第三篇 大气环境化学 第1章 大气成分.
大气环境化学
大气环境化学1、大气的组成2、大气组分动态平衡的盒子模式源：大气组分产生的途径和过程→源强：进入大气的组分输入速率(Fi）汇：指大气组分从大气中去除的途径和过程→汇强：从大气输出组分的速率（Ri）（降水湿去除、化学反应转化、地表物质吸收或反应去除、向平流层输送）当Fi＝Ri时，大气组分的质量Mi恒定；当Fi>Ri时，污染物相对积累3、停留时间停留时间（平均停留时间）：某种组分在进入大气后到被清除之前在大气中停留的平均时间τ ＝大气中的总贮量Mi / Fi 或者RiQ：研究停留时间的意义？某组分的停留时间越长，表明该组分在离开大气或转化成其它物质以前，在环境中存留的时间也越长；表明该组分在大气中的储量相对于输入（出）来说是很大的，即使人类活动改变了该组分的的输入（出）速度，对其总量的影响也不明显；若组分停留时间越短，其输入（出）速率的改变就对总贮量很敏感。
[计算1] 已知CH4在对流层的平均浓度c＝1.55×10－6（w/w），且不随时间变化；已知：大气的总质量5.14×1018 kg；F CH4＝R CH4＝1.5×1014（mol/a）；对流层占总大气圈质量的比例：3/4；CH4的相对分子质量为16；[计算2] 全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度c＝1×10-9 （w/w），Fs＝Rs＝200×1012 g/a；大气的总质量5.14×1018 kg；对流层占总大气圈质量的比例：3/4求大气中硫的停留时间？（结果用天表示）4、环境本底值环境本底值：指自然环境在未受污染的情况下，各种环境要素中的化学元素或化学物质的基线含量，又叫环境背景值。
大气组成的“本底值”——近海平面洁净的大气组分的含量来表示。
5、大气的化学组成主要组分：氮气（N2）、氧气（O2）次要组分：氩气（Ar）和二氧化碳（CO2）－占总大气的99.992％（体积分数）痕量组分：惰性气体和微量有毒气体－NO、NO2、CO、SO2、H2S干洁大气（干燥清洁的大气）组分：N2（78%）、O2（21%）、Ar、CO26、大气污染物组成分类气态污染物－常温下是气体或蒸汽，就是以气态方式输入并停留在大气中的污染物，包括SOx、NOx、COx、CH、CFCs－占90%；大气颗粒物－液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系。
【环境化学】第一章 大气环境化学 第一节 大气的组成和主要污染物
当Fi＝Ri时，大气组分的质量Mi恒定（千百年的地质 变化过程中，Fi＝Ri）
23
当Fi > Ri时：
污染物相 对积累
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第二章 大气环境化学 / 第一节 大气的组成和主要污染物
1.3 大气环境化学研究中的基本概念
3. 停留时间（Residence time）
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研究停留时间的意义
某组分的停留时间越长，表明该组分在离开大气或转 化成其它物质以前，在环境中存留的时间也越长；
某组分的停留时间越长，表明该组分在大气中的储量 相对于输入（出）来说是很大的，即使人类活动改变 了该组分的的输入（出）速度，对其总量的影响也不 明显；
若组分停留时间越短，其输入（出）速率的改变就对 总贮量很敏感。
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大气中各组分的停留时间
惰性气体：Ar、Ne、He、Kr、Xe－ τ ＞107（a），准永久性气体或 非循环气体
生物循环气体：N2（100a）、O2（6000a） H2（5a）、 CO2（10a） CH4（2.4a）、N2O（8～15a） CO（1a） －可变化组分
小于1年的气体： H2O（10.1d） O3（＜1d） SO2（＜0.02a）NH3（1d） NO和NO2（＜1 month）－强可变化组分
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第二章 大气环境化学 / 第一节 大气的组成和主要污染物
1.3 大气环境化学研究中的基本概念
2. 汇（Sink）和汇强（Ri）
汇－ 指大气组分从大气中去除的途径和过程
降水湿去除 化学反应转化 地表物质吸收或反应去除 向平流层输送
汇强－从大气输出组分的速率（Ri）
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第3章大气环境化学-PPT文档资料
Stratosphere
10-16 km
O3 + hv (220 nm-330 nm) → O2 + O O3 -56 ℃
N2, O2 H2O, CO2
Troposphere 15 ℃ Sea level
. . . . .. .. .
Earth
..
Figure. Major regions of the atmosphere (not to scale).
O3 + hv O + O2
200-300 nm, 300-360 nm λmax = 254 nm
O + O2 + M O3 + M
milliliter (mL); microlitre (µ L)
大气温度层结
中间层 Mesosphere n. [气] 中间层 高度为48～78 km；气温随高度的增加而降低；空气运动 激烈；(meso-) 热层 (电离层) Thermosphere
Stratosphere
高度为12～50 km；温度随高度的增高而递增；垂 直对流少，大气稳定。（-56 ℃ ~-2 ℃）
大气温度层结 O2 + hv O + O
135~176 nm; 240~260 nm
小知识
decimeter (dm); centimeter (cm); millimeter (mm); micrometer (µ m) (测微计、千分 尺、微米)； nanometer (nm); angstrom (Å); angstrom n. 埃（光谱线波 长单位） liter (L);
大气组成的分类
一般按照停留时间把大气物质分为三类： 1、准永久性气体 N2、 Ar、Ne、Kr、氙 2、可变组分 CO2、 CH4、 H2、 N2O、O3 、 O2 3、强可变组分 H2O、CO、NOx、 NH3 、 SO2 、 HC、 颗粒物、H2S
大气环境化学
Ch. 3 大气环境化学♦大气环境化学主要研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大气污染对自然环境的影响等。
一. 天然大气和重要污染物基本要求：♦掌握天然大气的组成，大气主要层次的特点.♦了解大气中离子和自由基的来源.♦了解大气重要污染物的源.♦了解温室效应、温室气体及其对大气环境的影响.1.1 大气的组成和停留时间一、大气的组成大气主要组分是氮和氧，其次是氩和CO2，此外还有一些稀有气体和CH4、SO2、NO2、CO、NH3和O3等，总和不超过0.1%。
大气还含有0.1至5%的水，正常范围为1~3%，大气的总重量约为5500万亿吨，为地球重量的百万分之一。
粒径大于l0μm颗粒称为降尘;粒径小于l0μm的颗粒，称为飘尘。
二、大气组分的停留时间各种化学反应、生物活动、放射性衰变及工业活动等不断产生气体投放至大气；又因化学反应、生物活动、物理过程及海洋、陆地吸收而不断迁出大气。
某组分在贮库中的总输入速度(F X)和总输出速度(R x)是相等的，若假设x组分的贮量为M x，则可由下式确定组分x在大气中的停留时间t X：t X = M x/R x = M x/ F X惰性气体Ar、Ne、He、Kr和Xe停留时间都在107年以上，属于外循环气体。
其次是参与生物、水、岩石等循环的生物循环气体N2(100万年)、02(6000年)、H2(5年)、CO2(10年)、CH4(2~5年)、N2O(8~15年)、CO(1年)。
大气中停留时间小于1年的气体，如H2O(10.1天)、O3(小于1天)、SO2(小于0.01年)、NH3(~1天)、NO和NO2(小于1月)等，它们在大气中的浓度变化比较明显。
1.2 大气的主要层次大气划分为对流层、平流层、中间层和热层等若干层。
此外，还有所谓散逸层，有时也划作一个层区。
一、对流层特点：(1)气温随高度增加而降低。
大气环境化学概述
大气环境化学概述一、引言大气环境化学是研究大气环境中各种化学成分与过程的相互作用和影响的一个重要学科，其研究对象包括大气中的气态和颗粒态污染物、大气化学反应过程、大气光化学和大气中的气溶胶等。
大气环境化学的研究对于理解和减少大气污染、改善空气质量、保护人类健康和生态环境具有重要意义。
二、大气环境化学的研究内容1.大气中的主要污染物：大气中的主要污染物包括臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）、挥发性有机化合物（VOCs）等。
2.大气中的化学反应过程：大气中的化学反应过程是大气环境化学的核心内容，包括氧化反应、光解反应、光化学反应等。
3.大气中的气溶胶：气溶胶是大气中的微粒，对大气光学特性、云和降水形成、空气污染等方面具有重要影响。
4.大气污染物来源与传输：大气污染物的来源包括自然来源和人为来源，而传输过程则直接影响大气污染的空间分布和浓度水平。
三、大气环境化学的研究方法1.实地观测：通过建立大气污染源监测站和气象站，实时监测和记录大气中的污染物浓度、气象参数等数据。
2.模型模拟：利用数学模型对大气中的化学反应过程和污染物传输进行模拟和预测，为空气质量预报提供科学依据。
3.实验室研究：通过实验室模拟大气环境中的化学反应过程，探究不同污染物之间的相互作用和影响。
4.多学科交叉研究：大气环境化学是一个跨学科领域，需要与大气物理学、气象学、环境科学等学科相互交叉，并结合相关技术手段开展研究。
四、大气环境化学研究的应用与前景1.空气质量管理与控制：大气环境化学研究为改善空气质量提供科学依据，指导制定大气污染防治政策和措施。
2.气候变化研究：大气中的气溶胶和温室气体等化学成分对气候变化起着重要作用，大气环境化学研究对于气候变化机制的解析具有重要意义。
3.健康保护与风险评估：大气污染物对人类健康和生态环境产生危害，大气环境化学研究可以帮助评估大气污染对人体健康和生态系统的影响，保护人类健康。
五、结语大气环境化学作为一门交叉学科，已经成为应对大气污染和气候变化等环境问题的重要研究领域。
第二篇大气环境化学大气的成分〖中山大学化学与化
地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
在低温下 误差比较大(例如t= -30℃，误差约2％)
O℃以下的水面饱和水汽压值，采用
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
饱和混合比rs和饱和比湿qs的计算式
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地球大气成分－水汽密度
纯水汽状态方程 假设纯水汽的状态方程式对湿空气中的水汽也适用，仍以e表示 水汽压，利用干空气的比气体常数Rd 水汽密度（单位为g/m3 ）
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大气的分层和结构 －对流层
对流层顶（几千米）——对流层与平流层的 过渡区
大气温度递减率小于2K/km或更小时的 最低高度。
赤道附近及热带对流层顶高约15～20km ，极地和中纬度带高约8～14km。
空气性质的差异→对流层内水平方向上 气象要素（指温度、气压、湿度、风向、 风速、辐射等）分布不均匀。
（1）道尔顿分压定律 （2）混合理想气体的状态方程
平均摩尔质量
8
地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）
体积百分比
90km以下干空气的平均摩尔质量 Md＝28.9644×10-3 kg／mol．
干空气的比气体常数
9
地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）
若干空气的密度为 干空气的状态方程
气体成分的比热容分别为c1，c2，…，cn，则m克混合气体增温
20
地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
平冰面（-100～0.0℃）
T是热力学温度(K)，T00=-273.16 K是水的三相点温度。
若LV近似为T的线性函数，
积分
马格纳斯(Magnus)公式．
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
经验公式 Tetens经验公式计算水面和冰面的饱和水汽压
环境化学大气环境化学
人类生产和生活活动产生的污染物， 如工业排放、交通尾气、农业活动和 城市生活垃圾等。
大气中污染物的扩散与传
大气湍流扩散
污染物在气流的作用下，通过扩散作用在大气中传播和稀释。
污染物传输
污染物在大气中随气流迁移，受到地形、气象条件和地理环境等因素的影响。
大气中污染物的转化与归宿
化学反应
大气中的污染物可以与其他气体或颗粒 物发生化学反应，生成新的化合物或分 解为其他物质。
污染控制策略制定 基于大气环境化学研究，制定针 对不同污染物的控制措施和减排 目标，有效改善空气质量。
气候变化应对 将大气环境化学研究成果应用于 气候变化应对策略的制定，推动 减缓和适应气候变化的行动。
THANKS
感谢观看
大气环境质量的评估标准
国家标准
01
根据国家法律法规制定的大气质量标准，如PM2.5、PM10、二
氧化硫等污染物的浓度限值。
世界卫生组织标准
02
与国际接轨的大气质量标准，为全球范围内的大气质量评估提
供参考。
区域或地方标准
03
根据特定区域或地方的环境条件和需求，制定更为严格或具有
针对性的大气质量标准。
动物迁徙和生态平衡等。研究大气环境化学有助于保护生态环境。
03
促进可持续发展
通过研究大气环境化学，可以更好地了解大气中化学物质的变化规律，
为制定环境保护政策和措施提供科学依据，促进可持续发展。
大气环境化学的历史与发展
历史回顾
大气环境化学作为一门学科，经历了从传统气象学和化学的分离到多学科交叉融合的发展过程。早期的学者主要 关注气象现象和化学物质在大气中的分布，而现代的大气环境化学则更加注重化学物质在大气中的转化和传输机 制。
大气的环境化学第一章 地球的大气的环境-精品文档
N2 O2 Ar CO2 O3
较大。 500km以上 磁层
第三节：大气的能量平衡
大气的能量来源： ★大气的平均温度又称地表的平均温度，就是地表以上 1.25~ 2m 之间的气温，约15℃ (12~27 ℃)。 ★大气和地球的能量主要来源于太阳的辐射 ★太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡。 辐射平衡对地球表面的环境控制极为重要。
1.按大气中化学组成的分布，大气圈可分为均质层 （90km以下）和非均质层（90km以上）； 均质层--- ---90km以下大气组成比例几乎不变， 主要是N2 、O2、Ar，该层“干洁空气”的平均 分子量接近常数。 非均质层，90km以上N2和 O2的解离，平均分子 量随高度的增加而降低。
Chemical component of homosphere, clean and dry atmosphere:
（3）中间层（mesosphere） 从平流层顶到约80km的高度称为中间 层，此层中温度又随高度的上升而减弱， 相当强烈的垂直混合，这是由于高空吸收 辐射的物质（尤其是臭氧的浓度减少）， 在80km左右可降到最低温度（170k），空 气更为稀薄。
（4）热层（thermosphere） 从中间层顶至约800km高度的大气层 称为热层，该层中O2对太阳远紫外线有强 烈的吸收，因而使该层大气温度随高度上 升而急剧升高，气温可高达1473K以上。 此层空气非常稀薄，O2、N2分子在太阳紫 外线和宇宙射线的作用下发生电离而成为 离子或原子，故此层又称为电离层。
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地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）
（1）道尔顿分压定律
p p1 p2
pi
i 1
n
（2）混合理想气体的状态方程
pV nR*T m * R T mRT M
平均摩尔质量
M
m n
m n mi i 1 M i
8
地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）
体积ห้องสมุดไป่ตู้分比
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
平冰面（-100～0.0℃）
T00 T00 T lg esi 9.09685( 1) 3.56654lg( ) 0.87682(1 ) 0.78614 T T T00
T是热力学温度(K)，T00=-273.16 K是水的三相点温度。
若LV近似为T的线性函数，
2
地球大气成分－分类方法
浓度、平均停留时间
（1）浓度 绝对量、相对量 绝对量 如体积质量，单位为mg/m3，g/m3等， 常用来表示大气气溶胶的浓度． 相对量 如ppm(10-6)，ppb(10-9)和ppt(10-12)等 ppmm、ppmv （2）平均停留时间 某成分的所有分子更新一次所需要的时间（ “平均寿命” ）
lg es (T )
des LV es 积分 2 dT RV T
2937.4 4.9283lg T 23.5518 T
马格纳斯(Magnus)公式．
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
M
(V M
i 1 i
n
i
)
V
90km以下干空气的平均摩尔质量 Md＝28.9644×10-3 kg／mol．
干空气的比气体常数
R* Rd 287.05 J /(kg.K ) Md
9
地球大气成分－干洁大气（干空气状态方程）
若干空气的密度为
d
p d RdT
干空气的状态方程
气体成分的比热容分别为c1，c2，…，cn，则m克混合气体增温 △T所需的热量 n
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地球大气成分－大气湿度的表示方法
水汽压与混合比及比湿的关系
pe e q p 0.378e
大气中通常e60hPa，可认为
r
e
rq
e
p
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
纯水汽的饱和水汽压仅与温度有关。 饱和水汽压随温度的变化率→
克拉珀龙-克劳修斯方程
des LV es dT RV T 2
陆地、海洋和大气中的水量及年交换量
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地球大气成分 －大气中的水汽
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地球大气成分 －大气湿度的表示方法
湿空气: 水汽和干空气的混合气体 空气湿度－－ 表示湿空气中水汽含量的物理量。 测量水汽含量方法－－ 称重法
基本的湿度参量－－ 混合比、比湿
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地球大气成分 －大气湿度的表示方法
混合比与比湿q
nd md Md
水汽和干空气的摩尔数
nV mV MV
水汽的分压强
e v p
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地球大气成分 －大气湿度的表示方法
令：
MV 0.622 Md
湿空气中水汽的摩尔分数
r r V r 0.622 r
e V p r r p p r 0.622 r
M M F R
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地球大气成分－干洁大气
除水汽以外的纯净大气称为干洁大气（干空气）。
干洁大气
主要成分、微量成分和痕量成分 主要成分：N2，O2，Ar及CO2，浓度在300 ppmv以上； 微量成分：1～20 ppmv，如CH4等； 痕量成分：1 ppmv以下，O2、H2、氮氧化合物、硫化物、氟氯烃类
世界气象组织(World Meteorological Organization，简称WMO) 饱和水汽压公式→ 戈夫－格雷奇(Goff-Gratch)公式(纯水汽) 平液面（-49.9～100℃）
T 8.2969( 1) 4.76955(1 00 ) T00 T T00 4 3 T lg es 10.79574(1 ) 5.02800lg( ) 1.050475 10 [1 10 ] 0.42873 10 [10 1] 0.78614 T T00 T
4
地球大气成分－干洁大气
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地球大气成分－干洁大气
6
地球大气成分－干洁大气
（按平均停留时间）
基本不变成分或准定常成分、可变成分、气体成分
（1）基本不变成分或准定常成分 平均寿命大于1000 a；N2，O2，Ar，Ne，Kr，Xe及He等． （2）可变成分 平均寿命为几年到十几年，比例随时间、地点而变，如CO2， CH4，H2，N2O和O3等 （3）气体成分 平均寿命短于1 a，如碳、硫、氮化合物。
水汽质量mv克，干空气质量md克，混合比为水汽与干空气的质量比
比湿q为水汽与湿空气的质量比
mv r md
mv q md mv
与q关系
（单位：g/g或g/kg）
q
r 1 r
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地球大气成分 －大气湿度的表示方法
水汽压e
大气中水汽的分压强 湿空气--水汽的摩尔分数
V
nV nd nV
Q
c m T
i 1 i i
混合气体的比热容c
1 Q c m T
m c
i 1
n
i i
m
10
地球大气成分 －大气中的水汽
水汽
0.1%-3% 水汽的来源 海洋表面蒸发，副热 带洋面的蒸发→大气环流 向赤道和高纬地区上空输 送。 水汽上升凝结形成水 云或冰云，以降水的形式 降到陆地和海洋。
式中 T－温度， es (T ) －纯水平液面时的饱和水汽压 RV－水汽的比气体常数 LV－相变(汽化)潜热。
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地球大气成分－纯水汽的饱和水汽压
若汽化潜热LV为常数，纯水平液面时的饱和水汽压积分表达式：
es (T ) es 0 exp[
es 0 是T0(273.15 K)时的饱和水汽压
LV 1 1 ( )] RV T T0
第三篇 大气环境化学
研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状 态等物理化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、 消除等过程中的化学行为、反应机制和变化规律，探讨大 气污染对自然环境的影响等。
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第一章 大气成分
掌握天然大气的组成，大气主要层次的特点。 了解大气中离子和自由基的来源。 了解大气重要污染物的源。 了解温室效应、温室气体及其对大气环境的影响。