21污染物在大气中的迁移

作者:admin 来源:未知 点击数: 发布时间:2020年09月09日

  2.1污染物在大气中的迁移_化学_自然科学_专业资料。第二章:大气环境化学 “我们离不开大气,如同鱼儿离不开水”——一个成年人每天需要 10—12 立方 的空气(13kg),是每天摄取食物的 10 倍,是饮用水的 3-4 倍,一个人可以几天 不饮水、不取

  第二章:大气环境化学 “我们离不开大气,如同鱼儿离不开水”——一个成年人每天需要 10—12 立方 的空气(13kg),是每天摄取食物的 10 倍,是饮用水的 3-4 倍,一个人可以几天 不饮水、不取食,但是不能几分钟不呼吸空气。 大气环境化学主要研究大气环境中污染物质的化学组成、性质、存在状态等物理 化学特性及其来源、分布、迁移、转化、累积、消除等过程中的化学行为、反应 机制和变化规律,探讨大气污染对自然环境的影响等。 当前国际三大热门环境话题:气候变化、酸沉降、臭氧层损耗都发生在大气圈内。 重点内容: (1)污染物在大气中的迁移 ? 气象基础:大气垂直分层、气象要素、气温绝热变化、大气稳定度、大气混 合层 ? 污染物迁移影响因素:混合层、地形、逆温、山谷风、海陆风等 ? 污染物迁移的数学模式:推导与应用 (2)污染物在大气中的转化 ? 光化学反应基础 ? 自由基反应和来源 ? 氮氧化物和碳氢化合物、硫氧化合物的转化 (3)几种代表性的大气环境污染问题 ? 酸雨 ? 温室效应 ? 臭氧层损耗 第一节、污染物在大气中的迁移 迁移:污染物由于空气的运动而使其传输和分散的过程。 原因:空气运动形成风,风的形成主要是由于温度差异引起的。所以大气中温度 的差异是空气运动的动力源。 一、大气垂直分层 1962 年 WMO(世界气象组织),根据大气的化学成分和物理性质在垂直方 1 向的差异,分为五层:对流层、平流层、中间层、热成层、逸散层。 1、对流层 平均厚度 12km,赤道 19km,两极 8-9km,云雨主要发生层,夏季厚,冬季薄。 特点: (1) 气温随高度升高而降低。-0.65℃/100m,所以一般空气上冷下热,易于对 流,这一般有利于污染物扩散,但在逆温时,则易于造成污染; (2) 空气密度大。整个厚度不大,但集中大气总质量的 3/4 以及几乎所有的水 汽。 (3) 天气复杂多变。强烈的对流地表的影响较大,地表状况的不同可能会使对 流增强或减弱,甚至形成逆温,风云雨雪等多发生在这一层。 (4) 对流层下部 1-2km 受地面摩擦的影响,具有边界层的性质,其内空气运动 呈现湍流形式。由于对流而较好地混合的边界层下部称为混合层。 2、平流层 对流层顶到约 50km 的地方,为大气圈平流层。平流层基上温度随高度增加 而升高。 特点: (1) 空气基本无对流,平流运动占显著优势。 2 (2) 空气比下层稀薄,水汽、尘埃含量很少,很少有天气现象,透明度极高, 10-20km 范围是超音速飞机的理想飞行场所。 (3) 在 15-35km 的范围内(平流层上层),有一层厚度约 20km 的臭氧层,能够 吸收太阳短紫外线,使平流层上部温度增高,同时也成为地球生命的保护伞。 3、中间层 从平流层顶到约 85km 的高度。 特点: (1) 空气更稀薄 (2) 无水分 (3) 温度随高度增加而降低,中间层顶,气温最低(-100℃) (4) 中间层种上部,气体分子(O2、N2)开始电离。 4、热(成)层 (1) 从 80km 到约 800km 的地方 (2) 温度随高度增加迅速增高; (3) 大气更为稀薄 (4) 大部分空气分子被电离成为离子和自由电子,又称电离层,可以反射无线) 空气稀薄,密度几乎与太空相同 (3) 空气分子受地球引力极小,所以气体及其微粒可以不断从该层逃逸出去 二、基本气象要素 对污染物扩散有重要作用的气象要素是:气温、气压、湿度、风、云量等。 1、气温 一般气象中采用的气温是指离地面 1.5m 高度处百叶箱中观测到的空气温 度。 大气预测模型中使用的气温一般也是指该温度。 3 气温在水平方向的差异导致气流水平方向运动的动力,形成风,能够稀释和 迁移污染物 气温在垂直方向的差异导致气流的上下强烈对流,有利于形成降水,能够冲 刷污染物。 2、气压 大气的压强,一般标准状态下,大气压强 p=1.01×105pa。 p=ρgh=ρgz,由于大气密度随高度增加而减小,所以压强也逐渐减小。 初始状态: 高度 z: 压强 p=ρgz 高度增加△z, 则高度 z+△z:压强 p-△p=ρgz(z+△z) 所以,得到:-△p=ρg△z 转化为微分形式则: dp g dz (1) (ρ密度 g/m3,空气=1.29g/L,g 重力加速度 9.8m/s2)。 另外,气象学上用比气体常数来表示状态方程,其推导过程为: pv=nRT = pv mRT M = p m RT RT (令 R R ) vM M M = p RT (2) 其中 R=8.314J.mol-1.K-1,M 气体摩尔质量(空气的摩尔体积为 22.4l.mol-1, 空 气 密 度 =1.29g . l-1, 所 以 M=22.4*1.29=28.869gmol-1 ) , 所 以 R’=R/M=287 J.kg-1.K-1。 由(1)和(2)得到: dp g = pg dz RT = dp g dz g 1 dz p RT R T = dp p g R 1 T dz 4 = ln p p0 g R 1 T dz = p p0 exp g R 1 T dz (3) 可见只要知道温度随高度的分布函数形式,就可以推得气压随高度的变化函数形 式。 3、风 ? 水平方向的空气运动,垂直方向则称 为对流或升降气流。 ? 一般用风向、风速来表示风的特征 (矢量,既有大小又有方向) ? 风向一般用 16 个方位表示,(E S W N) ? 风速是单位时间内空气在水平方向 移动的距离(m/s) ? 一般风速是地面以上 10m 处风速仪 观测得到的平均值 风速玫瑰图(m/s) 4、云 ? 大气中水汽凝结的产物 ? 一般用云量、云高来确定大气稳定度 ? 云高:云层底部距离地面的高度,高云(5 000m)中云(2500-5000m)低 云(2500m) ? 云量:云遮蔽天空的成数。将可见天空分为 10 份,被云遮挡了几份,云量 就是几。晴空无云,云量为 0,乌云遮天,云量为 10. 5 三、气块的绝热过程和干绝热递减率 1、气团运动的绝热过程 ? 空气在移动中总是从高压区移动到低压区,移动中空气膨胀导致降温,压缩 导致升温。 ? 当气团在水平方向运动或停留在某地时,气团内外压力变化很小,但是受附 近地表的增热和冷却影响较大,即气团温度的改变主要靠热传递过程,是非 绝热过程。 ? 当气团作垂直升降运动时,虽然也和外界进行热交换,但是空气的导热系数 较小,垂直方向各层经历的时间短,而气团在垂直方向的气压变化却比较大, 因而气团温度的变化主要由气团的膨胀和压缩做功引起,直接热交换量甚 小,即近似可视为绝热过程。 ? 高温暖气团倾向于从地表移动到低压的高处,移动过程中,气团绝热 膨胀并降温。如果气团中没有水汽凝结,冷却速率为 10℃/1000m, 称为温度的干绝热递减率(rd)。 ? 然而,一般气团中都含有水蒸气,气团上升降温导致其中的水蒸气冷 凝放潜热,抵消了气团的膨胀降温,得到温度的垂直递减率(r), 冷却速率为 6.5℃/1000m。 ? 当污染源排放的污染刚进入大气环境的时候,可视为一个绝热过程。 膨胀降 温 20℃ 压缩升 温 21℃ 2、气团运动的绝热方程 根据热力学第一定律: dq=du+dw(q—外界加于体系的热量,u—体系内能变化,w—体系对外做功) 绝热过程中: 外界加于体系的热量 dq=0 体系对外做功 dw=pdv(体系膨胀或压缩) 体系内能变化 du=nCvdT(体积不变情况下,内能变化,定容比热 Cv) 所以:pdv=- nCvdT (4) 又由于 pv=nRT,取全微分得到:pdv+vdp=nRdT (5) 由(4)和(5)可得: 6 nRdT—vdp= pdv=- nCvdT 即: nRdT nRT dp nCvdT p = nRdT nCvdT nRT dp p = RdT CvdT RT dp p = (R Cv) dT R dp T p 根据迈耶定律:R+Cv=Cp(定压比热,压力不变情况下,体系内能变化,Jmol-1K-1) 所以: C p dT T R dp p = T 2 dT R p2 dp T1 T C p p1 p = ln T2 T1 R Cp ln p2 p1 R = T2 T1 p2 p1 Cp 对于空气 R=287 Jmol-1K-1 Cp=996.5 Jmol-1K-1 0.286 所以: T2 T1 p2 p1 3、干绝热递减率 气团干绝热升高或降低单位距离时,温度降低或升高的数值,称为干绝热递 减率:rd=- dT dz d 推导过程:因为: dT R dp (干绝热方程) T Cp p 所以 rd=- dT dz d = RT Cp dp p 1 dz d RT Cp 1 p dp dz d 7 又因为 dp g dz 所以:rd= RT Cp 1 p g d = RT p g Cp d 又由于 p=ρRT,所以 rd= g Cp 9.8ms 2 = 996.5Jkg1K 1 9.8ms 2 996.5Nmkg1K 1 9.8ms 2 996.5kgms2mkg1K 1 =0.98K/100m (1N=1kg m s-2,1J=1N m) 四、大气稳定度 ? 大气稳定度:是指大气中某一高度上的气块在垂直方向上相对稳定的程度。 ? 根据大气垂直递减率(r)和干绝热递减率(rd)的对比关系,可以确定大气 稳定度。 ? 稳定:气团离开原来位置后有回归的趋势(rrd) ? 不稳定:气团离开原来位置后有继续离开的趋势(rrd) ? 中性:介于上述两种情况之间(r=rd) ? 注意其中 rd 基本为不变常数 0.98k/100m,r 则可能变化很大。 解释:当 rrd 时,气团离开原来位置上升到某一高度时,由于 rrd,所以气团 内降温(速率为 rd)要比气团外降温(速率为 r)幅度大,相同起始温度情况下, 气团内温度会比气团外温度低,所以气团有回归趋势。 当 r〉rd 时,气团离开原来位置上升到某一高度时,由于 r〉rd,所以气团 内降温(速率为 rd)要比气团外降温(速率为 r)幅度小,相同起始温度情况下, 气团内温度会比气团外温度高,所以气团有继续移动离开趋势。 五、逆温 由于上述,可见大气的垂直温度递减率越大,则大气就越不稳定,r 与 rd 的关系可表示为: 超稳定(逆温) 稳定 中性 不稳定 r 0.00 rd=0.98 ? 一般大气层越稳定,则越不利于污染物的扩散 8 ? 而逆温则使大气的温度变化逆转,随着高度升高,温度也升高(r0),这将 会使大气的状态更为稳定,更加明显地不利于污染物的扩散,所以逆温成为 大气污染气象学中的重要研究内容。 以下讲述几种常见典型逆温的形成。 1、辐射逆温(最常见地面逆温) ? 地面辐射出大量的热量后,温度过度降低。 ? 晴朗无云,无风夜晚,没有云层阻挡,地面辐射丧失大量能量,温度降低过 多,易于形成辐射逆温(地面冷); ? 若风速在 2-3m/s,辐射逆温不易形成,若风速大于 6m/s,则可完全阻止辐 射逆温的形成,这是由于风带来气流运动,使外界较暖气团运动过来后补充 了当地地面辐射的热量损失。 2、下沉逆温(地面逆温) ? 下沉压缩增温效应引起,一般上升降温,下沉增温; ? 气团下沉过程中,由于受到压缩, 顶部下降距离大,增温多,底部下 降距离相对小,增温少,因此形成 顶部温度高,底部温度低的气团。 H’ ? 因为 hh’,所以 HH’ h H h’ 3、湍流逆温(高空逆温) ? 低层空气湍流混合而上层空气未混合情况下发生的高空逆温。 ? 在下部湍流层,气团上升过程中,温度按干绝热递减率(rd)变化,上升到 一定高度后,其温度低于周围环境温度(这样它才不继续上升,而有返回趋 势,形成湍流),这样下部湍流层的温度会低于上部未湍流层低部的温度, 从而形成高空湍流逆温。 4、平流逆温(地面逆温) 暖气团平流运动到冷地面或水面上,会发生接触面的冷却降温作用,越近地 面或水面的部分,气温越低,这样就形成逆温。 9 五、局地环流对污染物扩散的影响 1、海陆风 ? 海洋和大陆在白天和夜间的热力差异,导致的白天和夜间海洋和陆地之间的 风向转换。 ? 白天:海风,夜晚:陆风 ? 对污染扩散的影响: ? 白天海风吹向陆地,海风处于下层,温度较低,易于形成逆温。 ? 夜间陆风吹向海洋,陆风处于下层,温度和海洋差别不大,不易形成逆 温 ? 易造成污染物往返,海陆风转换期间,原随陆风吹向海洋的污染物又会 被吹会陆地 ? 循环作用,如果污染源处于海路风交界处,并处于局地环流,则污染物 很难扩散出去,并不断累积达到很高的浓度。 2、城郊风 ? 主要动力是城市热岛效应造成的 ? 城市空气从上层流向郊区,郊区温度 城市 较低的空气从下部流向城市,形成城 市和郊区间的大气局地环流。 ? 使得污染物在城区很难扩散出去,形 郊区 郊区 成城市烟幕,导致市区大气污染加剧。 3、山谷风 ? 白天:山坡升温快,山坡气流快速上升,空气由谷底补充山坡——谷风 ? 夜间:山坡降温快,山坡冷空气流向谷底——山风 ? 处于山谷地区的污染源很难扩散,早期一些大气污染事件都发生在山区,马 斯河谷烟雾事件。如今人们认识到这一常识,山区成为旅游胜地,而不再是 建造工业企业的胜地。 10

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