大气稳定度.ppt

四、大气稳定度 1、大气稳定度 l大气垂直方向上的稳定程度 2、几个概念 n气块：宏观的微小容积 n绝热(adiabatic)过程：无热量交换 n干过程：不发生水相变化的过程 n干绝热过程：无热量交换和质量变化，可逆 l绝热上升过程： 外界压力减小，气 块对外做功，温度 降低； l绝热下降过程： 外界压力增大，外 界对气块作功，温 度升高 干空气在升降时的 绝热变化 100m 20℃ 21℃ n干绝热垂直递减率（Γd）：干空气上升时温度降 低值与上升高度的比： 式中 A――功热当量 Cpd――干空气的定压比热 g ――重力加速度 lΓd ≈ 1℃/100m 3、大气稳定度的划分 • 稳定：气块减速并有回到原来位置的趋势； • 不稳定：气块继续加速前进和离开原来的位置； • 中性：不加速也不减速 • 稳定：Γ＜Γd； • 不稳定： Γ＞Γd； • 中性： Γ＝Γd 未饱和空气三种不同稳定度 lΓA＝0.8、ΓB=1.0、ΓC=1.2 l气块C：不稳定状态 ØØΓ Γ越大，气块越不稳定；越大，气块越不稳定； ØØΓ Γ越小，气块越稳定越小，气块越稳定 l气块B：平衡状态 l气块A：稳定状态。

第2节 大气中污染物的迁移 l一、大气污染物与污染源 l二、影响大气污染物迁移的因素 一、大气污染物与污染源 1、清洁空气和污染空气 2、大气污染和大气污染物 3、大气污染物（pollutant）的分类 l按化学组成和内部结构：无机污染物、有机污染物; l按形态：气态污染物、液态污染物、固态污染物; l按性质：物理污染物、化学污染物、生物污染物; l按毒性和致病效应(nosogenesis)：毒性污染物、 剧毒污染物、致癌物carcinogenic、遗传诱变物 inducement等; l按来源：一次污染物（primary pollutant）、二次污染 物（secondary pollutant） 4、大气污染源（pollution source） l自然源：自然的生命活动或自然现象 l人为源：人类生活及生产活动而产生 •工业污染源 •交通运输污染源 •生活污染源 •农业污染源 各类工业企业向大气中排放的主要污染物质 l环境化学中主要研究化学污染物，不涉及 物理污染物、较少涉及生物污染物，因为 后两者分别属于环境物理学和环境医学的 范畴 l大气污染化学中主要讨论氮氧化物、碳氧 化物、含硫化合物、颗粒物、挥发性有机 物等大气污染物。

二、影响大气污染物迁移的因素 迁移过程受多种因素的影响： •空气的机械运动影响 •天气形势和地理地势的影响 •污染源本身的特性 •…… 1、扩散作用（气流扩散） P风：气块作有规则运动时，速度在水平方向的分 量污染物的迁移方向与风向有关，迁移距离跟风 力大小有关 P铅直速度：气块作有规则运动时，速度在铅直方 向的分量铅直运动使污染物随空气升到高空而扩 散 •系统性铅直运动：在大尺度范围内有规则运动，铅直速度 小； •对流：在小尺度范围内有规则运动，铅直速度大 Ø摩擦层：乱流混合层，厚约1000－1500m，底部与地面 相接触 Ø产生原因： •动力乱流（湍流）：由于规则水平运动的气流遇到起伏不 平的地形干扰时所产生； •热力乱流（对流） ：由于地表表面的温度与地表附近的 温度不同，产生温差而形成 l自由大气：摩擦层以上的气层污染物很少到达这里 在摩擦层内，有时以湍流（动力在摩擦层内，有时以湍流（动力 乱流）为主，有时以对流（热力乱流）为主，有时以对流（热力 乱流）为主，有时两者共存、主乱流）为主，有时两者共存、主 次难分，这些是大气中污染物迁次难分，这些是大气中污染物迁 移的主要原因移的主要原因。

低层大气中污染物的低层大气中污染物的 分散程度取决于对流分散程度取决于对流 与湍流的混合程度与湍流的混合程度 最大混合最大混合 层高度层高度 Ø最大混合层高度： •对于一个静态平衡大气的流体元，有下式： dP=-ρgdz （1） 式中 P——大气压； ρ——大气密度； g——重力加速度； z——高度 •当气块受热受到浮力的作用而进行向上加速运动，则有： （2） 式中 dv/dt——气块加速度； ρ＇——受热气块密度 Ø（1）式代入（2）式中，且由理想气体状态方程，并考虑 压力相等，则： •受热后气块会产生速度不断上升，直到T＇与T相等为止， 此时气块与周围达到中性平衡，此时的高度定义为对流混 合层上限，或称最大混合层高度 夜间最大混合层高度较低；白夜间最大混合层高度较低；白 天时最大混合层高度则升高天时最大混合层高度则升高 随季节不同，冬季平均高度最小随季节不同，冬季平均高度最小 ，夏初为最大夏初为最大 当最大混合层高度小于当最大混合层高度小于1500m1500m时，时， 城市会普遍出现污染现象城市会普遍出现污染现象 2、天气形势和地理地势的影响 P天气形势：气压分布，气象条件，扩散条 件。

P地理地势：地面物理性质的差异引起热状 况在水平方向上分布的不均匀，可能产生 局地环流 地理地势形成的局地环流： Ø海陆风 u形成原因：海洋和大陆的物理性质差异：大陆表面温度变 化剧烈，海洋表面温度变化较缓 u对空气污染的影响：a.循环作用；b. 往返作用；c. 封闭型 和漫烟型污染： Ø城郊风 u形成原因：城市热岛上暖而轻的空气上升，周围郊区的冷 空气向市内流动，形成城郊环流热岛效应） u对空气污染的影响：这种环流造成城市本身排放的烟尘等 污染物积聚在城市上空，形成烟幕，导致市区大气污染加 剧 Ø山谷风 u形成原因：山区复杂的地形，使山坡和谷 地受热不均而产生一种复杂的局地环流 u对空气污染的影响： •山风和谷风转换时会造成严重空气污染； •地形作用造成山区的辐射逆温作用增强： 夜间冷空气沿坡下滑，在谷中聚集，再由 于地形阻挡，便易形成厚而强大且持续时 间长的逆温层 ATMOSPHERIC TRANSPORT TIME SCALES Source: Introduction to Atmospheric Chemistry, Jacob, D. J., 1999 北美 南美 非洲 欧洲 亚洲 第3节 大气中污染物的转化 l一、大气中的重要污染物 l二、光化学反应基础 l三、大气中重要自由基的来源 l四、氮氧化物的转化 l五、碳氢化合物的转化和光化学烟雾 l六、硫氧化物的转化及硫酸烟雾型污染 l七、酸性降水 l八、大气颗粒物 l九、温室气体和温室效应 l十、臭氧层的形成与耗损 一、大气中的重要污染物 l大气污染的发展阶段 l大气污染的形成时期：18世纪末至20世纪初。

l大气污染加剧时期：20世50年代至70年代 l全球性大气污染：20世纪80年代以后 l含硫化合物：硫化氢、二氧化硫、三氧化硫、 亚硫酸盐、硫酸、硫酸盐和有机硫化合物等 l含氮化合物：N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、 硝酸、亚硝酸、硝酸盐、亚硝酸盐、硝酸酯ester 、亚硝酸酯和铵盐等 l含碳化合物：CO、CO2、碳氢化合物 hydrocarbon等 l含卤素化合物：CH3Cl、CH3Br、CH3I、氟氯 烃类(CFCs)化合物等 主要污染物主要污染物 1、含硫化合物 l1969年Robinson等人报道，地球上全年 SO2的产生量为2.97亿吨 l天然源：来自火山、有机物分解和陆地、 海洋中的微生物厌氧活动： Ø硫酸盐（还原） H2S（氧化） SO2 l人为源：矿物燃料和含硫矿物的燃烧 Ø煤的含硫量约为0.5-5%，石油0.5-3% •S＋O2＝SO2（燃烧过程） •2SO2＋O2＝2SO3 （1－5%的氧化过程） 2、含氮化合物 lN2O（笑气） Ø无色气体，含量约为0.3ppm Ø是清洁空气的组分，是低层大气中含量最高的含 氮化合物 Ø是目前已知的温室气体之一 Ø主要通过微生物的作用下分解产生。

Ø天然源：主要有海洋、土壤、淡水和雷电 Ø人为源：主要有氮肥、化石燃料燃烧及工业排放 等 lNOx（ NO和NO2 ） Ø天然源：闪电、微生物固定及NH3的氧化等，火 山爆发和森林大火等都会产生氮氧化物 N （高温下氧化）NO （转化） NO2 Ø人为源：各种燃料在高温下燃烧，硝酸、氮肥、 炸药和染料等生产过程中产生的废气，其中最严 重的是燃料燃烧排出的废气 Ø危害： lNOx由呼吸能够进入人体肺部，引起支气管炎 bronchitis或肺气肿emphysema，senile emphysema 老年性肺气肿 ØNOx能和碳氢化合物生成光化学烟雾 Ø特点： Ø城市空气中的NOx含量大约高出全球平均值2个数 量级 ØNOx的浓度变化受季节和气象因素影响：一般冬 季高于夏季；取暖期高于非取暖期 ØNOx的汇： Ø被土壤和植被吸收； Ø转化成HNO3和硝酸盐而去除 3、含碳化合物 lCO u人为源：含碳燃料的不完全燃烧，或者是内燃机 在高温、高压的条件下燃烧 l天然源：海洋中生物的作用、植物叶绿素 chlorophyl的分解、森林中放出萜terpene的 氧化、森林大火以及大气中CH4的光化学氧化和 CO2的光解等，放电作用引起云层中有机物的光 氧化作用，二氧化碳的轻微解离作用，以及种子 发芽burgeon、籽苗生长及人和动物新陈代谢 metabolism过程等等。

lCO2 lCO2是大气的一个组分 l无毒的温室气体 l人为源：通过燃烧产生 l天然源：通过动物的呼吸排出；植物体废 弃物作为燃料燃烧或腐败decay而自然氧化 时能够产生；甲烷在平流层中与OH自由基 反应的最终产物为CO2；海水与大气进行交 换作用而排出（海水中CO2比大气高60余 倍） l碳氢化合物 l指碳原子数C1－C8的可挥发的碳氢化合物 ，包含烷烃alkyl、烯烃alkene、炔烃 alkyne、脂肪烃和芳香烃aromaticity等， CH4是主要的碳氢化合物 l罗宾逊等1968年估计，全球碳氢化合物每 年的总产量为18.58亿吨，其中天然源占几 乎95%以上，CH4约16亿吨；其次是植物排 出的萜烯化合物约1.7亿吨 lCH4： • 化学性质稳定，不易发生光化学反应 • 其温室效应比CO2大20倍 • 近100年在大气中的增长速度快 • 天然源：主要是由厌氧细菌的发酵过程如沼泽 swamp、泥塘moss、湿冻土带tundra、水稻田 底部、牲畜反刍regurgitation和白蚁termite的墓 穴grave等产生 • 人为源：汽油燃烧(38.5%)、焚烧incinerate (28.3%)、溶剂蒸发(11.3%)、石油蒸发和运输损耗 (8.8%)、提炼废物(7.1%)。

厌氧菌 4汽车废气： 4烃类：甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丁烷等 ； 4醛类：甲醛formaldehyde、乙醛 acetaldehyde、丙醛、丙烯醛和苯甲 benzyl醛等； 4少量芳烃和和微量致癌物如苯并(a)芘等 l碳氢化合物的危害： • 一般对人的毒性不大 • 甲醛和丙烯醛是刺激性物质，长时间接触 0.15ppm甲醛能引起催泪现象 • 碳氢化合物是形成光化学烟雾的主要参与 者烯烃以及醛类等，他们能在空气中反 应形成污染更大的二次污染物 4、含卤素化合物 l天然源：主要来自海洋，包括CH3Cl、 CH3Br、CH3I l人为源：其余都是由于人类活动产生的 è如：氟氯烃类(CFCs)化合物（氟里昂）可用作冰 箱制冷剂、喷雾器中的推进剂、溶剂和塑料起泡 剂等CFCs完全由人为产生 è最常用的氟里昂是二氟二氯甲烷（F－12）和一 氟三氯甲烷（F－11）。