全球大氣環(huán)境變化

1、第四章 全球大氣環(huán)境變化 全球主要的大氣環(huán)境問題：全球主要的大氣環(huán)境問題： 溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)（溫室氣體的排放引起）；（溫室氣體的排放引起）； 臭氧層破壞臭氧層破壞（氯氟烷烴類物質(zhì)的排放）；（氯氟烷烴類物質(zhì)的排放）； 酸雨酸雨 （二氧化硫的排放）；（二氧化硫的排放）； 全球大氣環(huán)境的變化與全球大氣環(huán)境的變化與傳統(tǒng)意義上的大氣傳統(tǒng)意義上的大氣 污染污染不同，由于某些物質(zhì)的特定性質(zhì)，在不同，由于某些物質(zhì)的特定性質(zhì)，在 局部范圍內(nèi)并局部范圍內(nèi)并未產(chǎn)生直接污染效應(yīng)未產(chǎn)生直接污染效應(yīng)，但其，但其 間接危害直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展。間接危害直接影響到人類的可持續(xù)發(fā)展。 第一節(jié) 地球大氣的溫室效應(yīng) 一、地球

2、氣候系統(tǒng)一、地球氣候系統(tǒng) 氣候是指包括氣候是指包括溫度、濕度和降水溫度、濕度和降水等在內(nèi)的綜合等在內(nèi)的綜合 信息。地球氣候系統(tǒng)是一個涉及信息。地球氣候系統(tǒng)是一個涉及陽光、大氣、陽光、大氣、 陸地和海洋陸地和海洋等內(nèi)容十分豐富的系統(tǒng)。人類活動等內(nèi)容十分豐富的系統(tǒng)。人類活動 對全球的氣候變化具有深刻和重要的影響。對全球的氣候變化具有深刻和重要的影響。礦礦 石燃料石燃料（煤炭、石油和天然氣）的使用，加上（煤炭、石油和天然氣）的使用，加上 其它的人為活動過程，導(dǎo)致其它的人為活動過程，導(dǎo)致溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)的加劇，的加劇， 可能會引起全球的溫度增高，并產(chǎn)生一系列的可能會引起全球的溫度增高，并產(chǎn)生一系列的

3、環(huán)境問題。環(huán)境問題。 19921992年年6 6月，有月，有154154個國家參加的聯(lián)合國環(huán)個國家參加的聯(lián)合國環(huán) 發(fā)大會在巴西里約熱內(nèi)盧召開，會議通過發(fā)大會在巴西里約熱內(nèi)盧召開，會議通過 了了氣候變化框架公約氣候變化框架公約。19971997年年1212月在月在 日本京都，日本京都，170170個國家的政府首腦聚集在一個國家的政府首腦聚集在一 起，就人類密切關(guān)注的全球氣候變化的問起，就人類密切關(guān)注的全球氣候變化的問 題達成了一個世界性的協(xié)議題達成了一個世界性的協(xié)議京都協(xié)議京都協(xié)議 書書，希望在氣候變化導(dǎo)致嚴(yán)重后果發(fā)生希望在氣候變化導(dǎo)致嚴(yán)重后果發(fā)生 之前，采取一致的行動，控制氣候變化的之前，采取

4、一致的行動，控制氣候變化的 發(fā)展趨勢。發(fā)展趨勢。 二、地球大氣溫室效應(yīng)的形成及其作用二、地球大氣溫室效應(yīng)的形成及其作用 如果不存在地球大氣層的如果不存在地球大氣層的溫室效溫室效 應(yīng)應(yīng)，地球處于輻射平衡后的等黑體溫地球處于輻射平衡后的等黑體溫 度為度為255K255K，即地表溫度為，即地表溫度為-18-18，而實，而實 際平均溫度為際平均溫度為1515，增高的，增高的3333是大是大 氣溫室效應(yīng)的結(jié)果。氣溫室效應(yīng)的結(jié)果。 CH4 O2 N2 Ar CFCS CO2 H2O 到達地表的太陽短波輻射（平均波長到達地表的太陽短波輻射（平均波長500-600nm500-600nm） 地球散發(fā)的長波輻射地

5、球散發(fā)的長波輻射 （平均波長（平均波長3-303-30m m） 地球表面能量平衡示意圖地球表面能量平衡示意圖 地球大氣層地球大氣層 大氣層中各種物質(zhì)對太陽短波輻大氣層中各種物質(zhì)對太陽短波輻 射和地表長波輻射的吸收光譜射和地表長波輻射的吸收光譜 10-20 10-20 （KMKM） 3-30um 3-30um 長波紅外線長波紅外線 CO CO2 2、H H2 2O O、CHCH4 4、O O3 3、 CFCCFCS S 100 100 （KMKM）100nm 100nm 短波紫外光短波紫外光N N2 2、O O2 2 50-100 50-100 （KMKM）200nm 200nm 短波紫外光短波

6、紫外光O O2 2 25-30 25-30 （KMKM）310nm 310nm 短波紫外光短波紫外光O O2 2 O O3 3 距地表高度距地表高度光波波長光波波長吸收物質(zhì)吸收物質(zhì) 溫室氣體溫室氣體 大氣的溫室效應(yīng)：大氣的溫室效應(yīng)： 大氣中的大氣中的COCO2 2和和H H2 2O O等微量組分對地球長等微量組分對地球長 波輻射吸收作用是近地面熱量得以保持，波輻射吸收作用是近地面熱量得以保持， 從而導(dǎo)致全球氣溫升高的現(xiàn)象被稱為從而導(dǎo)致全球氣溫升高的現(xiàn)象被稱為“溫溫 室效應(yīng)室效應(yīng)”，這些微量組分就稱為這些微量組分就稱為溫室氣體。溫室氣體。 三、溫室效應(yīng)和溫室氣體的平衡三、溫室效應(yīng)和溫室氣體的平衡

7、 1. 1. 溫室效應(yīng)溫室效應(yīng)的平衡的平衡 云和氣溶膠能吸收、放射紅外線，反云和氣溶膠能吸收、放射紅外線，反 射來自太陽的可見光，其綜合效果是使地射來自太陽的可見光，其綜合效果是使地 表變冷表變冷-“-“陽傘效應(yīng)陽傘效應(yīng)”。 2.2. 溫室氣體的平衡溫室氣體的平衡 森林和植物的森林和植物的光合作用，光合作用，將將COCO2 2轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)?有機碳（木材、糧食）。有機碳（木材、糧食）。 世界森林含有的炭總量為世界森林含有的炭總量為40004000億億50005000 億噸，相當(dāng)于大氣中億噸，相當(dāng)于大氣中COCO2 2總量的總量的2/32/3。 海洋的儲存作用：海洋的儲存作用： COCO2 2 +

8、 H+ H2 2O OH H2 2COCO3 3 排入大氣中排入大氣中COCO2 2的總量中約有的總量中約有30%30%被海洋吸收，被海洋吸收， 13%13%通過光合作用吸收，大氣中僅存通過光合作用吸收，大氣中僅存57%57% 由于大量化石燃料的利用，使大氣中由于大量化石燃料的利用，使大氣中COCO2 2 含量劇增，同時森林面積的減少，使含量劇增，同時森林面積的減少，使COCO2 2的平的平 衡受到影響，導(dǎo)致全球氣溫升高。衡受到影響，導(dǎo)致全球氣溫升高。 四、溫室效應(yīng)增強帶來的影響四、溫室效應(yīng)增強帶來的影響 1. 1. 對海平面和水資源的影響對海平面和水資源的影響 海平面升高導(dǎo)致土地淹沒、地下水

9、位升海平面升高導(dǎo)致土地淹沒、地下水位升 高，含鹽量增加；高，含鹽量增加； 蒸發(fā)旺盛導(dǎo)致降水增加、分布不均，干蒸發(fā)旺盛導(dǎo)致降水增加、分布不均，干 旱、洪澇頻繁。旱、洪澇頻繁。 2. 2. 對動、植物的影響對動、植物的影響 動、植物的遷徙將可能跟不上氣候變化的動、植物的遷徙將可能跟不上氣候變化的 速率，生態(tài)系統(tǒng)的變化會使得某些物種的種群速率，生態(tài)系統(tǒng)的變化會使得某些物種的種群 和群落發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致物種的滅絕。和群落發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致物種的滅絕。 3. 3. 對農(nóng)業(yè)的影響對農(nóng)業(yè)的影響 全球氣候變化，氣溫變暖，一方面對植全球氣候變化，氣溫變暖，一方面對植 物的光合作用有促進作用，有利于提高農(nóng)業(yè)物的

10、光合作用有促進作用，有利于提高農(nóng)業(yè) 產(chǎn)量；另一方面，氣候變化有可能導(dǎo)致更多產(chǎn)量；另一方面，氣候變化有可能導(dǎo)致更多 的自然災(zāi)害（高溫、熱浪、熱帶風(fēng)暴、龍卷的自然災(zāi)害（高溫、熱浪、熱帶風(fēng)暴、龍卷 風(fēng)、干旱、病蟲害）的發(fā)生。風(fēng)、干旱、病蟲害）的發(fā)生。 4. 對人群健康的影響對人群健康的影響 氣候變化會導(dǎo)致極熱天氣頻率的增加，氣候變化會導(dǎo)致極熱天氣頻率的增加， 同時有利于病原體的活動同時有利于病原體的活動, ,結(jié)果導(dǎo)致傳染病、結(jié)果導(dǎo)致傳染病、 疾病流行。疾病流行。 五、溫室效應(yīng)的控制對策五、溫室效應(yīng)的控制對策 排放控制排放控制-調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，控制化石燃料的消耗調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，控制化石燃料的消耗 固定化技

11、術(shù)控制固定化技術(shù)控制-CO-CO2 2的深海廢棄處理技術(shù)；固的深海廢棄處理技術(shù)；固 定、利用技術(shù)；回收、分離技術(shù)定、利用技術(shù)；回收、分離技術(shù) 適應(yīng)對策研究適應(yīng)對策研究-適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的變化；海平面上適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的變化；海平面上 升的人工適應(yīng)對策；人類本身對氣候變化的適應(yīng)。升的人工適應(yīng)對策；人類本身對氣候變化的適應(yīng)。 第二節(jié) 臭氧層破壞 什么是什么是臭氧層臭氧層? ? 距離地球表面距離地球表面15-25km15-25km處的平流層中，處的平流層中， 由大氣中由大氣中90%90%的臭氧而形成的一個較為穩(wěn)定的臭氧而形成的一個較為穩(wěn)定 的臭氧層。的臭氧層。 臭氧層破壞臭氧層破壞-由于大氣污染物的排放，導(dǎo)

12、由于大氣污染物的排放，導(dǎo) 致高層大氣臭氧濃度急劇下降的現(xiàn)象致高層大氣臭氧濃度急劇下降的現(xiàn)象 臭氧層作用臭氧層作用-能有效地吸收太陽紫外線，能有效地吸收太陽紫外線， 使地球上的生物免受紫外線的侵害。使地球上的生物免受紫外線的侵害。 一、一、 高空臭氧形成和耗竭的機理高空臭氧形成和耗竭的機理 1.1. 正常條件下的動態(tài)平衡（正常條件下的動態(tài)平衡（ChapmanChapman）理論）理論 O O2 2 + h + h 2O 2O （242nm242nm） 2O + O2O + O2 2 O O3 3 O O3 3 + h + h O + O O + O2 2 上述光化學(xué)反應(yīng)過程在正常狀態(tài)下，保持一種

13、上述光化學(xué)反應(yīng)過程在正常狀態(tài)下，保持一種 動態(tài)平衡狀態(tài)動態(tài)平衡狀態(tài) 2.2. 引起臭氧層耗竭的主要物質(zhì)引起臭氧層耗竭的主要物質(zhì) 大氣中的水蒸氣大氣中的水蒸氣 H H2 2O + O 2OH O + O 2OH OH + OOH + O3 3 HO HO2 2 + O + O2 2 HOHO2 2 + O + O3 3 OH + 2O OH + 2O2 2 2O 2O3 3 3O 3O2 2凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： OHOH、HOHO2 2 稱為稱為奇氫物質(zhì)奇氫物質(zhì) OH + O H + OOH + O H + O2 2 H + OH + O3 3 OH + O OH + O2 2 O+O O+O3 3

14、 2O 2O2 2 凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： OH + OOH + O3 3 HO HO2 2 + O + O2 2 HOHO2 2 + O HO + O + O HO + O2 2 O+O O+O3 3 2O 2O2 2 凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： 由于水蒸氣存在的催化反應(yīng)，使由于水蒸氣存在的催化反應(yīng)，使O O3 3損失損失 速度大大加快。速度大大加快。 人類活動排放的各種污染物質(zhì)人類活動排放的各種污染物質(zhì) NOx NOx 的作用：的作用： NO + ONO + O3 3 NO NO2 2 + O + O2 2 O O3 3 + h + h O + O O + O2 2 O + NOO + NO2 2 NO

15、+ O NO + O2 2 2O 2O3 3 3O 3O2 2凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： NONO、NONO2 2 稱為稱為奇氮物質(zhì)奇氮物質(zhì) Cl Cl和和ClOClO的作用：的作用： O O3 3 + h + h O + O O + O2 2 O + ClO ClO + ClO Cl + O + O2 2 ClCl + O + O3 3 ClO ClO + O + O2 2 2O 2O3 3 3O 3O2 2凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： ClCl、ClOClO 稱為稱為奇氯物質(zhì)奇氯物質(zhì) Br Br 的作用：的作用： BrO + ClO Br + ClBrO + ClO Br + Cl + O + O2 2 Br

16、+ OBr + O3 3 BrO BrO + O + O2 2 ClCl + O + O3 3 ClO ClO + O + O2 2 2O 2O3 3 3O 3O2 2凈效應(yīng)：凈效應(yīng)： 二、二、 臭氧層耗竭對人類的潛在影響臭氧層耗竭對人類的潛在影響 太陽紫外輻射分為太陽紫外輻射分為3 3個區(qū)，波長為個區(qū)，波長為315-315- 400nm400nm的紫外光稱為的紫外光稱為UV-AUV-A區(qū)區(qū)，該區(qū)的紫外線，該區(qū)的紫外線 不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生不能被臭氧有效吸收，但是也不造成地表生 物圈的損害；物圈的損害；波長為波長為280-315nm280-315nm的紫外光稱的紫外光稱 為為

17、UV-BUV-B區(qū)區(qū)，該波段的紫外輻射對人類和地球，該波段的紫外輻射對人類和地球 其它生命造成危害最嚴(yán)重；其它生命造成危害最嚴(yán)重；波長為波長為200-200- 280nm280nm的紫外光稱為的紫外光稱為UV-CUV-C區(qū)區(qū)，該區(qū)紫外線波，該區(qū)紫外線波 長短，能量高，并能被平流層大氣完全吸收。長短，能量高，并能被平流層大氣完全吸收。 臭氧層的破壞，會使其吸收紫外輻射的臭氧層的破壞，會使其吸收紫外輻射的 能力大大減弱，導(dǎo)致到達地球表面能力大大減弱，導(dǎo)致到達地球表面UV-BUV-B區(qū)強區(qū)強 度明顯增加，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)度明顯增加，給人類健康和生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán) 重的危害重的危害。 陽光紫外線

18、陽光紫外線UV-BUV-B的增加對人類健康有嚴(yán)的增加對人類健康有嚴(yán) 重的危害作用長期暴露于強紫外線的輻射下，重的危害作用長期暴露于強紫外線的輻射下， 會導(dǎo)致細胞內(nèi)的會導(dǎo)致細胞內(nèi)的DNADNA改變，人體免疫系統(tǒng)的機改變，人體免疫系統(tǒng)的機 能減退，人體抵抗疾病的能力下降。能減退，人體抵抗疾病的能力下降。 1. 1. 對地球生物的影響對地球生物的影響 2.2.對陸生植物的影響對陸生植物的影響 植物長期接受植物長期接受UV-BUV-B的輻射時，可能會造成的輻射時，可能會造成 植物形態(tài)的改變。森林和草地，可能會改變植物形態(tài)的改變。森林和草地，可能會改變 物種的組成，進而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物物種的組成，

19、進而影響不同生態(tài)系統(tǒng)的生物 多樣性分布。多樣性分布。 3.3.對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響 世界上世界上30%30%以上的動物蛋白質(zhì)來自海洋，浮游生以上的動物蛋白質(zhì)來自海洋，浮游生 物是水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的基礎(chǔ)，浮游生物種類和物是水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈的基礎(chǔ)，浮游生物種類和 數(shù)量的減少會影響魚類和貝類生物的產(chǎn)量。研究結(jié)數(shù)量的減少會影響魚類和貝類生物的產(chǎn)量。研究結(jié) 果表明，如果平流層臭氧減少果表明，如果平流層臭氧減少25%25%，浮游生物的初浮游生物的初 級生產(chǎn)力將下降級生產(chǎn)力將下降10%10%，這將導(dǎo)致水面附近的生物減這將導(dǎo)致水面附近的生物減 少少35%35%。 4. 4. 對地球生物

20、化學(xué)循環(huán)的影響對地球生物化學(xué)循環(huán)的影響 陽光紫外線的增加會影響陸地和水體的生物地球陽光紫外線的增加會影響陸地和水體的生物地球 化學(xué)循環(huán)，從而改變地球化學(xué)循環(huán)，從而改變地球- -大氣系統(tǒng)中一些重要物質(zhì)大氣系統(tǒng)中一些重要物質(zhì) 在地球各圈層中的排放和去除過程，包括二氧化碳在地球各圈層中的排放和去除過程，包括二氧化碳 （COCO2 2）、一氧化碳（）、一氧化碳（COCO）、氧硫化碳（）、氧硫化碳（COSCOS）及）及O O3 3 等。這些潛在的變化將對生物圈和大氣圈之間的相等。這些潛在的變化將對生物圈和大氣圈之間的相 互作用產(chǎn)生影響。互作用產(chǎn)生影響。 5.5. 對材料的影響對材料的影響 UV-B UV

21、-B的增加會加速建筑、噴涂包裝及電線的增加會加速建筑、噴涂包裝及電線 電纜等所用材料，尤其是高分子材料的降解電纜等所用材料，尤其是高分子材料的降解 和老化變質(zhì)。和老化變質(zhì)。 6.6.對對流層大氣組成和空氣質(zhì)量的影響對對流層大氣組成和空氣質(zhì)量的影響 UV-B UV-B的增加會促進對流層臭氧和其它相的增加會促進對流層臭氧和其它相 關(guān)的氧化劑如過氧化氫等的生成，使得一些關(guān)的氧化劑如過氧化氫等的生成，使得一些 城市地區(qū)的臭氧超標(biāo)率大大增加。城市地區(qū)的臭氧超標(biāo)率大大增加。 對流層中一些重要微量氣體的光解速率對流層中一些重要微量氣體的光解速率 降提高，使得整個大氣氧化能力增強，導(dǎo)致降提高，使得整個大氣氧化

22、能力增強，導(dǎo)致 甲烷和甲烷和CFCsCFCs替代物如替代物如HCFCsHCFCs和和HFCsHFCs的濃度成的濃度成 比例的下降，從而對這些溫室氣體的氣候效比例的下降，從而對這些溫室氣體的氣候效 應(yīng)產(chǎn)生影響。應(yīng)產(chǎn)生影響。 三、控制臭氧層耗竭的對策三、控制臭氧層耗竭的對策 從目前的研究結(jié)果來看，引起臭氧層耗從目前的研究結(jié)果來看，引起臭氧層耗 竭的主要物質(zhì)是竭的主要物質(zhì)是CHCH4 4、NOxNOx、氯化物、溴化物。、氯化物、溴化物。 其中，數(shù)量最大的是其中，數(shù)量最大的是氯氟烴類物質(zhì)氯氟烴類物質(zhì)，代表性，代表性 的就是氟里昂（的就是氟里昂（CFCsCFCs），因此，研制氟里昂），因此，研制氟里昂

23、（CFCsCFCs）的替代產(chǎn)品，是遏制臭氧層耗竭的）的替代產(chǎn)品，是遏制臭氧層耗竭的 重要對策之一。重要對策之一。 第三節(jié) 酸 雨 有關(guān)酸雨的概念：有關(guān)酸雨的概念： pHpH值低于大氣中值低于大氣中COCO2 2濃度相平衡的蒸餾水濃度相平衡的蒸餾水 pHpH值（值（5.65.6）的降水。）的降水。 一、一、 酸雨的危害酸雨的危害 1. 1. 影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)，致使湖泊酸化，導(dǎo)影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)，致使湖泊酸化，導(dǎo) 致水生生物死亡。致水生生物死亡。 2. 2. 引起土壤酸度增加，促使植物死亡，森林引起土壤酸度增加，促使植物死亡，森林 受損。受損。 3. 3. 誘發(fā)呼吸道、心血管疾病，影響人群健誘發(fā)呼吸

24、道、心血管疾病，影響人群健 康?？怠?4. 4. 腐蝕建筑物，使得具有紀(jì)念意義的傳統(tǒng)腐蝕建筑物，使得具有紀(jì)念意義的傳統(tǒng) 建筑物和雕塑遭受嚴(yán)重損害。建筑物和雕塑遭受嚴(yán)重損害。 二、二、 酸雨的污染源酸雨的污染源 1. 1. 天然源天然源 海洋的硫酸鹽霧海洋的硫酸鹽霧 細菌分解后的有機化合物細菌分解后的有機化合物 水、土壤釋放的硫酸鹽水、土壤釋放的硫酸鹽 火山爆發(fā)、森林火災(zāi)火山爆發(fā)、森林火災(zāi) 2. 2. 人為源人為源化石燃料燃燒占化石燃料燃燒占85%85% 礦石冶煉占礦石冶煉占11%11% 石油精煉占石油精煉占4%4% 3. 3. 其它來源其它來源 加速酸雨形成起著重要作用的物加速酸雨形成起著重要作用的物 質(zhì)，氯化物、質(zhì)，氯化物、NHNH3 3、O O3 3等。等。 三、酸性物質(zhì)在大氣中的轉(zhuǎn)化、傳輸、沉降三、酸性物質(zhì)在大氣中的轉(zhuǎn)化、傳輸、沉降 1. SOx1. SOx 的轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化 光化學(xué)氧化光化學(xué)氧化 SOSO2 2 + OH HOSO + OH HOSO2 2 HOSO