第四章大气污染与防治大气概述大气环境问题第一节大气大气的垂直结构（1）外层（逃逸层）???
热层以上的大气层统称外层，外层大气部分处于电离状态。外层是大气的最外层，但其边界在哪里，尚不能定论，实际上外层是大气圈向星际空间的
过渡。??(2)热层（电离层）???热层大气温度随高度迅速增加，该层能量主要来自波长小于175nm的紫外光，以及太
阳的微粒辐射及宇宙空间的高能粒子。本层下部的带电层反射无线电短波，并可使之围绕地球折射若干次。（3）中层???
中层温度随高度而降低，到顶层温度降至190K左右。本层高度为80～85千米，大气在中层进行着强烈的化学反应。（4）平流层?
??平流层内空气表现为大尺度的平流运动。平流层中水汽含量很少，尘埃含量很少，大气透明度很高。平流层中臭氧集中，
太阳辐射光中紫外部分（＜290nm）几乎全部被吸收，因此温度较高。温度最初随高度缓慢递增。(5)对流层?
??对流层位于近地面，直接与水圈、岩石圈、生物圈接触，与人类活动最为密切。对流层中空气分布相当均匀，这是由于地面吸收了太阳辐
射中的红外线、可见光部分及波长大于300nm的紫外线，并将这部分光转化为热能，使之内部发生强烈对流的缘故。对流层内温度随高度
向上递减。对流层的高度分布不均匀，赤道地区有16～18km，两极仅为8～12km。第二节大气环境问题一、
光化学烟雾1.概念：汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物和氮氧化合物等一次污染物在阳光作用下会发生光化学反应生成臭
氧和醛等二次污染物。参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物（其中有气体污染物，也有气溶胶）所形成的烟雾污染现象，称为光
化学烟雾。???2.特征：淡蓝色或棕黄色的烟雾弥漫，大气能见度降低。光化学烟雾一般发生在大
气相对湿度较低、气温为24～32℃的夏、秋季晴好天气。污染高峰出现在中午或稍后。光化学烟雾的产生是一种循环过程，白天
生成，傍晚消失。污染区大气实测结果表明：一次污染物碳氢化合物和二氧化氮的最大值出现在早晨交通繁忙时刻，随着二氧化氮浓度的下降，一氧
化氮浓度增大。臭氧和醛类等二次污染物随着阳光的增强和二氧化氮、碳氢化合物浓度的降低而积累起来。它们的峰值一般要比二氧化氮峰值的出现
延迟约4～5个小时。3.发生条件首先，大量的一次污染物生成光化学烟雾。其次，非常强烈的日照条件也
有利于光化学烟雾的产生。再次，地理条件限制了污染空气的扩散和稀释。该类污染常发生在河谷地带或盆地等区域。
4.危害光化学烟雾成分复杂，但是对动植物以及材料有害的主要是臭氧、醛、酮、硫
酸等二次污染物。1）人和动物受到的伤害主要是眼睛和呼吸道粘膜受到刺激，产生头痛、呼吸障碍、慢性呼吸道疾病恶化、儿童肺
功能异常等。2）植物受到臭氧的损害，开始时表皮褪色，呈蜡质状，经一段时间后，叶绿素发生变化，叶片上出现红褐色斑点。
3）臭氧还能造成橡胶制品老化，脆裂，使染料褪色，并损害油漆涂料、纺织纤维和塑料制品。5.案例1）美国洛杉矶
市光化学烟雾（1943年起）首先，洛杉矶拥有大量汽车，据2000年统计资料，洛杉矶的汽车数量超过了800万辆。这样洛
杉矶每天都消耗2万吨以上的汽油，汽车排出的污染物占洛杉矶大气污染物的90%。因此，洛杉矶有足够的一次污染物生成光化学烟雾。
其次，洛杉矶地处洛杉矶盆地，容易形成上热下冷的逆温现象（每年300天以上），污染物不易扩散。再次，洛杉矶夏季的
阳光非常强烈，为形成光化学烟雾提供了外界条件。2）?兰州西固区光化学烟雾（1974年起）1974年以来，每到
夏季和秋季，我国甘肃省省会兰州市西固区的居民经常会出现眼睛受到刺激流泪、恶心、头晕等症状。经调查证该地区存在光化学烟雾类型的大气污
染，污染源主要是石油化工及炼制业。由于其一次污染物的来源与比例（HC/NOx值在76～224之间，是国外大
城市的数十倍（通常小于12））与国外有明显区别，它有自己的规律和特点，其臭氧峰值出现的时间（12：00左右）比美国洛杉矶提前2～3
个小时，而且在9：30～14：00期间出现两个峰值。同时，由于西固区地处黄河河谷，污染物不易扩散稀释，再加上西北高原的强烈日照，所
以在夏、秋容易发生光化学烟雾污染。二、煤烟型烟雾1.来源及污染物燃煤是煤烟型烟雾的主要污染源。煤是一种复杂
的物质聚集体，其可燃成分主要是由碳、氢及少量氧、氮和硫等一起构成的有机聚合物。煤中也含有多种不可燃烧的无机成分（统称煤灰），其含量
因煤的种类和产地不同有很大差异。燃煤与燃气和燃油相比，相同规模的燃烧设备，燃煤排放的颗粒物和二氧化硫要高得多。虽然燃烧条件影响污染
物的形成和排放，但是煤的品质是最主要的影响因素。2.特征煤烟型烟雾的一次污染物是煤烟和二氧化硫，二次污染物是硫酸雾
和硫酸盐。在冬季气温低、无风和静风、湿度高的有雾天气下容易发生，白天夜间连续出现。3.发生条件首先，大量燃烧煤而产生
的煤烟和二氧化硫为煤烟型烟雾提供了充足的一次污染物。其次，多雾的气象条件也有利于煤烟型烟雾的产生。再次，地理条
件限制了污染空气的扩散和稀释。该类污染常发生在河谷地带或盆地等容易形成逆温的区域。4.危害煤烟型污染可严重影响能见度
，视程甚至只有几米远。它还会严重刺激人和动物的呼吸道，危害森林等植物，腐蚀建筑物。3.案例（伦敦烟雾）
从1873年到1962年，伦敦历史上曾经发生过6次煤烟型烟雾污染事件，其中以1952年最为严重。1952年12月5～8日，英国几乎
全境为浓雾笼罩，并且逆温，逆温层在40～150m低空，导致燃煤产生的烟雾不断积累。伦敦市尘粒浓度为平时的10倍；二氧化硫浓度为平时
的6倍。大气中的烟尘和二氧化硫，经过一系列的变化，生成硫酸雾和硫酸盐。4天内伦敦市死亡人数较常年同期约多4000人。时间发生的1周
中因支气管炎、冠心病、肺结核和心脏衰弱死亡的人数分别是事件前的同类死亡人数的9.3倍、2.4倍、5.5倍和2.8倍。肺炎。肺癌、流
感及其他呼吸道疾病患者死亡率均成倍增加。三、酸雨1872年英国化学家史密斯（R.A.Smith）在《
空气和降雨：化学气候学的开端》一书中首先使用了“酸雨（acidrain）”这一术语。20世纪60年代，瑞典土壤学家奥登（S.Od
en）发现酸性降雨是欧洲一种大范围现象。1982年在瑞典召开了国际环境酸化会议。酸雨已经成为当代区域性环境污染问题之一。1
概念并非pH<7的降雨皆为酸雨。一般来说，天然降水都偏酸性，这主要是因为其中溶解二氧化碳。微弱的酸性有利于土壤中养分的
溶解，对生物和人有益。如果降水的pH<5.6，则是大气受到污染的表现，就被称为酸雨了。其实“酸雨”是新闻媒体和政治家
常用的术语，问题不仅来自于雨，范围较广的描述是“酸性降水（acidprecipitation）”，包括所有pH<5.6的从空中降
落到地表的液体和固态水，通常把近地层中水汽直接凝结而成的露和霜也包括在内。学术界常用的全面描述为“酸沉降（aciddeposit
ion）”，它不仅包括上述各种酸性的湿沉降，而且包括酸性的干沉降，比如酸性气体被地表吸收和发生反应，酸性颗粒物通过重力沉降、碰撞和
扩散沉降于地表。为了对水溶液的酸度有感性认识，这里列出一些食品的pH值。?柠檬：2.3
醋：2.5
苹果：3.0
西红柿：4.2
汽水：4.8?1993年重庆市酸雨pH值最低为2.8，已经接近于醋的酸度。2
.酸雨区的分布世界上有三大酸雨区，按出现时间的先后为：欧洲、北美和中国。我国长江以南、青藏高原以东的广大地区及四
川盆地，华中、华南、西南及华东地区仍是酸雨污染严重的区域；北方只有局部地区出现酸雨。2000年我国61.8％的城市出现过酸雨。
3.酸雨中主要的酸酸雨中的酸主要是H2SO4和HNO3，它们占总酸量的90％以上。至于这两种酸的比例如何，则取决
于燃料的构成。由于我国的一次能源中煤占75％，因此我国酸雨属于煤烟型的酸雨，其中H2SO4占绝大多数，H2SO4与HNO3的比值一
般在5～10之间。酸雨中的这两种酸主要是二次污染物，它们由一次污染物转化而来。H2SO4的前体物是SO2，HNO3的前体物是NOx
。4.酸雨的形成酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象。大气SO2通过气相、液相或固相氧化反应
生成H2SO4，其化学过程是复杂的。NO排入大气后大部分转化成NO2，遇到H2O生成HNO3和HNO2。大气颗粒物中的Fe、Cu、
Mn是成酸反应的催化剂。大气光化学反应生成的O3和H2O2等又是使SO2氧化的氧化剂。飞灰中的CaO，土壤中的CaCO3，天然和人
为来源的NH3以及其他碱性物质可以与酸反应而使酸中和。表2—1列出酸雨与非酸雨中离子浓度的比较/（μ
mol·L-1）从表中不难看出同一国家中酸雨和非酸雨中的酸性物质浓度相差并不大，而碱性物质浓度却
相差较大。另外，我国非酸雨和酸雨中的酸性和碱性物质都比瑞典多得多，所以，是否形成酸雨，决定于降水中酸性物质和碱性物质的相对比例，而
不是绝对浓度。我国长江以南大气颗粒物酸化缓冲能力小，土壤呈酸性，通风量小，湿度大，气温高，太阳辐射强度大，并有一定的
前体物SO2和NOx排放强度。这些因素都有助于降水酸化，所以出现了区域性严重酸雨。我国北方虽然SO2和NOx排放强度很大，但是上述
其他因素均不利于酸雨的形成，所以北方尚未出现区域性酸雨。5.酸雨的危害(1)由于酸雨的侵蚀，世界上很多
著名的大理石和石灰石雕像和建筑物遭到破坏。如我国的罗马大帝雕像、我国的乐山大佛、英国的牛津大学，印度的泰姬陵等等。
(2)酸雨造成某些地区湖泊河流逐渐酸化，不仅可使岸边或底泥中的有害金属（铅、镉、汞等）溶于水中，还会使鱼类减少，当pH
<4.8时，水中不会再有鱼类出现。在挪威和瑞典南部，有1/5的湖里没有鱼，加拿大有14000个湖泊成为死湖。(
3)强酸度的降水、雾和高浓度的SO2等可直接危害森林和农作物。一方面，酸雨会造成土壤酸化，不仅可使钙、镁、钾等营养元素流失，还会
抑制有机物的降解和固氮作用，让土壤贫瘠化。另一方面，酸雨使铝等有害元素活化，进入土壤溶液，被植物根部吸收后转化为氢氧化铝的絮状物，
堵塞根部的传输管道。在重庆市郊的南山，马尾松林就因酸雨成片死亡。(4)H2SO4和HNO3雾能直接危害
人体的呼吸系统、眼睛和皮肤。四、臭氧层破坏1.大气臭氧层的耗损1985年，英国的
法曼等人发表了自1957年以来南极哈雷湾考察站上空臭氧总量的数据，并首先提出了“臭氧空洞”的概念。美国航空航天局（NASA）从卫星
上用臭氧总量扫描光谱仪测定南极上空的臭氧总量，发现南极臭氧空洞春初出现，春末闭合。空洞的面积在1984年相当于1个美国的大小，19
96年相当于2个欧洲，2000年达到历史最大值：2830万平方公里，相当于三个中国那么大。1988年，美国科学家提出地球的
北极也出现了臭氧空洞，但比南极的小。1998年，我国学者发现，我国青藏高原上空也出现了臭氧空洞。1
994年，国际臭氧委员会宣布，自1969年以来，全球臭氧层总量减少10％，南极上空下降70％。
位于平流层的臭氧层对紫外辐射有显著的吸收作用。这也是我们如此重视臭氧空洞的主要原因。紫外辐射分为三个波段：100～295nm的U
V—C对生物危害最大，但可被臭氧层完全吸收；295～320nm的UV—B对生物有一定的维护，可被臭氧层吸收大部分；320～400n
m的UV—A对生物基本无害，可以全部通过臭氧层。UV—B会伤害脱氧核糖核酸（DNA）。据联合国环境署（UNEP）报
告：臭氧层每减少10％，皮肤癌的发病率将增加26％，白内障患者将增加160～175万人。UV—B还会影响人体的免疫
功能，使包括艾滋病毒在内的多种病毒活力增强。UV—B会破坏植物光和作用，使农作物减产；破坏浮游生物的染
色体和色素，影响水生食物链，减少水产资源；加速橡胶、塑料的老化。2.人类拯救臭氧层的行动19
85年，一些国家签订了《保护臭氧层维也纳公约》，中国于1989年加入。1987年9月，中国在内的43个国家签订了
《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》，对5种CFC和3种哈龙提出控制时间表。中国于1990年加入。1999年1
1月，《中国逐步淘汰消耗臭氧层物质国家方案（修订稿）》对中国目前主要生产、消费的4类10种受控的ODS提出逐步淘汰方案。它们是：6
种CFC，2种哈龙，CCl4和CH3CCl3。截止到2000年5月，共有176个国家批准了1985年《维也纳公约
》；175个国家批准了1987年《蒙特利尔议定书》。到1998年底，在工业化国家利最初受控的氯氟烃类（CFC）产量已
经下降了95％，最初受控的哈龙产量已经下降了99.8％。科学家预计，
臭氧层将稳步地恢复到工业化以前的强度。但是臭氧层的恢复速度将比其受损害的速度慢得多。今后10～20年很可能看到臭氧层维持在低水平上
，但到21世纪中叶，就可能见到臭氧层的完全恢复。五、全球变暖1.全球变暖现象在有记载的140年当中，最热的十个
年份依次是1998、1997、1995、1990、1999、2000、1991、1994、1983、1988年。它们都是在1980
年以后的20多年中，前8个都在20世纪90年代及以后。所以说20世纪80年代以来，出现了全球变暖的趋势，这种趋势还在继续。2.
温室效应大约在1800年，法国数学家、物理学家傅立叶（J.Fourier）提出地球的大气与温室的玻璃功能相似，他的比
喻沿用至今，叫温室效应。过了约60年，英格兰的丁达尔（J.Tyndall）用实验演示了H2O（气态）和CO2吸收热辐射，又向各个方
向放出红外辐射。二者在大气中把部分辐射能还给地球，所以地表实际损失辐射能减少，全球温度不是-18℃，而是15℃。3.温室气体
产生温室效应的温室气体并非大气主要成分N2和O2，而是一些“痕量气体”。一般地，温室气体分子至少有三个原子，即多原子分子（
如H2O（气态）、CO2、CH4、N2O等），当其原子间呈不对称振动时，分子的偶极矩改变，同时吸收红外辐射。关键温室气体情况
温室气体CO2CFC11/CFC12CH4N2O体积分
数/10-6(1750年)28000.7
0.275(1994年)358
0.000761.720.312平均年增长速率（19
84～1994）0.4％0％
0.6％0.25％对全球变暖的贡献（1980～1990）55％
17％15％6％4.全球变暖的危害
自然的温室效应并非坏事，它让大气像毛毯一样给地球保温，以适合人类的居住。然而，大规模的人类活动时温室效应增强，即发生了“全球变暖”
。在过去的100年中，全球平均地表气温大约上升了0.3～0.6℃，我国东北和华北地区近十年来平均温度甚至上升了2～3℃。全球变暖会使海水热膨胀，高山冰川、两极冰盖融化，百年来全球海平面上升10～20cm，低洼的滨海地区和一些岛屿会被淹没。著名的“洼地之国”荷兰有1/3的国土在海拔1m以下，荷兰西部有40％以上的土地低于或等于现在的还平面。面临威胁的城市还有上海、曼谷、和威尼斯等。全球变暖还导致了干旱、洪涝、台风、火灾等自然灾害的频繁发生，仅1997年～2000年间，就造成全球近10万人死亡，3亿人被迫离开家园或无家可归。大气圈是环绕地球最外层的气体圈层，它的密度随高度的增加而减小，越向上空气越稀薄，并逐渐转化为宇宙空间。地点Ca＋＋NH4＋＋K＋SO42－＋NO3－地点Ca＋＋NH4＋＋K＋SO42-＋NO3－非酸雨（中国北京）419.6335.2非酸雨（瑞典）8.743.32酸雨（中国重庆）209.6329.5酸雨（瑞典）4.393.26国际保护臭氧层日9月16日 |
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