大氣中污染物的遷移

Chap.2大氣環(huán)境化學

AtmosphericEnvironmentalChemistry大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!§1大氣的組成和主要污染物一、大氣的組成

Compositionoftheatmosphere干空氣：

主要成分：majorponentN278.09%、O220.95%、

Ar0.93%、CO20.03%;

大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!次要成分：minorponent含量<0.003%

次要成分中可變的:

O3、H2S、SO2、NH3、NO、O2、HCHO等，這些痕量氣體（tracegas）在大氣化學中是非常重要的。不可變的:He、Ne、Kr、Xe、CO、H2、N2O等。水汽：懸浮微粒：灰塵、煙塵、粉塵、水滴等大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!1對流層troposphere

對流層是大氣的底層，其厚度在10～12km。相對大氣層來講其厚度是非常薄的，但其質量卻占大氣總質量的3/4。對流層內大氣的重要熱源是來自地面的長波輻射，故離地面越高氣溫就越低。隨高度升高氣溫的降低率稱為大氣垂直遞減率，用下式表示：

式中：T－絕對溫度，z－高度大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!2平流層stratosphere

由對流層頂?shù)?0km左右高度稱為平流層，該層內氣體狀態(tài)非常穩(wěn)定。25km以下溫度隨高度保持不變或略有上升,25km開始氣溫隨高度而升高,平流層頂可接近0℃。在15～35km高度范圍內存在一臭氧層，可吸收紫外輻射，同時臭氧分解為O2和O，當它們重新合成臭氧時，釋放出大量能量，這就是平流層溫度升高的原因。平流層幾乎無垂直對流，只能隨地球自轉而產(chǎn)生平流運動，當污染物進入平流層時會形成一薄層而全球擴散。平流層很少有水汽和灰塵，沒有云、雨、雪等天氣現(xiàn)象，透明度好，是飛機飛行的理想空間。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!5逸散層exosphere800km以上的高空稱為逸散層，也叫外逸層。這里空氣稀薄，氣體分子受地球的吸引力小，自由行程很大，一個質點被撞擊出去以后一般難以再撞回來，而是進入宇宙空間了。根據(jù)衛(wèi)星觀察資料發(fā)現(xiàn)，宇宙空間每立方米仍約有數(shù)十個離子存在，所以，地球大氣的宇宙空間并無截然分開的界面。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!

從污染源分析，大約77％的SO2、49％的NOx、30％的顆粒物來源于固定燃燒；大約有78％的CO、48％NOx、42％CH化合物來源于交通運輸。2污染物的類別原生(一次)污染物(Primarypollutants)：由污染源直接排出的污染物。 次生(二次)污染物(Secondarypollutants)：原生污染物經(jīng)化學反應后的產(chǎn)物為次生污染物。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!

顆粒物引起的大氣污染對人體的危害與下列條件有關： 顆粒物濃度：濃度越大，危害就越大。 顆粒物的化學成分：一些有毒的成分危害更大。 顆粒物的大?。毫皆?.5～5m之間的顆粒物對人體危害最大。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!(3)NOx

NitrogenoxidesNOx來源主要三個方面A:燃料的燃燒

常溫下N2

和O2并不反應，但在燃燒過程中，當溫度超過1200℃時，N2

和O2

就會反應且溫度越高，反應速度越快，這是NOx的來源之一。N2

＋O2

＝2NO2NO＋O2=2NO2大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!B：汽車尾氣 據(jù)統(tǒng)計美國的汽車尾氣排放NOx占大氣污染物中總NOx排放量的48％，而且汽車產(chǎn)量增加及汽車加速時NOx排放量增加。C：工業(yè)生產(chǎn) 每生產(chǎn)1噸HNO3

排放25kgNox

，使用硝酸的工廠也產(chǎn)生大量的NOx排入大氣。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!(5)COCarbonmonoxideCO有毒，其來源主要是燃料燃燒、汽車尾氣和工業(yè)生產(chǎn)。一般每萬量汽車，每天排放CO約30噸、CH化合物2～4噸、NOx0.5～1.5噸。

大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!逆溫現(xiàn)象常發(fā)生在較低氣層中，氣體穩(wěn)定性特強。逆溫形成的過程是多種多樣的，由于過程的不同可分為近地面層的逆溫和自由大氣的逆溫兩種。近地面層的逆溫：輻射逆溫、平流逆溫、融雪逆溫和地形逆溫等。

自由大氣的逆溫：亂流逆溫、下沉逆溫和鋒面逆溫等。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!二、氣塊的絕熱過程和干絕熱遞減率

如果氣塊（空氣微團）和周圍環(huán)境間沒有發(fā)生熱量交換，那么它的狀態(tài)變化就可認為是絕熱過程。由污染源排放的污染氣體就可視為一個氣塊。如果固定質量的氣塊的絕熱過程中不發(fā)生水相變化就稱為干絕熱過程，其質量不變。當干氣塊在絕熱上升時由于外界壓力減小而膨脹，就要抵抗外界壓強而作功，這個功只能依靠消耗本身內能來完成，因而氣塊溫度降低，相反則升高。描述氣塊在絕熱過程中P、T關系的方程為：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!T1、T2和P1、P2分別為絕熱過程起始和終結時的溫度和壓力。利用此公式可求出氣塊上升到任一高度處的溫度值。干空氣在上升時溫度降低值與上升高度的比稱為干絕熱垂直遞減率，用d來表示。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!三、大氣穩(wěn)定度

AtmosphericStability

大氣穩(wěn)定度是指氣層的穩(wěn)定程度，即大氣中某一高度處的氣塊在垂直方向上的相對穩(wěn)定程度。氣塊在大氣中的穩(wěn)定程度與大氣垂直遞減率和干絕熱垂直遞減率有關： 當

<d時，表明大氣是穩(wěn)定的。 當

>d時，大氣是不穩(wěn)定的。 當

=d時，大氣處于平衡狀態(tài)。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!一般說來，大氣垂直遞減率越大，氣塊就越不穩(wěn)定。在平流層大氣垂直遞減率是負值，垂直混合極為緩慢，進入平流層的某些污染物難以擴散，可滯流數(shù)年。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!高架連續(xù)點源地面濃度:

即:z=0時：高架連續(xù)點源地面軸線濃度 即:y=0、z=0時：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!地面連續(xù)點源擴散模式：

當H=0時：地面連續(xù)點源軸線的濃度:

當y=0、z=0、H=0時：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!

Holland建議，大氣不穩(wěn)定時，用上式計算的H應增加10~20％、而穩(wěn)定時減少10~20％；P－G擴散曲線法確定y

和z

表2－23（p.93）將大氣擴散稀釋能力分為A、B、C、D、E、F六個等級。 圖2－31的P－G曲線給出了擴散系數(shù)y

和z

與下風向距離(x)的函數(shù)關系。 根據(jù)常規(guī)氣象按表2－23確定穩(wěn)定級別，然后在P－G曲線圖上查了不同距離上的y

和z

值。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!4.高架連續(xù)排放點源下風濃度計算實例例：某火力發(fā)電廠的煙囪高20m，頂部直徑4m，SO2

發(fā)生率為270g/s，煙囪出口處風速為3m/s，煙氣溫度598K，地面風速2.1m/s，風向為西南。如果煙囪頂部的氣溫為283K，地面氣壓為100×103pa，煙囪高度處的風速為4m/s，問在清晨日出時，距離煙囪600m處，SO2

的濃度是多少？解：根據(jù)給定的條件，查表2－23得當時大氣穩(wěn)定度為E級,由圖2－31查得下風向600m處的y

為34m，z為14m，由Holland公式計算出煙羽升高度：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!五、影響大氣污染物遷移的因素

1風和大氣湍流的影響 污染物在大氣中擴散取決于三個因素：風可使污染物向下風向擴散、湍流可使污染物向各個方向擴散、濃度梯度可使污染物發(fā)生質量擴散。 當氣塊有規(guī)則運動時,其速度在水平方向上的分量稱為風,鉛直方向的的分量稱為鉛直速度.大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!dv/dt----氣塊加速度；G----重力加速度；T’----受熱氣塊溫度；Ｔ----受熱氣塊周圍空氣的溫度。由此公式可知，由于溫差使氣塊獲得浮力加速度，使氣塊不斷上升，直到T’與Ｔ相等。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!地理形勢：不同地形地面之間的物理性質差異引起熱狀況在水平方向上分布不均勻。這種熱力差異在弱的天氣系統(tǒng)條件下就有可能產(chǎn)生局地環(huán)流：海陸風、城郊風和山谷風。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!熱氣流上升冷氣流下降陸地海洋海風白天表面溫度高表面溫度低陸風海陸風海風大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!山谷風白天：谷風夜晚：山風大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!山谷風：山風山風夜晚：山風大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!城郊風：城市熱島環(huán)流是由城鄉(xiāng)溫度差引起的局地風。產(chǎn)生城鄉(xiāng)溫度差異的主要原因是：

(1)城市人口密集、工業(yè)集中，使得能耗水平高；

(2)城市的覆蓋物(如建筑、水泥路面等)熱容量大、白天吸收太陽輻射熱，夜間放熱緩慢，使低層空氣冷卻變緩；

(3)城市上空籠罩著一層煙霧和CO2,使地面有效輻射減弱。據(jù)統(tǒng)計．城鄉(xiāng)年平均溫差一般為0.4~1.5℃，有時可達6—8℃。其差值與城市的大小、性質、當?shù)貧夂驐l件及緯度有關。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!郊區(qū)冷空氣熱島效應城市冷空氣郊區(qū)城郊風城郊風大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!干空氣的成分大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!二、大氣溫度層結由于地球旋轉作用以及距地面不同高度的各層次大氣對太陽輻射吸收程度上的差異，使得溫度、密度等氣象要素在垂直方向上呈不均勻的分布。人們把靜大氣的溫度和密度在垂直方向上的分布稱為大氣溫度層結和大氣密度層結。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!

在對流層中，平均而言dT/dz<0，且＝0.6k/100m，即每升高100m溫度降低0.6℃。由于低層空氣受熱不均勻，冷熱空氣垂直對流運動很劇烈，由污染源排放的污染物可被輸送到遠方，同時，水汽、灰塵較多，象雨、雪、風、云、雷電、冰雹等大氣現(xiàn)象都發(fā)生在對流層中。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!3中間層（過渡層）mesosphere中間層處于平流層頂至85km左右的區(qū)域，又出現(xiàn)溫度隨高度升高而下降的現(xiàn)象，對流運動強烈，層頂溫度最小值約180K。4熱層（電離層）thermosphere

熱層處于中間層頂至800km左右的區(qū)域，離地面最遠，直接受陽光輻射，因此溫度隨高度升高而增加，且在紫外線的作用下產(chǎn)生許多離子，故也稱電離層。熱層處于高度電離狀態(tài)，能將電磁波反射回地球，對全球的無線電通訊具有重要意義。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!三、大氣污染airpollution

大氣污染是指由于人類或自然過程引起的某些物質進入大氣中，呈現(xiàn)出足夠的濃度和達到足夠的時間并對人和環(huán)境產(chǎn)生有害的影響。大氣污染物(pollutant)是指由于人類活動或自然過程排入大氣的并對人或環(huán)境產(chǎn)生有害影響的那些物質。

1污染源固定源：從固定地點排出污染物的污染源。在我國燃煤是主要的固定源。流動源：交通工具汽車、火車、飛機、輪船等是主要流動污染源。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁!3大氣污染物

Airpollutants

顆粒物particulatematter微粒大小particlesize一般用粒徑（直徑）表示。粉塵：煙塵：燃料燃燒時，從煙囪中排出的顆粒物，排放量與燃煤的性質和燃燒條件有關。

粒徑<10m的為飄塵；粒徑>10m的為降塵；粒徑<100m的所有顆粒為總懸浮微粒(TSP)。

(有的教科書上已列出粒徑<2.5m的為可吸入塵respirableparticles)大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁!

(2)SO2(Sulfurdioxide)

我國的大氣污染屬于＂煤煙型＂污染，SO2

是主要指標，由燃煤排放的SO2

官方數(shù)字達1500萬噸/年。按年產(chǎn)110000萬噸、S含量1％計，其排放量為：

110000(萬噸/年)×1％×SO2/S×80%(可燃) =1760萬噸/年石油裂解、燃燒（含硫在1％左右）、硫酸生產(chǎn)都排出大量SO2。每生產(chǎn)1噸硫酸排放20kgSO2

，煙道氣中SO2

的含量在5％左右。按1998年的數(shù)據(jù)，工業(yè)排放SO2

達1593萬噸，生活中SO2排放量達497萬噸。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁!反應機理:高溫下通過氧分子的分解:O2=2OO＋N2=NO＋N(吸熱)N＋O2=NO＋O

2NO＋O2=2NO2（慢）

生成NO的慢步驟是吸熱反應，因此高溫有利于NO的形成，此反應是在高溫條件下進行的，生成的NOx

稱為熱致型NOx

。由于燃料中含有含氮有機物，燃燒時氧化成NO，這一類稱為燃料NOx，排放量與燃料中含氮量有關，受溫度影響很小。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁!(4)

CH化合物HydrocarbonsCH化合物包括：烷烴、烯烴、炔烴、芳香烴等。主要來源：汽車尾氣、工業(yè)生產(chǎn)、燃燒等。

CH化合物是形成光化學煙霧的主要成分，對它的重視也是由此產(chǎn)生的。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁!§2大氣污染物的遷移一、輻射逆溫層在對流層中，氣溫一般隨高度增加而降低，但在一定條件下會出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，即所謂逆溫現(xiàn)象(temperatureinversion)，以其穩(wěn)定性為特點。當＝0時稱為等溫氣層，當<0時稱為逆溫氣層。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁!

近地面層的逆溫多是由于熱力條件而形成，以輻射逆溫為主。輻射逆溫是地面因強烈輻射而冷卻降溫所致，多發(fā)生在距地面100～150m高度內，最有利的條件是平靜而晴朗的夜晚。當白天地面受日照而升溫時，近地面空氣的溫度隨之升高，夜晚地面由于向外輻射而冷卻，使近地面的空氣溫度自下而上逐漸降低，上面的空氣比下面的空氣冷卻較慢，結果就形成逆溫現(xiàn)象。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁!A—功熱當量；Rd—干過程的狀態(tài)常數(shù)；Cpd—干空氣的定壓比熱；大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁!即d＝0.98×10－2℃/m＝1℃/100m利用此d對于上升的干空氣可得到如下公式：

T2=T1

－d(z－z0)T2－干空氣到達高z時的溫度；T1

－起始高度z0

處的溫度；（z－z0)為上升高度差。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁!

四、大氣污染數(shù)學模式

以高架連續(xù)點源大氣污染數(shù)學模式為例討論。

1.煙流模型基本公式

距地面h高度處有一連續(xù)排放點源，以其在地面的垂直投影為原點，x軸指向平均風向,y軸在水平面上垂直于x軸,z軸垂直于xoy平面向上延伸,建立坐標系。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁!式中:c－－污染物濃度，g/m3

；Q－－源強，g/s；y

－－用濃度標準偏差表示的y軸上的擴散系數(shù)；z

－－用濃度標準偏差表示的z軸上的擴散系數(shù)；H－－煙流中心距地面高度，也稱煙囪有效高度，m；數(shù)值為煙囪高度h與煙羽抬升高度H之和.

H=h+H－－煙囪高度的平均風速，m/s；

對于一個高架連續(xù)點源下風向某一點污染物濃度可用下式表示：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁!高架連續(xù)點源的地面最大濃度： 當y=0、z=0，并設y/z=a=常數(shù)，

對z

求導并令其等于零,即：可得：大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁!有效源高計算

煙羽抬升高度的計算十分復雜,通常用經(jīng)驗關系式來計算，例如Holland公式：式中：vs

－－實際狀態(tài)下的煙流出口速度，m/s；d－－煙囪出口直徑,m；Ts、Ta

－－分別為煙氣出口溫度和環(huán)境大氣溫度，K；p－－大氣壓，pa；Qh

－－煙氣熱釋放率J/s，即單位時間排出煙氣的熱量；－－煙囪高度的平均風速，m/s；大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁!大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁!由于穩(wěn)定度為E級，可將計算出的煙羽升高度值減少15％，即：H＝21×85％＝18(m)

距煙囪下風向600m處SO2

濃度（即高架連續(xù)點源地面軸線濃度，y=0、z=0)：書上其余內容自看。大氣中污染物的遷移共62頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁!具有亂流特征的氣層稱為摩擦層,亦稱亂流層，其底部與地面接觸，厚約1000－1500m。由于地面粗糙不平且受熱又不均勻而使其具有亂流特征。在摩擦層中大氣穩(wěn)定度較低，污染物自排放源向下風向遷移而得到稀釋。而摩擦層頂以上的氣層稱為自由大氣，由于其亂流極微弱，污染物很少到達這里。

例如：由于氣塊受熱獲得浮