层间划分和区域划分 u大气的垂直分层 （Atmosphere vertical structure） 大气层受重力吸引，最大密度紧靠地球表面，地球表面大气压力约为1000hPa,由干空气的状态方程为干=PM/RT在标准状况下，即可求出干空气密度为1.29kg/m3随高度增加，逐渐变得稀薄，大气压力也逐步下降，最后与行星际气体没有什么区别 因此大气层没有明确的上限（顶）如果从地球表面向上推移，可以划分出性质不同，物理现象和化学现象有很大差异的几个区域NCEPUv 如图1所示，图中有一条温度随高度变化的典型曲线（高度坐标用的是对数标尺，所以上部各区域实际上比图的下部各区域要厚得多），按这条曲线的转折情况，可以将大气层由下而上地分为五个层次：v 对流层（troposphere）v 平流层（stratosphere）v 中间层(mesosphere)v 热层（也叫暖层，thermosphere）v 外逸层（exosphere）即外大气层。

温度曲线止于热层而不再向上伸展，这是因为高层空气非常稀薄，热力学温度的含义在此已显得非常不确切的缘故NCEPU 图1 大气层层次示意图 同温层，1125kmNCEPU1/10 16 km1/4 12 km1/2 5.6km8844.43m大型巡航飞机飞行高度在10-12.6km，舱外温度-55U-2是美国上世纪60年代最先进的高空侦察机，飞行高度达2.2万米，美国的 X15 A研究试验机飞到10.8万米高度，被世界航空组织正式批准为世界绝对纪录 神舟七号发射升空后在341Km高度的绕地轨道飞行 NCEPU对流层具有以下三个基本特征： (1) 气温随高度增加而下降通常情况下，对流层中气温的垂直分布随高度增加而降低因为对流层空气主要依靠地面的长波辐射增热愈近地面，空气受热愈多，反之愈少因此，高度愈高，气温愈低 大气温度垂直递减率(Atmosphere Lapse Rate)，随高度升高气温的降低率 式中：T绝对温度，K； z高度，km 平均每增高1km，气温降低6.5，如果地面平均温度为15 ，对流层顶高度10km, 温度降低65 ，则大致在-50 = - dT/dz(2) 空气对流运动显著。

因受地面的不均匀加热，从而导致对流层空气的垂直对流运动对流运动的强度因纬度和季节而异，低纬度较强，高纬度较弱；夏季较强，冬季较弱由于空气的对流运动，使高层与低层空气得到交换，近地面的热量、水汽和杂质通过对流向上空输送，从而导致一系列天气现象的形成 大型客机在对流层顶（平流层底部）飞行，主要是考虑不受气象条件影响，气流阻力低，但高度太高，氧气稀薄，会影响发动机工作性能NCEPU (3) 天气现象复杂多变由于对流层受地球表面的影响最大，而使对流层中温度、湿度的水平分布不均匀，于是可产生一系列物理过程，形成复杂的天气现象 NCEPUv 从地面到达约80km的高度（即中间层顶）处的这一层又称作为均质层，由此向上到外逸层这一段又称作非均质层非均质层的特点是： 外来物质在这一层中不易分散均一； 在此常发生强的光化学反应，从而产生许多带电粒子； 密度低，氮气和氧气之比例不等于41v 在中间层和热层之间还存在着一个电离层，是在1901年由马可尼作无线电通讯时发现的电离层又被分为几个小层，其中电子浓度自下往上递增NCEPUu 层间大气的物理性质变化大气层间的温度变化的情况已如图1所示在对流层中，温度随高度通常以57/km比率降低，它又是随季节和纬度而变化的。

The environmental lapse rate is not fixed. It changes from day to day and from place to place.)在对流层顶，温度发生突变对流层顶的高度也随时间和地点而有所不同，在赤道和在两极，其高度分别为16km和8km，而同一地点日变化可能有1km上下在中纬度，对流层顶的温度为-56左右NCEPUNCEPU一男孩偷爬昆明到重庆客机创造生命奇迹 起落架舱藏人在航空史上并不少见，但这种情况下，人的存活几率不到10 据川航一机械师介绍，飞行直线距离为700公里左右，飞行高度约为1万米，温度至少在零下30以上 ，噪音至少在130分贝左右，足以振聋发聩；在这个高度上，氧气已经非常稀薄，起落架舱并没有完全封闭，在这种情况下，这个娃儿竟没冻死，可以说创造了航空界的一个生命奇迹（12/11/2004）NCEPUn 大气压随海拔高度的上升而下降，大致上呈指数函数关系，假设大气介质处于非混合状态在绝对温度T时，任何给定高度下大气压可用下述的指数关系式来描述(Barometric law)：n 式中，po为海拔高度为零(即海平面)时的大气压,Pa；M为空气的平均克摩尔质量，在对流层中，其值等于28.97gmol, g为重力加速度，在海平面处等于9.8 m/s2；h为海拔高度, m；R为气体常数，8.314 J/K.mol。

利用此式可以大致推算某海拔高度的温度n 据实测近地层高度每升高100米，气压平均降低约12.4毫巴（1mbar=100Pa) ，在高层大气气压降低小于此值NCEPUv 全球大气和对流层大气的质量分别为5.21018(计算方法如下页）和4.01018kg，所以对流层大气质量是总质量的77左右v 通过计算可知：大气质量的90是包含在距地面约20km高度之内，质量的99.9是在约50km之内，在100km高度以上，大气质量只有地面的百万分之一NCEPUv 在大气化学中，太阳辐射对大气层中许多物质的环境化学行为有重要影响在太阳中进行的核聚变反应，使每秒钟6亿吨H转化为He，由此产生的累积辐射度为7.22107W/m2，太阳中心温度大于10106，而表面温度大约为6000太阳的发射光谱中约99能量包含在0.174m的波长范围，在穿透宇宙空间和大气的过程中，大部分太阳短波被各种气体分子吸收，近地面处波长范围约为0.294mNCEPU 太阳光在穿透大气层的过程中引发了许多反应，如光分解：NCEPU 光电离： NCEPUv 根据上述，我们可以知道太阳辐射中的短波部分是高能的，能够分解或电离大气层中所有分子和原子成分，在上层大气中即被吸收殆尽，只有长波辐射和短波中某些被称为“辐射窗”的特殊波长区段（100150nm）的辐射可透射到低层或达到地面。

NCEPUu大气组分浓度表示法 与水环境相比，大气组分浓度的表示方法比较复杂原因主要有如下几方面： 各组分物理形态各异（有气体、蒸气、颗粒物、气溶胶等）且浓度相差悬殊，故有多种不同浓度单位； 气体组分浓度随温度、压力变化，所以在表示浓度值同时，要附带注明温度和压力条件又为了使计算出的浓度有可比性，通常要用理想气体方程式换算成标准状态下的浓度； 不同国家制定的标准状态并不统一，如标准温度有取0、18、20或25的；至于atm、mmHg等压力单位，按我国现行法定计量制度，已被取消使用 NCEPU用于大气组分的浓度单位有：（V/V）、mol/L、g/L、mg/L、g/m3、个数/cm3此外还有10-6（V/V）、10-9（V/V）和10-12（V/V），分别相应于原先常用现已废止的ppm、ppb和ppt单位对微量组分（如SO2、NOx等大气污染物），常用单位为10-6（V/V）或g/m3，对超微量组分（如HO自由基）常用10-12（V/V）或个数/cm3作单位最后，对大气中颗粒物成分来说，应用g/m3计量单位较为方便对于飘尘，还可用单位质量飘尘中所含某成分的质量来表示，即使用g/g或ng/g单位。

Units for pressure:1 atm = 1.01325 x 105 Pascal (Pa) = 1.01325 x 103hPa 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr1 atm = 1013.25 mbar1 atm = 14. 7 psi Mixing Ratioci is the molar concentration of i and ctotal is the total molar concentration of air.parts per million (ppm) 10-6mmol mol-1parts per billion (ppb)10-9nmol mol-1parts per trillion (ppt)10-12pmol mol-126Conversion between ppm and mg/m3ci: mol/m3mi: mg/m3Mi: g/molPressure unit and R Constant:P= 1.01325x105 paR= 8.314 J/k.mol for P in Pa and volume in m327Conversion between ppm and mg/m3Example:The Hong Kong Air Quality Objective for ozone is 240 mg/m3. The U.S. National Ambient Air Quality Standard for ozone is 120 ppb. Which standard is stricter at the same temperature (25oC) and the pressure (1atm)?NCEPU对流层大气的组成 对流层大气有三个重要的组成部分： 干空气的气体混合物； 水（大气中可能呈液、固和蒸汽三种状态）； 悬浮的固体粒子和液体粒子（组成大气气溶胶）。

NCEPUu 干空气组成虽然干空气中有许多组分，但能将它们分为大量存在的主要成分和只有痕量存在的次要成分表1 列出了干空气的成分在表中还没有列出一些极为微量的组分，它们是一些游离基（自由基，free radical) ，如HO、HO2、RO、RO2等，是大气组分光化学反应的产物，而且在进一步的光化学反应中起着非常重要的作用NCEPU表4-1 干空气成分 NCEPUu 大气中的水物质大气中的水物质可能以液态（水滴）、气态（水汽）和固态（冰晶）存在水汽的浓度是易变的，尽管它的总质量很大（约1.41016kg），但它的滞留时间很短，只有10天左右水物质在大气中的循环与以下一些重要过程相关联： （1）水的凝结和蒸发对大气过程的热力学和大气的垂直稳定度有重要的影响 （2）降水和云形成过程实际上是水的相变过程NCEPU（3） 水在大气中的以下两种迁移过程对大气的净化至关重要： 雨除（Rainout）这种过程发生在云层之中，是雨滴将云中小颗粒物（云的凝结核）去除的一种作用 洗脱（Washout）这种过程发生在云层之下是雨滴溶解气体或俘获气溶胶粒子，对雨滴所到之处大气进行净化的过程4） 与大气中所含其他物质直接发生化学反应，或者在形成水溶液之后，在溶液中进一步发生化学反应。

5）太阳辐射贯穿大气层的过程中，水汽和云对辐射射线的大量吸收起着重要作用u大气气溶胶(aerosol)大气中含有大量固体或液体的悬浮粒子，与承载它们的空气介质（气体组分）一起组成大气气溶胶体系在该体系中可能包含数百种有碍环境和生物健康的污染物，其危害性可有以下几个方面： 引起地面或物体表面积尘； 降落在金属器件上的尘粒成为强蚀点，加速器件腐蚀； 与大气中SO2等形成酸雾或酸性沉降物； 引发感冒、支气管炎等人体疾病； 成为影响气候的重要因素之一，例如作为凝结核促成雨。