9大气的结构与性质 PPT课件

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大气层的层间划分和区域划分 对流层大气的组成 平流层大气的组成
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通常所说的空气（air)，常作为大气(atmosphere)的同义词， 二者没有实质性差别。一般习惯将供人和动植物活动的某个场 所的气体环境称为空气，或将对流层和平流层的下层部分合称 为空气层。
而在大气物理学、大气气象学、自然地理学以及环境科学的研 究中，常常以区域或全球性的气流为研究对象，则常用大气一 词。
Atmospheric environmental chemistry
马双忱
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本章内容 第一节 大气的结构与性质、大气污染概述 第二节 大气光化学反应 第三节 温室效应 第四节 臭氧层破坏 第五节 酸雨 第六节 光化学烟雾 第七节 大气颗粒污染物 第八节 持久性有机污染物(POPs)危害及控制
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Mixing Ratio
i

ci ctotal
ci is the molar concentration of i and ctotal is the total molar
concentration of air.
parts per million (ppm) 10-6 parts per billion (ppb) 10-9 parts per trillion (ppt) 10-12
106 mi
106
Mi p

RT pM i
mi
RT
Pressure unit and R Constant:
P= 1.01325x105 pa
R= 8.314 J/k.mol for P in Pa and volume in m3
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Conversion between ppm and mg/m3
mixing
_
ratio
_
in
_
ppm

8.314 298 1.01325 105
48

240
mg
/
m3
0.122 ppm 122 ppb
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对流层大气的组成
• 对流层大气有三个重要的组成部分： ①干空气的气体混合物； ②水（大气中可能呈液、固和蒸汽三种状态）； ③悬浮的固体粒子和液体粒子（组成大气气溶胶）。
此外，目前各国制订局部地区空气污染与区域性大气污染的标
准和评价方法等方面仍然存在区别，因而对前者常用“空气污
染”，而对后者常用“大气污染”之名。
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大气层的层间划分和区域划分
大气的垂直分层 （Atmosphere vertical structure）
大气层受重力吸引，最大密度紧靠地球表面，地球表面大气压力 约为1000hPa,由干空气的状态方程为ρ干=PM/RT。在标准状况下， 即可求出干空气密度为1.29kg/m3。随高度增加，逐渐变得稀薄， 大气压力也逐步下降，最后与行星际气体没有什么区别。 因此大气层没有明确的上限（顶）。如果从地球表面向上推移， 可以划分出性质不同，物理现象和化学现象有很大差异的几个区域。
• 据川航一机械师介绍，飞行直线距离为700公里 左右，飞行高度约为1万米，温度至少在零下 30℃以上 ，噪音至少在130分贝左右，足以振聋 发聩；在这个高度上，氧气已经非常稀薄，起落 架舱并没有完全封闭，在这种情况下，这个娃儿 竟没冻死，可以说创造了航空界的一个生命奇迹 （12/11/2004）。
Example:
The Hong Kong Air Quality Objective for ozone is 240 mg/m3. The U.S. National Ambient Air Quality Standard for ozone is 120 ppb. Which standard is stricter at the same temperature (25oC) and the pressure (1atm)?
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大气组分浓度表示法
• 与水环境相比，大气组分浓度的表示方法比较复杂。原因主要有如下几方 面：
①各组分物理形态各异（有气体、蒸气、颗粒物、气溶胶等）且浓度 相差悬殊，故有多种不同浓度单位；
②气体组分浓度随温度、压力变化，所以在表示浓度值同时，要附带 注明温度和压力条件。又为了使计算出的浓度有可比性，通常要用理想气 体方程式换算成标准状态下的浓度；
温度曲线止于热层而不再向上伸展，这是因为高层空气非常稀薄，热力学 温度的含义在此已显得非常不确切的缘故。
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同温层， 11~25km
图1 大气层层次示意图
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1/10 16 km 1/4 12 km 1/2 5.6km
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U-2是美国上世纪60年代最先进 的高空侦察机，飞行高度达2.2万 米，美国的 X－15 A研究试验机 飞到10.8万米高度，被世界航空 组织正式批准为世界绝对纪录。
• 在对流层顶，温度发生突变。对流层顶的高度也随时间和地点而有所不同， 在赤道和在两极，其高度分别为16km和8km，而同一地点日变化可能有 1km上下。
• 在中纬度，对流层顶的温度为-56℃左右。
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一男孩偷爬昆明到重庆客机创造生命奇迹
• 起落架舱藏人在航空史上并不少见，但这种情况 下，人的存活几率不到10％。
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大气压随海拔高度的上升而下降，大致上呈指数函数关系， 假设大气介质处于非混合状态。在绝对温度T时，任何给定 高度下大气压可用下述的指数关系式来描述(Barometric law)：
ph p0 exp(Mgh/ RT)
H
RT Mg
，ph

h
p0e H
式中，po为海拔高度为零(即海平面)时的大气压,Pa；M为空气的 平均克摩尔质量，在对流层中，其值等于28.97g／mol, g为重力 加速度，在海平面处等于9.8 m/s2；h为海拔高度, m；R为气体常
通过计算可知：大气质量的90％是包含在距地面约20km高度 之内，质量的99.9％是在约50km之内，在100km高度以上， 大气质量只有地面的百万分之一。
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在大气化学中，太阳辐射对大气层中许多物质的环境化学行 为有重要影响。在太阳中进行的核聚变反应，使每秒钟6亿 吨H转化为He，由此产生的累积辐射度为7.22×107W/m2， 太阳中心温度大于10×106℃，而表面温度大约为6000℃。 太阳的发射光谱中约99％能量包含在0.17～4μm的波长范围， 在穿透宇宙空间和大气的过程中，大部分太阳短波被各种气 体分子吸收，近地面处波长范围约为0.29～4μm。
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(3) 天气现象复杂多变。由于对流层受地球表面的影响最大，而 使对流层中温度、湿度的水平分布不均匀，于是可产生一系列物理过 程，形成复杂的天气现象。
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从地面到达约80km的高度（即中间层顶）处的这一层又称作为均质层， 由此向上到外逸层这一段又称作非均质层。非均质层的特点是： ①外来物质在这一层中不易分散均一； ②在此常发生强的光化学反应，从而产生许多带电粒子； ③密度低，氮气和氧气之比例不等于4∶1。
• 最后，对大气中颗粒物成分来说，应用μg/m3计量单位较为方便。对于飘 尘，还可用单位质量飘尘中所含某成分的质量来表示，即使用μg/g或 ng/g单位。
• Units for pressure:
1 atm = 1.01325 x 105 Pascal (Pa) = 1.01325 x 103hPa 1 atm = 760 mmHg = 760 Torr 1 atm = 1013.25 mbar 1 atm = 14. 7 psi
在中间层和热层之间还存在着一个电离层，是在1901年由马可尼作无线 电通讯时发现的。电离层又被分为几个小层，其中电子浓度自下往上递 增。
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层间大气的物理性质变化
• 大气层间的温度变化的情况已如图1所示。在对流层中，温度随高度通
常以5～7℃/km比率降低，它又是随季节和纬度而变化的。(The environmental lapse rate is not fixed. It changes from day to day and from place to place.)
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干空气组成
• 虽然干空气中有许多组分，但能将它们分为大量存在的主要成分和只有 痕量存在的次要成分。表1 列出了干空气的成分。在表中还没有列出一 些极为微量的组分，它们是一些游离基（自由基，free radical) ，如HO·、 HO2·、RO·、RO2·等，是大气组分光化学反应的产物，而且在进一步的 光化学反应中起着非常重要的作用。
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如图1所示，图中有一条温度随高度变化的典型曲线（高度坐标用的是对数 标尺，所以上部各区域实际上比图的下部各区域要厚得多），按这条曲线 的转折情况，可以将大气层由下而上地分为五个层次：
对流层（troposphere） 平流层（stratosphere） 中间层(mesosphere) 热层（也叫暖层，thermosphere） 外逸层（exosphere）即外大气层。
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• 太阳光在穿透大气层的过程中引发了许多反应，如光分解：
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• 光电离：
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根据上述，我们可以知道太阳辐射中的短波部分是高能的， 能够分解或电离大气层中所有分子和原子成分，在上层大 气中即被吸收殆尽，只有长波辐射和短波中某些被称为 “辐射窗”的特殊波长区段（100～150nm）的辐射可透射 到低层或达到地面。