《大氣環(huán)境化學》課件：概述2017

1、2022-3-5北京大學物理學院大氣科學系 大氣環(huán)境化學大氣環(huán)境化學樊琦19951995年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎The 1995 Nobel Prize in Chemistry for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone.目前世界面臨的最嚴重的環(huán)境問題目前世界面臨的最嚴重的環(huán)境問題溫室效應造成氣候變暖溫室效應造成氣候變暖生物多樣性減少生物多樣性減少酸雨蔓延酸雨蔓延森林銳減森林銳減土地荒漠化土地荒漠化煙霾塵埃煙霾塵埃江河湖泊

2、地下水水體污染江河湖泊地下水水體污染海洋污染、赤潮海洋污染、赤潮固體廢棄物污染固體廢棄物污染光化學煙霧光化學煙霧平流層臭氧減少平流層臭氧減少簡直糟透了簡直糟透了? ?！國際科協(xié)國際科協(xié)理事會環(huán)理事會環(huán)境污染問境污染問題科學委題科學委員會的問員會的問卷調(diào)查卷調(diào)查50多個國家多個國家200名科名科學家關心學家關心的未來主的未來主要問題要問題Global Envionmental Outlook 2000 1 酸沉降酸沉降 2 大氣氣溶膠大氣氣溶膠 3 平流層臭氧損耗平流層臭氧損耗 對流層臭氧增加對流層臭氧增加 4 大氣化學與氣候變化大氣化學與氣候變化幾個重要的大氣環(huán)境化學課題幾個重要的大氣環(huán)境化學

3、課題干嗎要學大氣環(huán)境化學干嗎要學大氣環(huán)境化學 從化學的角度理解大氣科學從化學的角度理解大氣科學 識別重要的環(huán)境因素、加強環(huán)境意識識別重要的環(huán)境因素、加強環(huán)境意識 通過監(jiān)測、試驗弄清機理和規(guī)律通過監(jiān)測、試驗弄清機理和規(guī)律 預報變化，研究控制對策預報變化，研究控制對策 。第一章第一章 地球大氣的組成和演化地球大氣的組成和演化1.1 1.1 大氣化學研究的對象和內(nèi)容大氣化學研究的對象和內(nèi)容1.2 1.2 大氣的結構和組成大氣的結構和組成1.3 1.3 地球大氣的演化地球大氣的演化1.1 1.1 研究的對象和內(nèi)容研究的對象和內(nèi)容了解大氣科學的歷史是有用的了解大氣科學的歷史是有用的P. J. Crutz

4、en and V. Ramanathan The Ascent of Atmospheric SciencesScience, V290, N5490, pp. 299-304. issued on 13 Oct. 2000, 發(fā)展歷史發(fā)展歷史 18-19世紀，試圖確定大氣的主要化學組成。世紀，試圖確定大氣的主要化學組成。 上世紀初期，研究重點開始轉移到痕量氣體上來。上世紀初期，研究重點開始轉移到痕量氣體上來。 上世紀上世紀20年代開展了臭氧觀測和平流層臭氧理論研究。年代開展了臭氧觀測和平流層臭氧理論研究。 5060年代的局地大氣污染：光化學煙霧，酸性雨等。年代的局地大氣污染：光化學煙霧，酸性

5、雨等。 7080年代的區(qū)域大氣化學研究。年代的區(qū)域大氣化學研究。 80年代提出了全球變化問題。年代提出了全球變化問題。大氣化學是大氣科學最年輕的分支。大氣化學是大氣科學最年輕的分支。然而然而怎么看怎么看地球大氣地球大氣 和和大氣化學？大氣化學？ 地球大氣是氧化性介質地球大氣是氧化性介質 地球大氣是一個多相化學體系地球大氣是一個多相化學體系 氣體、云雨、粒子氣體、云雨、粒子 大氣化學過程往往由光化學開始大氣化學過程往往由光化學開始 自由基反應起關鍵作用自由基反應起關鍵作用 大氣化學反應包括均相和非均相反應。大氣化學反應包括均相和非均相反應。 大氣化學反應往往是非平衡的大氣化學反應往往是非平衡的

6、大氣化學是交叉學科大氣化學是交叉學科 大氣化學研究包括各圈層間相互作用大氣化學研究包括各圈層間相互作用 大氣化學著重研究物種大氣化學著重研究物種 在大氣中的循環(huán)在大氣中的循環(huán)地球系統(tǒng)環(huán)境圈層間的相互作用地球系統(tǒng)環(huán)境圈層間的相互作用水圈水圈大氣圈大氣圈巖石圈巖石圈生物圈生物圈全球氣候系統(tǒng)與大氣化學全球氣候系統(tǒng)與大氣化學大氣中主要化學過程大氣中主要化學過程云雨云雨霾霾光氧化物光氧化物氣體粒子轉化氣體粒子轉化CCN再懸浮再懸浮SO2、NOx、 VOC 、 NH3 、 CO2、CO、揚塵、揚塵、 Soot、粉塵、粉塵、CFCs酸沉降酸沉降區(qū)域氣候區(qū)域氣候能見度能見度光化污染光化污染臭氧耗損、臭氧洞臭氧

7、耗損、臭氧洞全球氣候變化全球氣候變化北京大學物理學院大氣科學系 天氣學，大氣動力學，邊界層物理學天氣學，大氣動力學，邊界層物理學生態(tài)學生態(tài)學物理化學物理化學大氣輻射學大氣輻射學云雨物理化學云雨物理化學生物地球化學，微生物學生物地球化學，微生物學邊界層物理學邊界層物理學云雨物理化學云雨物理化學不同尺度的大氣運動過程不同尺度的大氣運動過程大氣化學研究的趨勢大氣化學研究的趨勢 主要成分主要成分 微量成分微量成分 痕量成分痕量成分 局地局地 區(qū)域區(qū)域 全球全球 從氧到臭氧。從氧到臭氧。從平流層到對流層從平流層到對流層大氣化學研究方法大氣化學研究方法 外場實驗外場實驗 集中外場強化觀測、和長期監(jiān)測集中外

8、場強化觀測、和長期監(jiān)測 實驗室實驗實驗室實驗 光化學煙霧箱，反應速率，排放因子光化學煙霧箱，反應速率，排放因子 風洞測擴散等風洞測擴散等 數(shù)值模擬數(shù)值模擬 拉格朗日、歐拉拉格朗日、歐拉 氣象模式氣象模式+空氣質量模式空氣質量模式+地面系統(tǒng)地面系統(tǒng)中國大氣化學研究中國大氣化學研究（1）觀測站網(wǎng)的布置觀測站網(wǎng)的布置v1958年科學院建立北京昆明臭氧柱體總量年科學院建立北京昆明臭氧柱體總量Dobson儀監(jiān)測站，開始進行臭氧的觀測。儀監(jiān)測站，開始進行臭氧的觀測。v70年代起，我國設環(huán)境保護機構，開始建立環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)。年代起，我國設環(huán)境保護機構，開始建立環(huán)境監(jiān)測站網(wǎng)。v80年代中，中國氣象局開始建立全國

9、酸雨監(jiān)測站網(wǎng)。年代中，中國氣象局開始建立全國酸雨監(jiān)測站網(wǎng)。v80年代氣象局建立浙江臨安、北京上甸子與黑龍江龍鳳山區(qū)域大氣環(huán)境背景站。年代氣象局建立浙江臨安、北京上甸子與黑龍江龍鳳山區(qū)域大氣環(huán)境背景站。v1994年年9月在月在WMO支持下氣象部門在青藏高原建立瓦里關全球大氣化學本底觀象臺支持下氣象部門在青藏高原建立瓦里關全球大氣化學本底觀象臺v香港在香港在90年代初，開始大氣化學本底觀測。中科院建生態(tài)網(wǎng)。年代初，開始大氣化學本底觀測。中科院建生態(tài)網(wǎng)。v本世紀初氣象系統(tǒng)建沙塵監(jiān)測網(wǎng)、大氣背景監(jiān)測網(wǎng)本世紀初氣象系統(tǒng)建沙塵監(jiān)測網(wǎng)、大氣背景監(jiān)測網(wǎng)中國大氣化學研究中國大氣化學研究（2 2）發(fā)展探測手段發(fā)展

10、探測手段v大氣物理所大氣物理所1966年起研制地基激光雷達探測大氣氣溶膠分布和污染擴散，年起研制地基激光雷達探測大氣氣溶膠分布和污染擴散，v北大地球物理系和中國科學院大氣物理研究所在北大地球物理系和中國科學院大氣物理研究所在80年代發(fā)展了太陽輻射計等，年代發(fā)展了太陽輻射計等， 用以遙感大氣臭氧、氣溶膠濃度以及用以遙感大氣臭氧、氣溶膠濃度以及NO2光解系數(shù)。光解系數(shù)。v南大大氣科學系與紫金山天文臺合作進行了毫米波遙感大氣臭氧的探測試驗。南大大氣科學系與紫金山天文臺合作進行了毫米波遙感大氣臭氧的探測試驗。v90年代利用激光雷達和天光偏振觀測到年代利用激光雷達和天光偏振觀測到El Chichon 和

11、和 Pinatubo 火山爆發(fā)的氣火山爆發(fā)的氣溶膠，并用以研究對氣候的影響。溶膠，并用以研究對氣候的影響。v安徽光機所于安徽光機所于90年代中期發(fā)展的年代中期發(fā)展的UV DIAL 激光雷達可檢測激光雷達可檢測1945km高度的臭高度的臭氧和氣溶膠。氧和氣溶膠。v氣象局衛(wèi)星中心研制氣象局衛(wèi)星中心研制MODIESMODIES衛(wèi)星接收機、大氣所自主研制臭氧探空儀衛(wèi)星接收機、大氣所自主研制臭氧探空儀中國大氣化學研究中國大氣化學研究（3）綜合性研究計劃綜合性研究計劃19941997年國家自然科學基金重大項目年國家自然科學基金重大項目“中國地區(qū)大氣臭氧變化及其對環(huán)境生態(tài)影響中國地區(qū)大氣臭氧變化及其對環(huán)境生

12、態(tài)影響”重大項目重大項目1998年國家自然科學基金重大項目年國家自然科學基金重大項目“長江三角洲大氣物理化學過程及其對生態(tài)影響研究長江三角洲大氣物理化學過程及其對生態(tài)影響研究”1998年與日本合作的青藏高原大氣臭氧探測的國家自然科學基金課題年與日本合作的青藏高原大氣臭氧探測的國家自然科學基金課題19851995年連續(xù)三次開展了年連續(xù)三次開展了“我國酸雨來源、影響及其對策我國酸雨來源、影響及其對策” 的科技攻關項目的科技攻關項目19911995年年 “全球氣候變化預測全球氣候變化預測” 科技攻關課題中設專題研究科技攻關課題中設專題研究“溫室氣體濃度和排放監(jiān)測溫室氣體濃度和排放監(jiān)測”1997國家自

13、然科學基金重點課題國家自然科學基金重點課題“中國地區(qū)氣溶膠輻射特征中國地區(qū)氣溶膠輻射特征”研究研究本世紀初國際合作沙塵暴研究、亞洲棕色云研究本世紀初國際合作沙塵暴研究、亞洲棕色云研究參考書目參考書目1，秦瑜、趙春生，秦瑜、趙春生, 大氣化學基礎大氣化學基礎（有電子版）（有電子版）2，唐孝炎，唐孝炎，大氣環(huán)境化學大氣環(huán)境化學，高教出版社，高教出版社3 3，王明星，王明星，大氣化學大氣化學，氣象出版社，氣象出版社4 4，J.Seinfeld and J.Pandis, 1999 J.Seinfeld and J.Pandis, 1999 Atmospheric Chemistry and Phys

14、ics, Weiley, Weiley5 5，D.Jacob, 1999D.Jacob, 1999（有電子版）（有電子版） Introduction to Atmospheric Chemistry, Precton, , Precton, 6, P.Hobbs, 20006, P.Hobbs, 2000 Introduction to Atmospheric Chemistry, Cambridge, Cambridge,7, G.Brasseur et al, 19997, G.Brasseur et al, 1999 Atmospheric chemistry and global ch

15、ange,Oxford,Oxford,認識大氣層認識大氣層天有多高？天有多高？1.2 1.2 大氣的結構和組成大氣的結構和組成大氣垂直結構大氣垂直結構各層大致高度各層大致高度對流層頂?shù)母叨葘α鲗禹數(shù)母叨热蚱骄鶞囟确植既蚱骄鶞囟确植即髿鉅顟B(tài)方程和組分濃度大氣狀態(tài)方程和組分濃度 目的：描述某成分在大氣中的量目的：描述某成分在大氣中的量 變量：質量濃度，數(shù)濃度，摩爾濃度，混合比變量：質量濃度，數(shù)濃度，摩爾濃度，混合比 單位變換單位變換描述氣體含量的方法描述氣體含量的方法混合比混合比 (ppm, ppb, ppt)質量濃度質量濃度 (gm-3)摩爾濃度摩爾濃度 (molm-3)數(shù)濃度數(shù)濃度 (cm

16、-3)分壓分壓 (hPa、mPa)ppbv、 ppbm大氣組成分類大氣組成分類按濃度分類按濃度分類主要成分主要成分：濃度為百分之幾，如：濃度為百分之幾，如N2，O2，Ar。微量成分微量成分：濃度在：濃度在1ppmv到到1%，如，如CO2，H2O，CH4， He 等。等。痕量成分痕量成分：濃度在：濃度在1ppmv以下。以下。按生命時間分類按生命時間分類定常成分定常成分：壽命在：壽命在100年以上，如年以上，如N2，O2，和惰性氣體。，和惰性氣體。可變成分可變成分：壽命在幾年：壽命在幾年到十幾年，如到十幾年，如CO2，H2，CH4 等。等?？熳兂煞挚熳兂煞郑簤勖冢簤勖?年以下。如年以下。如H2

17、O，.地球大氣氣體的組成地球大氣氣體的組成氣氣 體體平平均均濃濃度度ppm停停留留時時間間循循 環(huán)環(huán)N2780840106 年年生生物物或或微微生生物物循循環(huán)環(huán)O220946010 年年生生物物或或微微生生物物循循環(huán)環(huán)Ar9340Ne18Kr1.1無無循循環(huán)環(huán),在在地地球球歷歷史史Xe0.09中中累累計計CH41.657 年年生生物物和和化化學學CO233215 年年人人為為和和生生物物CO0.050.265 天天人人為為和和化化學學H20.5810 年年生生物物和和化化學學N2O0.3310 年年生生物物和和化化學學 準準穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)SO210-510-440 天天人人為為和和化化學學 或或平平

18、衡衡NH310-410-320 天天生生物物、化化學學、雨雨除除NO+NO210-610-21 天天人人為為、化化學學、閃閃電電O310-210-1?化化學學HNO310-510-31 天天化化學學、雨雨除除H2O變變化化10 天天物物理理化化學學He5.210 年年物物理理化化學學氣體的時空尺度氣體的時空尺度人類活動對大氣組成的影響人類活動對大氣組成的影響COCO2 2SOSO2 2人工固氮人工固氮CFCsCFCs生物體燃燒生物體燃燒O O3 3？主要的大氣污染物主要的大氣污染物 含硫化合（含硫化合（H2S，SO2，DMS，COS等）等） 含氮化合物（含氮化合物（NO，NO2，NH3，HNO

19、3等）等） 一氧化碳和二氧化碳（一氧化碳和二氧化碳（CO，CO2） 碳氫化合物，碳氫氧化合物（烴、醛、酮等）碳氫化合物，碳氫氧化合物（烴、醛、酮等） 光化學氧化劑（臭氧，光化學氧化劑（臭氧，H2O2，PAN等）等） 鹵素化合物（鹵素化合物（HF，HCl，氯氟化碳等），氯氟化碳等） 大氣氣溶膠大氣氣溶膠 放射性物質放射性物質對流層清潔大氣和城市污染大氣對流層清潔大氣和城市污染大氣微量成分濃度微量成分濃度( (濃度濃度ppb)ppb)物物種種清清潔潔對對流流層層污污染染大大氣氣SO211020200CO1201000-10000NO0.010.0550-750NO20.10.550-250O320

20、80100500HNO30.020.3350NH311025甲甲醛醛0.42050甲甲酸酸110HNO20.00118過過氧氧乙乙酰酰硝硝酸酸酯酯535非非甲甲烷烷烴烴5001200(轉轉引引自自Seinfeld 1986)3、現(xiàn)代大氣：現(xiàn)代大氣： 以氮氣和氧氣為主。以氮氣和氧氣為主。地球大氣的演化大體可分為三個階段：地球大氣的演化大體可分為三個階段： 1、原始大氣：原始大氣： 以宇宙中最豐富的輕物質以宇宙中最豐富的輕物質 H2、He和和CO為主。為主。2、次生大氣（次生大氣（4520億年前）：億年前）： 地球逐漸冷卻以后地球逐漸冷卻以后, 由于造山運動、火山噴發(fā)由于造山運動、火山噴發(fā) 和從地

21、幔中釋放出地殼內(nèi)原來吸附的氣體和從地幔中釋放出地殼內(nèi)原來吸附的氣體, 形形 成了次生大氣成了次生大氣, 其主要成分是其主要成分是CO2、CH4、NH3 和和H2O等。等。1.3 1.3 地球地球大氣的演化大氣的演化地球的次生大氣和水圈生成地球的次生大氣和水圈生成原始大氣原始大氣次生大氣次生大氣水圈水圈46億年前，億年前，H2，O2，CH4，H2S火山爆發(fā)和固體吸附。主要成份是火山爆發(fā)和固體吸附。主要成份是CO2、 CH4、NH 3和水汽。和水汽。CO2至至30億年前大億年前大約是現(xiàn)在大氣的約是現(xiàn)在大氣的10倍。強溫室效應使地倍。強溫室效應使地表平均溫度可達表平均溫度可達300左右。左右。隨著隨

22、著二氧化碳濃度下降二氧化碳濃度下降，大氣溫度也下降。，大氣溫度也下降。水汽可以凝成液體水，出現(xiàn)云、雨，水汽可以凝成液體水，出現(xiàn)云、雨，并在地球表面積聚，演變成水圈。并在地球表面積聚，演變成水圈。生物圈生物圈大氣中氧的產(chǎn)生和生物圈的形成大氣中氧的產(chǎn)生和生物圈的形成現(xiàn)在大氣與類地行星大氣的區(qū)別現(xiàn)在大氣與類地行星大氣的區(qū)別O O2 2生命生命O O3 3UVBUVB現(xiàn)在大氣的形成是在和生物圈相互作用中形成的：現(xiàn)在大氣的形成是在和生物圈相互作用中形成的：光合作用光合作用生物圈形成生物圈形成碳循環(huán)：為什么重要？碳循環(huán)：為什么重要？1、大氣的組成；溫室氣體、大氣的組成；溫室氣體2、生物體的基本組成、生物體

23、的基本組成3、生物的呼吸是氧和碳循環(huán)、生物的呼吸是氧和碳循環(huán)4、有機物的燃燒和腐敗釋放碳氧、有機物的燃燒和腐敗釋放碳氧5、影響海洋、影響海洋pH光合作用使無機碳變?yōu)橛袡C碳光合作用使無機碳變?yōu)橛袡C碳COCO2 2 + H + H2 20 CH0 CH2 2O + OO + O2 2營養(yǎng)素營養(yǎng)素(NO(NO3 3- -, NH, NH4 4+ +, PO, PO4 4-3-3, H, H4 4SiOSiO4 4, Fe, Fe）參與此反應，形成各種有機物參與此反應，形成各種有機物營養(yǎng)素營養(yǎng)素 + 106 CO+ 106 CO2 2 + 170 H + 170 H2 2O = (CHO = (CH2

24、 2O)106(NHO)106(NH3 3)16(PO)16(PO4 4) + 138 O) + 138 O2 2 呼吸呼吸光合作用光合作用根據(jù)目前世界燃料的消耗量計算根據(jù)目前世界燃料的消耗量計算 人類一年燃燒的碳量人類一年燃燒的碳量相當于相當于植物光合作用植物光合作用10001000年生成的總量年生成的總量人類活動與大氣圈的演化人類活動與大氣圈的演化大氣科學幾乎涉及科學的各個領域大氣科學幾乎涉及科學的各個領域人和自然的協(xié)調(diào)發(fā)展人和自然的協(xié)調(diào)發(fā)展 宿命論：宿命論： 以消極適應自然為特征，只強調(diào)人的受動性以消極適應自然為特征，只強調(diào)人的受動性 征服論：征服論： 以無節(jié)制地開發(fā)自然為特征，只強調(diào)人

25、的能動性以無節(jié)制地開發(fā)自然為特征，只強調(diào)人的能動性 和諧論：和諧論： 以人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展為特征，強調(diào)人的受動性與以人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展為特征，強調(diào)人的受動性與 能動性的統(tǒng)一。能動性的統(tǒng)一。 第一章第一章 小結小結1，大氣化學是大氣科學的分支，近年來得到迅速發(fā)展，大氣化學是大氣科學的分支，近年來得到迅速發(fā)展, 是是與多種學科密切聯(lián)系的交叉學科；它研究大氣的組成與多種學科密切聯(lián)系的交叉學科；它研究大氣的組成及影響其組成變化的過程。及影響其組成變化的過程。2，隨人口的急劇增加、經(jīng)濟高速發(fā)展、工業(yè)化、城市化、，隨人口的急劇增加、經(jīng)濟高速發(fā)展、工業(yè)化、城市化、能源和各種資源大量消耗、土地利用的急劇變化所導能源和各種資源大量消耗、土地利用的急劇變化所導致的局地、區(qū)域和全球的環(huán)境、生態(tài)和氣候的變化提致的局地、區(qū)域和全球的環(huán)境、生態(tài)和氣候的變化提出和推動了此學科的快速發(fā)展；經(jīng)濟發(fā)展、現(xiàn)代科技出和推動了此學科的快速發(fā)展；經(jīng)濟發(fā)展、現(xiàn)代科技進步為學科發(fā)展提供了條件。進步為學科發(fā)展提供了條件。3，大氣化學不僅研究發(fā)生在大氣中的化學轉化過程、要，大氣化學不僅