1大气环境 1.1地球大气圈 我们把覆盖在地球表面并随地球引力而旋转的大气层叫做大 气圈。这样的气层高度可达上万公里,但是在几千公里的高空,气 体已经非常稀薄,已经接近宇宙空间的状态了,为此在一般情况 下,可以把1000-1400公里以下的气层作为大气圈的厚度。 地球大气圈的总质量约为5300万亿吨。但它们的分布是不 均匀的。在近地层的大气层里空气稠密,在海平面处空气的密度 约为1.293kg/m3,然后随着高度上升而迅速变稀,到5公里处,密 度将降到一半,到10公里处,密度将降到海平面处的20% 根据大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化可以把大 气圈科学地分为五层:对流层、平流层、中间层热层和散逸层。图 1-1是地表面到100公里高空的大气圈的结构。 对流层是大气圈的最低一层,其厚度在极地约8公里;在赤道 约17~18公里,在中纬度平均约12公里。整个大气圈的质量约 有80%~90%集聚在这一层。这一层大气对人类的影响最大。 通常所谓的空气污染也就发生在这一层,特别是发生在地面以上 厚度1公里多的大气层中,特称此层为大气边界层。 对流层直接与地表面的水圈和岩石圈接触。当岩石圈与水圈 的表面被太阳晒热后,地表面的热量通过传导、辐射对流湍流等 方式再传递给大气,故低层的空气首先被加热,然后再逐步把热量
传送到上层的大气。还由于地面有海陆之分,昼、夜之别,以及纬 度高低之差,它们的受热状况和被加热的能力都有很大差别,因而 不同地表面处的低层空气的温度也千差万别,从而就形成了垂直 和水平方向的对流。这是对流层的一个重要特性。 100 热层(电离层) 中向层顶 中间层 流层顶 平流层 对流层顶 对流层 0 240 温度(K) 图1-1大气圈的构造 绝大部分的空气组分不能直接吸收太阳能量,而只能吸收地 面的辐射能,所以对流层的另一个重要特点是温度随高度的增加 而下降,平均下降率为每100米0.65℃。而在最下层的大气边界 层内,温度的上下分布受太阳辐射加热和地面辐射冷却所控制,在 白天和晚上,以及阴天和晴天都不一样,有时候温度随高度增加, 有时候减少 另外,对流层空气与水圈和岩石圈接触的另一后果,是尘埃
微生物等固态物质进入空气层,成为扬尘、飞沙的来源;而水蒸汽 进入大气,就会形成云雾雨雪雹霜、露等一系列天气现象。 大气边界层是直接受地表影响最强烈的气层,它与人类活动 的关系最密切最直接,空气污染问题亦主要发生在这一层中 大气边界层的厚度一般为1公里多些。它随天气条件、地表 特征而有些变化。其厚度相对于整个大气层而言,虽然只占了薄 薄的一层,但它却占有了整个空气质量的十分之一左右。 大气边界层与人类活动的关系最密切、最直接,空气污染问题 亦主要发生在这一层中。 在这一层里,气流受地面摩擦力和地形地物的影响,并受这 层里的动量、热量水气和其他物质的输送传递等的支配。空气 污染物排放进入大气层,其活动决定于各种尺度的大气过程,首先 是受大气边界层中不规则的湍流运动所支配。 温度的日变化可以看作是太阳辐射引起的加热及地面长波辐 射引起的冷却,这加热和冷却借助于湍流由地面向上传播。在晴 朗的白天,靠近地面处温度较高,然后往上,逐渐递减;而在晴朗的 夜晚,靠近地面处温度较低,然后往上,逐渐增加。因而边界层中 温度场具有特征性的日平均垂直梯度,并在日平均值上再叠加以 昼夜为周期的波动波动愈接近地面愈剧烈,随着接近边界层的上 边界而逐渐减弱为零 对流层上部与平流层的过渡区称为对流层顶,厚度约几百米 到1千多米。 在对流层顶上面是平流层,其厚度约为38公里。在该层中集 中了地球大气中大部分的臭氧,而臭氧能强烈地吸收太阳的紫外 线能量,从而使得其温度随高度的增加而上升。平流层内的空气 主要作水平运动,对流十分微弱,一般气流平稳,几乎没有水蒸气 和尘埃,所以大气透明度好,极少狂风暴雨等现象。但是,如果大 气污染物进入平流层后,一般难于消除,会较长时间地存在。平流
层顶位于离地面50~5公里处,那里的温度约为271K。 平流层上面是中间层,该层缺少加热的机制,故气温又随高度 的增加而下降。其厚度约为35公里。中间层顶位于离地面80 85公里处那里的温度约为190K。 中间层上面是热层。该层的氧分子一般分解成原子状态,而 原子氧可吸收太阳能使温度急剧上升。而且其中有一个带电粒子 的稠密带称为电离层,它可以使无线电波反射回地面,这对远距 离通信极为重要。本层厚度约630公里。 热层的上面,即高度在700公里以外,这里气体极为稀薄粒 子之间很少相互碰撞,气体质点很容易游离出地球空间,而进入宇 宙空间,故此层被称为散逸层,其厚度约有上万公里。在此以外就 是宇宙空间了。 从地球表面向上,大约到90公里高度,大气的主要成分氧和 氮的组成比例几乎没有什么变化,我们称它为均质大气层(简称为 均质层),在均质层以上直到外层空间,其气体的组成随高度的升 高有很大的变化,这个圈层我们称它为非均质层。通常可以认为 对流层、平流层和中间层是均质层,而热层和散逸层为非均质层。 1.2大气组成 大气由多种气体混合而成它可分为恒定成分、可变成分和不 定成分。 恒定成分有氮氧氬、氖、氮、氪、氙等气体。其中氮占78 084%、氧20.9476%、氬0934%这三者共占空气总体积的99 97%,加上微量的氖氦氪氙等稀有气体,就构成了空气中的恒 定组分,这一组分的比例在地球表面上任何地方的均质层里几乎 是可以看作不变的。 可变成分有二氧化碳和水气,它们的含量随地区、季节、气象
条件等因素以及人们的生产和生活活动的影响而发生变化。在通 常情况下二氧化碳的含量为0.02%~0.04%,水气的含量为0% 4% 只含有上述恒定组分和可变组分的空气,我们认为是纯洁清 净的空气。并特别把不包含水气和悬浮颗粒物的这种空气称为干 洁空气。 大气中不定成分有氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、臭氧等。它 们的来源有两个。 1)自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的自然 灾害所引起的。由此形成的污染物有尘埃硫、硫化氢、硫氧化物、 氮氧化物、盐类及恶臭气体等。一般说来,这些不定组分进入大气 中,可造成局部和暂时性的污染。 2)由于人类社会生产的发展,城市增多与扩大,人口密集,或 由于城市工业布局不合理,环境管理不善等人为因素,使得大气中 增加或增多了某些不定组分,如煤烟、尘、硫氧化物、氮氧化物等, 这是空气中不定组分的最主要来源,也是造成空气污染的主要根 源 表1-1列出了洁净大气的组成和城市环境污染空气中一些 成分的含量(以体积浓度表示)。由表可知,洁净大气中的不定成 分含量很低,对人体和环境是没有明显影响的,然而,在污染空气 中,这些不定成分的含量都比背景值高出许多,这是由人类活动的 排放造成的。 应当指出,不论是大气的恒定成分还是可变成分或不定成分, 它们在大气中每时每刻都在进行物理和化学运动与海洋、生物和 地面发生循环交换,各处在源的排放量和汇的消失量的平衡状况 下,如若某一成分的源排放量超过汇的消失量,则它在大气中的含 量会增加,反之则含量减少