个人介绍
臭氧的故事 朱彬
提供学校: 南京信息工程大学
院系: 大气物理学院
专业大类: 大气科学
专业: 大气物理学与大气环境
学习模块: 4
学分: 1
课时: 1

       本课程主要讲述了大气化学里面一些基本的理论,有关于臭氧、平流层的光化学、对流层的光化学以及他们在实际大气中出现的一些化学过程和化学现象,还有关于臭氧的进展以及相关的科学问题。

教师团队

朱彬 教授

单位:南京信息工程大学

部门:大气物理学院

职位:副院长

大气的组成

现在的大气圈是地球长期演化的结果,其发育和演变又受到地球其他圈层发育演变的影响。

由于大气中存在着空气的对流运动、湍流运动和分子扩散,大约在100km高度以下气体混合均匀而称为组成均匀的均匀层,此层以上称为非均匀层。均匀层中的大气可以看作是由干洁大气、水汽及气溶胶质粒子三部分组成的。

(一)干洁大气


        

干洁大气主要成分是氮、氧和氩,合占干洁大气总容积的99.9%。还有少量的二氧化碳、臭氧、各种氮氧化合物及其他一些惰性气体。干洁大气的分子量为28.966。 

当温度为0℃,气压为1013.25hPa时,其密度为1.293kg/m3。干空气的临界温度为-140.7℃,临界压强为37.2个atm,因此所有干洁大气的成分在自然状态下都是气体状态。

                                                                      大气的组成

成分
体积混合比成分
体积混合比
氮(N2
0.78083
氪(Kr)
1.1×10^-6
氧(O₂)0.20947
氙(Xe)0.1×10^-6
氩(Ar)0.00934
氡(Rn)
0.5×10^-6
二氧化碳(CO₂)
0.00035
甲烷(CH4
1.7×10^-6
氖(Ne)
1.82×10^-6一氧化二氮(N₂O)
0.3×10^-6
氦(He)5.2×10^-6臭氧(O3
10~50×10^-9

大气中的氮、氧丰富,对生物有重大意义。大气中臭氧和二氧化碳含量虽然很少,但它们对人类活动和天气、气候变化有很大影响。高空臭氧的形成主要是氧分子吸收了波长在0.1~0.24μm的太阳紫外辐射后形成氧原子,而后氧原子在第三种中性粒子的参与下,很快与氧分子结合形成臭氧。低空的臭氧一部分是从高空输送而来,一部分是由闪电、有机物氧化而成。后者过程不经常发生,故低空臭氧含量少且不固定。在大气更高层次中,由于紫外辐射强度很大,氧分子接近完全分解,使臭氧难以形成。在垂直方向20~30km间臭氧浓度达峰值。观测表明,在垂直气柱中所包含的臭氧总量随季节和纬度变化。由于20世纪30年代初以来对制成的氟氯烃(CFCs)的大量使用等使大气臭氧层正在遭到破坏。 

二氧化碳主要来源于有机物的燃烧、腐烂以及生物的呼吸,矿泉、地裂隙和火山喷发也向大气排出二氧化碳。所以大气中的二氧化碳也随时间和空间而变化。由于人类活动影响的加剧使大气中二氧化碳含量在急剧增加。二氧化碳的浓度在过去10^4年内从190×10^-6增至280×10^-6,近200年(至1993年)增至357×10^-6。 

(二)水汽


        

大气中的水汽来源于海洋、湖泊、江河、沼泽、潮湿地面及植物表面的蒸发或蒸腾作用。大气中的水汽含量随时间、空间和条件不同有较大的变化,按容积计,其变化范围在0%~4%之间。大气中的水汽一般是低纬地区大于高纬地区,沿海地区大于内陆地区,夏季大于冬季。在垂直方向水汽含量迅速减小,观测表明,在1.5~2km高度处空气中水汽含量只有地面附近的1/2,在5km高度只有地面的1/10。

(三)气溶胶

        


大气气溶胶粒子是指悬浮于空气中的液体和固体粒子,包括水滴、冰晶、悬浮着的固体灰尘微粒、烟粒、微生物、植物的孢子花粉以及各种凝结核和带电离子等。它是低层大气的重要组成部分,是自然现象和人类活动的产物。


臭氧的故事


什么是臭氧?

臭氧分子(O3)是由三个氧原子结合在一起形成的。它不稳定,具有很高的活性。常被用作漂白剂、除臭剂以及空气和饮用水的灭菌剂。当浓度较低时,臭氧是有毒的。

在地球的高层大气层——平流层中,存在着天然的低浓度臭氧。在这一高层大气中,来自太阳的紫外线将氧分子(O₂)分解为两个单独的氧原子。每个单独的氧原子又与一个氧分子相结合,从而形成臭氧。平流层臭氧被称为“有益的”臭氧,因为它可以保护地球表面免受有害紫外线的照射。


(从NOx污染物产生臭氧的过程:二氧化氮分子经过阳光照射,释放出氧原子,这些氧原子又去攻击氧分子,从而形成臭氧。一氧化氮能够与臭氧结合重新生成二氧化氮,此循环过程不断重复。)



臭氧也会出现在对流层,即大气层的最底层。对流层臭氧(通常被称为“有害”臭氧)是人为产物,它是内燃机和发电厂造成的空气污染所引起的。汽车废气和工业排放物会释放出一系列氮氧化物气体(NOx)和挥发性有机化合物(VOC),这些都是燃烧汽油和煤的副产物。在春末、夏季和初秋阳光灿烂的高温天气条件下,NOx和VOC与氧发生化学反应,形成臭氧。高浓度的臭氧一般形成于炎热的下午和傍晚,并在较为凉爽的夜晚消散。

PM2.5和臭氧污染

                                                                  你的城市污染了吗?


看不见的“臭氧污染”悄然来袭

当人们还在普遍关注PM2.5的时候,另一个大气污染物正悄然来袭。与“张牙舞爪”的雾霾相比,它“低调”得多,悄悄地“隐藏”在万里晴空中,却成为夏天众多城市的大气污染元凶,这个污染物就是臭氧。专家认为,臭氧这种看不见的污染不容小视,应像重视雾霾一样,采取综合措施加以防治。

专家表示,单个城市治理臭氧效果不会太明显,应在华北、长三角、珠三角等臭氧污染严重的地区建立区域防控机制。专家认为,从技术层面上说,治理臭氧前体物的重点应放在“车、油、路、厂”四个方面:提升汽车尾气排放标准,改善汽车尾气装置,减少排放;提升燃油质量;逐步实现公交车、出租车改用燃气;治理交通拥堵;淘汰落后产能,控制燃煤电厂、水泥、涂料、油墨印刷厂等企业排放的氮氧化合物、挥发物。

中国工程院院士、清华大学教授郝吉明透露,中国的PM2.5超标在世界上是比较严重的,“不说是最严重的也是比较严重的”郝吉明说,实际上中国主要城市和区域,臭氧(新环境空气标准明确需要治理另一项污染物)超标率也在不断增加,中国城市大气臭氧浓度也是全球增长最快的城市之一,“有人说,中国是世界上唯一的PM2.5和臭氧都超标的地区。”郝吉明认为,这是中国面临的两个挑战。

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