大气环境化学公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第二章：大气环境化学当前三大全球环境问题：气候改变、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：气候改变、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）污染物在大气中迁移）污染物在大气中迁移 气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热改变、大气稳定气象基础：大气垂直分层、气象要素、气温绝热改变、大气稳定度、大气混合层度、大气混合层 污染物迁移影响原因：混合层、地形、逆温、山沟风、海陆风等污染物迁移影响原因：混合层、地形、逆温、山沟风、海陆风等 污染物迁移数学模式：推导与应用污染物迁移数学模式：推导与应用（2 2）污染物在大气中转化）污染物在大气中转化 光化学反应基础光化学反应基础 自由基反应和起源自由基反应和起源 氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物转化氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物转化（3 3）几种代表性大气环境污染问题）几种代表性大气环境污染问题 酸雨，光化学烟雾，酸雨，光化学烟雾，温室效应，全球变暖温室效应，全球变暖 臭氧层破坏臭氧层破坏第1页第1页第一节、污染物在大气中迁移第一节、污染物在大气中迁移一、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、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块绝热过程和干绝热递减率三、气块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影响六、局地环流对污染物扩散影响六、局地环流对污染物扩散影响六、局地环流对污染物扩散影响迁移迁移迁移迁移：污染物由于空气运动而使其传播和分散过程。：污染物由于空气运动而使其传播和分散过程。：污染物由于空气运动而使其传播和分散过程。：污染物由于空气运动而使其传播和分散过程。原因原因原因原因：空气运动形成风，风形成主要是由于温度差别引起。因此大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是由于温度差别引起。因此大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是由于温度差别引起。因此大气中温度：空气运动形成风，风形成主要是由于温度差别引起。因此大气中温度差别是空气运动动力源。差别是空气运动动力源。差别是空气运动动力源。差别是空气运动动力源。第2页第2页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）气温随高度升高而减少。（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,1962,WMO,对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。第3页第3页第4页第4页特点：特点：（1）空气基本无对流，平流运动占明显优势。（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范围内（平流层上层），厚度约20km臭氧层。2 2、平流层、平流层:对流层顶到约50km地方第5页第5页第6页第6页3 3、中间层、中间层 从平流层顶到约85km高度。（1 1）空气更稀薄空气更稀薄（2 2）无水分无水分（3 3）温度随高度增长而减少，中间层顶，气温最低温度随高度增长而减少，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地方(1)(1)温度随高度增长快速增高；温度随高度增长快速增高；(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，能够反射无线电波离层，能够反射无线电波第7页第7页第8页第8页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，因此气体及其微粒能够不断从该层逃逸出去第9页第9页二、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 普通气象中采用气温是指离地面1.5m高度处百叶箱中观测到空气温度。大气预测模型中使用气温普通也是指该温度。气温在水平方向差别造成气流水平方向运动动力，形成风，能够稀释和迁移污染物 气温在垂直方向差别造成气流上下强烈对流，有助于形成降水，能够冲刷污染物。第10页第10页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=gzp1=gz高度增长高度增长z,z,则高度则高度zz处：处：压强压强p2=g(z-z)p2=g(z-z)因此，得到：因此，得到：P2-P1=p=-gzP2-P1=p=-gz转化为微分形式则：(1)（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)第11页第11页其其中中R=8.314JR=8.314Jmolmol-1-1K K-1-1,M,M气气体体摩摩尔尔质质量量（空空气气摩摩尔尔体体积积为为22.4l22.4lmolmol-1-1，空空气气密密度度=1.29g=1.29gl l-1-1,因因此此M=22.4*1.29=28.869gmolM=22.4*1.29=28.869gmol-1-1）,因因此此R=R/M=287 JR=R/M=287 Jkgkg-1-1K 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分布函数形式，就能够推得气压随高度改变函数形式。第12页第12页 风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s）3 3、风、风 水水平平方方向向空空气气运运动动，垂垂直直方方向向则则称为对流或升降气流。称为对流或升降气流。普普通通用用风风向向、风风速速来来表表示示风风特性特性 风风向向普普通通用用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距离（平方向移动距离（m/sm/s）普普通通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平均值速仪观测得到平均值第13页第13页4 4、云、云 大气中水汽凝结产物大气中水汽凝结产物 普通用云量、云高来拟定大气稳定度普通用云量、云高来拟定大气稳定度 云云高高：云云层层底底部部距距离离地地面面高高度度，高高云云（5000m5000m）中中云（云（2500-5000m2500-5000m）低云（）低云（2500m=依据迈耶定律：R+Cv=Cp(定压比热，压力不变情况下，体系 内能改变，Jmol-1K-1)因此：第18页第18页=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因此：因此：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减减少少单单位位距距离离时时，温温度度减减少少或或升升高高数数值值，称称为为干干绝绝热热递减率递减率:推导过程：推导过程：r rd d=-=-由于：由于：（干绝热方程）（干绝热方程）第19页第19页因此因此r rd d=-=-=又由于又由于因此：因此：r rd d=又由于又由于p=RTp=RT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）干绝热递减率常数推导干绝热递减率常数推导第20页第20页四、大气稳定度四、大气稳定度 大气稳定度：是指大气中某一高度上气块在垂直方向上相对稳定程度。依据大气垂直递减率（r）和干绝热递减率（rd）对比关系，能够拟定大气稳定度。稳定：气团离开本来位置后有回归趋势（rrd）中性：介于上述两种情况之间（r=rd）注意其中rd基本为不变常数0.98k/100m，r则也许改变很大。第21页第21页解释解释：当当rrrrd d时时，气团离开本来位置上升到某一高度时，由于rrd，因此气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度大，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度低，因此气团有回归趋势。当当r rr rd d时时，气团离开本来位置上升到某一高度时，由于rrd，因此气团内降温（速率为rd）要比气团外降温（速率为r）幅度小，相同起始温度情况下，气团内温度会比气团外温度高，因此气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定第22页第22页五、逆温五、逆温 由于上述，可见大气垂直温度递减率越大，则大气就越不稳定，r与rd关系可表示为：rd=0.980.00不 稳定稳定中性超稳定（逆温）普通大气层越稳定，则越不利于污染物扩散 而逆温则使大气温度改变逆转，伴随高度升高，温度也升高（rh,因此HH3 3、湍流逆温（高空逆温）、湍流逆温（高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）改变，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），这样下部湍流层温度会低于上部未湍流层低部温度，从而形成高空湍流逆温。第25页第25页六、局地环流对污染物扩散影响六、局地环流对污染物扩散影响 海海洋洋和和大大陆陆在在白白天天和和夜夜间间热热力力差差别别，造造成成白白天天和和夜夜间间海海洋洋和和陆陆地地之之间间风风向向转转换。换。白天：海风，夜晚：陆风白天：海风，夜晚：陆风对污染扩散影响：对污染扩散影响：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。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，假假如如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，则则污污染染物物很难扩散出去，并不断累积达到很高浓度。很难扩散出去，并不断累积达到很高浓度。1 1、海陆风、海陆风 第26页第26页2 2、城郊风、城郊风主要动力是都市热岛效应造成都市空气从上层流向郊区，郊区温度较低空气从下部流向都市，形成都市和郊区间大气局地环流。使得污染物在城区很难扩散出去，形成都市烟幕，造成市区大气污染加剧。郊区都市郊区3 3、山沟风、山沟风白天：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处于山沟地域污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，处于山沟地域污染源很难扩散，早期一些大气污染事件都发生在山区，马斯河谷烟雾事件。如今人们结识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不马斯河谷烟雾事件。如今人们结识到这一常识，山区成为旅游胜地，而不再是建造工业公司胜地。再是建造工业公司胜地。第27页第27页七、思考题七、思考题1 1、何谓大气温度层结？简述大气垂直分层中各层次主要特性？、何谓大气温度层结？简述大气垂直分层中各层次主要特性？2 2、何何谓谓逆逆温温？逆逆温温几几种种主主要要类类型型及及其其成成因因？逆逆温温对对污污染染物物扩扩散散有有什什么影响？么影响？3 3、何何谓谓大大气气垂垂直直递递减减率率和和干干绝绝热热垂垂直直递递减减率率？如如何何用用它它们们互互相相关关系系判断大气稳定度？判断大气稳定度？4 4、推导大气压强随温度和高度改变计算公式：、推导大气压强随温度和高度改变计算公式：5 5、设设地地面面处处温温度度为为T T0 0=25,P=25,P0 0=1.0110=1.01105 5帕帕.既既有有一一气气团团从从该该地地绝绝热热上上升升，用用探探空空气气球球测测得得地地面面以以上上5km5km高高处处气气温温T=-13,T=-13,求求该该处处压压强强（P P）。）。第28页第28页