大气环境化学课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

环境化学化学系 赵一兵第1页第二章 大气环境化学第一节大气中污染物迁移第二节大气中污染物转化第三节大气污染防治内容提要及重点要求 l主要介绍了大气结构，大气中主要得染物及其迁移，光化学反应基础，主要大气污染化学问题及其形成机制。要求了解大气层结结构，大气中主要污染物，大气运动基本规律。掌握污染物遵照这些规律而发生迁移过程，尤其是主要污染物参加光化学烟雾和硫酸型烟雾形成过程和机理。还应了解描述大气污染数学模式和酸雨、温室效应以及臭氧层破坏等全球性环境问题。第3页第一节大气中污染物迁移l污染物在大气中迁移是指由污染源排放出来污染物因为空气运动使其传输和分散过程。迁移过程可使污染物浓度降低。大气圈中空气运动主要是因为温度差异而引发。这里首先介绍大气温度层结及因为温度差异而引发空气运动规律，进而介绍污染物遵照这些规律在大气中迁移过程。第4页一、大气温度层结 l因为地球旋转作用以及距地面不一样高度各层次大气对太阳辐射吸收程度上差异，使得描述大气状态温度、密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀分布。人们通常把静大气温度和密度在垂直方向上分布，称为大气温度层结和大气密度层结。图2-1和图2-2分别给出大气中经典温度层结和密度层结。第5页图2-1 大气温度垂直分布第6页图2-2 大气密度垂直分布第7页大气温度层结l依据大气温度层结、密度层结和运动规律，可将大气划分为：对流层平流层中间层热层逸散层第8页对流层l对流层是大气底层，其平均厚度为12km。该层内气温随高度增加而降低。因为对流层内大气主要热源是来自地面长波辐射，故离地面越近气温就越高；离地面越远气温则越低。随高度升高气温降低率称为大气垂直递减率。第9页l在对流层中，因为低层空气受热不均匀，当气块所受浮力与重力不相等时会出现气体垂直对流运动。对流强烈时，气体垂直上升速度可高达3040m/s。这么便使对流层上下空气发生交换。伴伴随这种运动，由污染源排放到大气中污染物便可被输送到远方，而且因为分散作用而降低了污染物浓度。大气中绝大多数天气现象都发生在对流层中。这一层内含有全部大气质量3/4大气和几乎全部水汽，加之空气运动会造成风、雨、雷电和冷暖转变等复杂天气现象。另外，从污染源排放出污染物几乎都直接进入对流层，因而这些污染物迁移转化过程也主要发生在这一层内。第10页平流层l平流层位于对流层之上，其高度约在1755km之间。该层内气体状态非常稳定。在25km以下低层，随高度增加气温保持不变或稍有上升。从25km开始，气温随高度增加而升高。到平流层顶时，温度可靠近0。第11页l臭氧层:在1535km高度范围，其浓度在25km处到达最大。臭氧分子能够吸收来自太阳紫外辐射而分解为氧原子和氧分子，当它们又重新化合为臭氧分子时，便可释放出大量热能，这就是平流层温度升高原因。平流层内因为上热下冷，空气垂直对流运动很小，只能随地球自转而产生平流运动。故污染物进入平流层后，它会由此而形成一薄层，使污染物遍布全球。平流层内水汽和尘埃都极少，几乎没有云、雨等天气现象出现。大气透明度也很好，当代超高速飞机多在平流层底部飞行，既平稳又安全。然而飞机排放出来废物可破坏臭氧层，因而成了人们关注全球性环境问题。第12页中间层l中间层处于从平流层顶到约85km高度。这层显著特点是气温随高度增加而降低。顶部可达-92左右。垂直温度分布特征与对流层相同。因为层内热源仅靠其下部平流层提供，因而下热上冷，故空气垂直运动相当强烈。第13页热层或电离层l热层高度在平流层顶到800km之间。这一层特点是温度随高度增加而快速上升。顶部可到达1000K以上。该层内空气极稀薄，在太阳紫外线和宇宙射线辐射下，空气处于高度电离状态，因而热层也称为电离层。第14页逸散层l超出800km以上高空称为逸散层。因为那里空气更为稀薄，又远离地面，气体分子受地球引力极小，因而大气质点会不停地向星际空间逃逸。第15页二、辐射逆温层l在对流层中，气温普通是随高度增加而降低。但在一定条件下会出现反常现象。这可由垂直递减率()改变情况来判断。当=0时，称为等温气层；当0时，称为逆温气层。逆温现象经常发生在较低气层中，这时气层稳定性特强，对于大气中垂直运动发展起着妨碍作用。逆温形成过程是各种多样。因为过程不一样，可分为近地面层逆温和自由大气逆温两种。近地面层逆温有辐射逆温、平流逆温、融雪逆温和地形逆温等；自由大气逆温有乱流逆温、下沉逆温和锋面逆温等。第16页l近地面层逆温:多因为热力条件而形成，以辐射逆温为主。l辐射逆温:地面因强烈辐射而冷却降温所形成。这种逆温层多发生在距地面100150m高度内。最有利于辐射逆温发展条件是平静而晴朗夜晚。有云和有风都能减弱逆温。如风速超出23m/s时，辐射逆温就不易形成了。当白天地面受日照而升温时，近地面空气温度随之而升高。夜晚地面因为向外辐射而冷却，这便使近地面空气温度自下而上逐步降低。因为上面空气比下面冷却较慢，结果就形成逆温现象，如图2-3所表示。第17页图2-3 辐射逆温层结曲线:白天ABC，夜晚FEC，其中FE段为逆温层。清晨DBC。第18页三、气块绝热过程和干绝热递减率第19页四、大气稳定度l流体层结对于流体垂直运动有着主要影响，我们知道，普通来讲若密度大流体在密度小流体下面，则这种层结分布是稳定，反过来就是不稳定。然而对于空气而言，尽管其密度随高度增加而降低，但它未必是稳定。因为它稳定性还受温度层结所制约。所以一个空气气块稳定性应该是密度层结和温度层结共同作用来决定。第20页l大气稳定度:指气层稳定程度。或者说大气中某一高度上气块在垂直方向上相对稳定程度。构想在层结大气中有一气块，假如因为某种原因使其产生一个小垂直位移，其层结大气使气块趋于回到原来平衡位置，则称层结是稳定；若层结大气使气块趋于继续离开原来位置，则称层结是不稳定；介于二者之间则称层结为中性。气块在大气中稳定度与大气垂直递减率和干绝热垂直递减率二者相关。若d，大气是不稳定；=d，大气处于平衡状态。第21页图2-5未饱和空气三种不一样稳定度 A:稳定状态、B:中性平衡状态、C:不稳定状态X(m)第22页l研究大气垂直递减率与干绝热递减率对比是十分主要。它可判断气块稳定情况及气体垂直混合情况。如污染物进入平流层，因为该层内垂直递减率是负值，垂直混合很慢，以致于使一些污染物在平流层内难以扩散，甚至可滞留达多年之久。第23页三、影晌大气污染物迁移原因l由污染源排放到大气中污染物在迁移过程中要受到各种原因影响，主要有空气机械运动，如风和湍流，因为天气形势和地理地势造成逆温现象以及污染源本身特征等。第24页1.风和大气湍流影响l污染物在大气中扩散取决于三个原因:风可使污染物向下风向扩散，湍流可使污染物向各方向扩散浓度梯度可使污染物发生质量扩散第25页l大气中任一气块，它既可作规则运动，也可作无规则运动。而且这两种不一样性质运动能够共存。气块作有规则运动时，其速度在水平方向分量称为风，铅直方向上分量则称为铅直速度。在大尺度有规则运动中铅直速度在每秒几厘米以下，称为系统性铅直运动；在小尺度有规则运动中铅直速度可达每秒几米以上，就称为对流。第26页摩擦层l含有乱流特征气层称为摩擦层，因而摩擦层又称为乱流混合层。摩擦层底部与地面相接触，厚约10001500m。因为地形、树木、湖泊、河流和山脉等使得地面粗糙不平，而且受热又不均匀，这就是使摩擦层含有乱流混合特征原因。在摩擦层中大气稳定度较低。污染物可自排放源向下风向迁移，从而得到稀释。也可随空气铅直对流运动使得污染物升到高空而扩散。第27页l摩擦层顶以上气层称为自由大气。在自由大气中乱流及其效应通常极微弱，污染物极少抵达这里。l在摩擦层里，乱流起因有两种:湍流:也称为动力乱流，起因于有规律水平运动气流碰到起伏不平地形所产生扰动.对流:也称为热力乱流，起因于地表面温度与地表面附近温度不均一，近地面空气受热膨胀而上升，随之上面冷空气下降，从而形成对流。l在摩擦层内，有时以动力乱流为主，有时动力乱流与热力乱流共存，且主次难分。这些都是使大气中污染物迁移主要原因。第28页l低层大气中污染物分散在很大程度上取决于对流与湍流混合程度。垂直运动程度越大，用于稀释污染物大气容积量越大。第29页最大混合层高度l温差将造成气块取得浮力加速度受热气块会不停上升，直到气块温度与周围环境温度相等为止。这时气块与周围到达中性平衡。这个高度定义为对流混合层上限，或称最大混合层高度。如图2-6。第30页图2-6不一样情况下最大混合层高度a:最大混合层高度,b:稳定大气最大混合层高度，c:有逆温出现时最大混合层高度.T0:地面温度，实线:温度曲线，MMD:最大混合层高度。第31页l夜间最大混合层高度较低，白天则升高。夜间逆温较重情况下，最大混合层高度甚至能够到达零。而在白天可能到达3000m。季节性冬季平均最大混合层高度最小，夏初为最大。当最大混合层高度小于1500m时，城市会普遍出现污染现象。第32页2.天气形势和地理地势影响l天气形势:指大范围气压分布情况，局部地域气象条件总是受天气形势影响。所以，局部地域扩散条件与大型天气形势是相互联络。一些天气系统与区域性大气污染有亲密联络。不利天气形势和地形特征结合在一起经常可使某一地域污染程度大大加重。比如，因为大气压分布不均，在高压区里存在着下沉气流，由此使气温绝热上升，于是形成上热下冷逆温现象。这种逆温叫做下沉逆温。它可连续时间很长，范围分布很广，厚度也较厚。这么就会使从污染源排放出来污染物长时间积累在逆温层中而不能扩散。世界上一些较大污染事件大多在这种天气形势下形成。第33页l因为不一样地形地面之间物理性质存在着很大差异，从而引发热情况在水平方向上分布不均匀。这种热力差异在弱天气系统条件下就有可能产生局地环流。诸如:海陆风城郊风山谷风第34页海陆风l海洋和大陆物理性质有很大差异，海洋因为有大量水其表面温度改变迟缓，而大陆表面温度改变猛烈。白天陆地上空气温增加得比海面上空快，在海陆之间形成指向大陆气压梯度，较冷空气从海洋流向大陆而生成海风。夜间却相反，因为海水温度降低得比较慢，海面温度较陆地高，在海陆之间形成指向海洋气压梯度，于是陆地上空空气流向海洋而生成陆风。第35页l海陆风对空气污染影响有以下几个作用。一个是循环作用。假如污染源处于局地环流之中，污染物就可能循环积累到达较高浓度。直接排入上层反向气流污染物，有一部分也会随环流重新带回地面，提升了下层上风向浓度。另一个是往返作用。在海陆风转换期间，原来随陆风输向海洋污染物又会被发展起来海风带回陆地。l海风发展侵入陆地时，下层海风温度低，陆地上层气流温度高，在冷暖空气交界面上，形成一层倾斜逆温顶盖，妨碍了烟气向上扩散，造成封闭型和漫烟型污染。第36页城郊风l在城市中，工厂企业和居民要燃烧大量燃料，燃烧过程中会有大量热能排放到大气中，于是便造成了市区温度比郊区高，这个现象称为城市热岛效应。这么，城市热岛上暖而轻空气上升，四面郊区冷空气向城市流动，于是形成城郊环流。在这种环流作用下，城市本身排放烟尘等污染物聚积在城市上空，形成烟幕，造成市区大气污染加剧。第37页山谷风l山区地形复杂，局地环流也很复杂。最常见局地环流是山谷风。它是山坡和谷地受热不均而产生一个局地环流。白天受热山坡把热量传递给其上面空气，这部分空气比同高度谷中空气温度高，比重轻，于是就产生上升气流。同时谷底中冷空气沿坡爬升补充，形成由谷底流向山坡气流称为谷风。夜间山坡上空气温度下降较谷底快，其比重也比谷底大。在重力作用下，山坡上冷空气沿坡下滑形成山风。山谷风转换时往往造成严重空气污染。第38页l山区地形复杂，局地环流也很复杂。最常见局地环流是山谷风。它是山坡和谷地受热不均而产生一个局地环流。白天受热山坡把热量传递给其上面空气，这部分空气比同高度谷中空气温度高，比重轻，于是就产生上升气流。同时谷底中冷空气沿坡爬升补充，形成由谷底流向山坡气流称为谷风。夜间山坡上空气温度下降较谷底快，其比重也比谷底大。在重力作用下，山坡上冷空气沿坡下滑形成山风。山谷风转换时往往造成严重空气污染。第39页