大气环境化学PPT课件.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 重点内容重点内容:（1）污染物在大气中的迁移 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 污染物迁移影响因素：混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等 污染物迁移的数学模式：推导与应用（2）污染物在大气中的转化 光化学反应基础 自由基反应和来源 氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化（3）几种代表性的大气环境污染问题 酸雨，光化学烟雾，温室效应，全球变暖 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 一一、大气垂直分层大气垂直分层 二二、基本气象要素基本气象要素 三三、气块的绝热过程和干绝热递减率气块的绝热过程和干绝热递减率 四四、大气稳定度大气稳定度 五五、逆温逆温 六六、局地环流对污染物扩散的影响局地环流对污染物扩散的影响 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。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：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。中温度的差异是空气运动的动力源。1 1、对流层对流层: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 （-100100）（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、热热（成成）层层 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)大部分空气分子被电离成为离子和自由电子大部分空气分子被电离成为离子和自由电子，又称电又称电离层离层，可以反射无线电波可以反射无线电波 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=gzp1=gz 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=g(zp2=g(z-z)z)所以，得到：所以，得到：P2P2-P1=P1=p=p=-ggz z 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)gdzdpMmRTpv MRTMRTvmpMRR TRp其中其中R=R=8 8.314314J Jmolmol-1 1K K-1 1,M,M气体摩尔质量气体摩尔质量（空气的摩尔体积为空气的摩尔体积为2222.4 4l lmolmol-1 1，空气密度空气密度=1 1.2929g gl l-1 1,所以所以M=M=2222.4 4*1 1.2929=2828.869869gmolgmol-1 1）,所以所以R R=R/M=R/M=287287 J 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的分布函数形式，就可以推得气压随高度的变化函数形式。gdzdpTRpgdzTRgdzTRgpdp1dzTRgpdp1dzTRgpp1ln0dzTRgpp1exp0 风玫瑰图（风玫瑰图（m/sm/s）3 3、风风 水平方向的空气运动水平方向的空气运动，垂直方向垂直方向则称为对流或升降气流则称为对流或升降气流。一般用风向一般用风向、风速来表示风风速来表示风的特征的特征 风向一般用风向一般用1616个方位表示个方位表示，(E(E S S W W N)N)风速是单位时间内空气在水风速是单位时间内空气在水平方向移动的距离平方向移动的距离（m/sm/s）一般风速是地面以上一般风速是地面以上1010m m处风处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 大气中水汽凝结的产物大气中水汽凝结的产物 一般用云量一般用云量、云高来确定大气稳定度云高来确定大气稳定度 云高：云层底部距离地面的高度云高：云层底部距离地面的高度，高云高云（50005000m m）中云中云（25002500-50005000m m）低云低云（=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：nCvdTdppnRTnRdTdppnRTnCvdTnRdTdppRTCvdTRdTpdpRTdTCvR)(pdpRTdTCp=对于空气对于空气R=R=287287 JmolJmol-1 1K K-1 1 Cp=Cp=996996.5 5 JmolJmol-1 1K K-1 1 所以：所以：3 3、干绝热递减率干绝热递减率 气团干绝热气团干绝热升高或降低升高或降低单位距离时单位距离时，温度温度降低或升高降低或升高的数值的数值，称为干称为干绝热递减率绝热递减率: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）2121pppTTpdpCRTdT1212lnlnppCRTTppCRppTT1212286.01212ppTT ddzdT pdpCRTdTp 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=RTp=RT 故故r rd d=0 0.9898K/K/100100m m （1 1N=N=1 1kgkg m m s s-2 2,1 1J=J=1 1N N m m）dpdpdzdppCRTdzpdpCRT11gdzdpdpgpCRT1dpCgpRTpCg11221121125.9968.95.9968.95.9968.9KmkgkgmsmsKNmkgmsKJkgmsddzdT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 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。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。稳定：气团离开原来位置后有回归的趋势（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则可能变化很大。解释解释：当当rrrrd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（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，所以气团有回归趋势。当当r rr rd d时时，气团离开原来位置上升到某一高度时，由于rrd，所以气团内降温（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，所以气团有继续移动离开趋势。rrd不稳定 五、逆温五、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=0.98 0.00 不稳定 稳定 中性 超稳定（逆温）一般大气层越稳定，则越不利于污染物的扩散 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（rh,所以HH 3 3、湍流逆温湍流逆温（高空逆温高空逆温）低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。在下部湍流层，气团上升过程中，温度按干绝热递减率（rd）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 海洋和大陆在白天和夜间的热力差异海洋和大陆在白天和夜间的热力差异，导致的白天和夜间海洋和陆地之间的导致的白天和夜间海洋和陆地之间的风向转换风向转换。白天：海风白天：海风，夜晚：陆风夜晚：陆风 对污染扩散的影响：对污染扩散的影响：白天海风吹向陆地白天海风吹向陆地，海风处于下层海风处于下层，温度较低温度较低，易于形成逆温易于形成逆温。夜间陆风吹向海洋夜间陆风吹向海洋，陆风处于下层陆风处于下层，温度和海洋差别不大温度和海洋差别不大，不易形成逆温不易形成逆温 易造成污染物往返易造成污染物往返，海陆风转换期间海陆风转换期间，原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹原随陆风吹向海洋的污染物又会被吹会陆地会陆地。循环作用循环作用，如果污染源处于海路风交界处如果污染源处于海路风交界处，并处于局地环流并处于局地环流，则污染则污染物很难扩散出去物很难扩散出去，并不断累积达到很高的浓度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 主要动力是城市热岛效应造成的 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。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 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。七、思考题七、思考题 1 1、何谓大气的温度层结何谓大气的温度层结？简述大气垂直分层中各层次的主要特征简述大气垂直分层中各层次的主要特征？2 2、何谓逆温何谓逆温？逆温的几种主要类型及其成因逆温的几种主要类型及其成因？逆温对污染物扩散有逆温对污染物扩散有什么影响什么影响？3 3、何谓大气垂直递减率和干绝热垂直递减率何谓大气垂直递减率和干绝热垂直递减率？如何用它们的相互关如何用它们的相互关系判断大气稳定度系判断大气稳定度？4 4、推导大气压强随温度和高度变化的计算公式：推导大气压强随温度和高度变化的计算公式：5 5、设地面处温度为设地面处温度为T T0 0=2525,P,P0 0=1 1.010110105 5帕帕.现有一气团从该地绝热现有一气团从该地绝热上升上升，用探空气球测得地面以上用探空气球测得地面以上5 5kmkm高处气温高处气温T=T=-1313,求该处压强求该处压强（P P）。dzTRgpp1exp0