60 50 平流层顶
40
30
N2, O2, O3, (NH4)2SO4
20
10
对流层顶
N2, O2, H2O, Ar, CO2
大气质量的一半集中在离
200
250 300 T/K
地面5km以下，90%集中
在30km以下。
对流层
• 0~17km • 气体密度大 • 强烈垂直对流现象，90.9%天气现象，污染物直接
03章大气环境化 学
精品
3.1.1 大气的组成和结构
大气圈的生态作用
• 光合作用↔呼吸作用，CO2O2。生命活动。 • 水汽：水循环。 • 大气层对维持地球的温度有重要意义。
大气组成
• 总质量~3.9×1015吨，地球的百万分之一。
组分
N2 O2 Ar
CO2 其他（Ne、He、Kr、H2等）
体积% 78.08 20.95 0.93 0.03 0.01
• 固体悬浮粒子
– 主要来自工业烟尘、火山喷尘和海浪飞逸的盐质等： – 降尘：粒径>10 μm，数小时； – 飘尘：粒径<10 μm，数年。
大气的结构
高度/km 110
1. 对流层
100 90
N2, O2+, O+, O, NO+
中间层顶
2. 平流层 3. 中层 4. 热层 5. 外层
80
70
N2, O2, O2+, NO+
• 下部带电层反射高频无线电波，使之围绕地球折射 若干次。通讯。
外层
• 500~16000 km (边界？)，也称逃逸层；
– 地球引力场束缚减弱，大气不断向星际空间逃逸，大气 高度稀薄；
• 电离状态。
大气运动
• 原因：大气热能交换 • 热源：太阳 • 结果：温度不一 • 大气污染~气候异常
– 大气的自然变化进程相当缓慢。 – 人类活动造成的变化有时很明显，有时则以渐变形式发
• 顶部(~85 km)降到-63 ~ -103 0C (中纬度)
– O3浓度减小 – 光化学反应
热层
• 85~500km，又称电离层 • 温度可升高到1200℃ • D、E、F三个区：
– D区（60~90km）：NO离解； – E区（90~120km）：O2离解； – F区（120km以上）：O2、N2都离解；
生，必须密切关注。如果任其发展，后果将非常严重。
3.1.2 温室效应
地球的热平衡
大气吸收
太阳辐射： 大气反射50％ 其余50％ 大气或颗粒物吸收 到达地面，被吸收 红外辐射
温室效应
地球 辐射
温室效应
• 温室效应：透射阳光的密闭空间由于与外界缺乏热 交换而形成的保温效应。
• 太阳辐射透过大气射达地面，地表增暖后放出的长 波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而 产生大气变暖的效应。
排放层。 • 地面热辐射，高度↑，气温↓。平均降幅为6ºC / km，
顶部约为-50ºC。
平流层
• 17~55km • 水气、尘埃含量甚微，透明度高，天气现象很少。 • 空气水平移动显著。 • 高度↑，温度↑
– 下层温度变化不大，称“同温层”； – “逆温”现象。
中间层
• 55~85 km
– 大气垂直运动剧烈 – 高度↑，气温↓
温室效应简单计算： 能量入射 = SπR2 S = 1372 W/m2 能量反射 = αSπR2 α= 反射率 = 0.31 能量二次辐射 = τ4πR2T4 τ = 5.67 x 10-8 W/m2K4 …… 得T = 255K（-18 ºC） 目前地表平均温度 T = +15ºC，比计算高出33ºC。
在对流层稳定，在平流层 光解、和O反应 1) 干、湿沉降 2) 与OH反应
其他影响 影响大气平流层中O3的浓度
· 影响O3、HO 、H2O浓度，
产生CO2 影响平流层O3的浓度
吸收紫外光及红外线辐射
· 影响平流层O3和HO 的循环，
产生CO2 破坏O3层
形成悬浮粒子而散射太阳辐 射，产生酸雨
人为温室效应气体排放
大气窗口：850-1100nm
CF2Cl2吸收 CFCl3吸收
• 吸收谱带覆盖大 气窗口
800 1000 1200 nm
温室气体要素
• 分子必须具有振动能级； – 排除单原子气体（Ar，第三大气组分）。
• 分子振动必须是不对称的，即具有红外活性； – 同核双原子分子只有对称振动，因此N2、O2也 不属于温室气体。
大气成分分类
分类 准永久性气 体 可变组分 强可变组分
气体 N2、Ar、He、Kr、Xe等
停留时间 106～7年
CO2、CH4、H2、N2O、O3、O2等 2～15年
CO、NOx、NH3、H2O、H2S、SO2、2～200天 碳氢化合物、颗粒物
大气组成－水和固体颗粒
• H2O
– 含量变化大（ 0.5~5%，一般1~3% ）； – 主要来源：水体、土壤和植物水分的蒸发； – 水气是天气现象和污染化学现象中的重要角色；
主要温室气体
• H2O • CO2 • CH4 • N2O • O3 • CFCs • SF6
温室气体相对贡献
气体
CO2 CFCs 甲烷 氮氧化物
浓度(ppm)
351 0.00225 1.675 0.31
浓度增加 (%年) 0.4 5 1 0.2
相对温 室效应
1 15 000 25 230
目前温室效 应贡献(%) 57 25 12 6
人类活动 燃料燃烧 农业活动 工业制成品 交通运输
排放气体
CO2、NOx CH4、NOx 氟氯烃
NOx、CH、O3（光化学污染）
• 大气中CO2含量：工业革命280 ppm，目前379 ppm，到2100年将增加到650~970 ppm。
大气窗口
CO2 吸收光谱
CO2强烈吸收 12001630 nm辐射；
H2O吸收700-850 nm、 1100-1400 nm；
大气窗口：850-1100nm
400 800 1200 1600 2000 2400 nm
H2O 吸收光谱
地表红外辐射
单向过滤作用；大气升温，维持地球热平衡。

氟利昂的吸收
温室气体的源和汇
气体 CO2
CH4
源 1) 燃料 2) 毁林 1) 肠道发酵 2) 水稻
N2O 1) 燃料 2) 化肥
O3
O2光化反应
CO 1) 植物
2) 燃料
CFCs 工业生产
SO2 1) 火山 2) 燃烧
汇 1) 被海洋吸收 2) 植物光合作用 1) 和OH反应 2) 土壤微生物吸收
1) 土壤吸收 2) 光分解、和O反应 与NOx、ClOx、HOx等反应 1) 被土壤吸收 2) 和OH反应