《环境化学》第一章 绪论

第一章绪论 第一节环境化学 、环境问题 Ⅰ、环境污染:由于人为因素使环境的构成或状态发生变化,环境素质下降, 从而扰乱和破坏了生态系统和人们的正常生活和生产条件。具体说,环境污 染是指有害物质对大气、水质、土壤和动植物的污染,并达到致害的程度, 生物界的生态系统遭到不适当的干扰和破坏,不可再生资源被滥采滥用,以 及因固体废物、噪声、振动、恶臭、放射性等造成对环境的损害。造成环境 污染的因素有物理的、化学的和生物的三方面,其中因化学物质引起的约占 、人们对环境问题认识的发展过程 (1)20世纪60年代,人们把环境问题只当成一个污染问题,认为环境污染主 要指的是城市和工农业发展带来的对大气、水质、土壤、固体废弃物和噪声 的污染。对土地沙化、热带森林破坏和野生动物某些品种的频危灭绝等并未 从战略上予以重视。我国当时以污染控制为中心进行环境管理,曾对改善城 市和人民生活的环境质量起了重要作用,而明显不足表现在没有把环境问题 与自然生态联系起来,低估了环境污染的危害性和复杂性;没有把环境污染 与社会因素相联系,为能追根寻源 (2)1972年联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议。在这次会议中 指出环境问题不仅表现在水、气、土壤等的污染已达到危险程度,而且也表 现在对生态的破坏和资源的枯竭

1 第一章 绪论 第一节 环境化学 一、环境问题 1、环境污染：由于人为因素使环境的构成或状态发生变化，环境素质下降， 从而扰乱和破坏了生态系统和人们的正常生活和生产条件。具体说，环境污 染是指有害物质对大气、水质、土壤和动植物的污染，并达到致害的程度， 生物界的生态系统遭到不适当的干扰和破坏，不可再生资源被滥采滥用，以 及因固体废物、噪声、振动、恶臭、放射性等造成对环境的损害。造成环境 污染的因素有物理的、化学的和生物的三方面，其中因化学物质引起的约占 80%—90%。 2、人们对环境问题认识的发展过程 (1)20 世纪 60 年代，人们把环境问题只当成一个污染问题，认为环境污染主 要指的是城市和工农业发展带来的对大气、水质、土壤、固体废弃物和噪声 的污染。对土地沙化、热带森林破坏和野生动物某些品种的频危灭绝等并未 从战略上予以重视。我国当时以污染控制为中心进行环境管理，曾对改善城 市和人民生活的环境质量起了重要作用，而明显不足表现在没有把环境问题 与自然生态联系起来，低估了环境污染的危害性和复杂性；没有把环境污染 与社会因素相联系，为能追根寻源。 (2)1972 年联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了人类环境会议。在这次会议中 指出环境问题不仅表现在水、气、土壤等的污染已达到危险程度，而且也表 现在对生态的破坏和资源的枯竭

(3)20世纪80年代,人们对环境的认识有新的突破性发展,提出持续发展战 略。并发表了题为“我们共同的未来”的长篇报告 (4)20世纪90年代,巩固和发展了这种指导思想,形成当代主导的环境意识 通过了《里约环境与发展宣言》《21世纪议程》等重要文件 环境化学 在近现代工农业发展和科技进步过程中,“化学”为人类提供了各种各样 的生产和生活用品,化学科学和化学工业为现代化社会做出了重要贡献。然 而与此同时,大量的有害化学物质进入地球的各个圈层后,大大降低了环境 质量,直接或间接的损害人类的健康,影响生物的繁衍和生态的平衡。 在解决复杂而综合的环境问题中,环境化学就在掌握污染来源,消除和 控制污染,确定环境保护决策,以及提供科学依据等多方面都起着重要作用。 、环境化学的任务、内容与特点 仼务:环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、 行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。 内容:有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态;潜在有害物质的来源, 它们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为;有害物质对环境和生 态系统以及人体健康产生效应的机制和风险性:有害物质已造成影响的缓解 和消除以及防止产生危害的方法和途径。 特点:从微观的原子、分子水平上,来研究宏观的环境现象与变化的化学机 制及其防治途径,其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。 2、环境化学的发展动向 环境问题和人们对它的洞察力上随着时间而变化的。环境化学硏究也随 着环境问题日益严峻和人们对它认识的提髙,在各个领域深入发展,出现某 些新的趋势。目前,国际上较为重视元素的生物地球化学循环及其相互耦合 的硏究;重视化学品安全评价;重视臭氧层、气候变暖等全球变化问题。我

2 (3)20 世纪 80 年代，人们对环境的认识有新的突破性发展，提出持续发展战 略。并发表了题为“我们共同的未来”的长篇报告。 (4)20 世纪 90 年代，巩固和发展了这种指导思想，形成当代主导的环境意识。 通过了《里约环境与发展宣言》《21 世纪议程》等重要文件。 二、环境化学 在近现代工农业发展和科技进步过程中，“化学”为人类提供了各种各样 的生产和生活用品，化学科学和化学工业为现代化社会做出了重要贡献。然 而与此同时，大量的有害化学物质进入地球的各个圈层后，大大降低了环境 质量，直接或间接的损害人类的健康，影响生物的繁衍和生态的平衡。 在解决复杂而综合的环境问题中，环境化学就在掌握污染来源，消除和 控制污染，确定环境保护决策，以及提供科学依据等多方面都起着重要作用。 1、环境化学的任务、内容与特点 任务：环境化学是一门研究有害化学物质在环境介质中的存在、化学特性、 行为和效应及其控制的化学原理和方法的科学。 内容：有害物质在环境介质中存在的浓度水平和形态；潜在有害物质的来源， 它们在个别环境介质中和不同介质间的环境化学行为；有害物质对环境和生 态系统以及人体健康产生效应的机制和风险性；有害物质已造成影响的缓解 和消除以及防止产生危害的方法和途径。 特点：从微观的原子、分子水平上，来研究宏观的环境现象与变化的化学机 制及其防治途径，其核心是研究化学污染物在环境中的化学转化和效应。 2、环境化学的发展动向 环境问题和人们对它的洞察力上随着时间而变化的。环境化学研究也随 着环境问题日益严峻和人们对它认识的提高，在各个领域深入发展，出现某 些新的趋势。目前，国际上较为重视元素的生物地球化学循环及其相互耦合 的研究；重视化学品安全评价；重视臭氧层、气候变暖等全球变化问题。我

国优先考虑的环境问题中与环境化学密切相关的是:以有机物污染为主的水 质污染;以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空气污染;工业有毒有害废弃 物和城市垃圾对大气、水和土壤的污染等。并且今后一个时期我国环境保护 工作的重点包括防治环境污染和保护自然生态两个方面。 第二节环境污染物 、环境污染物的类别 1、环境污染物:进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害 人类的变化的物质。 大部分的环境污染物是由人类的生产和生活活动产生的。有些物质原本 是生产中的有用物质,甚至是人和生物必须的营养元素,由于未充分利用而 大量排放,就可能成为污染物;有的污染物进入环境后,通过物理或化学反 应或在生物作用下会转变成危害更大的新污染物,也可能降解成无害物质 不同污染物同时存在时,可因拮抗或协同作用使毒性降低或增大。 环境污染物是环境化学研究的对象 2、环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、 土壤污染物等;按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体废物; 按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物。 3、下面介绍人类社会活动不同功能产生的污染物和化学污染物。 (1)工业:工业生产对环境造成的污染主要是对自然资源的过量开采,造成多 种化学元素在生态系统中的超量循环;能源和水资源的消耗于利用;生产过 程中产生的“三废”。 工业生产过程中产生的污染物特点是数量大,成分复杂,毒性强。常见 的有酸、碱、油、重金属、有机物、毒物、放射性等物质。还有的排放置致

3 国优先考虑的环境问题中与环境化学密切相关的是：以有机物污染为主的水 质污染；以大气颗粒物和二氧化硫为主的城市空气污染；工业有毒有害废弃 物和城市垃圾对大气、水和土壤的污染等。并且今后一个时期我国环境保护 工作的重点包括防治环境污染和保护自然生态两个方面。 第二节 环境污染物 一、环境污染物的类别 1、环境污染物：进入环境后使环境的正常组成和性质发生直接或间接有害 人类的变化的物质。 大部分的环境污染物是由人类的生产和生活活动产生的。有些物质原本 是生产中的有用物质，甚至是人和生物必须的营养元素，由于未充分利用而 大量排放，就可能成为污染物；有的污染物进入环境后，通过物理或化学反 应或在生物作用下会转变成危害更大的新污染物，也可能降解成无害物质， 不同污染物同时存在时，可因拮抗或协同作用使毒性降低或增大。 环境污染物是环境化学研究的对象。 2、环境污染物按受污染物影响的环境要素可分为大气污染物、水体污染物、 土壤污染物等；按污染物的形态可分为气体污染物、液体污染物和固体废物； 按污染物的性质可分为化学污染物、物理污染物和生物污染物。 3、下面介绍人类社会活动不同功能产生的污染物和化学污染物。 (1)工业：工业生产对环境造成的污染主要是对自然资源的过量开采，造成多 种化学元素在生态系统中的超量循环；能源和水资源的消耗于利用；生产过 程中产生的“三废”。 工业生产过程中产生的污染物特点是数量大，成分复杂，毒性强。常见 的有酸、碱、油、重金属、有机物、毒物、放射性等物质。还有的排放置致

癌物质,如苯并芘、亚硝基化合物。一些食品、制药、制革等一些生物制品 加工工业,还排放大量需氧有机物,从而产生微生物、寄生虫等 (2)农业:农业对环境造成的污染主要是农药、化肥、农业机械等工业品, 农业本身造成的水土流失和农业废弃物等。农家肥料中常含有细菌和微生物。 〔3)交通运输:对环境造成的污染主要是噪声、汽油和柴油等燃料燃烧的产 物排放和有毒有害物质的泄漏、清洗、扬尘和污水等。其中,石油燃烧排放 的废气中含有一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅、硫氧化物和苯并芘等。 (4)生活:生活活动也能产生物理的、化学的和生物的污染,排放“三废 分散取暖和炊事燃煤是城市主要的大气污染源之一。生活污水主要包括 洗涤和粪便污水,它含有病菌、病毒与寄生虫等病原体。城市垃圾中含有大 量废纸、玻璃、塑料、金属、动植物食品的废弃物等 2、化学污染物(九类 (1)元素:铅、镉、铬、贡、砷等重金属和准金属、卤素、氧、黄磷等。 (2)无机物:一氧化碳、氮氧化物、卤化氢、卤间化合物、氰化物等。 (3)有机化合物和烃类:烷烃、芳烃和多环芳烃等 (4)金属和准金属有机化合物:二苯铬等 (5)含氧有机化合物:环氧乙烷、醇、醛等。 (6)有机氮化合物:胺、硝基甲烷、TNT等。 (7)有机卤化物:四氯化碳、芳香族卤化物等。 8)有机硫化物:烷基硫化物、硫醇等 (9)有机磷化物:有机磷农药、有机磷军用毒气等 二、环境效应及其影响因素 1、环境效应:自然过程或人类的生产和生活活动会对环境造成污染和破坏, 从而导致环境系统的结构和功能发生变化。 2、按环境变化的性质可分为环璄物理效应、环境化学效应和环境生物效应。 4

4 癌物质，如苯并芘、亚硝基化合物。一些食品、制药、制革等一些生物制品 加工工业，还排放大量需氧有机物，从而产生微生物、寄生虫等。 （2）农业：农业对环境造成的污染主要是农药、化肥、农业机械等工业品， 农业本身造成的水土流失和农业废弃物等。农家肥料中常含有细菌和微生物。 （3）交通运输：对环境造成的污染主要是噪声、汽油和柴油等燃料燃烧的产 物排放和有毒有害物质的泄漏、清洗、扬尘和污水等。其中，石油燃烧排放 的废气中含有一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物、铅、硫氧化物和苯并芘等。 （4）生活：生活活动也能产生物理的、化学的和生物的污染，排放“三废”。 分散取暖和炊事燃煤是城市主要的大气污染源之一。生活污水主要包括 洗涤和粪便污水，它含有病菌、病毒与寄生虫等病原体。城市垃圾中含有大 量废纸、玻璃、塑料、金属、动植物食品的废弃物等。 2、化学污染物（九类） （1）元素：铅、镉、铬、贡、砷等重金属和准金属、卤素、氧、黄磷等。 （2）无机物：一氧化碳、氮氧化物、卤化氢、卤间化合物、氰化物等。 （3）有机化合物和烃类：烷烃、芳烃和多环芳烃等。 （4）金属和准金属有机化合物：二苯铬等。 （5）含氧有机化合物：环氧乙烷、醇、醛等。 （6）有机氮化合物：胺、硝基甲烷、TNT 等。 （7）有机卤化物：四氯化碳、芳香族卤化物等。 （8）有机硫化物：烷基硫化物、硫醇等。 （9）有机磷化物：有机磷农药、有机磷军用毒气等。 二、环境效应及其影响因素 1、环境效应：自然过程或人类的生产和生活活动会对环境造成污染和破坏， 从而导致环境系统的结构和功能发生变化。 2、按环境变化的性质可分为环境物理效应、环境化学效应和环境生物效应

1、环境物理效应:是由物理作用引起的,如:噪声、地面沉降、热岛效应 温室效应等 2、环境化学效应:在各种环境因素影响下,物质间发生化学反应产生的环境 效应。如:湖泊的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度升髙、局部地区发生光 化学烟雾、有毒有害固体废物的填埋造成地下水污染等 3、环境生物效应:环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果。如:大量 工业废水排入江河湖海队生态系统产生毒性效应,使鱼类受害减少甚至灭绝。 任意砍伐森林,造成水土流失,产生干旱、风沙灾害等。 三、环境污染物在环境各圈层的迁移转化过程简介 1、污染物的迁移:污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分 散和消失的过程。 2、污染物的转化:污染物在环境中通过物理、化学和生物的作用改变形态或 转变为另一种物质的过程。 3、污染物的迁移主要有机械迁移、物理一化学迁移和生物迁移三种方式。污 染物可通过蒸发、渗透、凝聚、吸附等物理过程实现转化;也可通过光化学 氧化、氧化还原、水解等化学作用实现;还可通过生物的吸附、代谢等生物 作用实现转化。 (分别举例说明) 四、环境化学的地位和作用(见课本3页)

5 1、环境物理效应：是由物理作用引起的，如：噪声、地面沉降、热岛效应、 温室效应等。 2、环境化学效应：在各种环境因素影响下，物质间发生化学反应产生的环境 效应。如：湖泊的酸化、土壤的盐碱化、地下水硬度升高、局部地区发生光 化学烟雾、有毒有害固体废物的填埋造成地下水污染等。 3、环境生物效应：环境因素变化导致生态系统变异而产生的后果。如：大量 工业废水排入江河湖海队生态系统产生毒性效应，使鱼类受害减少甚至灭绝。 任意砍伐森林，造成水土流失，产生干旱、风沙灾害等。 三、环境污染物在环境各圈层的迁移转化过程简介 1、污染物的迁移：污染物在环境中所发生的空间位移及其所引起的富集、分 散和消失的过程。 2、污染物的转化：污染物在环境中通过物理、化学和生物的作用改变形态或 转变为另一种物质的过程。 3、污染物的迁移主要有机械迁移、物理—化学迁移和生物迁移三种方式。污 染物可通过蒸发、渗透、凝聚、吸附等物理过程实现转化；也可通过光化学 氧化、氧化还原、水解等化学作用实现；还可通过生物的吸附、代谢等生物 作用实现转化。 （分别举例说明） 四、环境化学的地位和作用（见课本 3 页）

第二章全球环境概述 全球环境包括大气圈、水圈、岩石一土壤圈和生物圈,这四个圈层就构 成了一个相互作用的大系统。在这个大系统中各个圈层间不断发生着各种各 样的物理、化学和生物化学反应。为了研究这些反应及反应过程,我们必须 首先了解各个圈层的基本结构和性质。 第一节大气圈 大气圜的结构 大气圈的层次结构通常有两种划分方法: (一)按化学组成可分为同质层和异质层。 同质层:是指从地面到80km左右的大气层。 特点:密度随高度增加而减小,成分较稳定。 异质层:是指高于80km的大气层。 特点:外来物质分散不均一,常因发生强光化学反应,产生许多带 电粒子,密度较低。 (二)按大气在垂直方向上温度变化和运动特点可分为 1、对流层:是指接近地面的一层,厚度随纬度变化而不同 特点: (1)温度随高度的增大而减小,在地面以上2km内,还会出现逆温现象, 温度随高度的增大而不变。 (2)有强烈的对流运动,由于近地面空气受地表热辐射影响向上运动,上方 冷空气下降,从而形成对流运动 (3)出现气候现象如云、雨、雪、雹等 (4)在距离地面1km~10km间的气体被视为理想气体

6 第二章 全球环境概述 全球环境包括大气圈、水圈、岩石—土壤圈和生物圈，这四个圈层就构 成了一个相互作用的大系统。在这个大系统中各个圈层间不断发生着各种各 样的物理、化学和生物化学反应。为了研究这些反应及反应过程，我们必须 首先了解各个圈层的基本结构和性质。 第一节 大气圈 一、大气圈的结构 大气圈的层次结构通常有两种划分方法： （一）按化学组成可分为同质层和异质层。 同质层：是指从地面到 80km 左右的大气层。 特点：密度随高度增加而减小，成分较稳定。 异质层：是指高于 80km 的大气层。 特点：外来物质分散不均一，常因发生强光化学反应，产生许多带 电粒子，密度较低。 （二）按大气在垂直方向上温度变化和运动特点可分为： 1、对流层：是指接近地面的一层，厚度随纬度变化而不同。 特点： （1）温度随高度的增大而减小，在地面以上 2km 内，还会出现逆温现象， 温度随高度的增大而不变。 （2）有强烈的对流运动，由于近地面空气受地表热辐射影响向上运动，上方 冷空气下降，从而形成对流运动。 （3）出现气候现象如云、雨、雪、雹等。 （4）在距离地面 1km~10km 间的气体被视为理想气体

(5)出现对流层顶,温度达到最低 2、平流层:是指对流层顶到50km的大气层,在这一层中除含有N2、O2外, 还含有O3、CO、CO2、CH4等。 特点 (1)在距离地面10~40km处,存在一臭氧层。 (2)在平流层下层(10~-12km左右)随高度增加,温度不变;在上层随高 度增加,温度升高。O3O2+OO→ (3)大气的运动多为平流运动 (4)空气稀薄,透明度好 (5)大气较稳定 (6)距离地面50km处,温度达最高值,出现平流层顶 3、中间层:是指平流层顶到85km处的大气 特点: (1)空气稀薄,随高度增加,温度降低。 (2)有强烈的对流运动。 (3)距离地面85km处,温度达最低值,出现中间层顶 4、热层:是指中间层顶到70km处的大气。 特点: (1)空气更稀薄,高度80~90km处,温度不变;90km以上,温度迅速升高。 (2)空气处于高度电离状态。由于阳光和宇宙射线作用,空气中的大部分分 子发生电离。 (3)该层对无线电通信有重大意义。 5、外逸层:是指700~3000km处的大气区域 特点 (1)空气更稀薄,温度随高度升高而升高 (2)空气和微粒可以从该层进入宇宙。由于地心引力太小

7 （5）出现对流层顶，温度达到最低。 2、平流层：是指对流层顶到 50km 的大气层，在这一层中除含有 N2、O2 外， 还含有 O3、CO、CO2、CH4等。 特点： （1）在距离地面 10~40km 处，存在一臭氧层。 （2）在平流层下层（10~12km 左右）随高度增加，温度不变；在上层随高 度增加，温度升高。O3 O2+O O3 （3）大气的运动多为平流运动。 （4）空气稀薄，透明度好。 （5）大气较稳定。 （6）距离地面 50km 处，温度达最高值，出现平流层顶。 3、中间层：是指平流层顶到 85km 处的大气。 特点： （1）空气稀薄，随高度增加，温度降低。 （2）有强烈的对流运动。 （3）距离地面 85km 处，温度达最低值，出现中间层顶。 4、热层：是指中间层顶到 70km 处的大气。 特点： （1）空气更稀薄，高度 80~90km 处，温度不变；90km 以上，温度迅速升高。 （2）空气处于高度电离状态。由于阳光和宇宙射线作用，空气中的大部分分 子发生电离。 （3）该层对无线电通信有重大意义。 5、外逸层：是指 700~3000km 处的大气区域。 特点： （1）空气更稀薄，温度随高度升高而升高。 （2）空气和微粒可以从该层进入宇宙。由于地心引力太小

大气组分及浓度表示法 气体组分N2、O2、CO2、H2O、He、Ne、 大气组分 Ar、CH4、H2、SO2、NO 颗粒物尘埃:d>10u 1、尘埃: 气溶胶:d<10 2、气溶胶:是指固态或液态微粒均匀分散在气体中而形成的稳定体系 来源:天然源:火山喷发、森林火灾、流星碎屑等 人为源:硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物等 危害:(1)引起地面或物体表面积尘 (2)降落在金属器件上,加速器件腐蚀 (3)与大气中的SO2等形成酸雾或酸性沉降物; (4)引发感冒、支气管炎等人体疾病 (5)成为影响气候的重要因素之一。如促成雨、雾的形成,增加云 层对阳光的反射能力等。 消除过程:(见复印198、199页) 大气中粒子被消除的过程语其本身大小有关,最大的粒子有相当大的沉降 速度,并可用斯托克斯定律来定量描述

8 二、大气组分及浓度表示法 （一） 气体组分 N2、O2、CO2、H2O、He、Ne、 大气组分 Ar、CH4、H2、SO2、NO2 颗粒物 尘 埃：d﹥10µm 1、尘埃： 气溶胶：d<10µm 2、气溶胶：是指固态或液态微粒均匀分散在气体中而形成的稳定体系。 来源：天然源：火山喷发、森林火灾、流星碎屑等 人为源：硫酸盐、硝酸盐、碳氢化合物等 危害：（1）引起地面或物体表面积尘； （2）降落在金属器件上，加速器件腐蚀； （3）与大气中的 SO2等形成酸雾或酸性沉降物； （4）引发感冒、支气管炎等人体疾病； （5）成为影响气候的重要因素之一。如促成雨、雾的形成，增加云 层对阳光的反射能力等。 消除过程：（见复印 198、199 页） 大气中粒子被消除的过程语其本身大小有关，最大的粒子有相当大的沉降 速度，并可用斯托克斯定律来定量描述

例题:已知温度为273K时,空气的粘度和密度分别为170脚gms和00013 gcm3,求粒径d=的细菌类颗粒物在空气中的沉降速度(颗粒物密 度为2gm3)(6.4*10) 三、温室效应和地球暖化 最早提出温室效应的是法国数学家傅立叶,此后人们在对水、二氧化碳 吸收光谱的基础上,建立了有关温室效应的基本理论。 (一)太阳和地球辐射间的能量平衡 地球表面在白天受日照后,温度升高,地面就成为一个长波辐射体。太阳、 地球和大气低层的云层在各自的温度范围内可看作黑体(即能全部吸收外来 电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体)。黑体的辐射度(即每单位面积和单 位时间内发射的辐射能)可用普朗克定律表示 当辐射度对波长全微分是,就可得出累积辐射度的表达式: 该表达式为斯蒂芬一波尔茨曼辐射定律,并可用曲线来表示(如图) 每条曲线下面的面积等于绝对黑体在一定温度下单位面积上所发生的累积辐 射度。辐射度的最大值所在位置的波长可按下式确定

9 例题：已知温度为 273K 时，空气的粘度和密度分别为 170 µg cm.s 和 0.0013 g cm3 , 求粒径 d=1µm 的细菌类颗粒物在空气中的沉降速度（颗粒物密 度为 2 g cm3）（6.4*10-4） 三、温室效应和地球暖化 最早提出温室效应的是法国数学家傅立叶，此后人们在对水、二氧化碳 吸收光谱的基础上，建立了有关温室效应的基本理论。 （一）太阳和地球辐射间的能量平衡 地球表面在白天受日照后，温度升高，地面就成为一个长波辐射体。太阳、 地球和大气低层的云层在各自的温度范围内可看作黑体（即能全部吸收外来 电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体）。黑体的辐射度（即每单位面积和单 位时间内发射的辐射能）可用普朗克定律表示： 当辐射度对波长全微分是，就可得出累积辐射度的表达式： 该表达式为斯蒂芬—波尔茨曼辐射定律，并可用曲线来表示（如图 ）， 每条曲线下面的面积等于绝对黑体在一定温度下单位面积上所发生的累积辐 射度。辐射度的最大值所在位置的波长可按下式确定：

根据以上理论,我们可以说,由太阳所发的是短波辐射;由地球表面所 发的是长波辐射。并且由于两者温度差别太大,所以这两种辐射波实际上是 不会互相重叠的。如图所示。整个太阳辐射波谱是在波长小于4微米的范围 内;而整个地球辐射波谱是在4~30微米的范围内。因此4微米是区分这两 种辐射的界限。但就辐射度来说,太阳辐射仅以很小的立体角投射到地球上, 并且在途中很大一部分被大气层吸收、反射,所以从年平均情况来说,为地 球所吸收的能量和发射的能量正好抵消(如图) (二)温室效应 大气中二氧化碳、臭氧、水蒸气、悬浮水滴和云层中冰晶以及卤代烃等 微量气体能有效的吸收地面辐射中各波段譜线,随后吸收的辐射又被这些气 体以相同的波长发射,一部分返回地面。这样,大气就像一个“玻璃屋顶”, 屋顶与地面之间形成一个“温室”,可以对地面起保温作用 我们已经知道,地球是一个辐射体,且可以粗略的视之为黑体。如图 受太阳辐射输入能量后,地面温度不断升髙,直到发射能量与注入能量平衡 为止。达到平衡时的简化关系式为:

10 根据以上理论，我们可以说，由太阳所发的是短波辐射；由地球表面所 发的是长波辐射。并且由于两者温度差别太大，所以这两种辐射波实际上是 不会互相重叠的。如图所示。整个太阳辐射波谱是在波长小于 4 微米的范围 内；而整个地球辐射波谱是在 4～30 微米的范围内。因此 4 微米是区分这两 种辐射的界限。但就辐射度来说，太阳辐射仅以很小的立体角投射到地球上， 并且在途中很大一部分被大气层吸收、反射，所以从年平均情况来说，为地 球所吸收的能量和发射的能量正好抵消（如图 ）。 （二）温室效应 大气中二氧化碳、臭氧、水蒸气、悬浮水滴和云层中冰晶以及卤代烃等 微量气体能有效的吸收地面辐射中各波段譜线，随后吸收的辐射又被这些气 体以相同的波长发射，一部分返回地面。这样，大气就像一个“玻璃屋顶”， 屋顶与地面之间形成一个“温室”，可以对地面起保温作用。 我们已经知道，地球是一个辐射体，且可以粗略的视之为黑体。如图 。 受太阳辐射输入能量后，地面温度不断升高，直到发射能量与注入能量平衡 为止。达到平衡时的简化关系式为：