文档介绍：大气污染扩散
第一节大气结构与气象
有效地防止大气污染的途径,除了采用除尘及废气净化装置等各种工程技术手段外,还需充分利用大气的湍流混合作用对污染物的扩散稀释能力,即大气的自净能力。污染物从污染源排放到大气中的扩散过程及其危害程度,主要决定于气象因素,此外还与污染物的特征和排放特性,以及排放区的地形地貌状况有关。下面简要介绍大气结构以及气象条件的一些基本概念。
一、大气的结构
气象学中的大气是指地球引力作用下包围地球的空气层,其最外层的界限难以确定。通常把自地面至1200 km左右范围内的空气层称做大气圈或大气层,%集中在距离地球表面30 km以下。超过1200 km的范围,由于空气极其稀薄,一般视为宇宙空间。
自然状态的大气由多种气体的混合物、水蒸气和悬浮微粒组成。其中,纯净干空气中的氧气、%,它们之间的比例从地面直到90km高空基本不变,为大气的恒定的组分;二氧化碳由于燃料燃烧和动物的呼吸,陆地的含量比海上多,臭氧主要集中在55~60km高空,水蒸气含量在4%以下,在极地或沙漠区的体积分数接近于零,这些为大气的可变的组分;而来源于人类社会生产和火山爆发、森林火灾、海啸、地震等暂时性的灾害排放的煤烟、粉尘、氯化氢、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物、碳氧化物为大气的不定的组分。
大气的结构是指垂直(即竖直)方向上大气的密度、温度及其组成的分布状况。根据大气温度在垂直方向上的分布规律,可将大气划分为四层:对流层、平流层、中间层和暖层,如图5-1所示。
1. 对流层
对流层是大气圈最靠近地面的一层,集中了大气质量的75%和几乎全部的水蒸气、微尘杂质。受太阳辐射与大气环流的影响,对流层中空气的湍流运动和垂直方向混合比较强烈,主要的天气现象云雨风雪等都发生在这一层,有可能形成污染物易于扩散的气象条件,也可能生成对环境产生有危害的逆温气象条件。因此,该层对大气污染物的扩散、输送和转化影响最大。
大气对流层的厚度不恒定,随地球纬度增高而降低,且与季节的变化有关,赤道附近约为15km,中纬度地区约为10~12 km,两极地区约为8km;同一地区,夏季比冬季厚。一般情况下,对流层中的气温沿垂直高度自下而上递减,℃。
从地面向上至1~ km高度范围内的对流层称为大气边界层,该层空气流动受地表影响最大。由于气流受地面阻滞和摩擦作用的的影响,风速随高度的增加而增大,因此又称为摩擦层。地表面冷热的变化使气温在昼夜之间有明显的差异,可相差十几乃至几十度。由于从地面到lOOm左右的近地层在垂直方向上热量和动量的交换甚微,所以上下气温之差可达1~2℃。大气边界层对人类生产和生活的影响最大,污染物的迁移扩散和稀释转化也主要在这一层进行。
边界层以上的气流受地面摩擦作用的影响越来越小,可以忽略不计,因此称为自由大气。
2. 平流层
平流层是指从对流层顶到离地高度约55 km范围的大气层, %。平流层内空气稀薄,比较干燥,几乎没有水汽和尘埃。平流层的温度分布是:从对流层顶到离地约22km的高度范围为同温层,气温几乎不随高度变化,约为-55℃。从22km继续向上进入臭氧带,在这里太阳的紫外辐射被吸收,转化为热能,导致气温随高度增加而上升,到达层顶时气温升高到-3℃左右。平流层内气温下低上高的分布规律,使得该层空气的竖直对流混合微弱,大气基本处于平流运动。因此,该层大气的透明度较好,气流稳定,很少出现云雨及风暴等天气现象。
平流层中的臭氧层是80~100km处的氧分子在太阳紫外辐射作用下光解为氧原子,再与其它氧分子化合成臭氧而形成的,其化合作用主要在30~60km处。从对流层顶向上,臭氧浓度逐渐增大,在22~25km处达最大值,往后逐渐减小,到平流层顶臭氧含量极其微小。因为40km以上,在光化作用下,由氧化合为臭氧和由臭氧光解成氧的过程几乎保持平衡状态。在某种环流作用下,臭氧被送到很少光解的高度以下积聚,集中在15~35km高度之间。通常将22~25km处称为臭氧层。
3. 中间层
中间层是指从平流层顶到高度80km左右范围内的大气层,其空气质量仅占大气质量的10-3。该层内温度随高度的增加而下降,层顶的温度可降到-93℃左右。因此,空气的对流运动强烈,垂直方向混合明显。
4. 暖层
暖层为中层顶延伸到800km高空的大气层,该层的空气质量只有大气质量的10-5。暖层在强烈的太阳紫外线和宇宙射线作用下,其气温随高度上升而迅速增高,暖层顶部温度可高达500~2000K,且昼夜温度变化很大。暖层的空气处于高度电离状态,因此存在着大量的离子和电子,故又称为电离层。
二、气象要素
气