第三章空气中的有害物质与空气离子 第一节大气有害物质对人畜的影响 大气的结构及组成 (一)大气圈及其结构 大气是自然环境的重要组成部分,是人和动物赖以生存的物质基础。在地理学上,把由于地心引 力而随地球旋转的大气层叫做大气圈,大气圈的厚度约有1000km,并随着海拔高度的增加而变得稀 薄。但由于大气圈与宇宙空间很难确切划分,在大气物理学和污染气象学研究中,常把大气圈层上部 边缘界定为距地面1200~1400km的空气层,距地面距离大于1400km的空间,则是宇宙空间 大气圈中空气分布是不均匀的,海平面上的大气最稠密,近地层的大气密度随海拔高度上升而递 减。根据大气层的物理性质,可将大气层分为: 1对流层 对流层是大气圈中靠近地面密度最大的一层空气,该层空气厚度因地球纬度不同而有所差别,在 极地地区其厚度为6-10km在中纬度地区其厚度约为10-12km,;在赤道地区其厚度可达16~18km。对 流层平均厚度约为12km,而其空气质量约占大气层总量的75%左右。在对流层大气里除了含有纯净 的空气外,还含有一定量的水蒸气,对流层空气湿度适宜,对人和动植物的生存具有重要作用。在对 流层,温度随着海拔高度的增加而减少(速率为065℃/00m),这种对流层上下层空气的温差导致了 大气强烈的对流运动。由于太阳辐射和大气环流的作用,对流层出现“冷、热、干、湿、风、云、雨、 雪、霜、雾、雷、电”等极其复杂的天气现象。此外,人类和动物活动排放的污染物也大多聚集于对 流层,即大气污染主要发生在对流层。因此,对流层尤其是靠近地面1~2km的近地层空气与动植物生 产和人类活动关系最为密切。 2平流层 平流层位于对流层之上,上层边缘高度达80-90km。平流层下部空气温度几乎不随高度而变化 称之为低温恒温层(空气温度为-55°℃C)。低温恒温层上部边缘大约距地面为2040km。平流层的上部 (距离地面40~50km)空气温度随海拔高度上升而增高,在距地面50~55km的平流层层顶处,气温可 升至-3C-0°C,比对流层顶部的气温高出60~70°C。这是因为在平流层的上部存在着厚度为20km的 臭氧层,臭氧层能强烈吸收波长为200~300mm的太阳紫外线,致使平流层上部气温明显地升高。 在平流层中,由于上热下冷呈现逆温,因而该层很少发生大气的上下对流,极少出现云、雨、风 暴等天气,大气透明度好,气流稳定。进入平流层的污染物,由于在大气层中扩散速度较慢,污染物
1 第三章 空气中的有害物质与空气离子 第一节 大气有害物质对人畜的影响 一、 大气的结构及组成 （一） 大气圈及其结构 大气是自然环境的重要组成部分，是人和动物赖以生存的物质基础。在地理学上，把由于地心引 力而随地球旋转的大气层叫做大气圈，大气圈的厚度约有 1000km，并随着海拔高度的增加而变得稀 薄。但由于大气圈与宇宙空间很难确切划分，在大气物理学和污染气象学研究中，常把大气圈层上部 边缘界定为距地面 1200~1400km 的空气层，距地面距离大于 1400 km 的空间，则是宇宙空间。 大气圈中空气分布是不均匀的，海平面上的大气最稠密，近地层的大气密度随海拔高度上升而递 减。根据大气层的物理性质，可将大气层分为： 1.对流层 对流层是大气圈中靠近地面密度最大的一层空气，该层空气厚度因地球纬度不同而有所差别，在 极地地区其厚度为 6~10km;在中纬度地区其厚度约为 10~12km，；在赤道地区其厚度可达 16~18km。对 流层平均厚度约为 12km，而其空气质量约占大气层总量的 75%左右。在对流层大气里除了含有纯净 的空气外，还含有一定量的水蒸气，对流层空气湿度适宜，对人和动植物的生存具有重要作用。在对 流层，温度随着海拔高度的增加而减少（速率为 0.65℃/100m），这种对流层上下层空气的温差导致了 大气强烈的对流运动。由于太阳辐射和大气环流的作用，对流层出现“冷、热、干、湿、风、云、雨、 雪、霜、雾、雷、电”等极其复杂的天气现象。此外，人类和动物活动排放的污染物也大多聚集于对 流层，即大气污染主要发生在对流层。因此，对流层尤其是靠近地面 1~2km 的近地层空气与动植物生 产和人类活动关系最为密切。 2.平流层 平流层位于对流层之上，上层边缘高度达 80~90km。平流层下部空气温度几乎不随高度而变化， 称之为低温恒温层（空气温度为-55C）。低温恒温层上部边缘大约距地面为 20~40km。平流层的上部 （距离地面 40~50km）空气温度随海拔高度上升而增高，在距地面 50~55km 的平流层层顶处，气温可 升至-3C~0C，比对流层顶部的气温高出 60~70C。这是因为在平流层的上部存在着厚度为 20km 的 臭氧层，臭氧层能强烈吸收波长为 200~300nm 的太阳紫外线，致使平流层上部气温明显地升高。 在平流层中，由于上热下冷呈现逆温，因而该层很少发生大气的上下对流，极少出现云、雨、风 暴等天气，大气透明度好，气流稳定。进入平流层的污染物，由于在大气层中扩散速度较慢，污染物
能够在该层长期停留,有时可达数十年之久。进入平流层的氮氧化物、氯化氢以及氟利昂有机制冷剂 等能与臭氧层中的臭氧发生化学反应,致使臭氧浓度降低,严重时可导致臭氧层出现“空洞”。由于空 洞的出现,使到达地面的太阳辐射及紫外线增强,一方面使患皮肤癌等病的人比率增加,另一方面对 地球上的生态系统构成了极大的威胁。 3中间层 中间层位于平流层层顶之上,距地面高度大约为8085km。中间层没有臭氧,不能吸收紫外线, 气温随高度增加而迅速下降,中间层顶部温度可降至-100°C左右。由于上冷下热,该层经常发生强烈 的大气垂直对流运动。 4.暖层(电离层) 暖层(电离层)位于中间层的上部,暖层的上界距地球表面约有800多公里,其下部基本上是由 分子氮组成,而上部是由原子氧组成。原子氧可吸收太阳辐射光中的紫外线,因而,暖层中气体的温 度随高度增加而迅速上升:由于太阳光和宇宙射线的作用,使得暖层中气体分子被大量电离,所以 暖层又称为电离层。 5外层 外层是大气圈的最外层,在暖层的上部,这层相当厚,是从大气圈逐步过渡到星际空间的大气层 距地面高度大约有800-1400km,外层空气极为稀薄 (二)大气的组成 大气是多种气体的混合物。首先,大气是由氮(N)、氧(O)、氩(Ar)及微量的的氖(Ne)、氦 (He)、氪(Kr)、氙(Xe)等稀有气体组成,其中N、O、Ar三种气体占大气总体积的9996%,这 些气体的组分含量基本不变,可称之为恒定组分,主要集中在地面到高空85km这段大气层中。其次 大气中还含有CO2和水蒸气,这些气体的含量由于受地区、季节、气象以及人们生活和生产活动等因 素的影响而发生变化,这些气体组分称之为可变组分;在通常情况下,水蒸气的含量为0~4%,CO 的含量近年来已达0036%(详见表3-1
2 能够在该层长期停留，有时可达数十年之久。进入平流层的氮氧化物、氯化氢以及氟利昂有机制冷剂 等能与臭氧层中的臭氧发生化学反应，致使臭氧浓度降低，严重时可导致臭氧层出现“空洞”。由于空 洞的出现，使到达地面的太阳辐射及紫外线增强，一方面使患皮肤癌等病的人比率增加，另一方面对 地球上的生态系统构成了极大的威胁。 3.中间层 中间层位于平流层层顶之上，距地面高度大约为 80~85km。中间层没有臭氧，不能吸收紫外线， 气温随高度增加而迅速下降，中间层顶部温度可降至-100C 左右。由于上冷下热，该层经常发生强烈 的大气垂直对流运动。 4. 暖层（电离层 ） 暖层（电离层 ）位于中间层的上部，暖层的上界距地球表面约有 800 多公里，其下部基本上是由 分子氮组成，而上部是由原子氧组成。原子氧可吸收太阳辐射光中的紫外线，因而，暖层中气体的温 度随高度增加而迅速上升；由于太阳光和宇宙射线的作用，使得暖层中气体分子被大量电离，所以， 暖层又称为电离层。 5.外层 外层是大气圈的最外层，在暖层的上部，这层相当厚，是从大气圈逐步过渡到星际空间的大气层。 距地面高度大约有 800~1400km，外层空气极为稀薄。 （二）大气的组成 大气是多种气体的混合物。首先，大气是由氮（N）、氧（O）、氩（Ar）及微量的的氖（Ne）、氦 （He）、氪（K r）、氙（Xe）等稀有气体组成，其中 N、O、Ar 三种气体占大气总体积的 99.96%，这 些气体的组分含量基本不变，可称之为恒定组分，主要集中在地面到高空 85km 这段大气层中。其次， 大气中还含有 CO2 和水蒸气，这些气体的含量由于受地区、季节、气象以及人们生活和生产活动等因 素的影响而发生变化，这些气体组分称之为可变组分；在通常情况下，水蒸气的含量为 0~4%，CO2 的含量近年来已达 0.036%（详见表 3-1）
表3-1标准状态下干燥空气的组成 空气成分 体积百分比(%) 重量百分比(%) 氮(N2) 75.1 氧(O2) 23.15 氩(Ar) 0.93 氖(Ne) 0.0012 氦(He) 氪(Kr) 0.0001 0.00029 氙(Xe) 0.000008 0.0000036 氢(H) 0.00005 0.0000035 臭氧(O3) 0.000004 0.000007 二氧化碳(CO2) 0.046 甲烷(CH4) 0.00022 0.00012 据蒋展鹏,环境工程学北京:高等教育出版社,1992 大气中还含有各种不同来源的微细尘埃和自然界产生的某些化合物,称为不定组分。进入大气的 尘埃有土壤和岩石表层风化及粉碎而形成的地面尘,有工业生产、交通和人类活动产生的粉尘和烟尘, 有火山爆发喷发出的火山尘,有森林、泥炭和草原火灾产生的烟尘,有因暴风雨溅起海水形成的细小 海盐微粒——海洋尘,有从宇宙空间飞来的宇宙尘埃,此外,还有有机微粒如动植物碎屑(粪、毛、 皮屑及植物碎片、花粉、孢子等)以及微生物、真菌、细菌等,还有来源于自然灾害和人类社会生活 消费、交通和工农业生产排放的废气,如硫、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物及恶臭气体等。这些不定 组分进入大气中,可造成一定空间范围内暂时性的大气污染。 空气不利于微生物生活和繁衍,主要原因是:(1)千燥的空气可使微生物失去水分而干瘪:(2) 空气中缺乏营养物质:(3)太阳辐射中紫外线具有的杀菌作用。因此,大部分微生物在空气中存活时 间较短。但是,当空气中存在气溶胶(固体微粒和液体微滴)时,则可为微生物提供庇护和营养。因 此,空气中微生物含量与空气含尘量呈正相关,刮风时空气含尘量高,微生物附着在粒径为5um的微 粒上随风传播30Km,而降水可使空气中微生物大大减少。大气中微生物有上百种,有人测定,其含 量约有10000个m,有杆菌37种、球菌26种、丝状菌20种、芽孢菌7种,但大多数是非致病菌。 二、大气污染 (一)大气污染的概念 大气污染就是指在空气的正常成分之外又增加新的成分,或者使原有某种成分骤然增加,对人
3 表 3-1 标准状态下干燥空气的组成 空气成分 体积百分比（%） 重量百分比（%） 氮（N2） 78.09 75.1 氧（O2） 20.95 23.15 氩（Ar） 0.93 1.28 氖（Ne） 0.0018 0.00125 氦（He） 0.00052 0.000072 氪（K r） 0.0001 0.00029 氙（Xe） 0.000008 0.0000036 氢（H） 0.00005 0.0000035 臭氧（O3） 0.000004 0.000007 二氧化碳（CO2） 0.03 0.046 甲烷（CH4） 0.00022 0.00012 据蒋展鹏，环境工程学.北京：高等教育出版社，1992 大气中还含有各种不同来源的微细尘埃和自然界产生的某些化合物，称为不定组分。进入大气的 尘埃有土壤和岩石表层风化及粉碎而形成的地面尘，有工业生产、交通和人类活动产生的粉尘和烟尘， 有火山爆发喷发出的火山尘，有森林、泥炭和草原火灾产生的烟尘，有因暴风雨溅起海水形成的细小 海盐微粒——海洋尘，有从宇宙空间飞来的宇宙尘埃，此外，还有有机微粒如动植物碎屑（粪、毛、 皮屑及植物碎片、花粉、孢子等）以及微生物、真菌、细菌等，还有来源于自然灾害和人类社会生活 消费、交通和工农业生产排放的废气，如硫、硫化氢、硫氧化物、氮氧化物及恶臭气体等。这些不定 组分进入大气中，可造成一定空间范围内暂时性的大气污染。 空气不利于微生物生活和繁衍，主要原因是：（1）干燥的空气可使微生物失去水分而干瘪；（2） 空气中缺乏营养物质；（3）太阳辐射中紫外线具有的杀菌作用。因此，大部分微生物在空气中存活时 间较短。但是，当空气中存在气溶胶（固体微粒和液体微滴）时，则可为微生物提供庇护和营养。因 此，空气中微生物含量与空气含尘量呈正相关，刮风时空气含尘量高，微生物附着在粒径为 5μm 的微 粒上随风传播 30Km，而降水可使空气中微生物大大减少。大气中微生物有上百种，有人测定，其含 量约有 10000 个/m3，有杆菌 37 种、球菌 26 种、丝状菌 20 种、芽孢菌 7 种，但大多数是非致病菌。 二、大气污染 （一）大气污染的概念 大气污染就是指在空气的正常成分之外又增加新的成分，或者使原有某种成分骤然增加，对人
畜和其它生物的健康产生了不良的影响,甚至会引起自然界发生某些变化。 大气中的污染物质来自自然界和人为两方面。自然界的火山爆发、森林火灾、地震和开采各种 天然矿藏可产生大量的污染物质(如各种微粒、硫化氢、硫氧化物、各种盐类和异常气体)等,能造成 局部的或短期的大气污染。人为的污染物主要来自为工业生产过程和人类生活排放的有毒、有害气体 微生物和烟尘,如氟化物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氧化铁微粒、氧化钙微粒、砷、汞、氯 化物、各种农药的气体等。畜牧场和畜产品加工厂既可排放氨、硫化氢、甲烷、吲哚、粪臭素等有害 气体,也可以排放粉尘和微生物(详见表3-2)。 表3-2空气污染物的种类 固体(颗粒) 气体状态污染 次性气体污染物 二次性气体污染物 污染物种类 物种类 含硫化合物 SO, H2S SO3、HSO4、MSO4(硫酸盐 飞尘 碳氧化合物 无 含氮化合物 NO、NH3、NO HNO3、MNO3(硝酸盐)、O 黑烟 碳氢化合物 醛、酮、酯 卤素化合物 HCL, HE 无 煤烟 (二)大气污染的危害 大气污染对空气环境的危害 烟尘对太阳光有一定的吸收和散射能力,因此,烟尘可以减少太阳直接辐射到地球表面的辐射强度 导致空气浑浊度增加,能见度降低。大气中的酸性污染物与降水结合,产生酸雨,造成水体污染,导 致水生生物大量死亡,污染土壤,导致农作物减产。大气中的二氧化碳、尘埃等能使大气产生“温室 效应”,引起全球气温升高,造成冰川融化,海平面上升,导致沿海城市被淹,土壤盐碱化,气温升高 还导致大陆局部地区干旱,水涝、土地沙漠化等灾害频繁发生。由于人类使用氯氟烃做空调、冰箱等 制冷剂,可导致大气层臭氧层被破坏 2.大气污染对动物的危害 大气污染首先对动物呼吸器官造成危害,当动物吸入受到污染的空气时,可引起呼吸器官机能的 改变,影响肺组织的气体交换。同时,进入肺泡的污染物质可迅速被吸收、不经肝脏解毒直接进入血 液循环分布到全身:其次,大气污染可以影响动物体血液中血红蛋白的运输氧的功能。实验证明:当 血液中碳氧血红蛋白达到5%时,可损害血红蛋白输送氧的能力相当于丧失200毫升的血液。对贫血
4 畜和其它生物的健康产生了不良的影响，甚至会引起自然界发生某些变化。 大气中的污染物质来自自然界和人为两方面。自然界的火山爆发、森林火灾、地震和开采各种 天然矿藏可产生大量的污染物质(如各种微粒、硫化氢、硫氧化物、各种盐类和异常气体)等，能造成 局部的或短期的大气污染。人为的污染物主要来自为工业生产过程和人类生活排放的有毒、有害气体、 微生物和烟尘，如氟化物、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、氧化铁微粒、氧化钙微粒、砷、汞、氯 化物、各种农药的气体等。畜牧场和畜产品加工厂既可排放氨、硫化氢、甲烷、吲哚、粪臭素等有害 气体，也可以排放粉尘和微生物（详见表 3-2）。 表 3-2 空气污染物的种类 固体（颗粒） 污染物种类 气体状态污染 物种类 一次性气体污染物 二次性气体污染物 粉尘 飞尘 烟 黑烟 雾 煤烟 含硫化合物 碳氧化合物 含氮化合物 碳氢化合物 卤素化合物 SO2，H2S CO2、CO NO、NH3、NO2 CmHn HCL，HF SO3、H2SO4、M SO4（硫酸盐） 无 H NO3 、 MNO3（硝酸盐）、O3 醛、酮、酯 无 （二）大气污染的危害 1． 大气污染对空气环境的危害 烟尘对太阳光有一定的吸收和散射能力，因此，烟尘可以减少太阳直接辐射到地球表面的辐射强度， 导致空气浑浊度增加，能见度降低。大气中的酸性污染物与降水结合，产生酸雨，造成水体污染，导 致水生生物大量死亡，污染土壤，导致农作物减产。大气中的二氧化碳、尘埃等能使大气产生“温室 效应”，引起全球气温升高，造成冰川融化，海平面上升，导致沿海城市被淹，土壤盐碱化，气温升高 还导致大陆局部地区干旱，水涝、土地沙漠化等灾害频繁发生。由于人类使用氯氟烃做空调、冰箱等 制冷剂，可导致大气层臭氧层被破坏。 2.大气污染对动物的危害 大气污染首先对动物呼吸器官造成危害，当动物吸入受到污染的空气时，可引起呼吸器官机能的 改变，影响肺组织的气体交换。同时，进入肺泡的污染物质可迅速被吸收、不经肝脏解毒直接进入血 液循环分布到全身；其次，大气污染可以影响动物体血液中血红蛋白的运输氧的功能。实验证明：当 血液中碳氧血红蛋白达到 5%时，可损害血红蛋白输送氧的能力相当于丧失 200 毫升的血液。对贫血
和血液循环障碍的病人来说,可能产生严重影响。第三,大气污染对动物体可产生急性和慢性中毒, 当大量有毒物质浓度急剧增加时,可产生急性毒害作用,当大气污染物浓度低,但长期作用也能使动 物产生慢性中毒。 大气污染对植物的危害 绿色植物除提供动物营养物质以外还具有吸收有害气体、过滤烟尘、杀灭病菌、减弱噪音等作用。 但是,大气污染物如二氧化硫、氟化氢、光化学烟雾、乙烯等可对植物产生毒害作用,造成植物倒伏 枯死,烟尘堵塞植物呼吸孔,影响植物光合作用,使植物营养供给发生障碍,导致植物不能正常生长 4.大气污染对水生生物系统的影响 大气污染物中的硫氧化物、氮氧化物及二氧化硫在金属离子催化剂作用下,与大气中的水气结合 形成酸雨,酸雨降落到湖泊江河对水生生物构成潜在的危害。由于酸雨的作用使水pH降低,导致有 些重金属如镉、锌、铅和汞等溶解,这些重金属离子通过食物链被水生生物吸收和富集,对人类健康 构成很大威胁。 (三)大气中的主要污染物 1.二氧化碳 二氧化碳(∞2)含量的变动与气温关系极为密切,CO2允许来自太阳的短波辐射通过而到达地面 从而使地温和低层大气的温度增高。但是却不允许从地表放射出来的长波辐射(热辐射)透过,而且能 够强烈地吸收长波辐射,从而阻止热辐射扩散到高空中去,从而把热量储存在大气中,使大气的平均 温度増髙,这种现象称之为二氧化碳的“温室效应”。因此,所谓温室效应就是指大气CO2含量的增加 引起气温升高的现象。 近一个世纪以来,工业发展排放的二氧化碳量大为增加,其中约有1/3不能被绿色植物和水体所 吸收而在大气中积累起来,这样,随着二氧化碳数量的不断增加,“温室效应”亦越来越强,导致地表 上的空气温度越来越高。据估测,如果空气二氧化碳含量增加一倍,则平均气温至少上升2℃。温室 效应导致全球气候变暖,其结果是冰山溶化,海平面上升,沿海城市和农田被淹没,局部地区出现严 重的干旱或洪 为了避免上述不良倾向,首先必须把二氧化碳浓度控制在一个合理的范围内,通常应将大气中的 二氧化碳含量控制在0.03%。减少二氧化碳污染的最根本的措施是改变能源结构,尽量减少使用有污 染的能源,增加利用太阳能、风能、水能、核能等清洁能源。此外,还要大规模地植树造林,据推测, 地球上现有的森林和绿色植物不但每年大约可吸收二氧化碳1000亿吨,而且能制造出占空气中氧总量 的60%左右的氧。因此,植树造林,种草种树,对于维持生态系统空气环境二氧化碳的动态平衡具有
5 和血液循环障碍的病人来说，可能产生严重影响。第三，大气污染对动物体可产生急性和慢性中毒， 当大量有毒物质浓度急剧增加时，可产生急性毒害作用，当大气污染物浓度低，但长期作用也能使动 物产生慢性中毒。 3．大气污染对植物的危害 绿色植物除提供动物营养物质以外还具有吸收有害气体、过滤烟尘、杀灭病菌、减弱噪音等作用。 但是，大气污染物如二氧化硫、氟化氢、光化学烟雾、乙烯等可对植物产生毒害作用，造成植物倒伏 枯死，烟尘堵塞植物呼吸孔，影响植物光合作用，使植物营养供给发生障碍，导致植物不能正常生长。 4．大气污染对水生生物系统的影响 大气污染物中的硫氧化物、氮氧化物及二氧化硫在金属离子催化剂作用下，与大气中的水气结合 形成酸雨，酸雨降落到湖泊江河对水生生物构成潜在的危害。由于酸雨的作用使水 pH 降低，导致有 些重金属如镉、锌、铅和汞等溶解，这些重金属离子通过食物链被水生生物吸收和富集，对人类健康 构成很大威胁。 （三）大气中的主要污染物 1.二氧化碳 二氧化碳（CO２）含量的变动与气温关系极为密切，CO２允许来自太阳的短波辐射通过而到达地面， 从而使地温和低层大气的温度增高。但是却不允许从地表放射出来的长波辐射(热辐射)透过，而且能 够强烈地吸收长波辐射，从而阻止热辐射扩散到高空中去，从而把热量储存在大气中，使大气的平均 温度增高，这种现象称之为二氧化碳的“温室效应”。因此，所谓温室效应就是指大气 CO２含量的增加 引起气温升高的现象。 近一个世纪以来，工业发展排放的二氧化碳量大为增加，其中约有 1/3 不能被绿色植物和水体所 吸收而在大气中积累起来，这样，随着二氧化碳数量的不断增加，“温室效应”亦越来越强，导致地表 上的空气温度越来越高。据估测，如果空气二氧化碳含量增加一倍，则平均气温至少上升 2℃。温室 效应导致全球气候变暖，其结果是冰山溶化，海平面上升，沿海城市和农田被淹没，局部地区出现严 重的干旱或洪涝。 为了避免上述不良倾向，首先必须把二氧化碳浓度控制在一个合理的范围内，通常应将大气中的 二氧化碳含量控制在 0.03%。减少二氧化碳污染的最根本的措施是改变能源结构，尽量减少使用有污 染的能源，增加利用太阳能、风能、水能、核能等清洁能源。此外，还要大规模地植树造林，据推测， 地球上现有的森林和绿色植物不但每年大约可吸收二氧化碳 1000 亿吨，而且能制造出占空气中氧总量 的 60%左右的氧。因此，植树造林，种草种树，对于维持生态系统空气环境二氧化碳的动态平衡具有