大气的环境化学第一章 地球的大气的环境

地球大气层外界的阳光强度是以太阳 常数（Solar Constant）来表示的，定义 为与光传播方向垂直的平面上，每单位面 积接受到的光的总量。世界气象组织 WMO1981年公布的数字是1368W/m2。
CO2
二、大气成分对太阳辐射的吸收
太阳电磁辐射经过大气 时，大气中各种组分 （N2 、O2、O3水蒸气、 CO2和尘埃）能辐射、反 射、或散射一定波长的 辐射. 到达地面：50% 反射回宇宙 30% 大气层吸收 20%
例：环境中水的质量循环如下图，其中，大气中MH2O=7.2×1014mol，计 算大气中水的输入速率和输出速率。
n
FH2O=(2.16×1016+0.9×1015)=2.25×1016 mol/y
n
RH2O=(1.9×1016+3.5×1015)= 2.25×1016 mol/y
ü大气中水的含量处于相对 稳定的状况，同样计算，海 洋和地壳中水的含量也是处 于稳定状态。
Ne
182×10-5
He
53×10-5
Kr
12×10-5
H2
5×10-5
Xe
0.9×10-5
N2,O2 and Ar
99.9%
Relative molecular mass
20.1087 4.003 83.700 2.016 131.300
The proportional is almost steadiness and the relative
以上）直接与地表的水圈、土壤岩石圈相接触，具有以下4个特点： A.吸收地表热量，底层空气先被加热，然后热量被传递到高
层；由于海、陆、昼、夜及纬度和地形的差异，低层空气 的温度差异很大，形成了垂直和水平方向的对流，直接影 响到污染物的传输和扩散。 B. 绝大部分空气组分不能直接吸收太阳能，只能吸收地面辐 射能，因此对流层温度随高度的增加而降低。 C.尘埃等固态物质进入该层，造成扬尘、飞沙；水蒸气进 入该 层，形成云、雾、雨、雪、霜、露等天气现象。 D. 从地面污染源排放的污染物几乎都直接进入对流层，因此空 气污染问题主要出现在该圈层。
小知识点：
逆温：一般情况下，在低层大气中，通常气温 是随高度的增加而降低的。但有时在某些层 次可能出现相反的情况，气温随高度的增加 而升高，这种现象称为逆温。出现逆温现象 的大气层称为逆温层。
温度梯度：是自然界中气温、水温或土壤温度 随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的 阶梯式递增或递减的现象。
太阳当顶时,各物质对太阳辐射最大吸收的近似区域
1 O2
O3
O3 H2O H2O CO2 CO2
O3 CO2 H2O
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1
2 3 4 5 8 10
波长/μm
大气吸收谱
20 30
290nm----被N2、O2、O3 吸收，不能到达地面 300~800nm-----基本不被吸收，能透过大气到达地面，构成 光谱上的‘窗’， 占太阳光总能量的40%。
一、太阳辐射
太阳辐射能量随波长的分布称为太阳辐射光谱。太阳表面温 度约为6000K，到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包 括了整个电磁光谱，但是能量绝大部分集中在170-4000nm。
太阳电磁 辐射能量
x射线、γ射线 1%
紫外线 (200~400 nm) 9% 可见光（400~800 nm） 40% 不可见的红外线（800~3000 nm）50%
第一章 地球的大气环境
第一章：地球的大气环境
第一节 大气的发展史
The evolution of components of atmosphere
Atmosphere
CH4
N2
N2
H2 Basic component
O2
Reducing atmosphere Oxidation atmosphere Modern atmosphere
（3）强可变组分（停留时间为2—200天）：CO、NOX、NH3、SO2、
H2S、有机HC、H2O、颗粒物等。
物 种 H 2 O C O N O x ti(d ay s) ~ 1 0 7 3 ~ 1 8 5 8 ~ 1 0
S O 2 H 2 S 2 ~ 4 0 .5 ~ 2
H C S P M ~ 2 1 0 ~ 3 0
行星边界层（摩擦层）：地面以上1 ~2km
近地面层：50~100m
自由大气层：1~2 km 以上对流层大气
对流层顶：平流层和对流层之间
（ 2）平流层（stratosphere）
从对流层顶到约50km的大气层即为平流层。 ★30—35 km以下，温度随高度变化很小，气温趋于稳定，故又称为
同温层；
★在30—35km以上，温度随高度升高而迅速升高，到达平流层顶， 气温可上升到270—290K，故该层也称为逆温层。因下冷上热，空 气没有垂直对流运动，主要为大气平流运动。
1.按大气中化学组成的分布，大气圈可分为均质层 （90km以下）和非均质层（90km以上）；
均质层--- ---90km以下大气组成比例几乎不变， 主要是N2 、O2、Ar，该层“干洁空气”的平均 分子量接近常数。
非均质层，90km以上N2和 O2的解离，平均分子 量随高度的增加而降低。
Chemical component of homosphere, clean
源（sources）：通过循环过程（如大气中的化学过程、 生物活动、火山爆发、放射性衰变以及人类活动）而产生 的过程
汇（sinks）：通过大气中的化学过程、生物活动、物理 过程（如形成颗粒物或沉降）而由大气中去除气体的过程
The source, sink and circulation of components:
该层空气稀薄，水分少，很少发生天气现象；
该层大气含尘量低，透明度高；
该层中离地面高约15—35km范围内，集中存在有约 20km厚的臭 氧层。因臭氧强烈吸收太阳紫外辐射故使得平流层气温升高。
由于平流层中大气稳定，故一旦污染物进入，将造成长期滞留的严 重后果。
（3）中间层（mesosphere） 从平流层顶到约80km的高度称为中间
molecular mass of the air is 28.966. 固定成分 可变成分
2.按大气的电离状态分布，可将在大气分为电离层
（60km以上）和非电离层（60km以下）。
60km以下，大气成分处于中性，即非电离状态； 60km以上为电离层，离子密度大； 60~90km主要为NO光解离；
and dry atmosphere:
Gas Content
Relative
Gas Content
molecular
mass
N2 78.084 O2 20.946 Ar 0.934
28.016 32.000 39.944
CO2 0.02~0.04 44.010 O3 (0~5)×10-6 48.000
体 积（%）
78.1 20.9 0.934 0.0330 0.00182 0.00052 0.00016 0.00011 0.00005 0.000028
一、大气组分的源、汇和循环
循环（cycles）：大气组分通过大气圈与其他三个圈（水 圈、土壤圈、生物圈）之间发生的物理、化学或生物化学 过程，不断进行着物质转化或转换
由于可变组分和强可变组分在大气中停留时间短，有 可能积极参与平流层或对流层中的化学反应。它们在大气 中的时空分布受局地源的影响，在不同地区和不同高度， 其分布往往有很大的不同，故对于因人类活动而造成的输 入（出）速率变化相对比较敏感，所以这两类组分是我们 研究的主要对象。
ü当发生剧烈的地质或气候 变化时，输入和输出速率会 变化，进而达到一个新的平 衡点。
2. 大气组成的停留时间（存在时间、寿命）
气体和微粒在大气中的留存（形式）称为储库（reservoir）。
停留时间（t）：某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平 均停留时间或停留时间。
ti 输入大速气 Fi率 或中输总 M出 i量速 Ri 率
逆温：气温随高度的增加而升高
第四节、大气的物质组成
地球表面大气主要是由 氧、氮、和氩组成，它们 占空气总质量的99.9%以 上，其余气体加起来还不 到0.1%，且某些组分如 CO2、O3浓度是有较大变 化的，各种组分各有其不 同的循环过程。
成分
N2 O2 Ar CO2 Ne He CH4 Kr H2 N2O
Minor component
H2O N2 H2S NH3 Ar
土星、木星、海王星
H2O CO2 O2
金星、火星
H2O 原始生命光合作用
First stage
Second stage
Third stage
第二节 大气的分层
根据大气在铅直方向上的温度、化学组 成、物理特性，大气圈可分为若干层次。
（1）对流层（troposphere） 平均厚度约12km，密度大，质量约为整个大气圈80%~90%（3/4
高能量的太阳光量子还能引起分子的解离：
N2hN
离地面高度 (km)
160
140
120
N2h NN
100
80
60
原子及分子氧
和氮的吸收 40
20
分子氧吸
收
O3的吸收
20 40 60 80 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
0 波0长 0(nm0) 0 0 0 0 0 0 0
等。
物 种 A r ti(y ) ~ 1 0 7
N e ~ 1 0 7
K r ~ 1 0 7
X e ~ 1 0 7
H e ~ 1 0 7
N e ~ 1 0 6