环境化学课件(精).ppt

第二章：大气环境化学当前三大全球环境问题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内当前三大全球环境问题：气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内 重点内容重点内容重点内容重点内容: :（（1 1）污染物在大气中的迁移）污染物在大气中的迁移ØØ   气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定度、大气混合层度、大气混合层ØØ污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等ØØ   污染物迁移的数学模式：推导与应用污染物迁移的数学模式：推导与应用（（2 2）污染物在大气中的转化）污染物在大气中的转化ØØ     光化学反应基础光化学反应基础ØØ   自由基反应和来源自由基反应和来源ØØ     氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化（（3 3）几种代表性的大气环境污染问题）几种代表性的大气环境污染问题ØØ   酸雨，光化学烟雾，酸雨，光化学烟雾，ØØ温室效应，全球变暖温室效应，全球变暖ØØ   臭氧层破坏臭氧层破坏第一节、污染物在大气中的迁移第一节、污染物在大气中的迁移一、大气垂直分层一、大气垂直分层一、大气垂直分层一、大气垂直分层二、基本气象要素二、基本气象要素二、基本气象要素二、基本气象要素三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度四、大气稳定度五、逆温五、逆温五、逆温五、逆温六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响迁移迁移迁移迁移：污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。

污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程原因原因原因原因：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的所以大气中：空气运动形成风，风的形成主要是由于温度差异引起的所以大气中温度的差异是空气运动的动力源温度的差异是空气运动的动力源温度的差异是空气运动的动力源温度的差异是空气运动的动力源1 1、、对对流流层层: : 平均厚度12km,赤道19km，两极8-9km，云雨主要发生层，夏季厚，冬季薄特点特点: :（1）气温随高度升高而降低 （2）空气密度大 （3）天气复杂多变 （4）对流层下部湍流一、大气垂直分层一、大气垂直分层: :1962,WMO, 对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层特点：特点： （1）    空气基本无对流，平流运动占显著优势 （2）    空气比下层稀薄，水汽、尘埃含量很少，很少有天气现象，透明度极高 （3）    在15-35km的范围内（平流层上层），厚度约20km的臭氧层。

2 2、平流层、平流层: : 对流层顶到约50km的地方3 3、中间层、中间层 从平流层顶到约85km的高度1 1）） 空气更稀薄空气更稀薄（（2 2））    无水分无水分（（3 3））    温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低温度随高度增加而降低，中间层顶，气温最低 （（-100℃-100℃））（（4 4）） 中间层中上部，气体分子（中间层中上部，气体分子（O O2 2、、N N2 2））开始电离开始电离 4 4、热（成）层、热（成）层 从80km到约800km的地方(1)(1)温度随高度增加迅速增高；温度随高度增加迅速增高；(2)(2)大气更为稀薄大气更为稀薄; ;(3)(3)大大部部分分空空气气分分子子被被电电离离成成为为离离子子和和自自由由电电子子，，又又称称电电离层，可以反射无线电波离层，可以反射无线电波5 5、逸散层、逸散层 （1）    800km以上高空 （2）    空气稀薄，密度几乎与太空相同 （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二、基本气象要素二、基本气象要素 气温、气压、湿度、风、云量1 1、气温、气温• 一般气象中采用的气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到的空气温度。

• 大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度• 气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力，形成风，能够稀释和迁移污染物• 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流，有利于形成降水，能够冲刷污染物2 2、气压、气压: :初始状态：初始状态： 地面处高度地面处高度0 0：： 压强压强p1=p1=ρgzρgz高度增加高度增加△△z, z, 则高度则高度△△z z处：处： 压强压强p2=ρg(z-△z)p2=ρg(z-△z) 所以，得到：所以，得到：P2-P1=△p=-ρg△zP2-P1=△p=-ρg△z转化为微分形式则： (1)（ρ密度g/m3，空气=1.29g/L，g重力加速度9.8m/s2）另外，气象学上用比气体常数来表示状态方程，其推导过程为：pv=nRT => (令 )=> (2)其其中中R=8.314JR=8.314J．．molmol-1-1．．K K-1-1,M,M气气体体摩摩尔尔质质量量（（空空气气的的摩摩尔尔体体积积为为22.4l22.4l．．molmol-1-1，，空空气气密密度度=1.29g=1.29g．．l l-1-1, ,所所以以M=22.4*1.29=28.869gmolM=22.4*1.29=28.869gmol-1-1））, ,所以所以R’=R/M=287 JR’=R/M=287 J．．kgkg-1-1．．K K-1-1。

由（由（1 1）和（）和（2 2）得到：）得到： ==>=>=>=> （3） 可见只要知道温度随高度的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式 风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s））3 3、风、风 水水平平方方向向的的空空气气运运动动，，垂垂直直方方向向则称为对流或升降气流则称为对流或升降气流 一一般般用用风风向向、、风风速速来来表表示示风风的特征的特征 风风向向一一般般用用1616个个方方位位表表示示，，(E S W N)(E S W N) 风风速速是是单单位位时时间间内内空空气气在在水水平方向移动的距离（平方向移动的距离（m/sm/s）） 一一般般风风速速是是地地面面以以上上10m10m处处风风速仪观测得到的平均值速仪观测得到的平均值4 4、云、云Ø 大气中水汽凝结的产物大气中水汽凝结的产物Ø   一般用云量、云高来确定大气稳定度一般用云量、云高来确定大气稳定度Ø 云云高高：：云云层层底底部部距距离离地地面面的的高高度度，，高高云云（（>5000m>5000m））中云（中云（2500-5000m2500-5000m））低云（低云（<2500m<2500m））Ø 云云量量：：云云遮遮蔽蔽天天空空的的成成数数。

将将可可见见天天空空分分为为1010份份，，被被云云遮遮挡挡了了几几份份，，云云量量就就是是几几晴晴空空无无云云，，云云量量为为0 0，，乌乌云遮天，云量为云遮天，云量为10.10.三、气块的绝热过程和干绝热递减率三、气块的绝热过程和干绝热递减率 1 1、、气团运动的绝热过程气团运动的绝热过程Ø  空空气气移移动动, ,高高压压区区→→低低压压，，膨膨胀胀降降温温，，压压缩缩升升温Ø当气团在水平方向运动当气团在水平方向运动, , 非绝热过程非绝热过程Ø  当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程当气团作垂直升降运动时，近似为绝热过程Ø    高温暖气团倾向于从地表移动到低压的高处，气团绝热膨胀并降温若没有水汽凝结，冷却速率为0.98℃/100m，称为温度的干干绝绝热热递递减减率率（（r rd d）Ø   然而，一般气团中都含有水蒸气，冷凝放潜热，得到温温度度的的垂垂直直递递减减率率（（r r））,冷却速率为0.65℃/100mØ  当污染源排放的污染刚进入大气环境的时候，可视为一个绝热过程膨 胀 降 温20℃压 缩 升 温21℃温度垂直递减率，干绝热递减率温度垂直递减率，干绝热递减率2 2、气团运动的绝热方程、气团运动的绝热方程根据热力学第一定律：根据热力学第一定律：dqdq= =du+dw(qdu+dw(q——外外界界加加于于体体系系的的热热量量，，u—u—体体系系内内能能变变化，化，w—w—体系对外做功体系对外做功) )绝热过程中：绝热过程中： 外界加于体系的热量外界加于体系的热量dqdq=0=0 体系对外做功体系对外做功dwdw= =pdvpdv( (体系膨胀或压缩体系膨胀或压缩) ) 体体系系内内能能变变化化du=du=nCnCv vdTdT( (体体积积不不变变情情况况下下，，内内能能变变化，定容比热化，定容比热C Cv v) )所以：所以：pdvpdv=- =- nCnCv vdTdT （（4 4）） 又由于又由于pvpv= =nRTnRT, ,取全微分得到：取全微分得到：pdv+vdppdv+vdp= =nRdTnRdT （（5 5）） 由（由（4 4）和（）和（5 5）可得：）可得：nRdTnRdT——vdpvdp= = pdvpdv=- =- nCnCv vdTdT即： => => => 根据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能变化，Jmol-1K-1) 所以：=> => =>=> => =>对于空气对于空气R=287 JmolR=287 Jmol-1-1K K-1-1 Cp=996.5 Jmol Cp=996.5 Jmol-1-1K K-1-1所以：所以：3 3、干绝热递减率、干绝热递减率气气团团干干绝绝热热升升高高或或降降低低单单位位距距离离时时，，温温度度降降低低或或升升高高的的数数值值，，称称为为干绝热递减率干绝热递减率: :推导过程：推导过程： r rd d=-=-因为：因为： （干绝热方程）（干绝热方程）  所以所以r rd d=- ==- =又因为又因为所以：所以：r rd d= == =又由于又由于p=ρRTp=ρRT故故r rd d= = =0.98K/100m= = =0.98K/100m （（1N=1kg m s1N=1kg m s-2-2,1J=1N m,1J=1N m））干绝热递减率常数的推导干绝热递减率常数的推导四、大气稳定度四、大气稳定度 Ø大气稳定度：是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。

Ø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Ø稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（rrd）Ø中性：介于上述两种情况之间（r=rd）Ø注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则可能变化很大解释解释： 当当rrd不稳定五、五、逆温逆温 由于上述，可见大气的垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd的关系可表示为：rd=0.980.00不 稳定   稳定中性        超稳定（逆温）Ø 一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散Ø 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（r<0），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。

r几种常见典型逆温的形成几种常见典型逆温的形成1 1、辐射逆温（最常见地面逆温）、辐射逆温（最常见地面逆温）Ø地面辐射出大量的热量后，温度过度降低Ø晴朗无云，无风夜晚，没有云层阻挡，地面辐射丧失大量能量，温度降低过多，易于形成辐射逆温（地面冷）；Ø若风速在2-3m/s，辐射逆温不易形成，若风速大于6m/s，则可完全阻止辐射逆温的形成，这是由于风带来气流运动，使外界较暖气团运动过来后补充了当地地面辐射的热量损失2 2、下沉逆温（地面逆温）、下沉逆温（地面逆温） Ø下沉压缩增温效应引起，一般上升降温，下沉增温； hh’HH’Ø 气团下沉过程中，由于受到压缩，顶部下降距离大，增温多，底部下降距离相对小，增温少，因此形成顶部温度高，底部温度低的气团Ø 因为h>h’,所以H>H’3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）Ø低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温Ø在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）变化，上升到一定高度后，其温度低于周围环境温度（这样它才不继续上升，而有返回趋势，形成湍流），这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度，从而形成高空湍流逆温。

六、局地环流对污染物扩散的影响六、局地环流对污染物扩散的影响 Ø海海洋洋和和大大陆陆在在白白天天和和夜夜间间的的热热力力差差异异，，导导致致的的白白天天和和夜夜间间海海洋洋和和陆陆地地之之间间的的风向转换风向转换Ø白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风Ø对污染扩散的影响：对污染扩散的影响：ü 白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温白天海风吹向陆地，海风处于下层，温度较低，易于形成逆温ü 夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层，温度和海洋差别不大，不易形成逆温ü易易造造成成污污染染物物往往返返，，海海陆陆风风转转换换期期间间，，原原随随陆陆风风吹吹向向海海洋洋的的污污染染物物又又会会被被吹吹会会陆陆地地循循环环作作用用，，如如果果污污染染源源处处于于海海路路风风交交界界处处，，并并处处于于局局地地环环流流，，则则污污染染物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度1 1、海陆风、海陆风 2 2、城郊风、城郊风Ø主要动力是城市热岛效应造成的Ø城市空气从上层流向郊区，郊区温度较低的空气从下部流向城市，形成城市和郊区间的大气局地环流。

Ø使得污染物在城区很难扩散出去，形成城市烟幕，导致市区大气污染加剧郊区城市郊区3 3、山谷风、山谷风Ø白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡白天：山坡升温快，山坡气流快速上升，空气由谷底补充山坡————谷风谷风Ø夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底夜间：山坡降温快，山坡冷空气流向谷底————山风山风Ø处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山谷地区的污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件如今人们认识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业企业的胜地再是建造工业企业的胜地。