第二章 大气环境化学(4)

影响S :
Orbital Variations and Sunspot cycles:
The three cycles:
• •
The shape of the earth’s orbit changes from elliptical to more nearly circular with a period of 100,000 years. This is called eccentricity.
根据估算， 如果把散
布在大气中的臭氧集中
成一个包围地球、靠近
海平面的臭氧层，在地 表标准状态下，只相当 于3mm厚的薄层．
臭氧层厚度单位
通常将在0℃、标准海平面压力下，10-5m厚的纯臭氧定义为
1Dobson单位(DU)． 例如，在1957一1973年南极春季(8月下旬到10月上旬)臭氧 总 量 平 均 为 300DU ． 相 当 于 3mm 厚 的 纯 臭 氧 层 , 即 (10-5m / DU )300DU=3 10-3m= 3mm ． Normal O3 amounts Tropics 250 DU Mid-latitudes 350 DU Sub-polar 450 DU→0.47ppmCO2
计算CO2的影响
[CO2]: 1965-- 320ppm; 1990--355ppm 假设为指数增长： C=C0ert 355=320er(1990-1965) r=0.41%/年 计算CO2浓度增加一倍(2×280ppm)的时间： 2×280=355e0.0041t t=110年 1990+110=2100 double [CO2] ，△T=1.5~4.5℃
增加温室气体吸收：植树造林和采用固碳 技术，其中固碳技术指把燃烧气体中的二 氧化碳分离、回收，然后深海弃置和地下 弃置，或者通过化学、物理以及生物方法 固定。
培养新的农作物品 种，调整农业生产 结构，规划和建设 防止海岸侵蚀的工 程等。
5.臭氧层破坏
1)．臭氧及其在大气层中的分布
O3是O2的同素异形体，呈弯曲形,O—O键长127．8pm, 键角116．8°, 是极性分子. 氧原子间除形成σ键外，还生成三中心四电子的Π34 离域 键．中间O原子和两端O原子成键情况不同．臭氧具有强氧化性，能氧化 许多其他物质．
6)控制气候变化的国际行动和对策
1992年联合国环发大会通过《气候变化框架公 约》，提出到90年代未使发达国家温室气体的年排 放量控制在1990年的水平。1997年，在日本京都召 开了缔约国第二次大会，通过了《京都议定书》， 规定了6种受控温室气体，明确了各发达国家削减温 室气体排放量的比例。 哥本哈根世界气候大会全称是 《联合国气候变化 框架公约》，第15次缔约方会议暨 《京都议定书》 第5次缔约方会议，这一会议也被称为哥本哈根联合 国气候变化大会，于2009年12月7日—18日在丹麦 首都哥本哈根召开。
影响人类健康：高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会
引起死亡率的增加。由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有 很大的关系，随着温度升高，可能使许多国家疟疾、淋巴腺丝 虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎增加或再次发生。
气候变化及其对我国的影响：
我国的变暖趋势冬季将强于夏季；在北方和西部的温暖地区 以及沿海地区降雨量将会增加，长江、黄河等流域的洪水爆发 频率会更高；东南沿海地区台风和暴雨也将更为频繁；春季和 初夏许多地区干旱加剧，干热风频繁，土壤蒸发量上升。 农业是受影响最严重的部门。温度升高将延长生长期，减 少霜冻，二氧化碳的“肥料效应”会增强光合作用，对农业产生 有利影响；但土壤蒸发量上升，洪涝灾害增多和海水侵蚀等也 将造成农业减产。海平面上升最严重的影响是增加了风暴潮和 台风发生的频率和强度，海水入侵和沿海侵蚀也将引起经济和 社会的巨大损失。
太阳温度~6000K，发出的是短波辐
射，λ<4μm;
地球表面温度~288K：λ ：4μm~30μm 太阳波谱与地球辐射波谱不重叠， λ=4μm是区分这两种辐射的界限。
地球的温度？
太阳常数：s=1.36kw/m2 (太阳辐射在地球垂直平面上的能量） 地表太阳辐射：（πr2/4πr2) 1.36=0.34kw/m2 地球反射约30%：I吸收=I辐射=0.70X0.34kw/m2 4 斯蒂芬-玻耳兹曼定律：I=σT （σ: 5.67×10-8w/(m2 K4) T=[(0.70X0.34x103)/(5.67x10-8)]1/4 =254K=-19℃
Metric Tonns of C Emitted per Year
1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0
US
China
Russia
Japan
Carbon Emissions
India
Germany
Canada
UK
Italy
控制温室气体排放：改变能源结构，控 制化石燃料使用量，增加核能和可再生 能源使用比例；提高工业生产部门的能 源使用效率，降低单位产品能耗；减少 森林植被的破坏，控制水田和垃圾填埋 场排放甲烷等。
2) 形成
O2受阳光中紫外线照射反应生成： O2 +hν2O (λ≤243nm) 2O2+2O+M O3+M 3O2+hv 2O3 同时还存在消除反应： O3+hνO2+O (210~290nm) O3+O 2O2
5
式中：
Eλb---辐射度(W/(cm2μm)； C---光速 h----普朗克常数(6.63×10-34J.s) K-----波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K) T----绝对温度
不同温度峰值波长与温度的关系：
λm.T=0.288(cm.K) 维恩定律:当绝对黑体温度升高时，最大发射能力向 短波方向移动。
假设地面上15km有一玻璃屋 顶，Tg=-30℃(243K) 平衡时：
2σTg4=σT0`4 T0`=21/4Tg=1.19Tg =289K(16 ℃)
3)温室气体 --能吸收地表辐射并产生温室效应的气体
3) 主要温室气体
1. 引起温室效应的物质主要有CO2、CH4、N2O、CFCs。
2. 大气中CH4主要来源自湿地、牛群、稻田等，浓度仅次于CO2，其 温室效应比CO2大20-30倍。
碳/吨x1010 70 80 150 300 60 4000
由于人为原因，循环失去平衡： 每年人为排入大气中CO2 6~7×109 tons 包括：矿物燃料—5×109 tons 采伐森林—1~2 ×109 tons 其中: 3×109 tons →大气圈 3~4 ×109 tons →海洋和生物圈 1 ×109 tons
地球平均温度:16℃
2)温室效应
大气中CO2、O3、水蒸气、卤 代氢等吸收地面辐射，相当一部 分以相同的波长发射返回地面， 引起温室效应。
当太阳入射地面能量与地面反射能量 平衡时：
I=σT04
式中：I---输入而又被地面辐射的太阳能
T0---平衡时地面温度 σ—斯蒂芬-波尔常数(5.67×10-8w/(m2 K4)
These orbital variations change the incident solar radiation by only 0.1%; however, the impact is believed to be severe enough to trigger major climate changes. Sunspots: Solar activity varies in an 11-year cycle. Periods of high solar activity are indicated by high numbers of sunspots. During peak sunspot periods, the output of the sun increases by about 0.1%. This is thought to increase the earth’s temperature by 0.2º C.
4)颗粒 物
---与温室气体作用相反
综合作用
全球性气候变化的原因
I吸收=I辐射
I 吸收 S (1 ) 4
I辐射=I0-ΔI I0=σT4 地球表面温度:
s(1 ) I 4 T [ ( )] 4
1
S:太阳常数; α:地球反照率;
ΔI:温室效应增量 ΔI=σ(T4-T4辐射）=σ（2874-2544）=0.215
4.温室效应 冻 土 开 始 融 化
在过去50年里，中国西北地区的 冰川已经缩小了21 ％ ，并正在以 目前每隔20年发生的极端热浪天气，将 每年10-15米的速度消退。 会在大部分地区每隔一年出现一次
1)太阳和地球辐射间的能量平衡 普朗克定律(黑体辐射)：
Eb 2c 2 h 1 e hc / kT 1
C
O λ:4.26μm(7×1013Hz)
近年来的情况 1870~1990年，大气中 CO2浓度增加了25%，温 度相应增加0.5~0.7℃ Double CO2, ΔT:1.5-4.5℃
可交换碳的主要存贮库
存贮库 大气 活有机体 土壤有机物 海洋有机碳 100米上浅海(无机碳） 100米下深海（无机碳）
影响农业和自然生态系统：增加植物的光合
作用，延长生长季节，使世界一些地区更加适合 农业耕作。但全球气温和降雨形态的迅速变化， 也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无 法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大 的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农 业灾害。 加剧洪涝、干旱及其他气象灾害：全球平均 气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害—— 过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温，造成 大规模的灾害损失。有的科学家根据气候变化的 历史数据，推测气候变暖可能破坏海洋环流，引 发新的冰河期，给高纬度地区造成可怕的气候灾 难。