《环境学》第八章人居环境.doc

第八章人居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。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、氩,它们在空气的总容积中约占99.99%。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20——30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0.02%,而在潮湿地带可高达 6%。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 (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、植物的孢子花粉等。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。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。根据大气温度垂直分布的特点,在结构上将大气分为五个气层,见课本图3 ()、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100米,温度降低0.6℃

第八章人居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、氩，它们在空气的总容积中约占 99．99％。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 20——30 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 0．02％，而在潮湿地带可高达 6％。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、植物的孢子花粉等。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 100 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。 )、中间层由对流层顶至85公里处。气温随髙度的增加而降低 (四)、热成层又称暖层,位于85-800公里处。这一层空气密度小,气体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: )、湍流运动大气的无规则运动称为大气湍流。根据湍流形成的原因不同,可分为热力湍流和杋械湍流。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105-10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 IK,对流层内,气温垂直变化的总趋势是随着髙度地增加逐渐降低。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)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髙。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100m的气温变化值

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--800 公里处。这一层空气密度小，气体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 105—106 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)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 100m 的气温变化值

(其平均值为0.65℃/100m)。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r>0 高度增加,温度不变,符合这样特点的气层称谓等温层,此时rO 高度増加,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r<O。逆温层的出现将阻止气团的上升运动,使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层,只能在其下方扩散,因此,可能造成高浓度污染。根据逆温生成的过程,可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温、湍流逆温等五种。《环境学概论》刘培桐P38-4 第二节大气污染按照国家标准化组织(1SO作出的定义:大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质时入大气中,呈现出足够的浓度,达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象这里指明了造成大气污染的原因是人类的活动和自然过程。人类活动包括人类的生活活动和生产活动两个方面,而生产活动又是造成大气污染的主要原因。自然过程则包括了火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化以及大气圈的空气运动等内容。上述所说的原因导致了一些非自然大气组分如硫氧化物氮氧化物等进入大气,或使一些组分的含量大超过自然大气中该组分的含量,如碳氧化物,颗粒物等。定义”还指明了形成大气污染的必要条件,即污染物在大气中要含有足够的浓度,并在此浓度下对受体作用足够的时间。在此条件下对受体及环境产生了危害,造成了后果,称之为大气污染。由于大气自净作用,会使自然过程造成的大气污染,经过一段时间后自动消除。《环境保护》P76 大气污染源及污染物 (一)大气污染源 1、天然源:指自然界自行向大气环境排入污染物的污染源。如森林火灾、火山爆发、岩石分化等。一般来说,只占大气污染的很小部分。 2、人为源:指人类的生产活动所形成的污染源。如工业部门的烟尘废水、汽车的尾气等。 (二)大气污染物指由于人类活动或自然过程排入大气,并对人和环境产生有毒影响的。据不完全统计,进入大气的众多污染物中大约有100种左右对人类环境危害较大。如颗粒物质、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化物及光化学氧化剂等。 1、一次污染物:又称原发性污染物,指直接由污染源排放的污染物。进入大气后其性质没有发生变化。 2、二次污染物:又称继发性污染物,一指进入大气的一次污染物之间相互作用或一次污染物与正常大气组分发生化学反应,以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。参考书中表32 按污染物存在的状态,大气污染物可分为颗粒污染物和气态污染物。粒径小于1μn称烟尘。烟尘通常指氧化过程中的烟气:燃烧不完全的黑烟:蒸汽凝结所形成的烟雾;粒径小于10μm称飘尘。飘尘能长期飘荡在空气中;粒径大于

(其平均值为 0．65℃／100m)。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 r>0 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 r<0。逆温层的出现将阻止气团的上升运动，使逆温层以下的污染物不能穿过逆温层，只能在其下方扩散，因此，可能造成高浓度污染。根据逆温生成的过程，可将逆温分为辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温、湍流逆温等五种。《环境学概论》刘培桐 P38-40 第二节大气污染一、按照国家标准化组织(1SO)作出的定义：大气污染通常是指由于人类活动和自然过程引起某种物质时入大气中，呈现出足够的浓度，达到了足够的时间并因此而危害了人体的舒适、健康和福利或危害了环境的现象。这里指明了造成大气污染的原因是人类的活动和自然过程。人类活动包括人类的生活活动和生产活动两个方面，而生产活动又是造成大气污染的主要原因。自然过程则包括了火山活动、山林火灾、海啸、土壤和岩石的风化以及大气圈的空气运动等内容。上述所说的原因导致了一些非自然大气组分如硫氧化物、氮氧化物等进入大气，或使一些组分的含量大超过自然大气中该组分的含量，如碳氧化物，颗粒物等。 “定义”还指明了形成大气污染的必要条件，即污染物在大气中要含有足够的浓度，并在此浓度下对受体作用足够的时间。在此条件下对受体及环境产生了危害，造成了后果，称之为大气污染。由于大气自净作用，会使自然过程造成的大气污染，经过一段时间后自动消除。《环境保护》P76 二、大气污染源及污染物 (一)大气污染源： 1、天然源：指自然界自行向大气环境排入污染物的污染源。如森林火灾、火山爆发、岩石分化等。一般来说，只占大气污染的很小部分。 2、人为源：指人类的生产活动所形成的污染源。如工业部门的烟尘废水、汽车的尾气等。 (二)大气污染物指由于人类活动或自然过程排入大气，并对人和环境产生有毒影响的。据不完全统计，进入大气的众多污染物中大约有 100 种左右对人类环境危害较大。如颗粒物质、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物、硫化物及光化学氧化剂等。 1、一次污染物：又称原发性污染物，指直接由污染源排放的污染物。进入大气后其性质没有发生变化。 2、二次污染物：又称继发性污染物，—指进入大气的一次污染物之间相互作用，或一次污染物与正常大气组分发生化学反应，以及在太阳辐射线的参与下引起光化学反应而产生的新的污染物。参考书中表 3-2 按污染物存在的状态，大气污染物可分为颗粒污染物和气态污染物。粒径小于 1μm 称烟尘。烟尘通常指氧化过程中的烟气：燃烧不完全的黑烟；蒸汽凝结所形成的烟雾；粒径小于 10μm 称飘尘。飘尘能长期飘荡在空气中；粒径大于

10μm 称降尘；粒径小于 75μm 称粉尘；粒径大于 75μm 称尘粒；粒径小于 100 μm，悬浮大气中液体粒子称雾尘，如水雾、酸雾、碱雾、油雾等都属于雾尘。粒径小于 10llm 颗粒物可以通过呼吸道进入人体，从而对人体的健康产生危害。一些重要气态污染物及其人为源看书中表 3-2 所示。三、几种典型的大气污染 (一)煤烟型污染(还原型) 煤烟型污染物：S02、NOx、CO 和颗粒物。煤烟型污染源：燃煤，主要成分是 C、H 及少量 O、N、S 插课本图 3-2 图 3-2 煤燃烧过程的生成物无机硫氧化：燃烧中的无机硫大部分为硫铁矿，燃烧时氧化为 S02 其反应式为 4FeS2+11O2 一 Fe2O3+8SO2 形成 S02 后部分可转变为 SO3： SO2+1／2O2 一 SO3 SO3+H2O 一 H2SO4 (硫酸雾，是强氧化剂，其毒性比 SO2 更大)。SO2 在大气中停留时间为 2-4 天，可随风输送到 1000 公里以外的地方。我国由 SO2 引起的酸雨占我国酸雨总量的 33％。有机硫，如硫醚，硫醇等，在燃烧过程中，首先转化成硫化氢，然后再氧化成 SO2： CH3CH2CH2CH2SH—H2S+2H2+2C+C2H4 CH3CH2SCH2CH3一 H2S+2H2+2C+C2H4 硫化氢再氧化： 2H2S+3O2—2SO2+2H2O (二)交通型污染(氧化型) 交通型污染物：CO、NOx、HC 交通型污染源：机动车、机动船、航天器(飞机、飞船) 反应式；C+2O2 一 CO+热量 CO2+C 一 2CO 一热量 N2+XO2—+·2NOx 光化学烟雾：是在一定条件下(如强日光、低风速和低温度等)，氮氧化物和碳氢化物发生化学转化形成的高氧化性的混合气团，是一种带刺激性的淡蓝色烟雾。是典型二次污染。光化学烟雾必须具备三个条件：第一，有引起光化学反应的紫外线；第二，有碳氢化物存在：第三，有氮氧化物参加。光化学反应的形成机制：引发反应(臭氧生成反应)：NO2+hv→NO+O O+O2+M→O3+M； NO+O3→NO2+O2 基传递反应：RH(烷基)+OH→RO2+H2O CHO(醛)+OH—RC(O)O2(过氧酰基)+H2O RCHO+hv→RO2+HO2+CO HO2+NO→NO2+OH RO2+NO→NO2+RCHO+HO2 RC(O)O2+NO→NO2+RO2+CO2

OH+NO2→HNO3 终止反应：RC(O)O2+NO2→RC(O)O2NO2(PAN 过氧乙酰硝酸脂) RC(O)O2NO2→RC(O)O2+NO2 从上述反应式可以看出，光化学烟雾的形成过程是由一系列复杂的链式反应组成的。首先是 NO2 的光解导致了 O3 的生成；其次是有机 HC 化合物的氧化生成了活性自由基，尤其是 HO2、RO2 等；第三是 HO2、·RO2引起了 NO 向 NO2 转化，进一步提供了生成 O3 的 NO2 源，又继续光解产生臭氧。光化学烟雾的危害：主要是臭氧的危害。对人的危害是引起咳嗽、喉部干燥、胸疼、恶心、肺水肿。对植物的危害是损害植物酶的功能组织；影响植物新陈代谢的功能：破坏原生质的完整性和细胞膜；影响根系向植物上部输送水分和养料。对材料(主要是高分子材料，如橡胶、塑料和涂料等)也产生破坏作用。 (三)酸沉降污染酸沉降有二种形式：一种是湿沉降，大气中的酸通过降水(如雨、雾、雪)的方式迁移到地表。一种是干沉降，大气中的酸通过含酸气团气流的作用直接迁移至地表。引起酸沉降的主要物质：SOx(SO2、NO2)、NOx(NO、NO2) 酸沉降污染物质的来源：天然源 SOx：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 SO2：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（pH∠5.6）590 个，占样品总数的 33.7%。降尘：1982-2000 年降尘年平均值 17.8/T/(km2 .月),超过省暂定 10t/km2 ./月). CO：1986-2000 年 CO 监测均值为 1.87mg/m3 ,低于国家一级标准 4mg/m3 .瞬时浓度范围 0.029-10.35mg/m3。 NO：1981-2000 年，多年平均值为 0.031mg/m3，低于国家Ⅱ级标准，有 9 年超标，超标率最高为 7.85%，最低为 0.73%。摘自《芜湖市环境保护志》中国环境科学出版社 2001

《环境学》第八章 人居环境

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