大。边界层以上的对流层称自由大气层,受地表面影响较小。 对流层和平流层之间,有一层厚度约为几百米到1~2km的过渡层,称对流层顶,其气温随 高度变化几乎不变,因而对其下层的垂直运动起着阻挡作用 2.平流层 从对流层顶向上到50km左右是平流层。平流层中空气密度较小,垂直运动微弱,大气比较 稳定。对流层顶到30km左右的大气层气温变化很小,为-55℃左右,故称为同温层。同温层以 上的平流层中气温随高度升高而升高,至平流层顶达-3℃左白。平流层集中了大气中大部分臭 氧,并在20~25km高度上达到最大值,形成臭氧层。臭氧层吸收了大量的太阳紫外辐射,保护 地球上的生命免受紫外线伤害。但是,近年来由于大气污染,使臭氧层的臭氧浓度降低,在极地 已形成臭氧洞,必须引起高度重视。 3.中间层 平流层顶到85km高度左右的气层称中间层。其主要特征是温度随高度的增加迅速降低, 顶部温度可降到-83℃以下。因此气流有强烈的垂直运动,故又称为高空对流层。 4.暖层 从中间层顶向上到800km高度为暖层,在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下,气温随高 度升高而增高。据人造卫星探测,其顶部温度可达1700℃以上。暖层空气分子被高度电离,生 成大量的离子和电子,故又称为电离层。 5.散逸层 散逸层处在暖层顶上面,又称外大气层,底部大约在800km高度处。该层空气极其稀薄,气 体粒子的运动速度很高,且有向星际空间散逸的特性,成为整个大气层和星际空间的过渡地带。 二、大气的组 自然状态下的大气(空气)由干燥清洁的混合气体、水蒸气和悬浮颗粒物组成,除去水蒸气和 悬浮颗粒物的大气称为干洁空气。地球大气的总质量约为53×105t,古地球总质量的百万分 之一左右,其中98.2%集中在30km以下的大气层中,约有50%集中在5-6km以下的对流层 (一)干洁大气的组成 干洁大气的主要成分是氮(N2)氧(O2)和氬(Ax),它们分别占空气总体积的78.08%、 20.95%、0.93%,共占干洁大气总体积的9996%。其他气体所占体积不到0.04%,包括二氧化 碳(CO2)氖(Ne)氮(He)氮(Kr)、氙(Xe)、氢(H2)、臭氧(O3)等。干洁大气的成分等见表1 从表1-1所列临界温度和临界压强可以看出,干洁大气各组分在自然条件下均为气体,不 可能液化。所以干洁大气是永久气体,可视为一个整体,相对分子质量为28.966,临界温度为 413.85K,临界压强为372×1.0133×105Pa 由于大气的水平运动、对流、湍流和分子扩散,使不同地区、不同高度的大气得到交换和混 合。所以,从地面到90km高度,干洁大气的主要成分和含量基本保持不变。在90km以上,氮稍 有减少,氧稍有增多氩和二氧化碳则明显减少,其中氧和氮分子开始电离。根据火箭探测在 95km高度上,干洁大气中各成分的体积分数约为氮77%、氧21.5%、氩0.76%
豪1-1干洁大气的组成(高度25m以下) 成分 本积分数(%)相对分子质量临界温度/K 临界压强/(1.0133×10Pa) 氮(N2) 28.016 420.35 氧(O2) 0.93 氧化碱(CO2) 44.010 氖(N)008203 氮(He) 0.0005 4.003 531.05 臭氧(O3) 0.00006 48.000 278.15 氢(H2) 0.0000s 2.016 513.15 12.8 氛(Kr) 83.700 -336.15 氙(Xe) 131.300 -257.15 58.2 干洁大气中,对人类活动影响最大的是氮、氧、二氧化碳和臭氧。它们的作用如下。 氧和氮 氧和氮是大气中的恒定气体成分。其中氧是人类和动植物维持生命极为重要的气体,在大 气中发生化学反应时,氧起着极重要作用。到目前为止,还没有发现空气中氧含量有明显减少, 因而影响动植物生命活动的现象,但在土壤和水中,经常出现缺氧现象及其造成的危害。 氮是地球上有机体的重要组成元素,在有机物中它主要以蛋白质的形式存在。氮也是合成 氨等化工生产的基本原料。 2.二氧化碳和臭氧 它们是干洁大气中的可变气体成分,对大气的温度分布影响较大。 臭氧是大气的微量成分之一,总质量约为329×109t,占大气质量的0.64×106。臭氧在 大气中按体积计算平均不到万分之一。它的含量随时间和空间变化很大,在10km以下含量甚 微,从10km往上,含量随高度增高而增加,到20-25km高空处,密度达最大值,再往上则减少 在55~60km高空处,其含量极少。臭氧在水平方向上的分布,一般由赤道向两极逐渐增加,并 随季节变化,最大值出现在春季,最小值出现在夏季 臭氧在大气中含量虽然极少,但它能大量吸收太阳辐射中波长小于0.29m的紫外线保护 着地球上有机体的生命活动。据近年观测,在南极和北半球都出现了臭氧浓度减少的现象,多数 科学家认为,这主要是人类大量使用氟氯烃类物质的结果。由干臭氧层受到破坏,人类将受到紫 外线的危害,因此应禁止使用这类物质,保护臭氧层。 在大气中,二氧化碳、臭氧和水蒸气是影响热辐射传输的主要气体。其中二氧化碳虽然随时 间地点变化,但在人类活动对大气产生明显影响之前,大气中的二氧化碳含量长期保持在一定水 平上。近百年来,由于工业的发展使大气中的二氧化碳浓度逐年增加,且大都集中在20km以下 的大气层中。近年来,单是石油和煤的燃烧每年就有大约50亿t二氧化碳进入大气。从19世 纪以来大气中二氧化碳的质量浓度明显增加,由1800年的511~560mgm3上升到1988年的 688mg/m 大气中的二氧化碳能吸收地表和低层大气的热辐射,所以,二氧化碳的存在,可以使地面保
持较高的温度。大气中二氧化碳含量增加,地表和低层大气的温度就会升高,可造成明显的温室 效应。1958年以来,我国的观测表明,至1978年止,大气中二氧化碳的质量浓度可能比建国初 期增加了大约79mg/m3。如果二氧化碳继续以此速度递增,那么,在几百年以后,就有可能对世 界气候产生明显影响。 (二)水蒸气 水蒸气是实际大气的重要组成部分,在大气中的平均含量不到0.5%,而且随空间时间和 气象条件变化而变化。在热带多雨地区,其体积分数可达4%;沙漠干燥区或极地区可小于 0.01%。一般低纬度地区大于高纬度地区,下层高于上层,夏季高于冬季。观测表明,在1.5~ 2km高度处,空气中的水蒸气含量已减少为地面的一半,在5km高度上减少为地面的十分之一, 再向上含量就更少了。 水蒸气是实际大气中唯一能在自然条件下发生相变的成分。通过水蒸气相变,使得地表和 大气之间以及大气内部的水蒸气、热和能量得以输送和交换。水蒸气对太阳辐射的吸收能力较 小,但对地面长波辐射的吸收能力较强。因此它与二氧化碳一起,对地球起着保温作用 (三)悬浮颗粒物 实际大气除含有上述气体成分外,还含有沉降速率很小的固体和液体徽粒,称之为悬浮颗粒 物或悬浮微粒,它是低层大气的重要组成部分。大气中悬浮微粒粒径一般在10-4m到几十微 米之间。悬浮微粒包括固体微粒和水蒸气凝结成的水滴和冰晶;固体徽粒可分为有机物和无机 物两类。其中,有机物微粒数量较少,主要有植物花粉微生物和细菌等;无机物微粒数量较多 主要来源是:岩石或土壤风化后的尘粒,流星燃烧后的灰烬,火山爆发时的尘埃等。悬浮颗粒物 多集中于大气底层,不论是含量还是化学成分都是变化的。这些物质中,有许多是引起大气污染 的物质。它们的分布,也随时间地点和气象条件而变化,通常是陆上多于海上,城市多于乡村, 冬季多于夏季。它们的存在对辐射的吸收与散射,云、雾和降水的形成,大气光电现象具有重要 作用,对大气污染有重要影响。 三、大气污染 (一)大气的重要性 人们常讲水是生命之源,没有水就没有生命。但是,人和其他生物赖以生存的空气是比水更 重要的物质资源,人类生存离不开空气,发展工农业生产离不开空气,燃料燃烧离不了空气。 空气、水和土壤是人类生存所不可缺少的三大自然环境要素,缺一不可。人们时刻都要呼吸 空气,一个成年人每天大约呼吸10~12m3约13-15kg空气,相当于一天食物量的10倍饮水量 的5~6倍。生命的新陈代谢一时一刻也离不开空气:一个人五周不吃饭,五天不喝水,尚可能生 存,而五分钟不呼吸空气就会死亡。人的生命离不开空气,健康的身体需要新鲜清洁的空气。不 少调查表明,肺癌等疾病与大气污染有密切关系。 (二)大气污染的含义 随着工业的发展和人口的集中,环境空气特别是城市空气已经受到了污染。所谓污染,从 广义上讲,空气中进入了异物,改变了其原来的组成比例或成分,就可能造成大气污染。但是,通 常讲的大气污染是狭义的,是与人们的生产和生活密切相关的。所以,大气污染是指空气中进人 了某些物质,其数量浓度和在空气中的滞留时间足以危害人们的舒适健康和福利,影响动植物
生长,损害人们的财产和器物。自然过程和人类活动都会引起大气污染,但主要是人类活动包 括生产和生活活动,如工业生产、交通运输、炊事、取暖等引起的大气污染。一般来说,就全球而 言,自然过程如火山喷发、山林火灾、海啸、土壤和岩石风化及大气运动等造成的大气污染,由于 其现有规模及自然环境的物理、化学和生物机能等自然环境的自净作用,经过一定时间后会自动 消除,即逐渐恢复生态平衡,所以不会影响人类生存,不是大气污染的主要原因。 随着现代工业和交通运输的发展,人口的相对集中,大气污染已经成了城市和工矿区的重要 公害。如大气污染对人体舒适和健康的危害,包括对人体正常生活环境和生理机能的影响,可能 引起的慢性病、急性病,甚至死亡等;所谓对福利的影响,是指对与人类共存的生物、自然资源以 及财产和器物的影响等 第二节大气污染的发生和发展 、大气污染的回顾 大气污染与人类的生产和生活活动密切相关,由于人类活动而造成的大气环境污染,最早可 追溯到人类开始用火的上古时期。柴薪燃烧、森林火灾等都可能造成局部大气污染。不过那时 的大气污染在性质和程度上与现在的大气污染完全不同。那时的人们,不仅没有意识到大气污 染对人类生存的危害,而且也没有能力控制它,只有在不得已时暂时离开污染的环境。那时及以 后相当长的时期,环境大气基本上没有受到污染,能够满足人类生存的需要。 现在所讲的大气污染,是指18世纪中叶产业革命之后的污染。伴随蒸汽机的发明与广泛使 用,生产力迅速发展,化石燃料逐渐上升为主要能源,燃料燃烧等造成的大气污染日趋严重。工 业发达国家的大气污染是和其现代工业同步发生和发展的,大体上已经过三个阶段。 第一阶段:18世纪末到20世纪中期,大气污染状况随着工业的发展而趋于严重。大气污染 主要是燃煤引起的所谓“煤烟型”污染,主要污染物是烟尘和二氧化硫。这一阶段的后期,由于加 强了能源管理,采取消烟除尘等措施,初步解决了视觉上的烟尘污染,但飘尘和二氧化硫的污染 却更加严重了。 第二阶段:20世纪50年代至60年代,各国工业畸形发展,汽车数量猛增,石油类燃料成倍 增长,大气污染日趋严重。这一阶段的大气污染,已不再局限于城市和工矿区,而呈现出所谓“石 油型”的广域污染,尘、重金属、二氧化硫、NO2、CO和CH等污染物已普遍存在,大气污染的危 害已不能用某一种污染物的特性解释,而是多种污染物同时作用的结果,即所谓“复合污染”。令 人记忆犹新的英国“伦敦烟雾”、美国的“多诺拉烟雾”及日本的“四日市气喘病”等污染事件都是 大气中的SO2与职尘中的重金属等共同作用的结果即所谓硫酸烟雾污染。美国的洛杉矶烟 雾,则是汽车排气引起的光化学烟雾污染事件。硫酸烟雾和光化学烟雾均属二次污染物其危害 比一次污染物更大。这一时期工业发达国家迫于人们反公害斗争的压力,不得不着手治理大气 环境污染 第三阶段:20世纪70年代后期,在一些发达国家更加重视环境保护,花费了大量人力物力 和财力,经过严格控制和综合治理环境污染基本得到控制环境质量有所改善。但是,由于汽车 数量不断增加,CONO2CH和光化学烟雾等污染仍很严重且不易解决,大气污染的范围也越
来越大,由点线、面扩展为广域以至全球性污染,出现了全球性的大气环境问题如酸雨温室效 应、臭氧层破坏等。 中国的大气污染状况 中国的大气污染状况在世界上属于少数最严重的国家之一。1980年前后曾达到相当严重 的程度部分工业城市大气中烟尘含量和某些有害气体浓度超过标准几倍,甚至几百倍(见表 1-2和1-3)。80年代以来随着我国环保机构的完善环境保护管理工作的加强,大气污染恶化 的趋势有所减缓。在1995年国民生产总值比1980年翻两番的情况下,大气污染物并没有成倍 增加,1994年与1988年相比,SO2排放量稍有增加,烟尘排放量基本上没有变化,粉尘排放量则 有所减少(图1-2)。1994年,全国废气排放量Vn为114×1012m3(不含乡镇工业,下同)。 废气中烟尘排放量1414×104t,二氧化硫排放量1825×10t,工业粉尘排放量583×104t。全国 城市大气中总悬浮微粒年日均值范围为0089~0.849mgm3,其中北方城市平均0407mg/m3 南方城市0.250mg/m3。表1-4列出了1995年中国部分城市大气监测结果。 排放量/(101t) ■烟尘四SO2口粉尘 2000 1600 200 9931994 图1-21988-1994年全国废气中主要污染物排放情况(不含乡镇工业) 襄1-21981年我国部分城市大气监测结果 单位:ngf 污染物地区 质量浓度范围 年日平均质量浓度超标城市数/(%) 标准质量浓度 TSP 北方 0.37-277 0.93 0.30 0.16~0.85 0.41 71 SO 0.02-0.38 0.12 30.0 0.15 南方 0.02~0.45 0.11 北方 0.02~0 0.10 南方 0.01~0.08 0.04