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关于大气层

(2009-07-11 21:11:37)
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杂谈

一、大气层的概念

大气层(atmosphere)又叫大气圈,地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气,占78.1%;氧气占20.9%;氩气占0.93%;还有少量的二氧化碳、稀有气体(氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气)和水蒸气。大气层的空气密度随高度而减小,越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在1000千米以上,但没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点,分为对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层,再上面就是星际空间了。

对流层在大气层的最低层,紧靠地球表面,其厚度大约为10至20千米。对流层的大气受地球影响较大,云、雾、雨等现象都发生在这一层内,水蒸气也几乎都在这一层内存在。这一层的气温随高度的增加而降低,大约每升高1000米,温度下降5~6℃。动、植物的生存,人类的绝大部分活动,也在这一层内。因为这一层的空气对流很明显,故称对流层。对流层以上是平流层,大约距地球表面20至50千米。平流层的空气比较稳定,大气是平稳流动的,故称为平流层。在平流层内水蒸气和尘埃很少,并且在30千米以下是同温层,其温度在-55℃左右。平流层以上是中间层,大约距地球表面50至85千米,这里的空气已经很稀薄,突出的特征是气温随高度增加而迅速降低,空气的垂直对流强烈。中间层以上是暖层,大约距地球表面100至800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时,太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收,因此温度升高,故称暖层。散逸层在暖层之上,为带电粒子所组成。

除此之外,还有两个特殊的层,即臭氧层和电离层。臭氧层距地面20至30千米,实际介于对流层和平流层之间。这一层主要是由于氧分子受太阳光的紫外线的光化作用造成的,使氧分子变成了臭氧。电离层很厚,大约距地球表面80千米以上。电离层是高空中的气体,被太阳光的紫外线照射,电离成带电荷的正离子和负离子及部分自由电子形成的。电离层对电磁波影响很大,我们可以利用电磁短波能被电离层反射回地面的特点,来实现电磁波的远距离通讯。

在地球引力作用下,大量气体聚集在地球周围,形成数千公里的大气层。气体密度随离地面高度的增加而变得愈来愈稀薄。探空火箭在3000公里高空仍发现有稀薄大气,有人认为,大气层的上界可能延伸到离地面6400公里左右。据科学家估算,大气质量约6000万亿吨,差不多占地球总质量的百万分之一,其中包括:氮78%、氧21%、氩0.93%、二氧化碳0.03%、氖0.0018%,此外还有水汽和尘埃等。

根据各层大气的不同特点(如温度、成分及电离程度等),从地面开始依次分为对流层、平流层、中间层、热层(电离层)和外大气层。

二、大气层的形成和演化

现在多数的观点认为,地球的大气圈是由固体地球内部脱气作用而形成。产生这种看法的主要依据地球的元素丰度和太阳系元素丰度对比以及地球、火星和金星的大气圈成分对比。地球和太阳系丰度的最大差别在于地球严重缺损各种惰性气体和氢。这一事实是很难根据地球炽热星云凝聚形成学说加以解释的,因为地球重力场的作用下,不可能使得较重的Ar,Ke,Xe等重元素脱离地球引力圈而变得亏损。

因此,比较容易解释的则是微星尘吸积学说。在吸积过程之前,太阳星云的气态物质就已经消散。目前地球上一些低分子量的气体,如H2O,NH3,CH4,CO2,H2S,SO2等并未象惰性气体那样严重亏损,这也说明原始的地球处于低温状态,这些分子或者呈冻结质点,或者与其他组份化合,而保留在地球中,以后地球内部变热,发生部分熔融,产生壳幔等,使其中所含气体释放出来,形成大气圈与水圈。如果接受类地行星大气圈均由原始行星物质脱气作用形成的假设,并认为金星、地球和火星都是由同种类型陨石物质吸积形成,那么这三个行星的大气圈应该具有相近的成分特征。

目前所观察到的金星和火星的大气圈的组份均以 CO2占主要数量为特征。因此,推测地球早期的大气圈成分也应该以CO2为主。尽管目前地球的大气圈的主要组份是N2和O2,但有人做过统计分析,如果将海洋和沉积物中呈碳酸盐和有机碳形式被掩埋的 CO2全部计入大气圈,则 CO2在地球大气圈中也曾经占过首要组份,只是后来被沉积作用自大气圈中转移出去。一般认为,地球早期不大可能含游离氧。游离氧是如何在大气中聚集起来,目前存在一定争议,它可能与绿色植物的光合作用有关,也可能与大气圈上部由于太阳辐射使水蒸汽发生光化学反应产生氧有关。关于地球大气圈的主要成分究竟何时形成,又怎样发生变化,特别是在各地质历史阶段的变化,以及对地球外层圈生物进化作用的影响并不是十分清晰。

目前所提出的一些看法尚不够完整和系统。如关于现存在的大气圈成分,有的认为自古生代以来就保持动态的平衡,没有发生明显的变化。有的则认为,仅仅是新生代后期才开始保持现有的状态。大气圈成分发生变化的原因是由于自然界始终存在着组份的输入输出过程。

向大气圈输入气体的过程有:

(1)火山岩浆作用所释放的气体,主要是H2O(蒸汽),CO2,HCl,HF,CO2,H2S,N2,SO2等。

(2)水蒸汽光化学作用产生氧。

(3)绿色植物光合作用产生氧。

(4)铀、钍放射性蜕变产生He。

(5)钾放射性提供氩。

(6)生物呼吸和有机体腐败提供CO2和少量CH4。

输出气体的自然过程有:

(1)各种氧化过程,使低价铁氧化成高价铁,硫化物氧化为硫酸盐,低价锰到高价锰的转变等,均消耗大气中的氧。

(2)形成钙和镁的碳酸盐沉积过程,使CO2从气圈移出。

(3)从有机体到煤和石油形成过程所消耗的 CO2。

(4)细菌固氮过程中造成氮的输出。

(5)氢和氦自地球重力场中的逃逸。

有人已经对大气圈中主要组份通过各种途径所进行的输入输出过程进行定理估算。如霍兰德曾经给出大气圈中氧的产生与消耗的具体资料。进一步地,把这种资料和海洋、生物圈沉积岩(固体岩石圈)的输入输出过程结合起来,就构成了元素在地表或地球上的地球化学循环。

另有资料介绍,大气层的起源有3种观点::一是原生说,当行星形成时,俘获太阳星云的气体组成;二是次生说,行星内部物质通过熔融、去气过程,释放的气体逐渐形成大气圈;三是上述两种成因的叠加。地球大气圈的次生起源获得了愈来愈多的证据,如金星、地球、火星大气圈成分相似(地球大气圈中的 CO2多被转移至水圈和沉积岩中),证明类地行星的大气圈起源于行星内部的除气过程;地球内部除气所产生的气体成分和气体量足够形成地球大气圈;地球大气圈的元素与同位素组成与太阳星云气体差异极大;地球大气圈的稀有气体丰度与太阳星云或太阳的丰度不符而与组成地球的初始物质──陨石的丰度相一致。

地球大气层的成分和各组分的分压有着极其复杂的演化过程。地球不同于金星和火星。金星的质量近于地球,由于距太阳较近,表面温度高,内部除气所产生的水蒸气不能在表面凝结成水圈,CO2、SO2、H2S、NO、NO2等积累滞留在大气圈内形成稠密的CO2大气圈。火星距太阳较地球远,表面温度低,加之质量较小,气体易于逃逸,火星内部除气过程释出的气体,不能凝结成水体,只能形成极稀薄的CO2大气圈。地球的大气圈、水圈、生物圈和岩石圈具有协调的形成和演化过程。地球内部除气作用释出的主要气体为水蒸气、CO2、CO、HCl、CI2、HF、HBr、H2S、S、SO2、N2、H2、H、O2、CH4、NH3和稀有气体等。O2主要来源于水蒸气的光化学分解和绿色植物的光合作用。地球内部物质的熔融除气过程,大约共释放1.74×1018吨挥发性物质,其中CO2约1.22×1015吨。地球初始的大气圈属于具有火山气体成分的强还原性大气圈。通过水蒸气的凝结,原始的海洋水成为强酸性水体。随着海洋水体的增大,大气圈中CO2的积累,太古宙的地球大气圈演化为CO2-火山气体大气圈。随着水圈中碳酸盐的沉积,大气圈中CO2分压降低,演化为元古宙的弱氧化的CO2大气圈。显生宙生物的繁殖,碳酸盐沉积量的增长和植物的出现,CO2大气圈逐步演化为现今的N2-O2大气圈。

地球各圈层的演化受到地球内部能量的产生、积累、传输荷分布的制约。地球内部的能源随时间而衰减,地球内部物质的熔融、调整、除气作用的强度也随时间而减弱。地球内部能源的变化与大气圈的演化历程见表。

人类的活动使地球大气圈中CO2含量明显增加,每年通过煤和石油的燃烧产生的CO2总量为6.2×109吨,相当于现今大气圈中CO2含量的1/250。温室效应的增长,臭氧层的破坏,一系列环境生态的恶化,对人类的生存环境提出了严重的挑战。“全球变化──地圈和生物圈十年”计划已成为当代科学研究的焦点,全世界的科学家将为人类生存环境的演化和预测提出科学对策。

还有资料介绍,地球大气层是随着地球的形成而逐步演变的,经过几十亿年的不断演化,才成为今天的状态。一般认为地球大气层分三个阶段演变而成:初期,在地球凝聚诞生的同时,氢和氦就构成了早期的原始大气层。这层大气寿命很短,在地球形成后不久便被太阳向外不断散射的强烈的粒子流形成的太阳风吹的无影无踪了;同时,地球形成之初,质量还不大,引力较小,加上内部放射性物质衰变和物质融化引起能量转换和增温,使分子热运动加剧,氢、氦这种低分子量的气体便逃逸到空间去了。随后,地球温度不断下降,地球冷凝成固体。这时内部高温促使火山频频爆发,产生出二氧化碳、甲烷、氮、水蒸气和硫化氢、氨等具有较大的分子量的气体,它们从地球母亲怀抱中诞生,不愿离去,形成了围绕地球的第二次出现的次生大气。地球的水圈,也正是在这个阶段由水蒸汽凝结降落而形成的。

随着紫外线对水的光解,大量的氧生成了,地球上开始了生命活动的历程。光合作用生成了碳水化合物,这是植物细胞的基本构成部分。在40亿年前的最初阶段,氧与次生大气中的其他元素物质结合,在雷电、火山等条件下生成了单细胞。在30—20亿年前,原始生命——单细胞的藻类发展到开始通过光合作用又释放出氧(在光合作用下植物吸进二氧化碳,呼出氧气)。此时海洋有效地阻挡了致命的紫外线辐射,使原始生命在海中繁衍起来。最后,高空氧逐渐增多,在光解作用下产生了臭氧层,它使透过大气的紫外线大为减少,促使植物进至海洋上层,又增加了光合作用的机会,从而促进植物生命的大大发展。随着这种相互间的协调和增益过程,直到4亿年前,生命终于跨过了漫长的岁月,从海洋登上了陆地。大气层也演变成今天的样子。可见,生命也正是在大气的参与和保护下,通过以光合作用为主的复杂的过程而形成的。

三、大气层的压力和逃逸

太空层气压是单位面积上受到周围气体垂直加诸于其上的力量,他取决于行星的重利和在地区上组合的空气柱的总质量。根据国际认可的标准大气(atm)气压单位定义是101,325 帕(或是每平方厘米1,013,250达因)。

大气压力因为在一个地点之上的气体质量会随着高度减少而降低,气压随高度下降的因素为数学上的 e (无理数,其近似质为2.71828),称为高度标度,并以H来表示。对一个温度均匀一致的大气层,高度标度与温度成正比,并且与行星的重力加速度成上干燥空气的分子质量成反比。像这种模式的大气层,随着高度的增加,压力成指数的下降。但是,大气层的温度是不均匀的,所以要精确的测量某一特定高度的压力是很复杂的。

大气层表面重力,维系大气层的力量,在行星中是极不相同的。例如,巨大的行星木星有着非常大的重力,能够保留住在较低的重力下会逃逸的氢和氦这种轻的气体。其次,与太阳的距离确定可以用来加热大气的能量,能否加热气体使分子的热运动超出行星的逃逸速度 - 气体分子克服行星重力掌握所需的速度。因此,遥远和寒冷的泰坦和冥王星尽管重力相对较低,但仍能保有它们的大气层。理论上,星际行星也许也能保有厚实的大气层。

因为气体在任何的特定温度下都有大范围的分子移动速度,所以总是会有一些气体缓慢的渗漏至太空中。具有相同动能的气体,轻的气体运动的速度比重的气体快,因此分子量较低的气体流失的比那些分子量较重的气体更快。这被认为是金星和火星会失去它们的水的原因,因为当它们的水受到来自太阳的紫外线光解成为氢和氧之后,氢会逃逸而去。地球的磁场协助阻挡了会使氢加速逃逸的太阳风,然而,在过去的30亿年,地球也许经由在极区的极光活动,损失了包括氧在内的2%大气层。

其他也会造成大气损耗的机制是太阳风,包括飞溅、撞击侵蚀、天气、和隐藏进入风化层和极冠。

四、大气层的成分

大气中的气体驱散蓝光的波长远胜于其他波长,恒星大气层这个名词描述的是恒星外面的区域,典型的范围是从不透明的光球开始向外的部份。相对来说是低温的恒星,在它们外面的大气层也许可以形成复合的分子。地球大气层,不仅包含有多数有机体呼吸所使用的氧和植物与海藻和蓝绿藻行光合作用所使用的二氧化碳,也保护生物的基因免于受到太阳紫外线辐射的伤害。它目前的组成是古大气层生活在其中的有机体经过数亿年的生物化学修改后的结果。

最初的大气结构一般认为与在行星形成所在地点的太阳星云有着一样的化学成分和温度,而内部的气体随后逃逸。这些原始的大气层随着时间的过去而逐渐的演变,因行星各自不同的特性造成非常不同的结果。

组成大气的各种气体和微粒。

大气的物质组成。地球上的大气,有氮、氧、氩等常定的气体成分,有二氧化碳、一氧化二氮等含量大体上比较固定的气体成分,也有水汽、一氧化碳、二氧化硫和臭氧等变化很大的气体成分。其中还常悬浮有尘埃、烟粒、盐粒、水滴、冰晶、花粉、孢子、细菌等固体和液体的气溶胶粒子。 具体成分是:氮(78.084) 氧(20.946) 氩(0.934) 水汽(0.25)二氧化碳(0.032) 氖(0.0018) 氦(0.00052) 甲烷(0.0002) 氪(0.0001) 氢(0.00005) 氙(0.000008) 臭氧(0.000001) 其他(0.001421)

大气的气体成分,在高度60Km以下大都是中性分子;从60 Km向上,白天在太阳辐射作用下开始电离,在90 Km以上,则大都处于电离状态。高层大气中,有些成分还分解为原子状态。

五、大气层的结构

大气是指包围在地球表面并随地球旋转的空气层。它不仅是维持生物因中生命所必需的,而且参与地球表面的各种过程,如水循环、化学和物理风化、陆地上和海洋中的光合作用及腐败作用等,各种波动、流动和海洋化学也都与大气活动有关。

地表大气平均压力为1个大气压,相当于每平方厘米地球表面包围1034g空气。地球总表面积为510100934平方公里,所以大气总质量约为5.2×1015吨,相当于地球质量的10-6倍。大气随高度的增加而逐渐稀薄,50%的质量集中在30km以下的范围内。高度100km以上,空气的质量仅是整个大气圈质量的百万分之一。按气温垂直分布对大气分层(热分层),可以分为以下几层:

(一)对流层

对流层是大气的最低层,其厚度随纬度和季节而变化。在赤道附近为16-18km;在中纬度地区为l0-12km,两极附近为8-9km。夏季较厚,冬季较薄。 这一层的显著特点:—是气温随高度升高而递减,大约每上升100 m,温度降低0.6℃。内于贴近地面的空气受地面发射出来的热量的影响而膨胀上升,上面冷空气下降,故在垂直方向上形成强烈的对流,对流层也正是因此而得名;二是密度大,大气总质量的3/4以上集中在此层。在对流层中,因受地表的影响不同,又可分为两层。在l-2km以下,受地表的机械、热力作用强烈,通称摩擦层,或边界层,亦称低层大气,排人大气的污染物绝大部分活动在此层。在1-2公里以上,受地表影响变小,称为自由大气层,主要天气过程如雨、雪、雹的形成均出现在此层。对流层和人类的关系最密切。

(二)平流层

穿越大气层从对流层顶到约50km的大气层为平流层。在平流层下层,即30—35knl以下,温度随高度降低变化较小,气温趋于稳定,所以又称同温层。在30—35km以上,温度随高度升高而升高。平流层的特点:一是空气没有对流运动,平流运动占显著优势;二是空气比下层稀薄得多,水汽、尘埃的含量甚微,很少出现天气现象;三是在高约15—35km范围内,有厚约20km的—层臭氧层,因臭氧具有吸收太阳光短波紫外线的能力,故使平流层的温度升高。

(三)中间层

平流层以上,到离地球表面85公里,叫做“中间层”。中间层以上,到离地球表面500公里,叫做“热层”。在这两层内,经常会出现许多有趣的天文现象,如极光、流星等。人类还借助于热层,实现短波无线电通信,使远隔重洋的人们相互沟通信息,因为热层的大气因受太阳辐射,温度较高,气体分子或原子大量电离,复合机率又少,形成电离层,能导电,反射无线电短波。

(四)暖层

中间层以上是暖层,大约距地球表面100至800千米。暖层最突出的特征是当太阳光照射时,太阳光中的紫外线被该层中的氧原子大量吸收,因此温度升高,故称暖层。散逸层在暖层之上,为带电粒子所组成。暖层的特点是,气温随高度增加而增加,在300公里高度时,气温可达1000℃以上,像铅、锌、锡、锑、镁、钙、铝、银等金属,在这里也会被熔化掉。本层之所以有高温,主要是因为所有的波长小于0.175μm的太阳紫外线辐射,都被暖层气体所吸收。暖层中的氮(N2)、氧(O2)和氧原子(O)气体成分,在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下,已处于高度电离状态,所以也把暖层称作“电离层”。其中100~120公里间的E层和200~400公里间的F层,以及介于中间层和暖层之间,只在白天出现,高度大致为80公里的D层,电离程度都较强烈。电离层的存在,对反射无线电波具有重要意义。人们在远方之所以能收到无线电波的短波通讯信号,就是和大气层有此电离层有关。

(五) 外大气层

热层顶以上是外大气层,延伸至距地球表面1000公里处。这里的温度很高,可达数千度;大气已极其稀薄,其密度为海平面处的一亿亿分之一。

外大气层又称为逃逸层。这层空气在太阳紫外线和宇宙射线的作用下,大部分分子发生电离;使质子的含量大大超过中性氢原子的含量。逃逸层空气极为稀薄,其密度几乎与太空密度相同,故又常称为外大气层。由于空气受地心引力极小,气体及微粒可以从这层飞出地球致力场进入太空。逃逸层是地球大气的最外层,该层的上界在哪里还没有一致的看法。实际上地球大气与星际空间并没有截然的界限。逃逸层的温度随高度增加而略有增加。

六、大气层的作用

地球大气层首先是保护作用。外层空间的陨石等落到地球之前,大部分已经焚化消失。由此产生的细微粉尘,既可以作为空气中水分的凝聚粒形成降雨,又可以使阳光形成散射,对人类的视觉及动植物的生长起到良好作用。地球周围有相当强的磁场(并非所有星球都有这种磁场),可以使地面上的生物免受太阳粒子流的伤害,并在高空形成一个电离层和臭氧层,能很好地屏蔽太空袭来的电磁波,从而保护地球生命的健康。由于光也是电磁波,故电离层的“设计”非常巧妙,既要屏蔽相当数量的电磁波,又能让可见光透过来,更绝妙之处在于,这股可见光只是电磁波谱中极狭窄的一个波段,高于或低于该波段的电磁波一律不能为人类视觉细胞所接受。换言之,宇宙中只有能让人“看”的光射进来,别的电磁波一概“闲人莫入”,这在地球物理学上称为“可见光窗口”。这个窗口将大部分频率高于紫色光的紫外线挡在“纱帘”之外,以保护人的眼睛与皮肤防止癌变。而对少量人体必需的紫外线,却能从“纱帘”的网眼中透射到地表,帮助人体固醇类转化为维生素D,防止软骨病。此外,大气层厚度的意义也很大,现有的温室效应,可保持地表温度的相对稳定。一定强度的大气压是使地表水在常温下保持液态的必要条件,大气层过厚或过薄都将引起地球表面生态失衡。最明显的是大气层中氧气含量的适度,过少生命将窒息;过多氧化作用增强,地面将变成火海。为了氧气含量适度,大气层还“配备”了80%的惰性气体,即氮气来调节氧气的比例,并转化为多种化合物成为植物的营养。再如二氧化碳也保持最适合的浓度,太少植物不能进行光合作用,动物因此没有碳水化合物而不能生存,太多将使动物不能呼吸,过强的温室效应将使地表温度失控。在太阳系中,除地球之外再没有一个星球有这种绝妙的大气层。但是由于近年来过量使用人造的氟烷化合物,致使臭氧层出现破洞,对人类生命危害极大。保护环境从一定意义上说,是保护大气层的“原始宇宙设计”。在环境与生态方面,大自然是不会允许人类以任何“发展”理由去破坏的,这正是“第二现代化”的致命之处。

有人认为,大气是地球的外衣。如果我们乘坐宇宙飞船或航天飞机俯看地球,地球被一层淡蓝色的外衣包裹着,这层外衣就是地球大气(也称为大气圈)。地球大气是地球上一切生命赖以生存和进化的基础环境条件,也是人类和地球生物的"保护伞"。大气是由多种气体混合而成的,其中氮气最多,约占78%,其次是氧气约占21%,其余为氩、二氧化碳、臭氧、水汽等微量气体。大气中还悬浮着水滴、冰晶、尘埃等液体、固体微粒。从地面到大气上界,可分为对流层、平流层、中层、热层、外逸层。大气的密度随着高度的升高而减小,大约30%的大气质量集中在3000米以下的大气层里;5500米高度是个中线,以上和以下的大气质量是相等的。大约90%的大气质量集中在16.5公里以下的低层大气里,32公里以上的大气质量还不到整个大气质量的1%。与人类活动息息相关的天气现象和天气系统主要发生在对流层中,对流层的厚度在中纬度地区为10公里左右。

七、大气污染及治理

按照国际标准化组织(ISO)的定义,“大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中,呈现出足够的浓度,达到足够的时间,并因此危害了人体的舒适、健康和福利或环境的现象”。

凡是能使空气质量变坏的物质都是大气污染物。大气污染物目前已知约有100多种。有自然因素(如森林火灾、火山爆发等)和人为因素(如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等)两种,且以后者为主,尤其是工业生产和交通运输所造成的。主要过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。影响大气污染范围和强度的因素有污染物的性质(物理的和化学的),污染源的性质(源强、源高、源内温度、排气速率等),气象条件(风向、风速、温度层结等),地表性质(地形起伏、粗糙度、地面覆盖物等)。防治方法很多,根本途径是改革生产工艺,综合利用,将污染物消灭在生产过程之中;另外,全面规划,合理布局,减少居民稠密区的污染;在高污染区,限制交通流量;选择合适厂址,设计恰当烟囱高度,减少地面污染 ;在最不利气象条件下,采取措施,控制污染物的排放量。中国已制订《中华人民共和国环境保护法(试行)》,并制订国家和平共地区的“废气排放标准”,以减轻大气污染,保护人民健康。按其存在状态可分为两大类。一种是气溶胶状态污染物,另一种是气体状态污染物。气溶胶状态污染物主要有粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等。气体状态污染物主要有以二氧化硫为主的硫氧化合物,以二氧化氮为主的氮氧化合物,以二氧化碳为主的碳氧化合物以及碳、氢结合的碳氢化合物。大气中不仅含无机污染物,而且含有机污染物。随着人类不断开发新的物质,大气污染物的种类和数量也在不断变化着。而且南极和北极的动物也受到了大气污染的影响!

大气中有害物质的浓度越高,污染就越重,危害也就越大。污染物在大气中的浓度,除了取决于排放的总量外,还同排放源高度、气象和地形等因素有关。污染物一进入大气,就会稀释扩散。风越大,大气湍流越强,大气越不稳定,污染物的稀释扩散就越快;相反,污染物的稀释扩散就慢。在后一种情况下,特别是在出现逆温层时,污染物往往可积聚到很高浓度,造成严重的大气污染事件。降水虽可对大气起净化作用,但因污染物随雨雪降落,大气污染会转变为水体污染和土壤污染。

地形或地面状况复杂的地区,会形成局部地区的热力环流,如山区的山谷风,滨海地区的海陆风,以及城市的热岛效应等,都会对该地区的大气污染状况发生影响。烟气运行时,碰到高的丘陵和山地,在迎风面会发生下沉作用,引起附近地区的污染。烟气如越过丘陵,在背风面出现涡流,污染物聚集,也会形成严重污染。在山间谷地和盆地地区,烟气不易扩散,常在谷地和坡地上回旋。特别在背风坡,气流作螺旋运动,污染物最易聚集,浓度就更高。夜间,由于谷底平静,冷空气下沉,暖空气上升,易出现逆温,整个谷地在逆温层覆盖下,烟云弥漫,经久不散,易形成严重污染。

位于沿海和沿湖的城市,白天烟气随着海风和湖风运行,在陆地上易形成“污染带”。

早期的大气污染,一般发生在城市、工业区等局部地区,在一个较短的时间内大气中污染物浓度显著增高,使人或动、植物受到伤害。60年代以来,一些国家采取了控制措施,减少污染物排放或采用高烟囱使污染物扩散,大气的污染情况有所减轻。

高烟囱排放虽可降低污染物的近地面浓度,但是把污染物扩散到更大的区域,从而造成远离污染源的广大区域的大气污染。大气层核试验的放射性降落物和火山喷发的火山灰可广泛分布在大气层中,造成全球性的大气污染。大气污染会导致人的寿命下降。

所谓大气污染就是指正常的大气中主要含对植物生长有好处的氮气(占78%)和人体、动物需要的氧气(占21%),还含有少量的二氧化碳〈0.03%〉和其他气体。当本不属于大气成分的气体或物质,如硫化物、氮氧化物、粉尘、有机物等进入大气之后,大气污染就发生了。大气污染主要由人的活动造成,大气污染源主要有:工厂排放、汽车尾气、农垦烧荒、森林失火、炊烟(包括路边烧烤)、尘土(包括建筑工地)等。

大气污染物主要分为有害气体(二氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、光化学烟雾和卤族元素等)及颗粒物(粉尘和酸雾、气溶胶等)。它们的主要来源是工厂排放,汽车尾气,农垦烧荒,森林失火,炊烟(包括路边烧烤),尘土(包括建筑工地)等。

大气污染对人体的危害主要表现为呼吸道疾病;对植物可使其生理机制受压抑,成长不良,抗病虫能力减弱,甚至死亡;大气污染还能对气候产生不良影响,如降低能见度,减少太阳辐射(据资料表明,城市太阳辐射强度和紫外线强度要分别比农村减少10-30%和10-25%)而导致城市佝偻发病率增加;大气污染物能腐蚀物品,影响产品质量;近十几年来,不少国家发现酸雨,雨雪中酸度增高,使河湖、土壤酸化、鱼类减少甚至灭绝,森林发育受影响。酸雨是怎样形成的呢?当烟囱排放出的二氧化硫酸性气体,或汽车排放出来的氮氧化物烟气上升到空中与水蒸气相遇时,就会形成硫酸和硝酸小滴,使雨水酸化,这时落到地面的雨水就成了酸雨。煤和石油的燃烧是造成酸雨的主要祸首。酸雨会对环境带来广泛的危害,造成巨大的经济损失,如:腐蚀建筑物和工业设备;破坏露天的文物古迹;损坏植物叶面,导致森林死亡;使湖泊中鱼虾死亡;破坏土壤成分,使农作物减产甚至死亡;饮用酸化物造成的地下水,对人体有害。

1979年11月在日内瓦举行的联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上,通过了《控制长距离越境空气污染公约》,并于1983年生效。《公约》规定,到1993年底,缔约国必须把二氧化硫排放量削减为1980年排放量的70%。欧洲和北美(包括美国和加拿大)等32个国家都在公约上签了字。

美国的《酸雨法》规定,密西西比河以东地区,二氧化硫排放量要由1983年的2000万吨/年,经过10年减少到1000万吨/年;加拿大二氧化硫排放量由1983年的470万吨/年,到1994年减少到230万吨/年。

目前世界上减少二氧化硫排放量的主要措施:

1.原煤脱硫技术,可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。优先使用低硫燃料,如含硫较低的低硫煤和天然气等。

2.改进燃煤技术,减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如,液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石,与二氧化硫发生反应,生成硫酸钙随灰渣排出。对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。

3.目前主要用石灰法,可以除去烟气中85%一90%的二氧化硫气体。不过,脱硫效果虽好但十分费钱。例如,在火力发电厂安装烟气脱硫装置的费用,要达电厂总投资的25%之多。这也是治理酸雨的主要困难之一。

4.开发新能源,如太阳能,风能,核能,可燃冰等,但是目前技术不够成熟,如果使用会造成新污染,且消耗费用十分高.

大气污染的防护措施

1. 合理安排工业布局和城镇功能分区。应结合城镇规划,全面考虑工业的合理布局。工业区一般应配置在城市的边缘或郊区,位置应当在当地最大频率风向的下风侧,使得废气吹响居住区的次数最少。居住区不得修建有害工业企业。

2. 加强绿化。植物除美化环境外,还具有调节气候、阻挡、滤除和吸附灰尘,吸收大气中的有害气体等功能。

3. 加强对居住区内局部污染源的管理。如饭馆、公共浴室等的烟囱、废品堆放处、垃圾箱等均可散发有害气体污染大气,并影响室内空气,卫生部门应与有关部门配合、加强管理。

4. 控制燃煤污染。①采用原煤脱硫技术,可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。优先使用低硫燃料,如含硫较低的低硫煤和天然气等。②改进燃煤技术,减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如,液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石,与二氧化硫发生反应,生成硫酸钙随灰渣排出。对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。③开发新能源,如太阳能,风能,核能,可燃冰等,但是目前技术不够成熟,如果使用会造成新污染,且消耗费用十分高.

5. 加强工艺措施。①加强工艺过程。采取以无毒或低毒原料代替毒性大的原料。采取闭路循环以减少污染物的排除等。②加强生产管理。防止一切可能排放废气污染大气的情况发生。③综合利用变废为宝。例如电厂排出的大量煤灰可制成水泥、砖等建筑材料。又可回收氮,制造氮肥等。

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