一次平流层-对流层交换过程中臭氧通量的估算
6第六章 平流层化学
UV-B: 280-315nm 臭氧吸收 绝大多数，危害大；
UV-C: <280nm 氧、臭氧完 全吸收，危害极大
6.1.2、平流层的化学特征
1. 臭氧层
对于臭氧的垂直分布，平流层占整个大气臭氧总量的 90%以上，在高度20-25km范围内，臭氧含量很高，因此 称之为“臭氧层”。
1985年在南极上空有一个“臭氧空洞”，其臭氧含量 下降了40％。
南
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三
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拟
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1、臭氧损耗最严重的区域基本上是 离地面15~25km的范围。
2、臭氧发生损耗最为严重的区域也 是气温最低的区域，这一高度范围 内10月左右的气温处于-80℃以下。
南极臭氧洞的损耗状况仍在恶化： ❖ 1、1997年至今，科学家进一步观测到臭氧洞发
造成臭氧洞的元凶。 ❖ 深入的科学研究发现，南极臭氧洞的形成机制是平
流层云表面的非均相过程。
1、为什么仅仅在南极、北极出现臭氧空洞？
2、为什么在热带地区的平流层中没有发现 臭氧层的破坏？
南极地区特殊的气候环境：
❖ 1、南极地区上空的温度极低 ❖ 2、在极低的温度下，天然过程中释放到平流层的含硫化
合物转化形成的硫酸，使得南极平流层地区生成颗粒物成 为可能。
含卤族化合物以极易光解的HOCl,Cl2气态的形式释放出来
❖ 6、春天，紫外线增多，Cl2和HOCl便开始大量地发生光解 ，产生大量的原子氯，以致造成严重的臭氧损耗。
❖ 7、随着更多的太阳光到达由极，南极地区的温度上升， 结果使南极涡旋逐渐消失。
南极臭氧损耗过程示意图：
大气循环知识点总结高中
大气循环知识点总结高中一、大气层的结构大气层是地球上各种气象活动的发生地，一般由对流层、平流层、臭氧层、中间层和热层等层次组成。
1. 对流层对流层是大气层的最下层，也是大气层中最厚的一层，其厚度约为10至15千米。
对流层中气温随着高度的升高而不断减小。
在对流层中，地表上的太阳辐射使得一部分大气分子得到了充分的能量，引起空气的加热。
这样便形成了气体的对流运动。
在对流层中主要有暖气体升、冷气体沉、空气的水平运动等现象。
2. 平流层平流层是对流层之上的一层。
在平流层中，气温不再随着高度的升高而减小，反而随着高度的增加而逐渐增加。
高层大气中的气流呈现出平缓的水平流动状态，所以被称为平流层。
平流层中也存在有大范围的气流活动，如热带气流、极地气流等。
3. 臭氧层臭氧层位于平流层之上，它是大气层中的一个特殊区域。
臭氧层中的臭氧分子很容易被紫外线分解，但是分子又能重新结合成臭氧。
因此，臭氧层能够吸收95%以上的紫外线。
这些都对地球上的生命系统发挥着重要作用。
4. 中间层中间层是臭氧层下和热层以上的一层大气。
在中间层中，气温随高度的增加而逐渐减小。
5. 热层热层是大气层的最顶层，它也是大气层中的最热的一层。
热层的特点是其温度随着高度的升高而突然上升。
这是因为太阳辐射使得热层的气体分子获得了大量的能量。
因此，在热层中，大气背离了地面，使得热量大量损失。
热层的气流呈现出极其复杂的状态，极其混乱。
二、大气循环的类型大气循环包括全球大气环流和局地大气环流两种类型。
全球大气循环是指地球上的大气从赤道到极地的整体运动规律；局地大气环流是指地球上局部区域范围内的大气气体流动规律。
1. 全球大气环流全球大气环流是指地球表面各纬度之间的大气流动和交换规律，主要是由赤道至极地大气的垂直运动和纬度之间的水平风向运动组成。
主要有大尺度环流和小尺度环流两种类型。
大尺度环流主要包括风系、热带降雨带、温带气旋带、极地气旋带等。
热带降雨带是指纬度0°-30°之间的大气环流，以高温、高湿、多降雨为特点；温带气旋带是指纬度30°-60°之间的大气环流，以气压的高低差异为特点；极地气旋带是指地球极地地区的大气环流，以冰雪覆盖为特点。
臭氧层的形成与耗损
（b）超音速和亚音速飞机的排放 （c）宇宙射线的分解 这个来源所产生的NOx 数量较少。 ②NOx清除O3的催化循环反应 NO + O3 → NO2 + O2 NO2 + O• → NO + O2 总反应： O3 + O• → 2O2 该反应主要发生在平流层的中上部。
如果是在较低的平流层，由于O•的浓 度低，形成的NO2 更容易发生光解，然 后与O•作用，进一步形成O3： NO2 → NO + O• O• + O2 + M → O3 因此，在平流层底部NO 并不会促使O3 减少。 ③NOx的消除
B类紫外线灼伤称为B类灼伤，这是紫外辐 射最明显的影响之一，学名为红斑病。 B类紫外线也能损耗皮肤细胞中遗传物 质，导致皮肤癌。B类辐射增加还可对 眼睛造成损坏，导致白内障发病率增加。 B类紫外线辐射也会抑制人类和动物的免 疫力。因此B类紫外线辐射的增加，可 以降低人类对一些疾病包括癌症、过敏 症和一些传染病的抵抗力。
（a）由于NO 和NO2 都易溶于水，当 它们被下沉的气流带到对流层时，就可 以随着对流层的降水被消除，这是NOx 在平流层大气中的主要消除方式。 （b）在平流层层顶紫外线的作用下， NO 可以发生光解： NO2 + hν → N• + O• 光解产生的N•可以进一步与NOx 发生 反应：N• + NO → N2 + O• N• + NO2 → N2O + O• 这种消除方式所起的作用较小。
HO2• + HO2• → H2O2 + O2 •OH + •OH → H2O2 •OH + HO2• → H2O + O2 （b）与NOx 的反应 •OH + NO2 + M → HONO2 + M •OH + HNO3 → H2O + NO3 总反应： •OH + NO2 → H2O + NO3 形成的硝酸会有部分进入对流层然后随降 水而被清除。（3）ClOx对臭氧层破坏 的影响 ①平流层中ClOx的来源
第6章 大气臭氧
• 研究发现阳光中的 UV-B辐射对鱼、虾 、蟹、两栖动物和 其它动物的早期发 育阶段都有危害作 用。最严重的影响 是繁殖力下降和幼 体发育不全。
（四）对农作物的影响
• 在已经研究过的植物品种 中，超过50%的植物有来自 UV-B的负影响，比如豆类 、瓜类等作物，另外某些 作物如土豆、番茄、甜菜 等的质量将会下降；植物 的生理和进化过程都受到 UV-B辐射的影响，甚至与 当前阳光中UV-B辐射的量 有关。
第五节 保护大气臭氧层
1977年,联合国环境规划署设 立一个统筹委员会来研究臭 氧层
1978年,美国，加拿大，瑞典， 挪威禁止使用CFCs气溶胶。
1981年,UNEP开始启动保护 臭氧层的政府间协商。
1982年后,由于没有其他的措施， CFCs的消费又在增长。CFCs的工 业需求不因其破坏臭氧层而受影响。
速建筑、喷涂、包装及电线电缆等所用材料，尤
其是高分子材料的降解和老化变质。
• 阳光中UV-B辐射的增加会加速这些材料的光降解
，从而限制了它们的使用寿命。研究结果已证实 短波UV-B辐射对材料的变色和机械完整性的损失 有直接的影响。
第三节 对流层中的臭氧
• 在对流层里存在的臭氧属于一种对生物有害的污 染物，是光化学烟雾的组成部分之一。 • 许多涉及化学能量快速转化的人类活动，如内燃 机开动、复印机工作等等，都会产生臭氧，危害 人类健康。经常用激光打印机将会有臭氧的气味 ，在高浓度时会中毒。臭氧（O3）是一种强氧化 剂，容易与其他化学物质反应生成许多有毒的氧 化物。
臭氧层
• 臭氧形成后，由于其比重大于氧气，会逐渐 的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着 温度的变化（上升），臭氧不稳定性愈趋明 显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为 氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互 转换的动态平衡。
大气垂直分层和受热过程
大气中的云层和气溶胶颗粒物也能够 反射和散射太阳辐射，影响地球表面 的热量收支。
03
大气中水汽的相变和循环
水汽的凝结和降水
凝结
水汽在大气中冷却到露点以下时，会 凝结成水滴或冰晶，形成云或雾。
降水
当水滴或冰晶在云中积累到一定重量 时，会通过下落的方式形成雨、雪、 冰雹等降水。
大气污染的扩散和传
大气流动
温度层结
大气污染物的扩散和传输受到大气流动的 影响，污染物会随着风向和气流运动而传 播。
大气的温度层结对污染物的扩散和传输也 有重要影响，不同高度的温度变化会影响 污染物的扩散和聚集。
地理环境
大气污染的扩散和传输模型
地形、地貌、城市规划等因素也会影响大 气污染物的扩散和传输，如山谷、盆地等 地形容易造成污染物聚集。
大气治理措施
采取措施来减少大气污染物的排放， 如烟气脱硫、脱硝等处理技术，以及
空气质量监测和预警系统等。
THANKS
感谢观看
农业活动
农业活动中使用的化肥、农药等化学物质，以及 养殖业产生的废气和固体废弃物，也是大气污染 物的来源之一。
交通运输
汽车、飞机、火车等交通工具排放的废气也是大 气污染的重要来源，主要污染物包括一氧化碳、 氮氧化物、挥发性有机物等。
大气污染的影响
大气污染物对人类健康、生态系统和气候变化都 有严重影响。例如，空气污染会导致呼吸道疾病 、心血管疾病等健康问题，对农作物生长和生态 系统造成损害，还可能加剧气候变化。
太阳辐射的散射
大气中的气体分子和微小颗粒物 能够将太阳辐射散射到各个方向 ，从而使天空呈现蓝色或白色。
平流层和对流层的区别
平流层和对流层的区别平流层和对流层是大气层中的两个重要部分，它们在气候、天气和生态系统等方面都有着不同的特点和功能。
本文将详细介绍平流层和对流层的区别。
一、平流层平流层是大气层中的一个重要层次，位于对流层之上，高度约为10至50公里。
平流层的特点如下：1. 温度变化小：平流层的温度变化相对较小，随着高度的增加，温度逐渐升高。
这是因为平流层中的气体主要通过辐射传热，而辐射传热的效果较差，导致温度变化较小。
2. 稳定的气流：平流层中的气流呈现稳定的水平流动，称为平流。
平流层的气流速度较慢，通常在10至20米/秒之间。
3. 高浓度的臭氧：平流层中含有大量的臭氧，这是因为平流层中的氧气受到紫外线的辐射分解产生臭氧。
臭氧层的存在对地球生物和环境具有重要的保护作用，能够吸收大部分紫外线辐射，减少对地球的伤害。
4. 无云无雨：平流层中几乎没有云层和降水，这是因为平流层中的气流稳定，水汽很少凝结成云和降水。
二、对流层对流层是大气层中最底层的一部分，位于地表上方，高度约为10公里。
对流层的特点如下：1. 温度递减：对流层的温度随着高度的增加而递减，这是因为对流层中的气体主要通过对流传热，对流传热的效果较好，导致温度递减。
2. 不稳定的气流：对流层中的气流呈现不稳定的垂直流动，称为对流。
对流层的气流速度较快，通常在10至100米/秒之间。
3. 云层和降水：对流层中存在大量的云层和降水，这是因为对流层中的气流不稳定，水汽容易凝结成云和降水。
4. 含氧量高：对流层中的氧气含量较高，适合生物生存和呼吸。
三、平流层和对流层的区别平流层和对流层在温度、气流、云层和降水等方面存在明显的区别：1. 温度：平流层的温度变化小，随高度逐渐升高；对流层的温度递减，随高度逐渐降低。
2. 气流：平流层的气流稳定，呈水平流动；对流层的气流不稳定，呈垂直流动。
3. 云层和降水：平流层几乎没有云层和降水；对流层存在大量的云层和降水。
4. 高度：平流层位于对流层之上，高度约为10至50公里；对流层位于地表上方，高度约为10公里。
第三章 大气环境与大气污染
火山喷发 森林火灾 自然尘 森林植物释放
海浪飞沫
萜稀类碳氢化合物。
硫酸盐和亚硫酸盐
一氧化碳、氮氧化物、碳 氢化合物、硫氧化合物和 铅等 二氧化硫、氮氧化物、二 氧化碳、一氧化碳 二氧化硫、硫化氢等
人 为 源
汽车和火车、飞机 交通运输过程： 等，分布广泛分散， 现 代 化 交 通 运 输 难于监测和治理。 工具 静止源则包括工 厂 、焚化炉等不移 动的污染源。静止 源污染面积广，易 于集中监测治理。 燃料燃烧
大于 10μm 的颗粒物能被鼻腔的鼻毛吸留住，而小于 10μm 的 飘 尘 却 能 长 驱直入 侵 蚀肺泡 ， 叫“ 可 吸 入因 子”。在可吸入微粒中 80%可沉积于肺泡，且沉积时间 可达数年之久。导致肺心病等一系列病变。
① 含硫化合物 主要指SO2和SO3、H2S
（2）气状污染物
湿度大的情况下，含硫化合物最终被氧化形成硫酸，是形成 酸雨的主要来源。 二氧化硫是一种无色的刺激性气体, 腐蚀性很大，会严重刺 激人的呼吸系统，使人出现咳嗽、嗓子疼、胸闷和感到呼吸受 阻，刺激腐蚀人的肺部，可以造成肺气肿和支气管炎。并加重 哮喘病情。 二氧化硫破坏植物的叶绿素，使植物脱水坏死。 在适当条件下和飘尘结合在一起，或与水汽中的水蒸汽结合 形成硫酸雾，硫酸雾微粒侵入人体肺部，可以引起肺水肿和肺 硬化等疾病导致死亡。
4）静电除尘： 2、烟气脱硫 ①干法 ②湿法
废气处废气处理设备
0.05% 20.95%
78.90%
大气各成分的作用
大气组成 干 主要 N2 洁 成分 O2 空 CO2 气 次要 成分 O3 水 汽 主 要 作 用 生物体的基本成分 维持生物活动的必要物质 植物光合作用的原料；对地面保温 吸收紫外线，使地球上的生 物免遭过量紫外线的伤害 成云致雨的必要条件；对地面保温 成云致雨的必要条件
臭氧层破坏
平流层臭氧的基本光化学反应
Chapman机制： 1、臭氧的生成反应：
O2 hv（ 240 nm） 2O（3 P） 2O（3 P） 2O2 M 2O3 2M 总反应：3O2 hv 2O3
2、臭氧的清除：
O3 hv O2 O（3 P） O3 O（3 P） 2O2 总反应：2O3 hv 3O2
氟氯碳化物的类型
• 发泡剂：硬质PU发泡、软质PU发泡、聚苯乙烯(PS)发泡及PE 发泡等，如： CFC-11 。
• 冷媒：冷冻机、冰箱、汽車、空调用冷媒，如： CFC-11、 CFC-12 。
• 清洗剂：印刷基板、半导体材料等电子零件及光学零件清洗 剂，如CFC-113。
• 喷雾剂：化妆品、医药品、清洁用品等需要推进的喷雾装置， 如CFC-11、CFC-12 。
和ClONO2转化形成HNO3 3. 在温度≤205±5K下，HNO3蒸汽与进行非均相、非同类
分子的凝聚，产生平流层云颗粒物，导致气态HNO3减少 4. 由宇宙射线和臭氧光解形成的HO·,在阳光返回极地之后，
经甲烷的光化学氧化而积累。 5. HCl和HBr通过与HO·反应转化为ClOx、BrOx；ClONO2通过
几种对臭氧层有损耗的含氯化合物
名称
氯代甲烷 CFC12 CFC11
四氯化碳 三氯乙烷
分子式
全球大气浓度 /（10-9）
CH3Cl CF2Cl2 CFCl3 CCl4 CH3CCl3
0.62 0.48 0.28 0.12 0.12
大气寿命的 到达平流层 平流层年破
估算值/ 的排放量/ 坏量/
（年）
（%）
• 灭火剂：哈龙(Halon)是全卤化碳氢化合物，具有特別的防 火效果，常作为灭火剂。哈龙臭氧的能力(ODP)更甚于CFC。
差分吸收激光雷达测量大气臭氧
差分吸收激光雷达测量大气臭氧一、 引言臭氧在大气辐射中起重要的作用，它可以有效吸收对动植物包括人类在内有害的紫外辐射。
臭氧吸收太阳辐射的能量是平流层和中层大气的重要能量来源。
,对流层臭氧约占臭氧总量的10%。
臭氧作为强氧化剂,积极参与对流层的许多化学过程,是光化学烟雾的发起者。
在地面,高浓度的臭氧对动植物都有害。
随着人类的工业活动增多,对流层臭氧有逐年增加的趋势。
自从1986年南极臭氧洞被发现以来，臭氧含量的变化受到了全球的关注。
臭氧测量是研究臭氧变化的基础。
差分吸收激光雷达（DIAL ）测量大气中的微量气体成分的方法最先由Schotland 在水汽测量中提出来,而后得到不断地发展。
差分吸收激光雷达测量大气臭氧的优点是测量范围大、分辨率高、精度较高、实时快速、能够监测臭氧的时空变化。
二、 差分定义根据Bouguer-L am bert-Beer 定理，当激光束波长与某污染气体分子的吸收线中心重合时，激光束在传播过程中将由于该种分子产生的共振吸收而强烈衰减，从衰减程度可以确定此种污染气体分子的浓度。
为了减小大气中其他气体分子和气溶胶以及仪器参数等对探测精度的影响，可以采用差分吸收方法。
差分吸收激光雷达以同一光路向大气中发射波长接近的两束脉冲激光。
其中一个波长处于被测气体的吸收线上，它被待测气体强烈吸收；另一个波长处于待测气体的吸收线的边翼上或吸收线外，待测气体对它吸收很小或没有吸收。
由于这两束激光波长相近，对其它气体分子和气溶胶的消光基本相同，两束激光的回波强度的差异只是由待测气体分子的吸收引起。
从而根据两个波长回波强度的差异可以确定待测气体分子的浓度。
选择测量臭氧浓度的波长时，要考虑臭氧的测量精度和测量范围。
不仅要求两束激光波长之间有较大的臭氧吸收截面之差，而且必须使瑞利和米散射截面以及其它存在的气体分子(除臭氧外)的吸收差别很小。
对于给定的两个测量臭氧的激光波长，最大的探测高度取决于很多因素，如臭氧的吸收截面，测量时臭氧浓度的垂直分布，气溶胶和分子的消光，探测器的灵敏度，可利用的动态范围，激光的输出功率和噪声来源等等。
气象学作业
平流层臭氧的耗损及其生态效应邵贝贝张丽雯张莉（西南大学09地理科学学院师范三班，重庆，北碚）摘要：十多年前在南极上空发现了臭氧空洞，引起了世人的关注，纷纷研究其成因和带来的生态影响。
过多的紫外线能引起人类和其他动物的白内障、皮肤癌并减弱其免疫功能，而且对植物也有很深的伤害。
关键词：平流层臭氧洞氟氯烃紫外线生态环境引言臭氧究竟与人们的关系有多密切，人们对臭氧了解吗？关于现在全球臭氧损耗大家是否清楚其产生的生态效应？现在我们就这个课题进行一些讨论。
1785年，荷兰科学家马丁努斯·马伦发现，每当在实验室进行放电实验时，空气就会出现一种特殊的气味，在自然界中，内当雷电过后也能闻到这种气味。
1840年，瑞士科学家克里斯蒂安·舍恩拜将这种气体带有异味味的气体命名为臭氧。
臭氧的名字来自希腊文，愿意就有“怪味”的意思。
1858年，科学家首次证实，在地球大气层的底部存在臭氧。
1881年，科学家瓦尔特·哈特利提出，在地球大气层的上部，应该存在大量的臭氧。
现在我们知道人类赖以生存的地球周围环绕着一层厚厚的大气层，它是由水汽、氮气、氧气。
二氧化碳、甲烷、臭氧等多种物质所组成。
大气中的氧分子被太阳辐射光解后，所产生的氧原子与周围的氧分子结合，形成臭氧。
臭氧含量从10公里高度起逐渐增加，至20~50公里达到最大值（及我们所说的平流层），再往上其含量逐渐减少，到50公里就很少了。
臭氧在整个大气中只占一小部分，如果将大气中的所有臭氧集中到地表，它只是2~3毫米厚的薄薄一层，但是就是因为这薄薄的一层，却担负着保护地球上生命的重任。
它几乎完全吸收掉了来自太阳的致命的紫外线UV-C（波长小于295mm）和紫外线UV-B（波长在295~320mm之间），而只透过对地球生命有益的紫外线UV-A（波长大于320mm），使得地球上的万物繁衍生息，人类也在臭氧的关爱下自由健康的生活。
就是这把生命之伞，到1984年，人们未曾预料的事情发生了，这一年，英国南极科学家J Farman等人根据哈里湾南极站30年臭氧观测资料，首次提出自70年代中期以来南极上空每年9~10月就会出现近1000万平方公里的臭氧洞，臭氧含量大幅度下降，而且还在逐年下降。
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一次平流层-对流层交换过程中臭氧通量的估算
平流层和对流层之间的交换是一个复杂的过程，其中包括气体分子的扩散、对流流动和化学反应。
在这个过程中，臭氧通量的估算涉及到多个因素，如气体浓度梯度、温度梯度、风速和大气压力的变化等。
在平流层-对流层交换过程中，臭氧的通量可以通过测量臭氧浓度和风速的变化来估算。
具体来说，可以使用气球、飞艇或其他气象探测设备在不同高度和位置上收集空气样品，然后分析臭氧浓度以及其他参数。
在进行臭氧通量估算时，需要考虑到化学反应的影响。
在大气中，臭氧会发生一系列的化学反应，包括与氮氧化物、二氧化碳和水蒸气等物质的反应。
这些反应不仅对臭氧浓度产生影响，还会影响臭氧通量的估算。
总而言之，臭氧通量的估算是一个复杂的过程，需要综合考虑多个因素的影响。
在今后的研究中，需要进一步深入探索平流层-对流层交换过程中臭氧通量的估算方法，以更好地理解大气中臭氧的分布和变化。