大气的结构（见图） 《环境学概论》教学辅导 —— 大气环境污染与控制
地球上的大气是环境的重要组成要素，是维持一切生命所必须的。大气质量的优劣，对整个生态系统和人体健康有着直接影响。
第一节 大气的结构和组成
地球的最外层被一层总质量约为 3.9*10 15 吨的混合气体包围着，它只占地球总质量的百万分之一。（重力作用）
• 大气的结构（见图）
对流层 : 对流层是大气的最低层。
低纬度区为 17-18km ；中纬度地区为 10-12km; 两极附近高纬度地区为 8-9km 。
夏季较厚，冬季较薄。
这一层的显著特点：
一是气温随高度升高而递减，形成强烈的对流；
二是密度大，大气总质量的 3 ／ 4 以上集中在此层。
在 1 — 2km 以下，大气的污染物绝大部分活动在此层。
在 l 一 2km 以上，雨、雪、雹的形成均出现在此层。
对流层和人类的关系最为密切。
平流层 : 对流层顶到约 50 km 的大气层为平流层。
在平流层下层，即 30-50 km 以下，又称等温层；
在 30-35km 以上，温度随高度升高而升高。（包括臭氧层）
在平流层中空气没有对流运动，平流运动占显著优势，空气比下层稀薄得多且干燥，水汽、尘埃的含量甚微，大气透明度好，很难出现云、雨等天气现象。
中间层 : 从平流层顶到 80 km 高度这一层称为中间层。
在这一目里有强烈的垂直对流运动，气温随高度增加而下降，中间层顶温可降至 -83-- -113 ℃。
热成层 : 中间层之上为热成层，上界达 800 km 。
下部——是由分子氮所组成，上部——是由原于氧所组成。
原子氧层可吸收太阳辐射出的紫外光，因而在这层中的气体温度随高度增加而迅速上升。由于太阳和宇宙射线的作用，该层大部分空气分子发生电离，使其具有较高密度的带电粒子，故称为电离层。电离层能将电磁波反射回地球，故对全球性的无线电通讯有重大意义。
逸散层 : 这是大气圈的最外层，高度达 800 km 以上。
这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下，大部分分子发生电离，使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逸散层空气极为稀薄，其密度几乎与太空密度相同。由于空气受地心引力极小，气体及微粒可以从这层被碰撞出地球重力场而进人太空逸散。对逸散层的高度还没有一致的看法，实际上地球大气与星际空间具有相当厚的过渡层。该层的温度也是随高度增加而略有增加的。
二 . 大气的组成
干燥清洁的空气（干洁空气）：大气中除去水汽和杂质（悬浮微粒）。
水汽：在大气中的含量与时间、地点、气象条件有关。
悬浮微粒：主要是大气尘埃和悬浮在空气中的其他杂质。 例：蓬莱仙境
第二节 大气污染源及污染类型
一、大气污染的概念
（一）大气污染的概念
指大气中一些物质的含量远远超过大气的正常本底值含量，能对人体、动物、植物和物体产生不良影响的现象。
（二）大气污染的原因
是人类活动的结果，我们研究人为影响的大气污染问题。
（三）国外大气污染概况
各发达的工业国家的大气污染皆有一个发生、发展和演变的过程。
1.18 世纪末 20 世纪初
大气污染随着工业的发展而发展
主要污染物：烟尘、二氧化硫等 “煤烟型”污染
2. 20 世纪 50 至 60 年代
汽车数量倍增
主要污染物： HC 、二氧化硫、 CO 、 NOx 、飘尘尤其是重金属等 “石油型”污染
3. 近年来，为混合型污染
作业：谈谈我国大气污染概况
二 . 大气污染源
（一）天然污染源
1 ．火山喷发：
排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、 HF 及火山灰等颗粒物。
2 ．森林火灾：排放出二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、 HC 等。
3 ．自然尘：风砂、土壤尘等。
4 ．森林植物释放：主要为硫酸盐与碳氢化合物。
5 ．海浪飞沫：颗粒物主要为硫酸盐与亚硫酸盐。
（二）人为污染源
1 ．工业生产过程排放
2 ．燃料燃烧
3 ．农业活动排放
4 ．交通运输污染源
（ 1999 年）世界上约有 2*10 8 辆汽车 CO 2*10 8 T/ 年
Pb 40*10 4 T/ 年
美国是世界上拥有汽车最多的国家（占世界上近 1/2 ）。
1970 年美国 CO 占总的排放量的 66%
HC 为 48% NOx 为 40%
三 . 大气污染的类型
（一）按污染物氧化还原性质分
1. 还原型（煤炭型）
2. 氧化型（汽车尾气型）
问题：分析伦敦烟雾事件和洛杉矶光化学烟雾事件的污染类型？
（二）按燃料及生产原料分类
煤炭型 石油型 混合型 特殊型
四、大气污染物
大气污染物：指由于人类活动或自然过程排入大气的并对环境或人产生有害影响的那些物质。
大气污染物种类（按其存夜的物理状态）：气体状态污染物和固体颗粒状态污染物。
大气污染物种类（按其按形成过程）：一次污染物和二次污染物。
一次污染物：指直接从污染源排放的污染物质，如二氧化硫、一氧化氮、一氧化碳、颗粒物等。
二次污染物：指由一次污染物在大气中互相作用经化学反应或光化学反应形成的与一次污染物的物理、化学性质完全不同的新的大气污染物，其毒性比一次污染物还强。
最常见二次污染物——如硫酸及硫酸盐气溶胶、硝酸及硝酸盐气溶胶、臭氧、光化学氧化剂 Ox ，以及许多不同寿命的活性中间物（又称自由基），如 HO 2 、 HO 等。
第三节 主要的大气污染物
一 . 颗粒物（又称烟尘）
（一）颗粒物的来源及排放量
污染来源：化石燃料的燃烧、采矿生产、冶金生产、水泥生产和其他种种有大量粉沉产生的生产过程；交通运输。
（二）颗粒物的分级
降尘：颗粒物的的粒径大于 10 μ m 的。
飘尘：颗粒物的的粒径小于 10 μ m 的。
二 . 硫氧化物
污染来源：含硫矿物的燃烧。
三 . 一氧化碳
污染来源：含硫燃料的不完全燃烧；汽车。
上图说明：空燃比低时，尾气中 HC 、 CO 含量高，而 NO 含量低；空燃比逐渐增高， NO 含量增加；空燃比等于化学计量时， NO 达到最大值；当空燃比超过化学计量时，由于空气过量使火焰冷却， NO 又降低。
四 . 氮氧化物
污染来源：雷电；矿物燃料的燃烧；硝酸制造厂和使用硝酸的工厂以及金属冶炼厂。
五 . 氟化物
污染来源：含氟燃料燃烧、灼烧过程会向大气中排放氟及氟化物。
六 . 问题探讨：针对上述污染物谈谈它们的危害？
第四节 大气中污染物的扩散和输送
一 . 影响大气污染的气象因素
（一）风和湍流
1. 风：把空气的水平运动称为风。
2. 湍流：是流体不同尺度的不规则运动。
• 机械湍流：机械的或动力的作用引起的湍流；
（ 2 ）热力湍流：热力因素引起的，指由于大气的铅直方向温度变化所引起的湍流。
（二）温度层结
1. 气温的垂直分布
气温垂直递减率 γ：指在垂直方向上每升高 100米气温的变化值。
干绝热 递减率 γ d ：干空气或未饱和的湿空气在绝热上升（或下降）过程中，垂直距离每改变 100米，其本身温度约降低（或升高）1℃，此数值被称为干绝热 递减率 γ d 。
2.大气稳定度判据：γ
γ越大，大气越不稳定，利于污染物扩散稀释；
γ越小，大气越稳定，等温，逆温，不利于污染物扩散稀释。
温度层结曲线：气温沿垂直高度的分布，如图所示，这种曲线称为气温沿高度分布曲线或温度层结曲线，简称温度层结。
大气中的温度层结有四种类型：
(1) 气温随高度增加而增加，即 γ ＞ o ，称为正常分布层结或递减层结；
(2) 气温直减率等于或近似等于干绝热直减率，即 γ = γ d ，称为中性层结；
(3) 气温不随高度变化，即 γ ＝ 0 ，称为等温层结；
(4) 气温随高度增加而增加，即 γ ＜ o ，称为逆温。
3. 逆温
辐射逆温
地形逆温
下沉逆温
锋面逆温
平流逆温
4. 不同温度层结下的烟型
二 . 影响大气污染的地理因素
1. 地形和地物的影响：地面是一个凹凸不平的粗糙曲面，当气流沿地面流过时，必然要同各种地形地物发生摩擦作用，使风向风速同时发生安化，其影响程度与各障碍物的体积、形状、高低有密切关系。
山脉的阻滞作用——往往是静风、小风频率占很大比重，不利于大气污染物的扩散。
城市中的高层建筑物、体形大的建筑物和构筑物，都能造成气流在小范围内产生涡流，阻碍气流运动。一般规律是建筑物背风区风速下降，在局部地区产生涡流，不利于气体扩散。
2. 山谷风：它发生在山区，是以 24 小时为周期的局地环流。
山风和谷风的方向是相反的，但比较稳定。在山风与谷风的转换期，风方向是不稳定的，山风和谷风均有机会出现，时而山风，时而谷风。这时若有大量污染物排人山谷中，由于风向的摆动，污染物不易扩散，在山谷中停留时间很长，有可能造成严重的大气污染。
3. 海陆风：它发生在海陆交界地带，是以 24 小时为周期的一种大气场地环流。海陆风是由于陆地和海洋的热力性质的差异而引起的。
在大湖泊、江河的水陆交界地带也会产生水陆风周地环流，称为水陆风。但水陆风的活动范围和强度比海陆风要小。
4. 城市热岛环流：城市热岛环流是由城乡温度差引起的局地风。
产少城乡温度差异的主要原因是：
(1) 城市人口密集、工业集中，使得能耗水平高；
(2) 城市的覆盖物 ( 如建筑、水泥路面等 ) 热容量大，白天吸收太阳辐射热，夜间放热缓慢，使低层空气变暖；
（ 3 ）城市上空笼罩着一层烟雾和二氧化碳，使地面有效辐射减弱。
由于城市温度经常比农村高 ( 特别是夜间 ) ，气压比乡村低，所以可以形成一种从周围农村吹向城市市区的特殊的局地风，称为城市热岛环流或城市风。这种风在市区汇合就会产生上升气流。医此，若城市周围有较多产生污染物的工厂，就会使污染物在夜间向市中心输送，造成严重污染，特别是夜间城市上空有逆湿层存在时。
第五节 大气污染效应
一 . 大气污染的急性效应与慢性中毒
急性效应：受害人等很快出现各种症状。
慢性中毒：受害人等较慢出现各种症状。
二 . 光化学烟雾
1. 定义：光化学烟雾是由于大气受到氮氧化物和碳氢化物共同污染，在强阳光和紫外线照射下所产生的一种特殊的烟雾，属于二次污染物。
2. 特征：它的特征是烟雾呈蓝色，具有强氧化性，刺激人们眼睛，伤害植物叶子，能使橡胶开裂，并使大气能见度降低。
3. 组成的确定
50 年代初，美国加州大学生物有机化学教授哈根—施密特确定了空气中的刺激性气体为臭氧，并初次提出了有关烟雾形成的理论。他认为洛杉矶烟雾是由南加利福尼亚的强阳光辐射引发了大气中存在的碳氢化合物 (HC) 和氮氧化物 (N0x) 之间的化学反应造成的，并认为城市大气中， HC 和 NO ，的主要来源是汽车尾气。
4. 曾发生过的地方
本世纪 40 年代 美国格杉矾 首次
东京、大板、墨西哥城、伦敦以及澳大利亚、德国等地的大城市。
兰州（我国）
5. 光化学烟雾的日变化曲线
6. 烟雾箱模拟曲线
三 . 酸沉降
正常的降雨，由于大气中的二氧化碳溶于其中，使降雨略微呈酸性。空气中二氧化碳正常时，雨水 PH 值可达 5.6 ，当大气受到污染后，降雨的 PH 值低于 5.6 。故 PH 值低于 5.6 的雨称为酸雨。
四 . 拉波特效应与冷却效应
拉波特效应是大气中的烟尘形成冰晶，被风带到下一个城镇的现象。
冷却效应是大气中颗粒物浓度较高、范围较广时，影响太阳光入射地面，增加了大气浑浊度，造成全世界气温下降。
五 . 温室效应
一些气体就象温室的玻璃屋顶一样，允许太阳光入射地面，而吸收地面反射的红外线，从而使地球表面温度升高，这种效应称为温室效应。这些气体称为温室气体。
温室气体：二氧化碳、甲烷、水蒸气、臭氧、一氧化二氮、氯氟烃
六 . 热岛效应（见图 4-14 ， 4-15 ）
第六节 主要大气污染物控制技术
根据主要除尘机理。常用的除尘装置可分为： (1) 机械式除尘装置； (2) 袋式除尘装置； (3) 湿式除尘装置； (4) 电除尘装置。
