1大气环境 1.1地球大气圈 我们把覆盖在地球表面并随地球引力而旋转的大气层叫做大 气圈。这样的气层高度可达上万公里,但是在几千公里的高空,气 体已经非常稀薄,已经接近宇宙空间的状态了,为此在一般情况 下,可以把1000-1400公里以下的气层作为大气圈的厚度。 地球大气圈的总质量约为5300万亿吨。但它们的分布是不 均匀的。在近地层的大气层里空气稠密,在海平面处空气的密度 约为1.293kg/m3,然后随着高度上升而迅速变稀,到5公里处,密 度将降到一半,到10公里处,密度将降到海平面处的20% 根据大气组成状况及大气在垂直高度上的温度变化可以把大 气圈科学地分为五层:对流层、平流层、中间层热层和散逸层。图 1-1是地表面到100公里高空的大气圈的结构。 对流层是大气圈的最低一层,其厚度在极地约8公里;在赤道 约17~18公里,在中纬度平均约12公里。整个大气圈的质量约 有80%~90%集聚在这一层。这一层大气对人类的影响最大。 通常所谓的空气污染也就发生在这一层,特别是发生在地面以上 厚度1公里多的大气层中,特称此层为大气边界层。 对流层直接与地表面的水圈和岩石圈接触。当岩石圈与水圈 的表面被太阳晒热后,地表面的热量通过传导、辐射对流湍流等 方式再传递给大气,故低层的空气首先被加热,然后再逐步把热量
传送到上层的大气。还由于地面有海陆之分,昼、夜之别,以及纬 度高低之差,它们的受热状况和被加热的能力都有很大差别,因而 不同地表面处的低层空气的温度也千差万别,从而就形成了垂直 和水平方向的对流。这是对流层的一个重要特性。 100 热层(电离层) 中向层顶 中间层 流层顶 平流层 对流层顶 对流层 0 240 温度(K) 图1-1大气圈的构造 绝大部分的空气组分不能直接吸收太阳能量,而只能吸收地 面的辐射能,所以对流层的另一个重要特点是温度随高度的增加 而下降,平均下降率为每100米0.65℃。而在最下层的大气边界 层内,温度的上下分布受太阳辐射加热和地面辐射冷却所控制,在 白天和晚上,以及阴天和晴天都不一样,有时候温度随高度增加, 有时候减少 另外,对流层空气与水圈和岩石圈接触的另一后果,是尘埃
微生物等固态物质进入空气层,成为扬尘、飞沙的来源;而水蒸汽 进入大气,就会形成云雾雨雪雹霜、露等一系列天气现象。 大气边界层是直接受地表影响最强烈的气层,它与人类活动 的关系最密切最直接,空气污染问题亦主要发生在这一层中 大气边界层的厚度一般为1公里多些。它随天气条件、地表 特征而有些变化。其厚度相对于整个大气层而言,虽然只占了薄 薄的一层,但它却占有了整个空气质量的十分之一左右。 大气边界层与人类活动的关系最密切、最直接,空气污染问题 亦主要发生在这一层中。 在这一层里,气流受地面摩擦力和地形地物的影响,并受这 层里的动量、热量水气和其他物质的输送传递等的支配。空气 污染物排放进入大气层,其活动决定于各种尺度的大气过程,首先 是受大气边界层中不规则的湍流运动所支配。 温度的日变化可以看作是太阳辐射引起的加热及地面长波辐 射引起的冷却,这加热和冷却借助于湍流由地面向上传播。在晴 朗的白天,靠近地面处温度较高,然后往上,逐渐递减;而在晴朗的 夜晚,靠近地面处温度较低,然后往上,逐渐增加。因而边界层中 温度场具有特征性的日平均垂直梯度,并在日平均值上再叠加以 昼夜为周期的波动波动愈接近地面愈剧烈,随着接近边界层的上 边界而逐渐减弱为零 对流层上部与平流层的过渡区称为对流层顶,厚度约几百米 到1千多米。 在对流层顶上面是平流层,其厚度约为38公里。在该层中集 中了地球大气中大部分的臭氧,而臭氧能强烈地吸收太阳的紫外 线能量,从而使得其温度随高度的增加而上升。平流层内的空气 主要作水平运动,对流十分微弱,一般气流平稳,几乎没有水蒸气 和尘埃,所以大气透明度好,极少狂风暴雨等现象。但是,如果大 气污染物进入平流层后,一般难于消除,会较长时间地存在。平流
层顶位于离地面50~5公里处,那里的温度约为271K。 平流层上面是中间层,该层缺少加热的机制,故气温又随高度 的增加而下降。其厚度约为35公里。中间层顶位于离地面80 85公里处那里的温度约为190K。 中间层上面是热层。该层的氧分子一般分解成原子状态,而 原子氧可吸收太阳能使温度急剧上升。而且其中有一个带电粒子 的稠密带称为电离层,它可以使无线电波反射回地面,这对远距 离通信极为重要。本层厚度约630公里。 热层的上面,即高度在700公里以外,这里气体极为稀薄粒 子之间很少相互碰撞,气体质点很容易游离出地球空间,而进入宇 宙空间,故此层被称为散逸层,其厚度约有上万公里。在此以外就 是宇宙空间了。 从地球表面向上,大约到90公里高度,大气的主要成分氧和 氮的组成比例几乎没有什么变化,我们称它为均质大气层(简称为 均质层),在均质层以上直到外层空间,其气体的组成随高度的升 高有很大的变化,这个圈层我们称它为非均质层。通常可以认为 对流层、平流层和中间层是均质层,而热层和散逸层为非均质层。 1.2大气组成 大气由多种气体混合而成它可分为恒定成分、可变成分和不 定成分。 恒定成分有氮氧氬、氖、氮、氪、氙等气体。其中氮占78 084%、氧20.9476%、氬0934%这三者共占空气总体积的99 97%,加上微量的氖氦氪氙等稀有气体,就构成了空气中的恒 定组分,这一组分的比例在地球表面上任何地方的均质层里几乎 是可以看作不变的。 可变成分有二氧化碳和水气,它们的含量随地区、季节、气象
条件等因素以及人们的生产和生活活动的影响而发生变化。在通 常情况下二氧化碳的含量为0.02%~0.04%,水气的含量为0% 4% 只含有上述恒定组分和可变组分的空气,我们认为是纯洁清 净的空气。并特别把不包含水气和悬浮颗粒物的这种空气称为干 洁空气。 大气中不定成分有氮氧化物、二氧化硫、硫化氢、臭氧等。它 们的来源有两个。 1)自然界的火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的自然 灾害所引起的。由此形成的污染物有尘埃硫、硫化氢、硫氧化物、 氮氧化物、盐类及恶臭气体等。一般说来,这些不定组分进入大气 中,可造成局部和暂时性的污染。 2)由于人类社会生产的发展,城市增多与扩大,人口密集,或 由于城市工业布局不合理,环境管理不善等人为因素,使得大气中 增加或增多了某些不定组分,如煤烟、尘、硫氧化物、氮氧化物等, 这是空气中不定组分的最主要来源,也是造成空气污染的主要根 源 表1-1列出了洁净大气的组成和城市环境污染空气中一些 成分的含量(以体积浓度表示)。由表可知,洁净大气中的不定成 分含量很低,对人体和环境是没有明显影响的,然而,在污染空气 中,这些不定成分的含量都比背景值高出许多,这是由人类活动的 排放造成的。 应当指出,不论是大气的恒定成分还是可变成分或不定成分, 它们在大气中每时每刻都在进行物理和化学运动与海洋、生物和 地面发生循环交换,各处在源的排放量和汇的消失量的平衡状况 下,如若某一成分的源排放量超过汇的消失量,则它在大气中的含 量会增加,反之则含量减少
表1-1洁净大气的组成和污染空气中一些成分的含量 化学成分 洁净大气 污染空气 78.084% 氮氧氢氖氨氪氙 20,9476% 0.934% 5.24ppm 1. 14ppm 0.087ppm 甲烷 2.00ppm 氢 0.50 二氧化碳 330ym 350~700ppm 氧化碳 0.10pp 5~200ppm 臭氧 0.02-0.08pm 0.1~0.5ppm 二氧化氮 0.001ppm 0.05~0.25ppm 氧化氟 0. 006ppm 0.05~0.75pm 二氧化硫 0.001-0.0lppm 0.02-2ppm 氨 0001pp 0.01~0.25pom 硝酸 002~0.3pb2 3~50pb HCHD 0. 4ppb 过氧乙酰硝酸酯(PAN) 3~35pb ①100万体积空气中所含的某组分的体积; ②10亿体积空气中所含的某组分的体积
1.3环境空气质量标准及其受污染的容许水平 13.1空气污染物的浓度表示方法 大气中空气污染物的浓度有两种表示方法,一种是质量浓度, 以单位体积所含污染物质的量表示,单位有毫克/立方米(mg/m3)、 微克/立方米(Pgm3)等;一种是体积浓度,指一定体积空气中含有 害物质的体积,主要用于气体污染物单位常用pm(100万体积空 气中所含有害气体的体积)等。两种单位可由以下公式互换,即 由质量浓度毫克/立方米换算成体积浓度ppm用 22.4 Mr 由体积浓度ppm换算成质量浓度毫克/立方米用 C M-x (mg/m) (1-2) 以上各式中,c为毫克/立方米质量浓度,M为相对分子质 量,x为ppm体积浓度 例如1mg/m3的SO2化成体积浓度就是0.35pm,而 I ppm的 SO2化成质量浓度就是2.86mg/m3。 在测定空气污染物浓度时,由于现场的气温、气压各异,为使 所测浓度相互比较,则应将所采集的气样体积按下式统一换算成 标准状况(0℃,1013hPa)下的体积,即 vx7×B=V 这里V为标准状况下的体积(单位用标准立方米,Nm3或 mN),V1为现场实际状况下的体积(m3),同样,、P和T、p分 别表示两种状况下的气温(K)和气压(百帕,hPa)
1.3.2环境空气质量标准及居住区有害物质的最高容许浓度 为改善环境空气质量,防止生态破坏,创造清洁适宜的环境, 保护人体健康,根据人类和动植物对不同空气污染物质的容忍程 度,依据中华人民共和国《环境保护法》和《大气污染防治法》,国家 已在1982年制定了《大气环境质量标准》,并在1996年和2000年 两次进行了修订,发布《GB3095-19%6环境空气质量标准》,此标 准针对二氧化硫、总悬浮颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化氮、一氧化 碳、臭氧、铅、苯并[a]芘和氟化物等九种污染物,按其在空气中的 浓度,划分成三级。 级标准:为保护自然生态和人群健康,在长期接触的情况 下,不发生任何影响的空气质量要求。 二级标准:为保护人群健康和城市、乡村的动植物,在长期和 短期接触的情况下,不发生伤害的空气质量要求。 三级标准:为保护人群不发生急、慢性中毒和城市一般动、植 物(敏感者除外)正常生长的空气质量要求。 该标准确定的三级标准浓度限值列于表1-2中。该表中有 关符号说明如下。 总悬浮颗粒物(TSP):指能悬浮在空气中,直径小于或等于 100微米的颗粒物 可吸人颗粒物(PM10):指悬浮在空气中,直径小于或等于10 微米的颗粒物。 铅(Pb):指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物。 苯并[a]芘(B[a]P):指存在于可吸入颗粒物中的苯并[a]芘。 氟化物(以F计):以气态及颗粒态形式存在的无机氟化物
表1-2环境空气质量标准浓度限值表(GB309-1996) 浓度限值 污染物名称 取值时间 浓度单位 一级标准二级标准三级标准 年平均 0.10 二氧化硫 日平均 0.05 0.15 0.25 1小时平均0.15 0.50 0.70 总悬浮颗粒物 年平均 0 0.20 0.30 日平均 0.12 可吸入颗粒物 年平均 0.04 0.10 0.15 日平均 毫克/立方米 0.05 0.15 0.25 二氧化氮 年平均 0.04 0.08 008(标准状态 日平均 0.12 NO 1小时平均0.12 一氧化碳 日平均 1小时平均10.00 10.00 20.00 臭氧03 1小时平均0.16 0.20 0.20 铅 季平均 1.50 微克/立方米 年平均 (标准状态④ 苯并[a]芘 日平均 0.01 Bla]p 氟化物 日平均 1小时平均 月平均 3.0 微克/(平方 植物生长季 l.2 分米·日) 注:①适用于城市地区;②适用于牧业区和半农半牧区、蚕桑业 ③适用于农业和林业区;④指温度为273K气压为101325hPa时的状态。 该标准又根据各地区的地理生态、政治、经济、文化等情况将 环境空气质量保护区分为三类 类区为自然保护区、风景名胜区和其他需要特殊保护的地 区,这些区域执行一级标准; 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文
化区、般工业区和农村地区,这些区域执行二级标准; 三类区为特定工业区,这类区域执行三级标准。 世界各国对大气环境质量都提出了各自的要求,但他们都根 据各自国家的特点,要求的标准值略有差异,有的严格,有的较松。 表1-3列出了世界各国标准的比较情况。从表中可见,对硫氧化 物和氮氧化物我国的标准较严,处于世界的先进水平,但比日本 的标准松些。但对总悬浮颗粒物我国的要求偏低,今后随着环保 意识的加强,该标准应适当提高。 表1-3各国的大气环境质量标准单位:mgNm) 1小时 硫氧化物 日本 0.11 (ppm) 前西德 0.144 加拿大 0.71 意大利 0.37 韩国 中国 0.50 0.15 0.06 氮氧化物 日本 前西德 0.31 0.10 加拿大 0.21 中国(NO2) 0.24 0.12 0.08 总悬浮颗粒物 日本 0.20 0.10 美国 0.26 0.075 加拿大 0.12 芬兰 0.15 法国 0.35 意大利 0.30