第二章 大气环境化学
1,大气环境
1.1 大气环境的结构
1.2 大气的组分
1.3 大气 -地球的能量平衡
2,大气污染物
2.1 大气污染物的类别
2.2 主要大气污染物及其循环
3,对流层化学
3.1 对流层大气中的光化学过程
3.2 光化学烟雾
3.3 气溶胶化学
4,酸沉降化学
5,平流层化学
5.1 平流层臭氧的基本光化学
5.2 各活性物种源,汇和储库
5.3 大气中源气体与其它气体的变化对平流层臭氧的影响大气环境化学
1,研究对象：天然和人为活动产生的大气中重要的活性物质,包括大气,降水中的 。
– 活性是指,① 有反应性； ② 无反应性,但对生物有害,如 SOx,NOx、
O3,PAN等 。
2,研究范围：对流层和平流层,<50~55km；上层大气稀薄,影响小,划归高空大气物理 。
3,研究空间尺度：大,中,小尺度,化学反应与输送过程相联系,
全球,区域,局部 。
4,主要特点：
– 与光化学密切相关,光辐射
– 异相反应,气体 ≒ 粒子
– 化学过程主要是动力学问题,非热力学平衡问题
– 应用微量和痕量分析技术
– 气象学,大气物理相关联
1,大气环境
1.1 大气环境的结构
1.2 大气的组分
1.2.1 大气的化学组成
1.2.2 大气组成的性质
1.2.2.1 大气组分动态平衡的盒子模式
1.2.2.2 气体循环
1.2.2.3 大气组分的停留时间
1.2.3 大气组成的分类
1.3 大气 -地球的能量平衡
1.3.1 太阳辐射光谱和太阳常数
1.3.2 大气对太阳辐射的削弱作用
1.3.3 地面辐射和大气逆辐射
大气 是指包围在地球表面并随着地球旋转的空气层 。 大气也称为大气圈或大气层 。 大气是地球上一切生命赖以生存的气体环境 。
大气层的重要性还在于,（ 1） 它吸收了来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和紫外辐射,是地球生命的保护伞； （ 2） 大气也是地球维持热量平衡的基础,为生物生存创造了一个适宜的温度环境 。
地表大气平均压力 1个大气压,相当于 1cm2地表上承受的空气柱的质量为 1034g。 地球总表面积为 5.1?108km2。 大气质量随高度的分布极不均匀,主要集中在下部 。 大气层没有明确的边界,但从北极光的最高发光点推算,离地面 800km的高空还有少量空气存在 。
所以,一般称大气层的厚度为 1000km,但其 75%的质量只在 10km
以下的范围内,99%在 30km以下,高度 100km以上,空气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一 。
由于大气的化学成分和物理性质 （ 温度,压力,电离状态等 ） 在垂直方向上有显著的差异,大气层可以分为若干层次 。
1962年 WHO正式通过下述分层系统,即根据大气温度随高度垂直变化的特征,将大气分为对流层,平流层,中间层,热成层和逸散层 。
对流层 （ troposphere）
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 10~12km,两极附近为 8~9km。 夏季较厚,
冬季较薄 。
对流层的特点是,（ 1） 气温随高度升高而降低,大约每上升 100m，
温度降 0.6℃ 。 （ 2） 空气密度大 。 对流层平均厚度为 10~12km,仅是大气层厚度的 1%,但是大气总质量的 3/4以上和几乎所有水汽集中在此层 。 （ 3） 天气现象复杂多变 。
在对流层中,因受地表的影响不同,又可分为两层 。 在 1~2km以下,
受地表的机械,热力作用强烈,通称摩擦层,或边界层,也称为 低层大气,排入大气的污染物绝大部分活动在这一层 。 在 1~2km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 。
平流层 （ stratosphere）
从对流层顶到约 50km的大气层为平流层 。 在平流层下层,即
30~35km以下,温度随高度降低变化较小,气温趋于稳定,所以又称为同温层 。 在 30~35km以上,温度随高度升高而升高 。
平流层的特点,（ 1） 空气没有对流运动,平流运动占显著优势 。
（ 2） 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,透明度高 。 （ 3） 在高约 15~35km范围内,有厚约 20km的一层臭氧层,因为臭氧具有吸收太阳短波紫外线 （ UV-B,UV-C）
的能力,臭氧吸收太阳辐射转化为分子内能,故使平流层的温度随高度升高,也防止了地球生命遭受高能辐射的伤害 。
中间层
从平流层顶到 80km高度称为中间层 。 这一层空气更为稀薄,无水分,温度随高度增加而降低 。 在中间层顶,气温达到极低值 （ 约
-100° C） 。 在约 60km的高空,受到阳光照射的大气分子开始电离,
所以在 60~80km之间是均质层转向非均质层的过渡层 。
热 （ 成 ） 层
从 80km到约 500km称为热层或电离层 。 这一层温度随高度增加而迅速增加 。 据卫星观测 。 在 300km以上,气温达到 1000° C以上 。 在热成层大气分子比中间层更加稀薄,受到宇宙射线和阳光紫外线的作用下,大部分空气分子都电离成离子和自由电子,所以此层又称为电离层 。 由于电离层能够反射无线电波,人类可以利用它进行远距离无线电通讯 。 内层温度很高,昼夜变化很大 。 热层下部有少量的水分存在,因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云 。
逸散层
热层以上的大气层称为逃逸层 。 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,密度几乎与太空密度相同,故又常称为外大气层 。 由于该层的空气受地心引力极小,气体及微粒可从这层飞出地球重力场进入太空 。 逃逸层是地球大气的最外层,该层的上界在哪里还没有统一 。 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 。
<返回 >
总量,5.14× 1018kg,主要成分氮,氧,氩三者之和为 99.96%,加上二氧化碳为 99.995%。 次要成分主要是惰性气体,还有微量的有毒气体 （ NO,NO2,CO,O3,SO2,H2S） 。 这些有毒气体的天然本底值一般小于 ppm数量级,一旦遭到人为活动破坏,将对人类和生物圈造成灾难性的生态后果 。
海平面干洁空气组成 <返回 >
在 90km以下的大气层中,空气密度随高度的增加而减小,但是大气中主要成分的组成比例几乎是不变的,因此这层大气称为均匀层 。
干洁大气 指,干燥洁净的空气,,可用近海平面洁净的大气组分的含量来表示,也可称为大气组成的,本底值,,干洁大气的平均分子量接近一常数 。 除去水蒸气和杂质外,这层,干洁大气,的组成如下表：
组分 重要性 浓度 组分 重要性 浓度
N
2
7 8,0 8 N
2
O 2,5 × 10 -5
O
2
主要
2 0,9 5 CO 1,0 × 10 -5
Ar 0,9 3 O
3 2 × 10
-6
CO
2
次要
0,0 3 3 NH
3 1 × 10
-6
He 1,8 2 × 10 -3 NO
2 1 × 10
-7
CH
4 1,3 × 10
- 5 SO
2 2 × 10
-8
Kr 1,2 × 10 - 5 Xe 8,7 × 10 -5
H
2
痕量
5 × 10
- 5
痕量
盒子模式：视大气圈为盒子,是各种大气组分的储库,Fi=Ri,Mi恒定 。
例：大气中 MH2O=7.2× 1014mol
FH2O=(2.16× 1016+0.9× 1015)=2.25× 1016 mol/y
RH2O=(1.9× 1016+3.5× 1015)= 2.25× 1016 mol/y
大气盒子模式环境水的盒子模式
<返回 >
气体循环,大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理,化学,生物过程进行物质交换,转换 。
源 （ source） 大气组分产生的途径和过程 。
天然源 （ natural source） 由自然界发生的物理,化学,生物过程向大气输送物质,包括：
– 扬尘 （ 地面土石风化,大气颗粒物来源 ）
– 火山 （ H2S,SO2,COS,HCl,HF,颗粒物 SPM,可传送到平流层 ）
– 森林草原火灾 （ CO,CO2,SOx,NOx,VOC,SPM）
– 海水溅沫 （ 海洋 SPM）,植物排放 （ 萜烯 → O3）
人为源 （ anthropogenic source） 人类生活,生产活动向大气输送污染物,包括：
– 工业排放源 （ 烟,尘,SOx,NOx,CO,CO2,卤化物,VOC,以燃料燃烧为重 ）
– 交通运输排放源
– 生活排放源 （ 取暖,炉灶,影响不低于甚至超过工业大锅炉 ）
– 农业排放源
汇（ sink） 大气组分从大气中去除的途径和过程，包括：
– （ a）降水湿去除
– （ b）大气中化学反应转化为其它气体或微粒
– （ c）地表物质吸收或反应去除
– （ d）向平流层输送
颗粒物的汇包括
– （ a）降水湿沉降（ wet depoosition） 雨除（ rain out，发生在云层当中，被去除物参与成云）、冲刷（ wash out，发生在云层下，被去除物被雨水带下）
– （ b）干沉降（ dry deposition）
– （ c）与地表物质碰撞干去除 <返回 >
储库 （ reservoir）,气体和微粒在大气中的留存 （ 形式 ） 。
停留时间 （ t）,某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平均停留时间或停留时间 。
源强 Fi = 天然源排放速率 +人为源排放速率 = 源速率汇强 Ri = 干沉降速率 +湿沉降速率 +化学反应去除速率 +向平流层输入速率
= 汇速率
ii
ii RF Mt 或输出速率输入速率 大气中总量?
例 1 CH4 在对 流 层平 均 浓度 c=1.55ppm,不 随 时间 变化,则
FCH4=RCH4=1.5× 1014 mol/y,求得停留时间为
（ 3/4指对流层占总大气圈质量的比例,16为分子量）
例 2 全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度 c=1ppb,Fs=Rs=200Tg/y
（ 1Tg=1012g），求得结论：大气中 S更替时间短，对 Fi和 Ri变化敏感。
d a y syt i 702.0102 0 0 101101014.5 12 934318
<返回 >
yt i 4.216105.1 1055.1101014.5 14 634318
准永久性气体 （ 非循环性气体 ）
可变化组分强可变组分物种 Ar Ne Kr Xe He Ne O 2
t i ( y ) ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 6 > 10 3
物种 CO 2 CH 4 H 2 N 2 O O 3
t i ( y ) 5~15 2.5 ~ 8 6~8 > 10 ~2
物种 H 2 O CO NO x SO 2 H 2 S HC S P M
t i ( da y s ) ~10 73 ~1 85 8~10 2~4 0.5 ~ 2 ~2 10 ~3 0
（ SPM包括海盐、土壤、有机来源）
半球混匀 1~2month，全球混匀 1~2y；因此 ti超过 2年的，由于大气运动而混匀。 <返回 >
大气的平均温度或称为地表的平均温度,就是 地面气温,是指
1.25~2m之间的气温 。 地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射 。 目前大气和地球的平均温度维持不变约 15° C（ 12~27° C范围 ）,表明地球与大气作为整体从太阳吸收的能量与反辐射回空间的能量是相等的 。 太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡 。
太阳光通量 （ solar flux）,指地球外层空间 （ 约 1000km高空 ） 每单位面积上 （ 与太阳光垂直 ）,单位时间内所获得的太阳能,其数值约 2cal/cm2 min。 由于阳光与地球大气层的相互作用,到达地表的太阳能仅为 50%,约 30%的能量反射回宇宙空间,另外 20%的能量被大气层吸收 。
地球大气层外界的阳光强度是以 太阳常数 （ Solar Constant） 来表示的,定义为与光传播方向垂直的平面上,每单位面积接受到的光的总量 。 世界气象组织 （ WMO） 1981年公布的数字是 1368W/m2。
辐射 或光子是指具有能量的称为光量子的物质在空间传播的一种形态,传播时释放出的能量称为 辐射能 。
太阳辐射光谱是指在太阳辐射中的辐射按照波长的分布规律 。 太阳表面的温度约为 6000K,到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括了整个电磁波谱,可称为是连续光谱 。 红外光部分 （ 0.8~30?m）
占 50%,可见光部分 （ 0.4~0.8?m） 占 40%,紫外光部分 （ 0.2~0.4?m）
占 10%,其余部分 （ 高能辐射 X,Y和宇宙射线 ） 占 1%。
<返回 >
太阳辐射通过大气层到达地面时,大气中的各种组分主要是 N2,O2、
O3,CO2,H2O和尘埃,能够吸收一定波长的太阳辐射,或反射,散射一定波长的辐射 。 高能量的太阳光量子还可引起分子解离 。
由于电离层中 N2,O2和平流层中 O3的吸收,波长小于 290nm的太阳辐射达不到地球表面,而波长为 300~800nm的可见光波基本不被大气分子吸收,它们能够透过大气到达地面,即构成一个所谓光谱上的,窗口,,这部分能量约占太阳光总能量的 40%左右 。 波长为
800~2000nm的长波辐射,则几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收掉 。
颗粒物 （ 尘埃和云 ） 能反射或散射太阳辐射,减少到达地面的辐射量,是致冷因素 。
H2O 0.23~2.85μ m,吸收带在红外区
CO2 0.5μ m和 0.3μ m
O3 220~320nm,并解离为 O2+O
O 2
N 2
+ +O O
N N
h?
h?
< 2 4 0 n m
< 2 2 0 n m+ +
反射率 15% 20% 28% 80% 6%
地形 森林 耕地 土壤 沙漠 海洋
大气吸收 =17+2=19
返回空间 =25+7+2=34
地面吸收 =23+19+5=47
大气吸收：晴空时小颗粒散射,主要是 N2,O2吸收,天呈蓝色
大气散射：阴天时颗粒物散射光杂乱,天呈灰白
大气反射：云层反射,天呈黑暗色 <返回 >
地面辐射,在 4~120μ m,λ max=10μ m,是长波辐射；
75~95%被大气吸收,近地面 40~50m；
H2O吸收 7~8.5μ m和 >16μ m；
CO2吸收 12~16.3μ m；
大气窗穿过 8~12μ m；
大气逆辐射,大气将地面的长波辐射再返回地面,起到保温作用,即温室效应 。 产生这种作用的气体称为温室气体 。
大气能量平衡是不稳定平衡,因为产生平衡的气体,云层,地形等是变化的,受到人类行为的影响 。
1,大气环境
1.1 大气环境的结构
1.2 大气的组分
1.3 大气 -地球的能量平衡
2,大气污染物
2.1 大气污染物的类别
2.2 主要大气污染物及其循环
3,对流层化学
3.1 对流层大气中的光化学过程
3.2 光化学烟雾
3.3 气溶胶化学
4,酸沉降化学
5,平流层化学
5.1 平流层臭氧的基本光化学
5.2 各活性物种源,汇和储库
5.3 大气中源气体与其它气体的变化对平流层臭氧的影响大气环境化学
1,研究对象：天然和人为活动产生的大气中重要的活性物质,包括大气,降水中的 。
– 活性是指,① 有反应性； ② 无反应性,但对生物有害,如 SOx,NOx、
O3,PAN等 。
2,研究范围：对流层和平流层,<50~55km；上层大气稀薄,影响小,划归高空大气物理 。
3,研究空间尺度：大,中,小尺度,化学反应与输送过程相联系,
全球,区域,局部 。
4,主要特点：
– 与光化学密切相关,光辐射
– 异相反应,气体 ≒ 粒子
– 化学过程主要是动力学问题,非热力学平衡问题
– 应用微量和痕量分析技术
– 气象学,大气物理相关联
1,大气环境
1.1 大气环境的结构
1.2 大气的组分
1.2.1 大气的化学组成
1.2.2 大气组成的性质
1.2.2.1 大气组分动态平衡的盒子模式
1.2.2.2 气体循环
1.2.2.3 大气组分的停留时间
1.2.3 大气组成的分类
1.3 大气 -地球的能量平衡
1.3.1 太阳辐射光谱和太阳常数
1.3.2 大气对太阳辐射的削弱作用
1.3.3 地面辐射和大气逆辐射
大气 是指包围在地球表面并随着地球旋转的空气层 。 大气也称为大气圈或大气层 。 大气是地球上一切生命赖以生存的气体环境 。
大气层的重要性还在于,（ 1） 它吸收了来自太阳和宇宙空间的大部分高能宇宙射线和紫外辐射,是地球生命的保护伞； （ 2） 大气也是地球维持热量平衡的基础,为生物生存创造了一个适宜的温度环境 。
地表大气平均压力 1个大气压,相当于 1cm2地表上承受的空气柱的质量为 1034g。 地球总表面积为 5.1?108km2。 大气质量随高度的分布极不均匀,主要集中在下部 。 大气层没有明确的边界,但从北极光的最高发光点推算,离地面 800km的高空还有少量空气存在 。
所以,一般称大气层的厚度为 1000km,但其 75%的质量只在 10km
以下的范围内,99%在 30km以下,高度 100km以上,空气质量仅是整个大气圈质量的百万分之一 。
由于大气的化学成分和物理性质 （ 温度,压力,电离状态等 ） 在垂直方向上有显著的差异,大气层可以分为若干层次 。
1962年 WHO正式通过下述分层系统,即根据大气温度随高度垂直变化的特征,将大气分为对流层,平流层,中间层,热成层和逸散层 。
对流层 （ troposphere）
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 10~12km,两极附近为 8~9km。 夏季较厚,
冬季较薄 。
对流层的特点是,（ 1） 气温随高度升高而降低,大约每上升 100m，
温度降 0.6℃ 。 （ 2） 空气密度大 。 对流层平均厚度为 10~12km,仅是大气层厚度的 1%,但是大气总质量的 3/4以上和几乎所有水汽集中在此层 。 （ 3） 天气现象复杂多变 。
在对流层中,因受地表的影响不同,又可分为两层 。 在 1~2km以下,
受地表的机械,热力作用强烈,通称摩擦层,或边界层,也称为 低层大气,排入大气的污染物绝大部分活动在这一层 。 在 1~2km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 。
平流层 （ stratosphere）
从对流层顶到约 50km的大气层为平流层 。 在平流层下层,即
30~35km以下,温度随高度降低变化较小,气温趋于稳定,所以又称为同温层 。 在 30~35km以上,温度随高度升高而升高 。
平流层的特点,（ 1） 空气没有对流运动,平流运动占显著优势 。
（ 2） 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,透明度高 。 （ 3） 在高约 15~35km范围内,有厚约 20km的一层臭氧层,因为臭氧具有吸收太阳短波紫外线 （ UV-B,UV-C）
的能力,臭氧吸收太阳辐射转化为分子内能,故使平流层的温度随高度升高,也防止了地球生命遭受高能辐射的伤害 。
中间层
从平流层顶到 80km高度称为中间层 。 这一层空气更为稀薄,无水分,温度随高度增加而降低 。 在中间层顶,气温达到极低值 （ 约
-100° C） 。 在约 60km的高空,受到阳光照射的大气分子开始电离,
所以在 60~80km之间是均质层转向非均质层的过渡层 。
热 （ 成 ） 层
从 80km到约 500km称为热层或电离层 。 这一层温度随高度增加而迅速增加 。 据卫星观测 。 在 300km以上,气温达到 1000° C以上 。 在热成层大气分子比中间层更加稀薄,受到宇宙射线和阳光紫外线的作用下,大部分空气分子都电离成离子和自由电子,所以此层又称为电离层 。 由于电离层能够反射无线电波,人类可以利用它进行远距离无线电通讯 。 内层温度很高,昼夜变化很大 。 热层下部有少量的水分存在,因此偶尔会出现银白并微带青色的夜光云 。
逸散层
热层以上的大气层称为逃逸层 。 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,密度几乎与太空密度相同,故又常称为外大气层 。 由于该层的空气受地心引力极小,气体及微粒可从这层飞出地球重力场进入太空 。 逃逸层是地球大气的最外层,该层的上界在哪里还没有统一 。 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 。
<返回 >
总量,5.14× 1018kg,主要成分氮,氧,氩三者之和为 99.96%,加上二氧化碳为 99.995%。 次要成分主要是惰性气体,还有微量的有毒气体 （ NO,NO2,CO,O3,SO2,H2S） 。 这些有毒气体的天然本底值一般小于 ppm数量级,一旦遭到人为活动破坏,将对人类和生物圈造成灾难性的生态后果 。
海平面干洁空气组成 <返回 >
在 90km以下的大气层中,空气密度随高度的增加而减小,但是大气中主要成分的组成比例几乎是不变的,因此这层大气称为均匀层 。
干洁大气 指,干燥洁净的空气,,可用近海平面洁净的大气组分的含量来表示,也可称为大气组成的,本底值,,干洁大气的平均分子量接近一常数 。 除去水蒸气和杂质外,这层,干洁大气,的组成如下表：
组分 重要性 浓度 组分 重要性 浓度
N
2
7 8,0 8 N
2
O 2,5 × 10 -5
O
2
主要
2 0,9 5 CO 1,0 × 10 -5
Ar 0,9 3 O
3 2 × 10
-6
CO
2
次要
0,0 3 3 NH
3 1 × 10
-6
He 1,8 2 × 10 -3 NO
2 1 × 10
-7
CH
4 1,3 × 10
- 5 SO
2 2 × 10
-8
Kr 1,2 × 10 - 5 Xe 8,7 × 10 -5
H
2
痕量
5 × 10
- 5
痕量
盒子模式：视大气圈为盒子,是各种大气组分的储库,Fi=Ri,Mi恒定 。
例：大气中 MH2O=7.2× 1014mol
FH2O=(2.16× 1016+0.9× 1015)=2.25× 1016 mol/y
RH2O=(1.9× 1016+3.5× 1015)= 2.25× 1016 mol/y
大气盒子模式环境水的盒子模式
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气体循环,大气组分通过大气圈与其它圈层发生的物理,化学,生物过程进行物质交换,转换 。
源 （ source） 大气组分产生的途径和过程 。
天然源 （ natural source） 由自然界发生的物理,化学,生物过程向大气输送物质,包括：
– 扬尘 （ 地面土石风化,大气颗粒物来源 ）
– 火山 （ H2S,SO2,COS,HCl,HF,颗粒物 SPM,可传送到平流层 ）
– 森林草原火灾 （ CO,CO2,SOx,NOx,VOC,SPM）
– 海水溅沫 （ 海洋 SPM）,植物排放 （ 萜烯 → O3）
人为源 （ anthropogenic source） 人类生活,生产活动向大气输送污染物,包括：
– 工业排放源 （ 烟,尘,SOx,NOx,CO,CO2,卤化物,VOC,以燃料燃烧为重 ）
– 交通运输排放源
– 生活排放源 （ 取暖,炉灶,影响不低于甚至超过工业大锅炉 ）
– 农业排放源
汇（ sink） 大气组分从大气中去除的途径和过程，包括：
– （ a）降水湿去除
– （ b）大气中化学反应转化为其它气体或微粒
– （ c）地表物质吸收或反应去除
– （ d）向平流层输送
颗粒物的汇包括
– （ a）降水湿沉降（ wet depoosition） 雨除（ rain out，发生在云层当中，被去除物参与成云）、冲刷（ wash out，发生在云层下，被去除物被雨水带下）
– （ b）干沉降（ dry deposition）
– （ c）与地表物质碰撞干去除 <返回 >
储库 （ reservoir）,气体和微粒在大气中的留存 （ 形式 ） 。
停留时间 （ t）,某种组分在大气储库中存在的平均时间称为平均停留时间或停留时间 。
源强 Fi = 天然源排放速率 +人为源排放速率 = 源速率汇强 Ri = 干沉降速率 +湿沉降速率 +化学反应去除速率 +向平流层输入速率
= 汇速率
ii
ii RF Mt 或输出速率输入速率 大气中总量?
例 1 CH4 在对 流 层平 均 浓度 c=1.55ppm,不 随 时间 变化,则
FCH4=RCH4=1.5× 1014 mol/y,求得停留时间为
（ 3/4指对流层占总大气圈质量的比例,16为分子量）
例 2 全球对流层清洁大气中总硫的平均浓度 c=1ppb,Fs=Rs=200Tg/y
（ 1Tg=1012g），求得结论：大气中 S更替时间短，对 Fi和 Ri变化敏感。
d a y syt i 702.0102 0 0 101101014.5 12 934318
<返回 >
yt i 4.216105.1 1055.1101014.5 14 634318
准永久性气体 （ 非循环性气体 ）
可变化组分强可变组分物种 Ar Ne Kr Xe He Ne O 2
t i ( y ) ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 7 ~10 6 > 10 3
物种 CO 2 CH 4 H 2 N 2 O O 3
t i ( y ) 5~15 2.5 ~ 8 6~8 > 10 ~2
物种 H 2 O CO NO x SO 2 H 2 S HC S P M
t i ( da y s ) ~10 73 ~1 85 8~10 2~4 0.5 ~ 2 ~2 10 ~3 0
（ SPM包括海盐、土壤、有机来源）
半球混匀 1~2month，全球混匀 1~2y；因此 ti超过 2年的，由于大气运动而混匀。 <返回 >
大气的平均温度或称为地表的平均温度,就是 地面气温,是指
1.25~2m之间的气温 。 地球大气系统的能量来源主要是太阳辐射 。 目前大气和地球的平均温度维持不变约 15° C（ 12~27° C范围 ）,表明地球与大气作为整体从太阳吸收的能量与反辐射回空间的能量是相等的 。 太阳辐射能的输入和输出就构成了大气的能量平衡 。
太阳光通量 （ solar flux）,指地球外层空间 （ 约 1000km高空 ） 每单位面积上 （ 与太阳光垂直 ）,单位时间内所获得的太阳能,其数值约 2cal/cm2 min。 由于阳光与地球大气层的相互作用,到达地表的太阳能仅为 50%,约 30%的能量反射回宇宙空间,另外 20%的能量被大气层吸收 。
地球大气层外界的阳光强度是以 太阳常数 （ Solar Constant） 来表示的,定义为与光传播方向垂直的平面上,每单位面积接受到的光的总量 。 世界气象组织 （ WMO） 1981年公布的数字是 1368W/m2。
辐射 或光子是指具有能量的称为光量子的物质在空间传播的一种形态,传播时释放出的能量称为 辐射能 。
太阳辐射光谱是指在太阳辐射中的辐射按照波长的分布规律 。 太阳表面的温度约为 6000K,到达地球大气层外界的太阳辐射光谱几乎包括了整个电磁波谱,可称为是连续光谱 。 红外光部分 （ 0.8~30?m）
占 50%,可见光部分 （ 0.4~0.8?m） 占 40%,紫外光部分 （ 0.2~0.4?m）
占 10%,其余部分 （ 高能辐射 X,Y和宇宙射线 ） 占 1%。
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太阳辐射通过大气层到达地面时,大气中的各种组分主要是 N2,O2、
O3,CO2,H2O和尘埃,能够吸收一定波长的太阳辐射,或反射,散射一定波长的辐射 。 高能量的太阳光量子还可引起分子解离 。
由于电离层中 N2,O2和平流层中 O3的吸收,波长小于 290nm的太阳辐射达不到地球表面,而波长为 300~800nm的可见光波基本不被大气分子吸收,它们能够透过大气到达地面,即构成一个所谓光谱上的,窗口,,这部分能量约占太阳光总能量的 40%左右 。 波长为
800~2000nm的长波辐射,则几乎都被水分子和二氧化碳分子吸收掉 。
颗粒物 （ 尘埃和云 ） 能反射或散射太阳辐射,减少到达地面的辐射量,是致冷因素 。
H2O 0.23~2.85μ m,吸收带在红外区
CO2 0.5μ m和 0.3μ m
O3 220~320nm,并解离为 O2+O
O 2
N 2
+ +O O
N N
h?
h?
< 2 4 0 n m
< 2 2 0 n m+ +
反射率 15% 20% 28% 80% 6%
地形 森林 耕地 土壤 沙漠 海洋
大气吸收 =17+2=19
返回空间 =25+7+2=34
地面吸收 =23+19+5=47
大气吸收：晴空时小颗粒散射,主要是 N2,O2吸收,天呈蓝色
大气散射：阴天时颗粒物散射光杂乱,天呈灰白
大气反射：云层反射,天呈黑暗色 <返回 >
地面辐射,在 4~120μ m,λ max=10μ m,是长波辐射；
75~95%被大气吸收,近地面 40~50m；
H2O吸收 7~8.5μ m和 >16μ m；
CO2吸收 12~16.3μ m；
大气窗穿过 8~12μ m；
大气逆辐射,大气将地面的长波辐射再返回地面,起到保温作用,即温室效应 。 产生这种作用的气体称为温室气体 。
大气能量平衡是不稳定平衡,因为产生平衡的气体,云层,地形等是变化的,受到人类行为的影响 。
