温室气体臭氧空洞
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2%/a)
50000
a ppmv ＝每百万体积中的份额；ppbv＝每十亿体积中的份额；pptv＝每万亿体积中的份
额。 b 初始质量以指数形式衰减到其初始值的1/e＝0.368 所需的时间。 c 对于 CO2，不能确定其唯一的大气寿命。因为不同的汇，其吸收速率不同。 资料来源：IPCC，1996 。
人类活动的影响
HCFC-141b C2H3FCl2 HCFC-142b C2H3F2Cl
主要用途和来源
气溶胶喷射剂；发泡剂 气溶胶喷射剂；制冷剂；发泡
剂 溶剂 气溶胶喷射剂；制冷剂 溶剂 溶剂 阻燃剂 阻燃剂 阻燃剂 气溶胶喷射剂；制冷剂； 发泡剂；溶剂；阻燃剂 发泡剂；溶剂 发泡剂；溶剂
1992 年大气中 大气中寿命，
1720ppbv 10ppbv/a( 0.6%/a)
12
N2O ~275ppbv
312ppbv 0.8ppbv/a( 0.25%/a)
120
CFC-11 0
268pptv 0ppvb/a(0
%/a)
50
HCFC-22 0
110pptv 5pptv/a(0
%/a)
12
CF4 0
72pptv 1.2pptv/a(
化学名字 化学式
CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-114 四氯化碳 甲基氯仿 Halon-1211 Halon-1301 Halon-2402 HCFC-22
CCl3F CCl2F2 C2Cl3F3 C2Cl2F4 CCl4 CH3CCl3 CBrF2Cl CBrF3 C2Br2F4 CHF2Cl
N.Gas, etc.
Other energy industry Industr
Commerce, service, etc. Transport&communi
Construction
气候变化的影响
雪盖和冰川面积减少
雪盖 20世纪60年代以来 减少10％ 冰川 20世纪50年代以来 减少10%～15％
70
60
50
40
30
20
10
0
煤
74
64 57
0
油
液化气
天然气
生物质
应对措施与策略
2. 增加温室气体的吸收
植树造林 采用固碳技术
CO2分离、回收，注入深海或地下 化学、物理、生物方法固定
适应气候变化
培养新农作物品种，调整产业结构等
国际行动
1992年，联合国环境与发展大会《气候变化框 架公约》
年排放量/Mt·a-1
全世界
美国
29800
5300
375
31
5.7
0.5
0.7
0.1
0.2
0.1
NA
0.034
人类活动的影响
人类活动的影响
美国 中国 俄罗斯 日本 印度 德国 英国 加拿大 意大利 韩国
CO2 年排放量（MtC/年） （a）
美1国997年10个CO2排放量最大的国家的总年排放量（a）和各国人均年 加拿排大 放量（b）（资料来源：Marland et al., 1999）
第12章 大气污染和全球气候
教学内容: §1温室气体与全球气候变化 §2臭氧层破坏问题 §3致酸前体物与酸雨
第12章 大气污染和全球气候
1．教学要求 要求了解全球气候和全球污染，理解和掌握全
球气候变化、臭氧层破坏和酸雨污染问题。 2、教学重点 本章重点介绍臭氧层破坏问题，致酸前体物与
人类过多使用氟氯烃（CFCS） 影响臭氧层物质的来源
化学物 质
来
源
用于火箭的燃料气溶胶、制冷 CFC-11, CFC-12 剂、发泡剂及溶剂
CFC-22
制冷剂
CFC-113
溶剂
甲基氯仿
溶剂
四氯化碳
哈龙 1301, 哈龙 1211
氧化氮
生产 CFC 及粮食熏烟处理 灭火器
工业活动副产品
二氧化碳
化石燃料燃烧副产品
ODSs的破坏能力
臭氧耗减潜能（Ozone depletion potential） 全球变暖潜势（Global warming potential)
ODSs的破坏能力
CFCs对臭氧层的破坏作用
一个Cl自由基可以消耗数十万个O3
大气中CFCs分子的变化图
CFCs和其他消耗臭氧化合物的特性
来自百度文库
削减 8％
尼亚，斯洛伐克，斯洛文尼亚，瑞士
美国
削减 7％
加拿大，匈牙利，日本，波兰
削减 6%
克罗地亚
削减 5％
新西兰，俄罗斯，乌克兰
不变
挪威
增加 1％
澳大利亚
增加 8%
冰岛
增加 10％
a 相对于 CO2、CH4 和 N2O 的 1990 年的排放量，和相对于 PFCs、HFCs 和 SF6 的 1995 年
臭氧吸收紫外线的反应
O3 hv O2 O O3 O O2 O2
平流层臭氧形成和破坏机理
催化清除理论
20世纪70年代建立 活性催化物质的链式反应
Y O3 YO O2 YO O Y O2 总反应： O3 O 2O2
Y—活性物种，包括奇氢HOx、奇氮NOx、奇卤 XOx三大家族
温室效应机理
温室具有与大气类似的对入射太阳辐射和射出热辐射的作用
人类活动的影响
1850年以来大气中温室气体浓度的增加
工业化前 的浓度
CO2 ~280ppmv
1994 年的 浓度
358ppmv
最近的浓 1.5ppmv/a
度变化率 (0.4%/a)
大气寿命 中的b（年） 50~200c
CH4 ~700ppbv
俄罗斯
人类活动的影响
以单位GDP（$）的总能量消耗表示的各国的能源强度。所有数据均为 1998年的，GDP以1990的US$表示。（资料来源：USDOE, 2000）
人类活动的影响
某些国家初级能量供应的碳强度。表明了过去几十年，单位能量 的碳排放下降速率。（资料来源：PCAST，1997）
人类活动的影响
20世纪90年代末，发达国家温室气体年排放量控 制在1990年水平
1997年，《京都议定书》
明确各发达国家削减温室气体排放的比例
国际行动
《京都议定书》规定的温室气体排放限值
国家
2008－2012 年的排放限值 a
保加利亚，捷克，爱沙尼亚，欧盟（15 个国
家），拉脱维亚，列支敦士登，摩纳哥，罗马
CO2 emission by energy type in China, 1996
2400
74.9%
2000
Mt-CO2
1600
1200
800
400
0
Coal
Thermal power & heat Residential Agriculture, etc.
8.3%
13.1%
3.6%
Coke
Oil, etc.
海平面上升
过去100年 10～20cm 1990～2100 8～9cm
气候变化的影响
降水格局变化
中高纬降雨量增大 北半球亚热带降雨量下降，南半球增加
气候灾害
过多降水、大范围干旱、持续高温
影响人体健康 影响农业生产和生态系统
气候变化的影响
与1982-1983年厄尔尼诺时间相关的旱涝分布区
浓度/ppt
τ/a
268
50
503
102
82
85
20
300
132
42
135
4.9
7
20
3
65
0.7
20
100
12.1
2
9.4
6
18.4
南极臭氧空洞
南 极 上 空 臭 氧 浓 度 垂 直 分 布 的 变 化
南极臭氧空洞
极地平流层云在南极臭氧空洞的形成过程中起 重要作用
吸附并聚集CFCs及哈龙 非均相反应场所
影响气候变化的大气成分
CO2
地球上的碳库：生物圈，海洋和大气，以及各碳库之间 的二氧化碳年交换（Gt）
CO2
CH4
气溶胶
各成分的贡献
1980到1990年期间人为源排放的温室气体对大气中波长8～12μm 光线的透射率的影响。对流层臭氧可能也起到一定的作用，但程 度难以确定。
各成分的贡献
预计到2030年全球气温大约平均升高3°C
大气中CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度变化趋势。在过去的一个世纪里， 人 类活动导致所有温室气体的浓度迅速增加。（资料来源：IPCC,1990）
人类活动的影响
人类活动的影响
主要温室气体的年排放量
温室气体
二氧化碳（CO2） 甲烷（CH4）
一氧化二氮（N2O） CFC-11, -12, -113 HCFC-22 HFCs, PFCs, SF6
的排放量。
§2臭氧层破坏问题
臭氧层主要特征
离地面20～30km的平流层中 占当地空气含量的1/105 厚度单位
DU（Dobson unit）－ 273K，1atm下，10-3cm厚 的O3层称为一个DU
1DU＝10-3 atm cm＝2.69×1016molecules
§2臭氧层破坏问题
酸雨 3、教学难点 臭氧层破坏问题
§1 温室气体与全球气候变化
一、全球气候变化问题 1.温室效应：
大气层本身具有的属性。它是确保地球气温总能维持在相对稳 定范围的保障，而不会出现其它星球的剧烈冷热变化
2.全球气候变暖的特征： 近百年来，全球气温呈上升趋势，平均升温为0.6℃ 全球气温的变化不呈直进式，而是呈现冷暖交替的波动
甲烷
农业产品及采矿活动的副产品
影响臭氧浓度的物理化学过程
臭氧层的分布
大气的两个最低层，对流层和平流层的温度曲线。大部分大 气质量都集中在对流层，但是臭氧却主要集中在平流层
臭氧层的分布
大气中臭氧浓度分布（单位1012个分子/cm3）
臭氧层的作用
大气对紫外线辐射的吸收
臭氧层的作用
臭氧层破坏现象
1.臭氧层变化与臭氧洞 臭氧层的作用：平流层中的臭氧：吸收紫外线
对流层中的臭氧：为温室气体 臭氧洞：
- 出现时间－每年9月－11月 表现：
臭氧层出现浓度减少区域，对紫外线的抵挡功能削弱；
发生地区： 1984 南极上空首次
1989 北极上空 首次 其它地区也有类似情况出现
二、臭氧层破坏的原因
大气中CO2含量
1750年以前
280ppm
目前
360ppm
预计21世纪中叶 540～970ppm
气温
20世纪增加了0.60.2oC
海平面
20世纪上升了10～20cm
全球气候变化问题
近代南北半球及全球平均温度的变化
温室效应（Greenhouse Effect）机理
二、影响气候变化的大气成分 主要指：二氧化碳、臭氧、甲烷、氟里昂、一氧化碳等 对地球辐射热量的收支平衡起重要作用 1）CO2:主要来源于以下： 燃料的使用： 石油、天然气、煤等化石燃料的使用 水泥的生产 不合理的土地利用，改变并破坏植被的自然排放
§1 温室气体与全球气候变化
全球气候变化问题
三大家族的来源
奇氢HOx
大气中H2O与激活O原子反应
奇氮NOx
宇宙射线分解N2 飞机等人类活动排放
奇卤XOx
人类活动产生的CFCs和含溴氟烷（哈龙，Halons)
消耗臭氧层的物质（ODS）
ODSs
CFCs、哈龙 CCl4、甲基氯仿（1,1,1－三氯乙烷）、溴甲烷 部分取代的氯氟烃
温室效应机理
反射太阳辐 射：107W/m2
云、气溶胶和 大气反射
入射太阳辐 射：342W/m2
大气放射
大气吸收
出射长 波辐射： 107W/m2
大气窗口
温室气体
潜热
地表反射
反辐射
地表吸收
暖气流
地表 辐射 蒸发蒸腾作用
地表吸收
全球能量平衡示意图。图中给出了基于地球表面区域的平均能量（单位W/m2）流动。大 约有49％的入射太阳辐射被地表直接吸收，但是温室气体效应增加了流向地表的能量。 （资料来源：IPCC, 1996a）
为什么北极没有形成臭氧空洞？
北极为海洋环境，较南极大陆环境温暖 周围分布不规则大陆，大气层较南极不稳定 不易形成极地平流层云
臭氧层破坏的危害
臭氧含量减少1％，地面紫外线增加2％～3％ 危害
人体健康－损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加 可破坏蛋白质与DNA结构，引发皮肤癌 可使眼睛受损，白内障发病率增高
1955－1995每年十月份南极臭氧浓度（单位：DU）。数据点包括 了基于地面和卫星的观测。在这一时期内总臭氧浓度下降了50％。
（资料来源：NASA, 2000）
平流层臭氧形成和破坏机理
纯氧理论（Chapman Mechanism）
O2 hv O O O O2 M O3 M
应对措施与策略
1. 控制温室气体的排放
改变能源结构 提高能源转换效率 提高能源使用效率 减少森林植被的破坏 控制水田和垃圾填埋场的甲烷排放
应对措施与策略
不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量
CO2排放量/(kg/GJ)
不同燃料燃烧单位GJ的CO 2排放量
100
95
90
80
50000
a ppmv ＝每百万体积中的份额；ppbv＝每十亿体积中的份额；pptv＝每万亿体积中的份
额。 b 初始质量以指数形式衰减到其初始值的1/e＝0.368 所需的时间。 c 对于 CO2，不能确定其唯一的大气寿命。因为不同的汇，其吸收速率不同。 资料来源：IPCC，1996 。
人类活动的影响
HCFC-141b C2H3FCl2 HCFC-142b C2H3F2Cl
主要用途和来源
气溶胶喷射剂；发泡剂 气溶胶喷射剂；制冷剂；发泡
剂 溶剂 气溶胶喷射剂；制冷剂 溶剂 溶剂 阻燃剂 阻燃剂 阻燃剂 气溶胶喷射剂；制冷剂； 发泡剂；溶剂；阻燃剂 发泡剂；溶剂 发泡剂；溶剂
1992 年大气中 大气中寿命，
1720ppbv 10ppbv/a( 0.6%/a)
12
N2O ~275ppbv
312ppbv 0.8ppbv/a( 0.25%/a)
120
CFC-11 0
268pptv 0ppvb/a(0
%/a)
50
HCFC-22 0
110pptv 5pptv/a(0
%/a)
12
CF4 0
72pptv 1.2pptv/a(
化学名字 化学式
CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-114 四氯化碳 甲基氯仿 Halon-1211 Halon-1301 Halon-2402 HCFC-22
CCl3F CCl2F2 C2Cl3F3 C2Cl2F4 CCl4 CH3CCl3 CBrF2Cl CBrF3 C2Br2F4 CHF2Cl
N.Gas, etc.
Other energy industry Industr
Commerce, service, etc. Transport&communi
Construction
气候变化的影响
雪盖和冰川面积减少
雪盖 20世纪60年代以来 减少10％ 冰川 20世纪50年代以来 减少10%～15％
70
60
50
40
30
20
10
0
煤
74
64 57
0
油
液化气
天然气
生物质
应对措施与策略
2. 增加温室气体的吸收
植树造林 采用固碳技术
CO2分离、回收，注入深海或地下 化学、物理、生物方法固定
适应气候变化
培养新农作物品种，调整产业结构等
国际行动
1992年，联合国环境与发展大会《气候变化框 架公约》
年排放量/Mt·a-1
全世界
美国
29800
5300
375
31
5.7
0.5
0.7
0.1
0.2
0.1
NA
0.034
人类活动的影响
人类活动的影响
美国 中国 俄罗斯 日本 印度 德国 英国 加拿大 意大利 韩国
CO2 年排放量（MtC/年） （a）
美1国997年10个CO2排放量最大的国家的总年排放量（a）和各国人均年 加拿排大 放量（b）（资料来源：Marland et al., 1999）
第12章 大气污染和全球气候
教学内容: §1温室气体与全球气候变化 §2臭氧层破坏问题 §3致酸前体物与酸雨
第12章 大气污染和全球气候
1．教学要求 要求了解全球气候和全球污染，理解和掌握全
球气候变化、臭氧层破坏和酸雨污染问题。 2、教学重点 本章重点介绍臭氧层破坏问题，致酸前体物与
人类过多使用氟氯烃（CFCS） 影响臭氧层物质的来源
化学物 质
来
源
用于火箭的燃料气溶胶、制冷 CFC-11, CFC-12 剂、发泡剂及溶剂
CFC-22
制冷剂
CFC-113
溶剂
甲基氯仿
溶剂
四氯化碳
哈龙 1301, 哈龙 1211
氧化氮
生产 CFC 及粮食熏烟处理 灭火器
工业活动副产品
二氧化碳
化石燃料燃烧副产品
ODSs的破坏能力
臭氧耗减潜能（Ozone depletion potential） 全球变暖潜势（Global warming potential)
ODSs的破坏能力
CFCs对臭氧层的破坏作用
一个Cl自由基可以消耗数十万个O3
大气中CFCs分子的变化图
CFCs和其他消耗臭氧化合物的特性
来自百度文库
削减 8％
尼亚，斯洛伐克，斯洛文尼亚，瑞士
美国
削减 7％
加拿大，匈牙利，日本，波兰
削减 6%
克罗地亚
削减 5％
新西兰，俄罗斯，乌克兰
不变
挪威
增加 1％
澳大利亚
增加 8%
冰岛
增加 10％
a 相对于 CO2、CH4 和 N2O 的 1990 年的排放量，和相对于 PFCs、HFCs 和 SF6 的 1995 年
臭氧吸收紫外线的反应
O3 hv O2 O O3 O O2 O2
平流层臭氧形成和破坏机理
催化清除理论
20世纪70年代建立 活性催化物质的链式反应
Y O3 YO O2 YO O Y O2 总反应： O3 O 2O2
Y—活性物种，包括奇氢HOx、奇氮NOx、奇卤 XOx三大家族
温室效应机理
温室具有与大气类似的对入射太阳辐射和射出热辐射的作用
人类活动的影响
1850年以来大气中温室气体浓度的增加
工业化前 的浓度
CO2 ~280ppmv
1994 年的 浓度
358ppmv
最近的浓 1.5ppmv/a
度变化率 (0.4%/a)
大气寿命 中的b（年） 50~200c
CH4 ~700ppbv
俄罗斯
人类活动的影响
以单位GDP（$）的总能量消耗表示的各国的能源强度。所有数据均为 1998年的，GDP以1990的US$表示。（资料来源：USDOE, 2000）
人类活动的影响
某些国家初级能量供应的碳强度。表明了过去几十年，单位能量 的碳排放下降速率。（资料来源：PCAST，1997）
人类活动的影响
20世纪90年代末，发达国家温室气体年排放量控 制在1990年水平
1997年，《京都议定书》
明确各发达国家削减温室气体排放的比例
国际行动
《京都议定书》规定的温室气体排放限值
国家
2008－2012 年的排放限值 a
保加利亚，捷克，爱沙尼亚，欧盟（15 个国
家），拉脱维亚，列支敦士登，摩纳哥，罗马
CO2 emission by energy type in China, 1996
2400
74.9%
2000
Mt-CO2
1600
1200
800
400
0
Coal
Thermal power & heat Residential Agriculture, etc.
8.3%
13.1%
3.6%
Coke
Oil, etc.
海平面上升
过去100年 10～20cm 1990～2100 8～9cm
气候变化的影响
降水格局变化
中高纬降雨量增大 北半球亚热带降雨量下降，南半球增加
气候灾害
过多降水、大范围干旱、持续高温
影响人体健康 影响农业生产和生态系统
气候变化的影响
与1982-1983年厄尔尼诺时间相关的旱涝分布区
浓度/ppt
τ/a
268
50
503
102
82
85
20
300
132
42
135
4.9
7
20
3
65
0.7
20
100
12.1
2
9.4
6
18.4
南极臭氧空洞
南 极 上 空 臭 氧 浓 度 垂 直 分 布 的 变 化
南极臭氧空洞
极地平流层云在南极臭氧空洞的形成过程中起 重要作用
吸附并聚集CFCs及哈龙 非均相反应场所
影响气候变化的大气成分
CO2
地球上的碳库：生物圈，海洋和大气，以及各碳库之间 的二氧化碳年交换（Gt）
CO2
CH4
气溶胶
各成分的贡献
1980到1990年期间人为源排放的温室气体对大气中波长8～12μm 光线的透射率的影响。对流层臭氧可能也起到一定的作用，但程 度难以确定。
各成分的贡献
预计到2030年全球气温大约平均升高3°C
大气中CO2、CH4、N2O和CFCs的浓度变化趋势。在过去的一个世纪里， 人 类活动导致所有温室气体的浓度迅速增加。（资料来源：IPCC,1990）
人类活动的影响
人类活动的影响
主要温室气体的年排放量
温室气体
二氧化碳（CO2） 甲烷（CH4）
一氧化二氮（N2O） CFC-11, -12, -113 HCFC-22 HFCs, PFCs, SF6
的排放量。
§2臭氧层破坏问题
臭氧层主要特征
离地面20～30km的平流层中 占当地空气含量的1/105 厚度单位
DU（Dobson unit）－ 273K，1atm下，10-3cm厚 的O3层称为一个DU
1DU＝10-3 atm cm＝2.69×1016molecules
§2臭氧层破坏问题
酸雨 3、教学难点 臭氧层破坏问题
§1 温室气体与全球气候变化
一、全球气候变化问题 1.温室效应：
大气层本身具有的属性。它是确保地球气温总能维持在相对稳 定范围的保障，而不会出现其它星球的剧烈冷热变化
2.全球气候变暖的特征： 近百年来，全球气温呈上升趋势，平均升温为0.6℃ 全球气温的变化不呈直进式，而是呈现冷暖交替的波动
甲烷
农业产品及采矿活动的副产品
影响臭氧浓度的物理化学过程
臭氧层的分布
大气的两个最低层，对流层和平流层的温度曲线。大部分大 气质量都集中在对流层，但是臭氧却主要集中在平流层
臭氧层的分布
大气中臭氧浓度分布（单位1012个分子/cm3）
臭氧层的作用
大气对紫外线辐射的吸收
臭氧层的作用
臭氧层破坏现象
1.臭氧层变化与臭氧洞 臭氧层的作用：平流层中的臭氧：吸收紫外线
对流层中的臭氧：为温室气体 臭氧洞：
- 出现时间－每年9月－11月 表现：
臭氧层出现浓度减少区域，对紫外线的抵挡功能削弱；
发生地区： 1984 南极上空首次
1989 北极上空 首次 其它地区也有类似情况出现
二、臭氧层破坏的原因
大气中CO2含量
1750年以前
280ppm
目前
360ppm
预计21世纪中叶 540～970ppm
气温
20世纪增加了0.60.2oC
海平面
20世纪上升了10～20cm
全球气候变化问题
近代南北半球及全球平均温度的变化
温室效应（Greenhouse Effect）机理
二、影响气候变化的大气成分 主要指：二氧化碳、臭氧、甲烷、氟里昂、一氧化碳等 对地球辐射热量的收支平衡起重要作用 1）CO2:主要来源于以下： 燃料的使用： 石油、天然气、煤等化石燃料的使用 水泥的生产 不合理的土地利用，改变并破坏植被的自然排放
§1 温室气体与全球气候变化
全球气候变化问题
三大家族的来源
奇氢HOx
大气中H2O与激活O原子反应
奇氮NOx
宇宙射线分解N2 飞机等人类活动排放
奇卤XOx
人类活动产生的CFCs和含溴氟烷（哈龙，Halons)
消耗臭氧层的物质（ODS）
ODSs
CFCs、哈龙 CCl4、甲基氯仿（1,1,1－三氯乙烷）、溴甲烷 部分取代的氯氟烃
温室效应机理
反射太阳辐 射：107W/m2
云、气溶胶和 大气反射
入射太阳辐 射：342W/m2
大气放射
大气吸收
出射长 波辐射： 107W/m2
大气窗口
温室气体
潜热
地表反射
反辐射
地表吸收
暖气流
地表 辐射 蒸发蒸腾作用
地表吸收
全球能量平衡示意图。图中给出了基于地球表面区域的平均能量（单位W/m2）流动。大 约有49％的入射太阳辐射被地表直接吸收，但是温室气体效应增加了流向地表的能量。 （资料来源：IPCC, 1996a）
为什么北极没有形成臭氧空洞？
北极为海洋环境，较南极大陆环境温暖 周围分布不规则大陆，大气层较南极不稳定 不易形成极地平流层云
臭氧层破坏的危害
臭氧含量减少1％，地面紫外线增加2％～3％ 危害
人体健康－损坏人体的免疫系统，使呼吸道疾病增加 可破坏蛋白质与DNA结构，引发皮肤癌 可使眼睛受损，白内障发病率增高
1955－1995每年十月份南极臭氧浓度（单位：DU）。数据点包括 了基于地面和卫星的观测。在这一时期内总臭氧浓度下降了50％。
（资料来源：NASA, 2000）
平流层臭氧形成和破坏机理
纯氧理论（Chapman Mechanism）
O2 hv O O O O2 M O3 M
应对措施与策略
1. 控制温室气体的排放
改变能源结构 提高能源转换效率 提高能源使用效率 减少森林植被的破坏 控制水田和垃圾填埋场的甲烷排放
应对措施与策略
不同燃料燃烧单位GJ的CO2排放量
CO2排放量/(kg/GJ)
不同燃料燃烧单位GJ的CO 2排放量
100
95
90
80