第二篇大氣環(huán)境化學(xué)1天然大氣

1、第二篇 大氣環(huán)境化學(xué),大氣環(huán)境化學(xué)主要研究大氣環(huán)境中污染物質(zhì)的化學(xué)組成、性質(zhì)、存在狀態(tài)等物理化學(xué)特性及其來(lái)源、分布、遷移、轉(zhuǎn)化、累積、消除等過(guò)程中的化學(xué)行為、反應(yīng)機(jī)制和變化規(guī)律，探討大氣污染對(duì)自然環(huán)境的影響等。,第一章 天然大氣和重要污染物,基本要求： 掌握天然大氣的組成，大氣主要層次的特點(diǎn). 了解大氣中離子和自由基的來(lái)源. 了解大氣重要污染物的源. 了解溫室效應(yīng)、溫室氣體及其對(duì)大氣環(huán)境的影響.,1.1 大氣的組成和大氣組分的停留時(shí)間,一、大氣的組成 大氣主要組分是氮和氧，其次是氬和CO2，此外還有一些稀有氣體和CH4、SO2、NO2、CO、NH3和O3等，總和不超過(guò)0.1%。 大氣中含有0.

2、15%的水，正常范圍為13%，大氣的總質(zhì)量約為5.141018kg，為地球重量的百萬(wàn)分之一。 粒徑大于l0m顆粒稱(chēng)為降塵;粒徑小于l0m的顆粒稱(chēng)為飄塵。,1.1 大氣的組成和停留時(shí)間,二、大氣組分的停留時(shí)間 1.化學(xué)物質(zhì)的源(source)與匯(sink) 源(source),指環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的途徑和過(guò)程,包括天然途徑和人為途徑以及物理過(guò)程和化學(xué)過(guò)程. 匯(sink),指環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)去除的途徑和過(guò)程.,1.1 大氣的組成和大氣組分的停留時(shí)間,2. 大氣組分動(dòng)態(tài)平衡的盒子模式 為了研究的方便,采用一簡(jiǎn)化模式表示大氣的質(zhì)量變化過(guò)程,將大氣圈看作 一盒子,是各大氣組分的儲(chǔ)庫(kù),進(jìn)入大氣的組分輸入

3、速率Fi稱(chēng)為源強(qiáng),輸出速率Ri 稱(chēng)為匯強(qiáng).在千百年的地質(zhì)變化過(guò)程中進(jìn)入大氣和從大氣中輸出的組分質(zhì)量基 本相當(dāng),即: Fi = Ri,Mi,輸入Fi,輸出Ri,1.1 大氣的組成和停留時(shí)間,3. 大氣組分的停留時(shí)間 各種化學(xué)反應(yīng)、生物活動(dòng)、放射性衰變及工業(yè)活動(dòng)等不斷產(chǎn)生氣體投放至大氣；又因化學(xué)反應(yīng)、生物活動(dòng)、物理過(guò)程及海洋、陸地吸收而不斷遷出大氣。 某組分在貯庫(kù)中的總輸入速率(Fi,稱(chēng)為源強(qiáng))和總輸出速率(Ri,稱(chēng)為匯強(qiáng))是相等的，若假設(shè)i組分的貯量為Mi，則可由下式確定組分i在大氣中的停留時(shí)間ti： ti = Mi / Ri = Mi / Fi,1.1 大氣的組成和停留時(shí)間,例1. 正常情況下

4、,大氣層中含水量有1.41016kg,已知地球表面積為5.11018cm2,平均年降水量為90cm,求水在大氣層中的滯留時(shí)間.(假定雨水密度為1.0g/cm3) 解: ti = Mi / Ri = Mi / Fi=(1.41016103) (5.11018901.0) =0.03年(11days) 結(jié)論:大氣中水分更替時(shí)間短,對(duì)Ri 和 Fi變化敏感.,1.1 大氣的組成和停留時(shí)間,惰性氣體Ar、Ne、He、Kr和Xe停留時(shí)間都在107年以上， N2(100萬(wàn)年) 、O2(1000年)屬于準(zhǔn)永久性氣體(非循環(huán)性氣體)。 其次是參與生物、水、巖石圈等循環(huán)的生物循環(huán)氣體(亦稱(chēng)可變組分). H2(6

5、8年)、CO2(515年)、CH4(2.58年)、N2O(10年)、O3(2年) 。 大氣中停留時(shí)間小于1年的氣體，如H2O(11天) 、 CO(73185天) 、 SO2(24天)、NH3(1天)、NOX (810天) 、 H2S(0.52天)等，它們?cè)诖髿庵械臐舛茸兓容^明顯,屬于強(qiáng)可變組分。 _部分?jǐn)?shù)據(jù)摘自劉兆榮,環(huán)境化學(xué)教程,2004,p20.,Atmospheric Structure,The atmosphere,The atmosphere is a thin blanket of gas that envelops the earth. The gases that make

6、up the atmosphere are held close to the earth by the pull of gravity. With increasing distance from the earths surface, the temperature, density, and composition of the atmosphere gradually change On the basis of air temperature, the atmosphere can be divided vertically into four major layers.,Atmos

7、pheric structure,Troposphere,The troposphere is the layer from the earths surface to the tropopause, which is at 10-15 km altitude depending on latitude and time of year. (Mt. Everest 8.85km) As altitude increases, air temperature decreases at a rate of about 3.5o per 1000 ft. The tropopause has a t

8、emperature of about 57oC. The lower part of the troposphere interacts directly with the surface of the earththis part of the troposphere is generally called air. The atmosphere in this layer is heated from below by convection and radiation from the earths surface. Most of our weather occurs in the t

9、roposphere.,Stratosphere,The stratosphere is the layer above the troposphere and extends to about 50km. The temperature rises with increasing altitude, reaching a maximum of about 1oC at the stratopause. The ozone layer is in the stratosphere. Ozone absorbs UV, causing the rising temperature with al

10、titude in this layer. The temperature structure keeps the air calm in this layer. (Thats why jet aircraft fly in the lower stratosphere!),Mesosphere,The mesosphere extends from the top of stratopause to 80 km. In the mesosphere, the temperature decreases with altitude.,Thermosphere,The layer of air

11、above mesosphere is called thermosphere. In the thermosphere, temperature rises with altitude, caused by absorption of UV solar radiation by N2 and O2.,The lower atmosphere,The troposphere and the stratosphere together are called the lower atmosphere. The lower atmosphere account for 99.9% of total

12、atmospheric mass The lower atmosphere is the domain of main interest from an environmental perspective. Ozone depletion (stratosphere) Air pollution (troposphere),Ionosphere,Ionosphere is a region where ions and electrons are most abundant. This region is located at altitude above 60km, therefore li

13、es within the mesosphere and above.,Ionosphere,Ionosphere acts as a conducting layer in the upper atmosphere that would allow a transmitted electromagnetic signal to be reflected back toward the Earth.,1.2 大氣的主要層次,大氣劃分為對(duì)流層、平流層、中間層和熱層等若干層。此外，還有所謂散逸層，有時(shí)也劃作一個(gè)層區(qū)。 一、對(duì)流層 特點(diǎn)： (1)氣溫隨高度增加而降低。 在不同地區(qū)、不同季節(jié)和不同高度

14、，降低的數(shù)值并不相同。 (2)空氣具有強(qiáng)烈的對(duì)流運(yùn)動(dòng)。 (3)氣體密度大。,1.2 大氣的主要層次,二、平流層 平流層內(nèi)，隨著高度的增高，氣溫保持不變或稍有上升，故又稱(chēng)同溫層。 特點(diǎn)： (1)大氣穩(wěn)定。 (2)平流層內(nèi)垂直對(duì)流運(yùn)動(dòng)很小。 (3)大氣透明度高。 三、中間層 從平流層頂?shù)郊s8085km間的一層稱(chēng)為中間層。,1.2 大氣的主要層次,四、熱層 從80km到約500km稱(chēng)為熱層。 特點(diǎn)： (1)氣溫隨高度增高而普遍上升，溫度最高可升至1200。 (2)空氣處于高度電離狀態(tài)。,1.3 大氣中的離子及自由基,一、大氣中的離子 高層大氣的特征之一是存在顯著數(shù)量的電子及正離子。 在約50km以上

15、的高空是離子普遍存在的電離層，該層離子主要受紫外線照射產(chǎn)生。 二、大氣中的自由基 高層大氣中的光致電離及電磁輻射可以產(chǎn)生自由基。 1、自由基反應(yīng) 凡是有自由基生成或由其誘發(fā)的反應(yīng)都叫自由基反應(yīng)。,1.3 大氣中的離子及自由基,甲烷與氯在光的存在下發(fā)生的反應(yīng)就是一種自由基反應(yīng)： Cl2 2Cl Cl + CH4 CH3 + HCl CH3 + Cl2 CH3 Cl + Cl 放出的Cl又可和甲烷反應(yīng)而使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。 2、大氣中主要自由基的來(lái)源 最主要的是OH自由基，其次是HO2 及H3C、H3CO和H3COO 等在大氣中也比較活躍。,三、自由基的重要作用,近年來(lái)，自由基在大氣化學(xué)反應(yīng)中的重要性

16、被確認(rèn)，自由基反應(yīng)已經(jīng)成為大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的核心反應(yīng)，對(duì)于酸雨和光化學(xué)煙霧的形成以及大氣污染變化過(guò)程有重要影響。自由基在反應(yīng)中的重要作用有下面幾種：,1.3 大氣中的離子及自由基,（1）OH基的來(lái)源 HONO OH + NO（光400nm） H2O2 2OH（光370nm） O + H2O 2OH （O來(lái)自O(shè)3光解） OH 與烷烴、醛類(lèi)烯烴、芳烴和鹵代烴等有機(jī)物的反應(yīng)速度常數(shù)要比O3大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 OH在大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中是十分活潑的氧化劑。,1.3 大氣中的離子及自由基,（2）HO2的來(lái)源 HO2主要來(lái)自大氣中甲醛的光解，CH3ONO(甲基亞硝酸酯)的光解所產(chǎn)生的自由基HCO和H3CO與空氣

17、中的氧作用的結(jié)果以及HO與H2O2或CO作用的結(jié)果。 （3）H3C、H3CO、H3COO等的來(lái)源 H3C(烷基自由基)主要來(lái)自乙醛和丙酮的光解；H3CO (烷氧基自由基)主要來(lái)自甲基亞硝酸酯光解；H3COO (過(guò)氧烷基自由基)來(lái)自H3C與O2的作用。,1.4 大氣中的重要污染物,從18世紀(jì)末至20世紀(jì)初，是大氣污染的形成時(shí)期。 上世紀(jì)50年代至70年代，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家石油、化石燃料使用量迅速上升，大氣污染物含量迅速上升，致使大氣污染加劇。 80年代以來(lái)，由于酸雨、臭氧層的破壞和溫室效應(yīng)等問(wèn)題的加劇，大氣污染問(wèn)題已成為全球性環(huán)境問(wèn)題，嚴(yán)重威脅著人類(lèi)生存和發(fā)展。,1.4 大氣中的重要污染物,按化學(xué)類(lèi)

18、型分類(lèi)： 一、含硫化合物 硫化合物主要包括硫化氫、二氧化硫、三氧化硫、硫酸、亞硫酸鹽、硫酸鹽和有機(jī)硫化合物等。其中最主要的是硫化氫、二氧化硫和硫酸鹽。 人類(lèi)的活動(dòng)，使大量硫化合物進(jìn)入大氣。,1.4 大氣中的重要污染物,二、含氮化合物 主要含氮化合物為N2O、NO、NO2、N2O5、NH3、硝酸鹽、亞硝酸鹽和銨鹽等。 1. N2O N2O是無(wú)色氣體，稱(chēng)為“笑氣”的麻醉劑可通過(guò)微生物的作用產(chǎn)生，是目前已知的溫室氣體之一，含量約為0.3ppm。 N2O的催化循環(huán)反應(yīng)，導(dǎo)致了臭氧的不斷損耗。 N2O天然源主要有海洋、土壤、淡水和雷電。人為源主要有氮肥、化石燃料燃燒及工業(yè)排放等。,1.4 大氣中的重要污

19、染物,2. NOx 無(wú)色無(wú)味的NO和刺激性的紅棕色NO2均是大氣中的重要污染物，通常用NOx表示。 通過(guò)閃電、微生物固定及NH3的氧化等各種天然源和污染源進(jìn)入大氣。大氣中的氮在高溫下能氧化成一氧化氮，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為二氧化氮。 火山爆發(fā)和森林大火等都會(huì)產(chǎn)生氮氧化物。 人為污染源是各種燃料在高溫下的燃燒以及硝酸、氮肥、炸藥和染料等生產(chǎn)過(guò)程中所產(chǎn)生的含氮氧化物廢氣造成的，其中以燃料燃燒排出的廢氣造成的污染最為嚴(yán)重。,1.4 大氣中的重要污染物,三、碳氧化合物 CO CO是由含碳燃料的不完全燃燒而產(chǎn)生，或者是在內(nèi)燃機(jī)的高溫、高壓的燃燒條件下產(chǎn)生. CO的天然源主要來(lái)自海洋中生物的作用、植物葉綠素的分解、森

20、林中放出萜的氧化、森林大火以及大氣中CH4的光化學(xué)氧化和CO2的光解等。 放電作用引起云層中有機(jī)物的光氧化作用，二氧化碳的輕微解離作用，種子發(fā)芽、籽苗生長(zhǎng)及人和動(dòng)物新陳代謝過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生CO 。,1.4 大氣中的重要污染物,CO2 二氧化碳是一種無(wú)毒的溫室氣體，由于CO2的增加將引起溫室效應(yīng)的加劇，而導(dǎo)致全球氣候變暖的重大影響。 大氣中CO2是自然存在的，可通過(guò)動(dòng)物的呼吸排出CO2，植物體廢棄物作為燃料燃燒或腐敗而自然氧化時(shí)，均將產(chǎn)生CO2排入大氣。甲烷在平流層中與OH自由基反應(yīng)的最終產(chǎn)物為CO2。此外，海水中CO2比大氣高60余倍，因此可以進(jìn)行交換作用而排出CO2。,1.4 大氣中的重要污染

21、物,3、碳?xì)浠衔?碳?xì)浠衔锿ǔＶ窩1C8的可揮發(fā)的碳?xì)浠衔?，包含烷烴、烯烴、炔烴、脂肪烴和芳香烴等，其中CH4是主要的碳?xì)浠衔铩?碳?xì)浠衔镏饕獊?lái)自天然源，其次是植物排出的萜烯化合物。 CH4主要是由厭氧細(xì)菌的發(fā)酵過(guò)程如沼澤、泥塘、濕凍土帶、水稻田底部、牲畜反芻和白蟻的墓穴等產(chǎn)生。,1.4 大氣中的重要污染物,汽車(chē)廢氣排出的碳?xì)浠衔镏饕煞譃閮深?lèi): 烴類(lèi)-甲烷、乙烯、乙炔、丙烯和丁烷等； 醛類(lèi)-甲醛、乙醛、丙醛、丙烯醛和苯甲醛等， 此外還有少量多環(huán)芳烴和芳烴。,1.4 大氣中的重要污染物,四、含鹵素化合物 CH3Cl、CH3Br、CH3I來(lái)自天然源，主要是來(lái)自海洋，其余含鹵素化合物都

22、是由于人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的。 氟氯烴類(lèi)(CFCs)化合物可用作冰箱制冷劑、噴霧器中的推進(jìn)劑、溶劑和塑料起泡劑等。CFCs在大氣層中不是自然存在的，而完全是由人為產(chǎn)生的。 五、光化學(xué)氧化劑 包括O3 、 PAN（過(guò)氧乙酰硝酸酯） 、 NO2 、醛、 H2O2 、 R2O2等,一般產(chǎn)生于光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中。 此外，大氣污染物尚有顆粒物（H2SO4 、 NO3- 、多環(huán)芳烴 、重金屬等）和放射性物質(zhì)等。,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),一、地球的熱平衡 進(jìn)入大氣的太陽(yáng)輻射約50%以直接方式或被云、顆粒物和氣體散射的方式到達(dá)地球表面；另外的50%被直接反射回去或被大氣吸收。 地球表面能量返回大氣由傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射

23、三種能量傳輸機(jī)制來(lái)完成。 傳導(dǎo)通過(guò)相鄰分子相互碰撞作用進(jìn)行,熱能通過(guò)傳導(dǎo)由地表被轉(zhuǎn)移到大氣中,因?yàn)榭諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體,傳導(dǎo)主要限制在近地表的空氣層,轉(zhuǎn)移能量份額較少; 對(duì)流機(jī)制是當(dāng)空氣團(tuán)移動(dòng)越過(guò)一個(gè)地區(qū)時(shí)陡然的空氣溫度變化,通過(guò)對(duì)流大量地表熱量被轉(zhuǎn)移到大氣中; 地球受熱后,通過(guò)長(zhǎng)波輻射將能量帶離地表,以維持地球熱量平衡.,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),二、溫室氣體和溫室效應(yīng)（Greenhouse effect） 1.大氣中發(fā)生的溫室效應(yīng): “溫室效應(yīng)”是指地球大氣層上的一種物理特性。假若沒(méi)有大氣層，地球表面的平均溫度不會(huì)是現(xiàn)在 合宜的15，而是十分低的-18。這溫度上的差別是由于溫室氣體所引致，

24、這些氣體吸收紅外輻射而影響到地球整 體的能量平衡。這使地球表面溫度上升，此過(guò)程可稱(chēng)為天然的溫室效應(yīng)。 2.人為的溫室效應(yīng) 由于人類(lèi)活動(dòng)釋放出大量的溫室氣體，增加了大氣中CO2等溫室氣體的濃度，結(jié)果讓更多紅外線輻射被折返到地面上，阻止地球熱量的散失，加強(qiáng)了溫室效應(yīng)的作用，使地球發(fā)生可感覺(jué)到的氣溫升高，這就是有名的“溫室效應(yīng)”。,Absorption spectra of chlorofluoromethanes(CF2Cl2 and CFCl3) and their coincidence with the atomospheric window(8,000 to 13,000nm),1.5 溫

25、室氣體和溫室效應(yīng),最早言及溫室效應(yīng)的是法國(guó)數(shù)學(xué)家兼?zhèn)鳠釋W(xué)專(zhuān)家傅立葉(Fourier J1827)。在后人對(duì) H2O、CO2吸收光譜研究結(jié)果基礎(chǔ)上由瑞典化學(xué)家阿侖尼烏斯(Arrhenius SA1896)建立有關(guān)溫室效應(yīng)基本理論。日本學(xué)者(Manabe，1967)首先利用電子計(jì)算機(jī)模型推算大氣中CO2 濃度增大與氣溫升高間所存在的定量關(guān)系。,太陽(yáng)輻射的收入與支出,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),太陽(yáng)光譜,太陽(yáng)和地球輻射間的能量平衡,將上式按輻射度對(duì)波長(zhǎng)的全波譜積分可得到累積輻射度Eb的表達(dá)式。Eb是溫 度的單一函數(shù),經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定為:,當(dāng)日地處于平均距離時(shí)在大氣頂上，垂直于太陽(yáng)光線的單位面積上的太陽(yáng)能通

26、量稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。按世界氣象組織1981年公布的數(shù)值，太陽(yáng)常數(shù)的平均值為1368Wm2 .,短波的陽(yáng)光能透過(guò)花房周?chē)牟Ａ?，室?nèi)的長(zhǎng)波輻射卻逃不出去。大氣也具有這種特性，我們稱(chēng)之為“溫室效應(yīng)”。,溫室氣體，除了二氧化碳外，還包括甲烷(CH4)、一氧化氮(N2O)、氟氯碳化物（CFCs，氟里昂是其商品名）、全氟化碳(PFCs)、六氟化硫(SF6)等。種類(lèi)不同，吸熱能力也不同，每分子甲烷的吸熱量是二氧化碳的21倍，一氧化二氮(N2O)更高，是二氧化碳的270倍。不過(guò)和人造的某些溫室氣體相比就不算什么了，目前為止吸熱能力最強(qiáng)的是氟氯甲烷（HFCs）和全氟化碳(PFCs)。 據(jù)一項(xiàng)科學(xué)調(diào)查表明，在中緯度

27、地區(qū)明朗日子里，水汽對(duì)溫室效應(yīng)的影響占6070， 二氧化碳卻僅占25。也就是說(shuō)，地球上水蒸氣才是形成溫室效應(yīng)的最主要物質(zhì)，那為什么水蒸氣一般不被認(rèn)為是溫室氣體呢？這是由于其在大氣中濃度變化不明顯，對(duì)溫室效應(yīng)的增強(qiáng)影響不大，因而人們談?wù)撊蜃兣瘯r(shí)，都未提到水。,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),Climate-Greenhouse Effect,Greenhouse,Glass, the material that greenhouse is made of, 1) transmit short-wavelength visible light, 2) absorbs and redirects th

28、e longer wavelengths of energy. These two aspects make the greenhouse warmer than outside air temperature.,Greenhouse effect of the atmosphere,Light from the sun includes the entire visible region and smaller portions of the adjacent UV and infrared regions. Sunlight penetrates the atmosphere and wa

29、rms the earths surface. Longer wavelength infrared radiation is radiated from the earths surface. A considerable amount of the outgoing IR radiation is absorbed by gases in the atmosphere and reradiated back to earth.,The gases in the atmosphere that act like glass in a greenhouse are called greenho

30、use gases.,Natural Greenhouse effect,The natural greenhouse effect causes the mean temperature of the Earths surface to be about 33oC warmer than it would be if natural greenhouse gases were not present.,Enhanced greenhouse effect,When concentrations of greenhouse gases increase, more infrared radia

31、tion is returned toward the earth and the surface temperature rises.,What makes a gas greenhouse gas?,Able to absorb infrared light Must have molecular vibration(s) This excludes monoatomic gases as greenhouse gases. (That is why argon, the third most abundant atmospheric constituents is transparent

32、 to infrared irradiation) The molecular vibrations must be non-symmetric, i.e. infrared active Homonuclear diatomic molecules only have symmetric vibrations. Thats why N2, O2 are not greenhouse gases.,What are the major greenhouse gases?,H2O CO2 CH4 N2O O3 CFCs SF6,Absorption of terrestrial radiatio

33、n by H2O and CO2,Atmospheric window: 8000-12000nm,What determines the contribution of a greenhouse gas to global warming?,Concentrations H2O and CO2 are the two biggest contributors to the atmospheric warming because of their higher concentrations. Lifetime The longer-live a gas is, the higher the c

34、ontribution. e.g. N2O contribution CH4 Effectiveness as an infrared absorber For example, CFC-11 and CFC-12,CFC-11 and CFC-12 are effective infrared absorber,The absorption spectra of CFC-11 and CFC-12 coincides with the atmospheric window,Comparison of different greenhouse gases,Are human beings ca

35、using increases in greenhouse gases?,CO2 Concentrations at Mauna Loa, Hawaii,The average atmospheric CO2 concentrations observed at Muana Loa, Hawaii increased approximately 40 ppmv between 1958 and 1995. The small fluctuations in the curve are seasonal variations due primarily to the withdrawal and

36、 production of carbon dioxide by terrestrial life. Notice that minimum values occur during the northern hemisphere summers (when global photosynthetic activity is greatest) and maximum values occur six months later.,Sources and sinks of CO2,Sources Natural: respiration of vegetation and soil detritu

37、sditraits Man-made: Fossil fuel combustion, deforestation Sinks: slow exchange of carbon between surface waters and deep layers of ocean. (Seawater is alkaline while CO2 is acidic The oceans are a vast reservoir of CO2).,Methane,Atmospheric methane has increased steadily to present day levels; this

38、increase is highly correlated with human population growth and with related activities, including agricultural practices.,Rate of increase: 0.9% annually,Sources and sinks of methane,Sources Natural: end-product of the metabolism from an anaerobic bacteria, methanogen. Natural wetlands, enteric ferm

39、entation（腸道發(fā)酵 ） (wild animals), termites（白蟻） biomass burning, ocean/fresh water Man-made: rice paddies, gas drilling and transmission, landfills, coal mining, biomass burning, enteric fermentation (domestic animals) Sink: OH+ CH4 CH3. + H2O,Nitrous oxide (N2O),Rate of increase 0.25%/year Use of fert

40、ilizer increases both nitrification and denitrification increase N2O production,Sources and sinks of N2O,Sources: denitrification process for energy production by anaerobic bacteria. Nitrification process (NH4+ NO3-) Fertilizer use Biomass burning Combustion Unknown sources Sink:Photolysis in the st

41、ratosphere,CFC-11,Sources and sinks of CFCs,Sources No natural sources Synthetic chemicals Sink: Photolysis in the stratosphere.,Is the earth getting warmer?,Temperature over the past one century,The global air temperature at the Earths surface has increased about 0.5oC during the past century,Tempe

42、rature over the past 1000 years,Consequences of global warming,Sea level rise Beach erosion Coastal wetland loss Loss of low-lying territories Water resources change Precipitation pattern shift Increases instances of heavy precipitation New burdens on water capture, storage and distribution system t

43、o be expected. Effects on agriculture Changes in the length of growing season Growth of undesirable plant species,Consequences of global warming (Continued),Effects on air quality Increase in reaction rates and concentrations of certain atmospheric species increase in O3 in urban areas More droughts

44、 widespread forest fire worsen air quality Change in how pollutants are dispersed. Impacts on human health Changes in patterns of sickness and death. Respiratory problems affected by air quality change Biodiversity Some species may grow too quick and overshoot their reproductive period (e.g. reef co

45、rals) Forest could be devastated dvs,tetid if the rate of climate change outpaced the rate at which forest species could migrate. Change in the pattern of ocean current,Is the temperature rise due to human activities?Or is it part of the natural variation?,When greenhouse gases, aerosols, and change

46、s in solar irradiance are used as inputs into general circulation models, predicted temperatures are very close to those observed.,When greenhouse gases are the only input, predicted temperature are higher than those observed.,輻射強(qiáng)迫,以溫度變化為代表的氣候變化可以歸因于氣候系統(tǒng)的內(nèi)部因素變化和外部因素的作用(自然或人為)。各種因素對(duì)地球表面溫度變化的影響可以用輻射強(qiáng)迫

47、來(lái)進(jìn)行比。 輻射強(qiáng)迫(Radiative forcing, RF)是對(duì)某種因素改變地球一大氣系統(tǒng)進(jìn)出能量平衡影響大小的度量，是一種作為潛在溫度變化機(jī)制重要性的指數(shù)。一般用某因素改變引起的單位面積發(fā)生的能量(功率)變化來(lái)表示輻射強(qiáng)迫，單位Wm 2，正值為增溫效應(yīng)，負(fù)值為降溫效應(yīng)。,The state of climate change science,The Earths natural greenhouse effect is required to support life on earth. Aerosol particles are important in formation of c

48、louds. Human activities are contributing to increases in greenhouse gases and aerosol loading. The Earths surface has warmed during the last century and is projected to continue warming.,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),三、溫室效應(yīng)與人類(lèi)生活消除誤解:溫室效應(yīng)并非是災(zāi)難的同義詞 在人們的印象中溫室效應(yīng)總是與災(zāi)難聯(lián)系在一起。其實(shí)，“溫室效應(yīng)”并不可怕，相反它還是地球上眾多生命的保護(hù)神，是地球上生命賴以生存的必要條件，

49、如果地球表面象一面鏡子，直接反射太陽(yáng)的短波輻射，則這種能量將會(huì)很快穿過(guò)大氣層回到宇宙空間去，那么地球平均氣溫將下降33，地球上將會(huì)是一個(gè)寒冷寂寞的荒涼世界。幸好，有了溫室效應(yīng)，才使地球保持了相對(duì)穩(wěn)定的氣溫，從而使生命世界繁衍生息，興旺發(fā)達(dá)。但由于近年來(lái)人口激增、人類(lèi)活動(dòng)頻繁，礦物燃料用量的猛增，再加上森林植被破壞，使得大氣中二氧化碳和各種氣體微粒含量不斷增加，造成了溫室效應(yīng)加劇，導(dǎo)致了全球變暖，對(duì)氣候、生態(tài)環(huán)境及人類(lèi)健康等多方面帶來(lái)影響，才使人們對(duì)溫室效應(yīng)產(chǎn)生了恐懼。由此可以看出，與其說(shuō)溫室效應(yīng)是惡魔，還不如說(shuō)它是一個(gè)“善意的溫室警鐘”，它提醒人們?cè)谧非笪镔|(zhì)發(fā)展的同時(shí)，一定要注意保護(hù)環(huán)境。我們

50、只要設(shè)法減少燃料的使用量，開(kāi)發(fā)新能源，廣泛植樹(shù)造林，禁止砍伐森林，有效地控制人口，就能減緩溫室效應(yīng)的加劇。 參考文獻(xiàn)：1 AJ麥克邁克爾危險(xiǎn)的地球 南京：江蘇人民出版社，2000年2 唐有祺，王夔化學(xué)與社會(huì) 北京：高等教育出版社，1997： 133134,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng), 溫室效應(yīng)增強(qiáng)的后果 i) 氣候轉(zhuǎn)變：全球變暖溫室氣體濃度的增加會(huì)減少紅外線輻射放射到太空外，地球的氣候因此需要轉(zhuǎn)變來(lái)使吸取和釋放輻射的份量達(dá)至新的平衡。 這轉(zhuǎn)變可包括全球性的地球表面及大氣低層變暖，因?yàn)檫@樣可以將過(guò)剩的輻射排放出外。雖然如此，地球表面溫度的少許 上升可能會(huì)引發(fā)其他的變動(dòng)，例如：大氣層云量及環(huán)流的轉(zhuǎn)

51、變。當(dāng)中某些轉(zhuǎn)變可使地面變暖加劇(正反饋)，某些則可令變暖過(guò) 程減慢(負(fù)反饋)。 利用復(fù)雜的氣候模式，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)在第三份評(píng)估報(bào)告估計(jì)全球的地面平均氣溫會(huì)在2100年上升1.4至5.8度。這預(yù)計(jì)已考慮到大氣 層中懸浮粒子傾于對(duì)地球氣候降溫的效應(yīng)與及海洋吸收熱能的作用 (海洋有較大的熱容量)。但是，還有很多未確定的因素會(huì)影響 這個(gè)推算結(jié)果，例如：未來(lái)溫室氣體排放量的預(yù)計(jì)、對(duì)氣候轉(zhuǎn)變的各種反饋過(guò)程和海洋吸熱的幅度等等。_香港天文臺(tái)資料,Soot Takes Center Stage W. L. Chameides and M. Bergin, Science, 297, 2214 (S

52、eptember 27, 2002) key: Ch.6.2b p. 153 Aerosol Particles While most aerosols cool the atmosphere, black carbon (BC) - i.e., soot - warms it by absorbing sunlight. Its contribution to global warming may be substantial. In addition, it may influence climate regionally. Model simulations suggest that B

53、C emissions from China and India may be responsible for droughts in Northeast China and flooding in southeast China by altering the summer monsoonal circulation. BC contributions have not generally been included in global circulation models of climate, but may be important. However, assessing BC lev

54、els is difficult, and the measurements have large uncertainties. Also, the absorptive properties of BC can vary by a factor of 2 or more depending on the source and on atmospheric processing.,1.5 溫室氣體和溫室效應(yīng),Global mean surface temperatures have increased 0.5-1.0F since the late 19th century. The 20th centurys 10 warmest years all occurred in the last 15 years of the century. Of these, 1998 was the warmest year on record. The snow cover in the Northern Hemisphere and floating ice in the Arctic Ocean have decreased. Globally, sea level has risen 4-8 inche