第1-2节 大气中污染物的迁移

由于燃料中含有含氮有机物，燃烧时氧化成 NO，这一类称为燃料NOx，排放量与燃料中含氮 量有关，受温度影响很小。
B：汽车尾气 据统计美国的汽车尾气排放NOx占大气污染物中总 NOx排放量的48％，而且汽车产量增加及汽车加速时 NOx排放量增加。 C：工业生产 每生产1吨HNO3 排放25kg Nox ，使用硝酸的工厂也 产生大量的NOx排入大气。
当 y = 0 、z = 0 ，并设y / z = a = 常数， 对z 求导并令其等于零, 即：
Q H2 [ {exp( )}] 0 2 2 d z ua z 2 z d
Ag 2.39 10 980 .665 4 o d 0.977 10 ( C / cm) Cpd 0.2399
即 d＝0.98×10－2 ℃/m＝1℃/100m
利用此d 对于上升的干空气可得到如下公式：
8
T2 = T1 － d ( z－z0 )
T2－干空气到达高z 时的温度；
常温下N2 和 O2 并不反应，但在燃烧过程中，当 温度超过1200℃时，N2 和 O2 就会反应且温度越高， 反应速度越快，这是NOx的来源之一。
N2 ＋ O2 ＝ 2 NO 2 NO ＋ O2 = 2 NO2
反应机理: 高温下通过氧分子的分解: O2 = 2 O O ＋ N2 = NO ＋ N (吸热) N ＋ O2 = NO ＋ O 2 NO ＋ O2 = 2 NO2 （慢） 生成NO的慢步骤是吸热反应，因此高温有利 于NO的形成，此反应是在高温条件下进行的，生 成的NOx 称为热致型NOx 。
(4) CH化合物
Hydrocarbons
CH化合物包括：烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃 等。 主要来源：汽车尾气、工业生产、燃烧等。 CH化合物是形成光化学烟雾的主要成分，对 它的重视也是由此产生的。
(5) CO Carbon monoxide
CO有毒，其来源主要是燃料燃烧、汽车尾气和 工业生产。一般每万量汽车，每天排放CO约30吨、 CH化合物2～4吨、NOx 0.5～1.5吨 。
一般说来，大气垂直递减率越大，气块 就越不稳定。在平流层大气垂直递减率是负 值，垂直混合极为缓慢，进入平流层的某些 污染物难以扩散，可滞流数年。
四、 大气污染数学模式
以高架连续点源大气污染数学模式为例讨论。
1. 烟流模型基本公式
距地面h 高度处有一连续排放点源，以其在地面 的垂直投影为原点，x 轴指向平均风向, y 轴在水平面 上垂直于x 轴, z 轴垂直于 xoy 平面向上延伸, 建立坐 标系。
干空气的成分
二、大气温度层结

由于地球旋转作用以及距地面不同高度的各层 次大气对太阳辐射吸收程度上的差异，使得温 度、 密度等气象要素在垂直方向上呈不均匀 的分布。

人们把静大气的温度和密度在垂直方向上的分 布称为大气温度层结和大气密度层结。
1 对流层 troposphere
对流层是大气的底层，其厚度在10～12km。相对 大气层来讲其厚度是非常薄的，但其质量却占大气总质 量的3/4。 对流层内大气的重要热源是来自地面的长波辐射， 故离地面越高气温就越低。 随高度升高气温的降低率称为大气垂直递减率，用 下式表示：
对于一个高架连续点源下风向某一点污染物浓度可用下 式表示：
Q y2 ( z H )2 ( z H )2 c( x、y、z、H )＝ exp( 2 ){exp[ ] exp[ ]} 2 2 2 y 2 z 2 z 2 u y z
式中: c－－污染物浓度，g / m3 ； Q－－源强， g / s ；
二、气块的绝热过程和干绝热递减率
如果气块（空气微团）和周围环境间没有发生热量 交换，那么它的状态变化就可认为是绝热过程。由污染 源排放的污染气体就可视为一个气块。如果固定质量的 气块的绝热过程中不发生水相变化就称为干绝热过程， 其质量不变。当干气块在绝热上升时由于外界压力减小 而膨胀，就要抵抗外界压强而作功，这个功只能依靠消 耗本身内能来完成，因而气块温度降低，相反则升高。
石油裂解、燃烧（含硫在1％左右）、硫酸生产都 排出大量SO2。每生产1吨硫酸排放20kg SO2 ，烟道气 中SO2 的含量在5％左右。 按1998年的数据，工业排放SO2 达1593万吨， 生活中SO2排放量达497万吨。
(3) NOx Nitrogen oxides
NOx 来源主要三个方面 A: 燃料的燃烧
dT ＝－ dz
式中： T －绝对温度，z －高度
在对流层中，平均而言dT/dz < 0 ，且＝ 0.6 k/100m，即每升高100m温度降低0.6℃。
由于低层空气受热不均匀，冷热空气垂直对流 运动很剧烈，由污染源排放的污染物可被输送 到远方，同时，水汽、灰尘较多，象雨、雪、 风、云、雷电、冰雹等大气现象都发生在对流 层中。
近地面层的逆温：辐射逆温、平流逆温、融 雪逆温和地形逆温等。
自由大气的逆温：乱流逆温、下沉逆温和锋 面逆温等。
近地面层的逆温多是由于热力条件而形成， 以辐射逆温为主。
辐射逆温是地面因强烈辐射而冷却降温 所致，多发生在距地面100～150m高度内，最 有利的条件是平静而晴朗的夜晚。当白天地面 受日照而升温时，近地面空气的温度随之升高， 夜晚地面由于向外辐射而冷却，使近地面的空 气温度自下而上逐渐降低，上面的空气比下面 的空气冷却较慢，结果就形成逆温现象。
Chap.2
大气环境化学
Atmospheric Environmental Chemistry
§1 大气的组成和主要污染物
一、大气的组成
Composition of the atmosphere
干空气：
主要成分：major component
N2 78.09%、 O2 20.95%、
Ar 0.93%、
T1 －起始高度z0 处的温度；
（z－z0 ) 为上升高度差。
三、大气稳定度
Atmospheric Stability
大气稳定度是指气层的稳定程度，即大气中某一 高度处的气块在垂直方向上的相对稳定程度。 气块在大气中的稳定程度与大气垂直递减率和干 绝热垂直递减率有关： 当 < d 时，表明大气是稳定的。 当 > d 时，大气是不稳定的。 当 = d 时，大气处于平衡状态。
2 平流层 stratosphere
由对流层顶到50km左右高度称为平流层，该层内气 体状态非常稳定。25km以下温度随高度保持不变或略有 上升, 25km开始气温随高度而升高, 平流层顶可接近0℃。
在15～35km高度范围内存在一臭氧层，可吸收紫外 辐射，同时臭氧分解为O2和O，当它们重新合成臭氧时， 释放出大量能量，这就是平流层温度升高的原因。
y2 H2 c( x、y、、H )＝ 0 exp( ){exp( )} 2 2 2 y 2 z u y z Q
(2) 高架连续点源地面轴线浓度
即: y = 0 、z = 0时：
H2 c ( x、 0、H )＝ 0、 {exp( )} 2 2 z u y z Q
(3) 高架连续点源的地面最大浓度：
从污染源分析，大约77％的SO2、49％的NOx、 30％的颗粒物来源于固定燃烧；大约有78％的CO、 48％NOx、42％CH化合物来源于交通运输。 2 污染物的类别 原生(一次)污染物 (Primary pollutants )：由污 染源直接排出的污染物。 次生(二次)污染物 (Secondary pollutants)：原 生污染物经化学反应后的产物为次生污染物。
5 逸散层 exosphere 800km以上的高空称为逸散层，也叫外逸层。这里 空气稀薄，气体分子受地球的吸引力小，自由行程很大， 一个质点被撞击出去以后一般难以再撞回来，而是进入 宇宙空间了。根据卫星观察资料发现，宇宙空间每立方 米仍约有数十个离子存在，所以，地球大气的宇宙空间 并无截然分开的界面。
CO2 0.03%;
次要成分：minor component 含量 < 0.003%
次要成分中可变的:
等，这些痕量气体（trace gas）在大气化学中是 非常重要的。
O3、H2S、SO2、NH3、NO、O2、HCHO
不可变的: He、Ne、Kr、Xe、CO、H2、N2O等。 水汽： 悬浮微粒：灰尘、烟尘、粉尘、水滴等
§2 大气污染物的迁移
一、辐射逆温层
在对流层中，气温一般随高度增加而降低， 但在一定条件下会出现反常现象，即所谓逆温 现象(temperature inversion)，以其稳定性为 特点。 当＝0 时称为等温气层，当< 0时称为 逆温气层。
逆温现象常发生在较低气层中，气体稳定性 特强。逆温形成的过程是多种多样的，由于过程 的不同可分为近地面层的逆温和自由大气的逆温 两种。
3 大气污染物 Air pollutants
(1) 颗粒物 particulate matter
微粒大小particle size 一般用粒径（直径）表示。
粉尘： 烟尘： 燃料燃烧时，从烟囱中排出的颗粒物， 排放量与燃煤的性质和燃烧条件有关。 粒径 < 10 m的为飘尘； 粒径 > 10 m 的为降尘； 粒径 < 100 m 的所有颗粒为总悬浮微粒(TSP)。 (有的教科书上已列出粒径 < 2.5 m的为可吸入 尘 respirable particles)
描述气块在绝热过程中P、T关系的方程为：
P2 T2 T1 ( ) P 1
AR d C pd
P2 0.286 T1 ( ) P 1
ARd 0.286 （泊松常数） C pd
A—功热当量； Rd—干过程的状态常数； Cpd —干空气的定压比热；
T1、T2和P1、P2分别为绝热过程起始和终结 时的温度和压力。 利用此公式可求出气块上升到任一高度处的 温度值。 干空气在上升时温度降低值与上升高度的比 称为干绝热垂直递减率，用d来表示。
颗粒物引起的大气污染对人体的危害与下列条件 有关： 颗粒物浓度：浓度越大，危wenku.baidu.com就越大。 颗粒物的化学成分：一些有毒的成分危害更大。 颗粒物的大小：粒径在0.5～5m之间的颗粒物 对人体危害最大。
(2) SO2 ( Sulfur dioxide )
我国的大气污染属于＂煤烟型＂污染，SO2 是主要 指标，由燃煤排放的SO2 官方数字达1500万吨/年。按年 产110000万吨、S含量1％计，其排放量为： 110000(万吨/年)×1％×SO2 / S ×80%(可燃) = 1760 万吨/年
平流层几乎无垂直对流，只能随地球自转而产生平 流运动，当污染物进入平流层时会形成一薄层而全球扩 散。平流层很少有水汽和灰尘，没有云、雨、雪等天气 现象，透明度好，是飞机飞行的理想空间。
3 中间层（过渡层）mesosphere
中间层处于平流层顶至85 km左右的区域，又出现 温度随高度升高而下降的现象，对流运动强烈，层顶温 度最小值约180K。 4 热层（电离层）thermosphere 热层处于中间层顶至800km左右的区域，离 地面最远，直接受阳光辐射，因此温度随高度升高而增 加，且在紫外线的作用下产生许多离子，故也称电离层。 热层处于高度电离状态，能将电磁波反射回地球，对全 球的无线电通讯具有重要意义。
u
－－烟囱高度的平均风速，m / s；
y －－用浓度标准偏差表示的y 轴上的扩散系数； z －－用浓度标准偏差表示的z 轴上的扩散系数； H －－烟流中心距地面高度，也称烟囱有效高度，m； 数值为烟囱高度h 与烟羽抬升高度H之和. H = h + H
(1) 高架连续点源地面浓度:
即: z = 0时：
三、大气污染 air pollution
大气污染是指由于人类或自然过程引起的某些物质 进入大气中，呈现出足够的浓度和达到足够的时间并对 人和环境产生有害的影响。
大气污染物(pollutant)是指由于人类活动或自然 过程排入大气的并对人或环境产生有害影响的那些物质。 1 污染源 固定源：从固定地点排出污染物的污染源。在我 国燃煤是主要的固定源。 流动源：交通工具汽车、火车、飞机、轮船等是 主要流动污染源。