安师大《环境学》课程讲义03大气环境

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1、第三章大气环境陆地生物与大气的关系，就像鱼与水一样，须弓不得离开。就是水生生物，也离不了大气，如果地球上没有了大气，也就没有了生命。因此，就决定了大气环境在整个环境中的重要地位。第一节大气概述这一节的内容同学们在“自然地理学”中已经学过了，这一节我只做一个简单的介绍。一、大气的成分大气是由多种成分组成的混合气体，通常认为应包括如下几部分。（一）、干洁气体干洁气体即清洁空气。没有水汽和悬浮物。它的主要成分为氮、氧、氧，它们在空气的总容积中约占99.99%o干洁空气各组分的比例，在地球表面（85公里以下）几乎是不变的，因此可看作为大气中的不变组成。看教材表3。（二）、二氧化碳主要来自于生物的呼吸作

2、用，有机体的燃烧与分解。化石燃料（煤、石油、天然气）燃量的增加，森林覆盖面积的减少，二氧化碳在大气中有含量有增加的趋势。（三）、臭氧臭氧是氧分子离解为氧原子，氧原子再与另外的氧分子结合，形成的一种无色剧臭的气体。在2030公里高度达到最大值，常压下厚度达8公里，形成明显的臭氧层，臭氧能吸收太阳紫外线，使地面生物避免过量的紫外线辐射，（四）、水汽水汽主要来自海洋、地面蒸发与植物蒸腾，在大气温度变化范围内水汽可发生相变，形成云、雾、雨、雪等多种大气现象。大气中的水汽含量，比起氮、氧等主要成分含量，所占的百分比要低得多，但它在大气中的含量随时间、地域、气象条件的不同而变化很大，在干旱地区可低到002

3、%,而在潮湿地带可高达6%0大气中的水汽的含量虽然不大，但在太阳辐射的近红外和远红外区域，对地球长波辐射有较强的吸收带。大气中的水汽含量对生物的生长和发育有重大影响。因而也是大气中重要组成之一。（五）、悬浮微粒大气中的悬浮微粒（固体微粒）主要来源于火山爆发、沙土飞扬、物质燃烧的颗粒、细菌、微生物、植物的抱子花粉等。无论是它的含量、种类，还是化学成分都是变化的。大气中的悬浮微粒增加会影响太阳辐射传输，使能见度变低，有的能起凝结核的作用。二、大气的分层地球表面覆盖着多种气体组成的大气，称谓大气层。一般是将随地球旋转的大气层叫做大气圈。大气在垂直方向上的温度组成、物理性质也是不均的。根据大气温度垂直

4、分布的特点，在结构上将大气分为五个气层，见课本图3。（一）、对流层对流层是大气圈中最接近地面的一层，对流层平均厚度约为12公里。对流层集中了占大气总质量75%的空气和几乎全部的水蒸汽量，是天气变化最复杂的层次。对流层具有两个特点；1、气温随高度增加而降低。每上升IOO米，温度降低0.6。2、空气具有强烈的对流运动。（二）、平流层对流层顶上是平流层，其上界伸展到约55公里处。这一层的特点是：存在臭氧层:大气温度随高度的增加而升高;无线电探空气球，飞机都在这一层活动。（三）、中间层由对流层顶至85公里处。气温随高度的增加而降低。（四）、热成层又称暖层，位于85-8OO公里处。这一层空气密度小，气体

5、在宇宙线作用下处于电离状态，又称电离层。电离后的氧能吸收太阳的短波辐射，因此，电离能反射无线电波，对远距离通讯极为重要。（五）、散逸层热成层顶以上的大气，统称散逸层，也称外层大气。该层大气极为稀薄，气温高，分子运动速度快。有的高速运动的粒子能克服地球的引力作用而逃逸到太空中去，所以称为散逸层。三、大气边界层主要特征在对流层下部1.2-1.5公里范围内的薄层大气称为大气边界层。因为贴近地面摩擦作用影响，又称摩擦层。这一层是人类活动的主要场所，进入大气的污染物质绝大部分在此层活动。所以，边界层气象条件和大气污染物的迁移的扩散有着密切关系。主要特征有以下几点：（一）、湍流运动大气的无规则运动称为大气

6、湍流。根据湍流形成的原因不同，可分为热力湍流和机械湍流。热力湍流是由于垂直方向温度分布不均匀引起的，它的强度取决于大气稳定度。机械湍流是由于垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度引起的，它的强度取决于风速梯度和地面粗糙度。湍流有极强的扩散能力，它比分子扩散快1（）5106倍。风速越大，湍流越强，污染物的扩散速度就越快，污染物的浓度就越低。因此，边界层大气湍流性对污染物的扩散稀释起着重要作用。（二）、风风是大气在各种力的作用下产生的运动。作用在大气上的力有气压梯度力、重力、地转偏向力、磨擦力、惯性离心力。作用于大气的力，以气压梯度力和重力最为重要，这是引起大气运动的直接动力。气压梯度力是指单位质量的

7、空气在气压场中受到的作用力。这一力可分解为垂直和水平方向两个分量。垂直气压梯度力虽大,但由于有空气质量与之平衡,所以空气在垂直方向所受作用力并不大。水平气压梯度力虽小，但却是大气运动的主要原因。只要水平方向上存在着气压差，就有水平气压梯度作用在大气上，使大气由高压侧向低压侧加速运动，直到其他力与之平衡为止。白天风速大、夜间风速小；夏季发生在距地表约100米,冬季约50米高的气层内。（三）、温度的垂直分布干空气在用绝上升和下降运动时，每升高或下降100m,温度约上升或下降1K,对流层内，气温垂直变化的总趋势是随着高度地增加逐渐降低。白天地面吸收太阳辐射而加热；夜间由于地面辐射泠却迅速降温。（四）

8、逆温层对流层在正常情况下（即标准大气压状态下）近地层的气体温度总要比其上层气体温度高。气温垂直变化的这种情况，用气温垂直递减率r表示。气温垂直递减率的含义是：在垂直于地球表面方向上，高度每增加IOOm的气温变化值，（其平均值为0.65/100m）o实际大气气温垂直分布与标准大气可以有很大不同，概括起来有三种情况：气温随高度增加而降低的，其温度垂直分布与标准大气相同，此时r0高度增加，温度不变，符合这样特点的气层称谓等温层，此时r=O高度增加，温度增加，其温度垂直分布与标准大气的相反，这种现象称谓温度逆增，简称逆温。出现这种逆温的气层，称谓逆温层。此时rNO2）酸沉降污染物质的来源：天然源SOx

9、：海洋的硫酸盐雾，有机物的分解，火山爆发、森林大火等。NOx:雷电，陆地源释放人为源S02：燃烧（电厂、冶金、化工）NOX-机动车、机动船、航天器其它来源：书上讲了三点，即氯化物、NH3、臭氧、尘埃等。请同学们自学。（四）芜湖市环境质量情况酸雨：1982-2000年市区共采集降水水样1751个，其中酸雨（pHZ5.6）590个，占样品总数的33.7%。降尘：1982-2000年降尘年平均值17.8T（km2.月）,超过省暂定IOtZkn?./月）.Ce）：1986-2000年CO监测均值为1.87mgr3,低于国家一级标准4mgm3.B时浓度范围0.029-10.35mgm3.NO：1981-

10、2000年，多年平均值为0.031mgm3,低于国家H级标准，有9年超标，超标率最局为7.85%,最低为0.73%o摘自芜湖市环境保护志中国环境科学出版社2001图：酸雨形成机理四、大气污染的危害大气是一切生物生存的最重要的环境要素。随着人为海潮的增强，大气质量发生了很大变化，大气污染越来越严重，它不但危害人体健康、影响动植物生活，同时还损害各种各样的制品与材料。如广西的酸雨可腐蚀人的衣服和雨具。（一）、大气污染对人体健康的危害1、大气污染物侵入人体的途径大气污染物主要通过三个途径侵入人体造成危害。(1)通过呼吸道直接吸进人体造成危害。(2)附着在食物上或溶于水中，随饮水，食物而进入人体(3)

11、通过接触或刺激皮肤进入人体。2、不同类型的污染物对人体的危害：(1)大气颗粒物：如前所述，大气颗粒物粒径小于1皿m称烟尘；粒径小于IOUm称飘尘；粒径大于IOUm称降尘；粒径小于75Um称粉尘；粒径大于75Um称尘粒。粒径小于IOUm颗粒物可以通过呼吸道进入肺泡，从而对人体的健康产生危害。主要表现为矽肺病、癌症、支气管炎。(2)、二氧化硫：SCh对人体的健康的影响是破坏酶的活力，影响碳水化合物和蛋白质的代谢，使血中蛋白与球蛋白比例降低，对肝脏也有一定的影响。值得一提的是，通常被污染的大气中SCh是与多种污染物共存，吸入的混合气体对人体产生危害的协同效应，比它们各自的作用之和要大得多。比如，SO

12、2被氧化成S03,S03与水蒸汽形成硫酸雾，硫酸雾的生理毒性要比SCh大4-20倍。我国1995年SCh的排放量为2370万吨，超过欧洲和美国，成为世界上最大的SCh排放国。2000年SO2的排放量为2730万吨。因此，在今后一个时期内，酸雨和SCh的污染控制将是我国大气污染防治工作的一项重要内容。上海市城区大气二氧化硫污染对健康的定量评价陈秉衡(复旦大学公共卫生学院环境卫生教研室)以国际上近年来通用的危害度评价方法为基础，结合大气污染物每增高一个单位所产生的健康损失综合定量评价上海市城区大气S02污染的健康危害。结果表明，1990、1998年上海市城区大气S02污染造成可避免死亡数分别为45

13、0-2400人,30-170人慢性支气管炎可避免患者数54600、4000人，内科门诊人次515800、32200,儿科门诊人数不清57500、7000,急诊人次101900-334600,6600-23200,咳嗽症状增加23.3%、16%,所急症状增加53.3%,3.6%。结论，上海市城区大气S02污染对居民造成了一定的健康损失，但呈逐年下降趋势。摘自环境与健康杂志200219(1)11-13沈阳市空气S02污染对心血管疾病死亡率的影响金力奋(浙江大学医学院劳动卫生与环境卫生研究所)摘自环境与健康杂志200219(1)50-52昔日买方变成大卖方在我国开创了首例二氧化硫排污权交易的“买卖”

14、的南通市，南通醋酸纤维有限公司过去从天生港发电公司买，今天在投资21.58亿元改造生产线后，不仅实现了二氧化硫的总量控制，还从富裕的二氧化硫排污指标中，每年拿出400吨指标，卖给王子制纸，每吨成交价IooO元为期5年。中国环境报2004-11-16(3)、一氧化碳CO是五色无嗅的有毒气体。CO和血液中血红蛋白的亲和力是氧的210倍左右。它们结合后生成碳氧血红蛋白(HBe0),将严重阻碍血液输氧，引起缺氧，发生中毒。CO的人为排放是以汽油为燃料的机动车，机动船和航天器排放的，而且量大面广，在大气的污染控制中，对CO的排放应引起高度的重视。(4)、氮氧化物前面讲过，氮氧化物有二种生成方式，一种由燃

15、料中固定氮生成，通常称为燃氮氧化物；一种是由空气中氮气在高温下通过原子氧和氮之间的化学反应生成，通常称为热氮氧化物。化石燃料中，石油的平均含氮量为0.65%,煤的含氮量为1%2%(重量计).构成大气污染的氮氧化物主要是NO和NO2O试验结果表明，燃料中20%-80%的氮转化为氮氧化物。一般的化学转化为：2NO+O2-SFe3种温室气体。CO2、CH4、N2。一样，是IPCC温室气体控制名单中的6个成员。这些温室气体的共性是：是氟利昂的替代品；本身不含氯不直接破坏臭氧；都是温室气体。物质增温潜势寿命(年)HCFCs70023001020IIFCs330010PFCSCR6500、CzF69200

16、、CEO7000CR50000、C2F6IOOOOCFo26OOSFG239003200吴兑编著温室气体与温室效应气象出版社2003.7P29-1027、水汽除了上述6种以外，补充介绍一下水汽。水汽是一种很强的温室气体。水汽增加对大气增温的反馈大约是水汽不变的2倍，它将使由于CO2加倍引起的平均升高再增加60%。冬季，南方天气较北方阴冷的主要原因之一就是空气中水汽含量高。水汽变化会通过如下几个方面对全球气温产生影响。(I)G气中的水分本身就是一种温室气体。水与水汽这间转化需要释放或吸收大量热能。因此空气中水分含量的多少和变化必然会对气温产生影响。另外,太阳辐射到达地表的热能中，有多少被地表吸收

17、或返回到底层大气中都与空气湿度有密切关系。(2)目前全球许多地区由于降水减少，气候长期干旱而导致土地沙漠化，这在非洲、亚洲I、和我国西北地区都非常明显，土地沙漠化的结果是植被减少，生态系统的调控能力降低，其最终结果是促使气温升高。(3)降水减少使空气湿度降低和土壤水分减少。土壤水分减少的结果介使地表温度变化显著，对气温的调控能力降低。(4)全球降水多少和空气温度高低对河流、水库蓄水，植物生长和低层云量多少都有一定的影响，这些变化最终会对气温产生影响。(5)水汽输送是太阳能在大气内重新分布的关键过程，对大气环流起着重要作用。此外，水分循环参与云的形成与生消过程，大气环流对云和气候的影响是巨大的。

18、云对气候的作用，有两种相反的效应支配着：一是反射效应，主要是中低云增加了太阳辐射的反射率；一是温室效应，阻挡了地球的长波辐射。(三)全球变暖可能造成的影响全球变暖将给地球和人类带来复杂的潜在的影响，既有正面的，也有负面的。例如随着温度的升高,副极地地区也许将更适合人类居住;在适当的条件下，较高的二氧化碳浓度能够促进光合作用，从而使植物具有更高的固碳速率，导致植物生长的增加，即二氧化碳的增产效应，这是全球变暖的正面影响。但是与正面影响相比，全球变暖对人类活动的负面影响将更为巨大和深远。今年8月份CCTV报道，由于气候变暖的影响，珠穆朗玛峰的顶峰下降了1.3米。祁连山冰川缩减危及河西走廊：近年来，

19、祁连山冰川融化比上个世纪70年代减少了大约10亿立方米，冰川局部地区的雪线正以年均2-2.6米的速度上升。专家分析，冰川退缩，雪线上升除自然气候因素外，另一个主要原因是人口膨胀，超载超牧，过度开垦，乱砍滥伐，滥采地下水有关。中国环境报20049161、海平面上升的影响过去的百年海平面上升了14.4cm,我国上升了IL5cm。海平面升高的原因，主要是海水热膨胀，当海洋变暖时，海平面则升高。全球升温会引起地球南北两极的冰山融化，这也是造成海平面上升的主要原因之一。海平面上升的直接影响有以下几个方面：(1)低地被淹：英国加高堤坝应对气候变暖全球变暖使海平面升高，暴风雨频率增加，这使英国人不得政治面目

20、加高防洪堤坝。据英国官方近日公布的统计数据，在过去的20年中，由于泰晤士河的水位随全球变暖而升高，当地政府机构不得不先后88次加高防洪堤坝，以保障伦敦人的生命财产安全。，据悉，人们现在平均每年4次加高其堤坝。据估计，在2030年以前，其加高堤坝的频率会达到每年30次。钟和中国环境报2004/0/9(2)海岸被冲蚀(3)地表水和地下水盐分增加，影响城市供水。(4)地下水位升高。（5）旅游业受到危害（海平面上升50米,大连、秦皇岛、青岛、北海、三亚滨海旅游区向后31-366料，沙滩损失24%,北戴河沙滩损失60%。2002年中国国土资源公报报道，沿海旅游业已成为第一大产业，其产值为2503亿元，占

21、海洋产业总产值的34.6%o（6）影响沿海和岛国居民的生活（占世界1/3的人口），使之受到威胁。如果极地冰冠融化，经济发达、人口稠密的沿海地区会被海水吞没，马尔代夫、塞舌尔等低洼岛国将从地面上消失，上海、威尼斯、香港、里约热内卢、东京、曼谷、纽约等海滨大城市以及孟加拉、荷兰、埃及等国也将难逃厄运。2、对动植物的影响气候是决定生物群落分布的主要因素，气候变化能改变一个地区不同物种的适应性并能改变生态系统内部不同种群的竞争力。自然界的动植物，尤其是植物群落，可能因无法适应全球变暖的速度而做适应性转移，从而惨遭厄运。以往的气候变化（如冰期）曾使许多物种消失，未来的气候将使一些地区的某些物种消失，而人些物种则从气候变暖中得到益处，它们的栖息地可能增加，竞争对手和天敌也可能减少。比如说桔子，过去20世纪70年代，它的最