第二章 平流层化学、臭氧层
Chapter 2,Stratospheric Chemistry,
The Ozone Layer
? 1,简介
? 大气和大气圈
Air and Atmosphere
CO2 (0.02-0.04%)
O2 (20.95%)
N2 (78.09% )
Ar (Argon,0.93%)
argon [ ??????] n,[化 ] 氩
H2O
? 紫外射线
Ultraviolet radiation
大气圈由一薄层覆盖地球
表面的混合气体组成。
The atmosphere consists
of the thin layer of mixed
gases covering the earth’s
surface,
光化学反应,光解,光降

? Photochemical reactions,
photolysis,
photodegradation,
? 1,简介
气相环境浓度单位
Environmental Concentration Units for Gases
Parts Per Million (ppm,106);
Parts Per Billion (ppb,109);
Parts Per Trillion (ppt,1012)
Parts Per Hundred Million (pphm,108)
In order to emphasize that the concentration scale is based
upon molecules or volumes rather than upon mass,a v (for
volume) is sometimes shown as part of the unit,e.g.,100 ppmv or
100 ppmv,
1 mg/L浓度的硝基苯水溶液相当于 1 ppm,
在空气中 1 mg/L的硝基苯也相当于 1 ppm吗?
大气温度层结
? 2,大气温度层结
stratification
[????????????????]
n,层化,成层,阶层的形成
由于地球的旋转作用以
及距地面不同高度的各层次
大气对太阳辐射吸收程度上
的差异,使得描述大气状态
的温度、密度等气象要素在
垂直方向上呈不均匀分布。
人们把静大气的温度和
密度在垂直方向上的分布称
为 大气温度层结 和 大气密度
层结 。
Stratification of the
Atmosphere
对流层
Troposphere
高度为 11~12米;温度变化特点是:通常 0.6K/100 m;气体
垂直运动激烈;含有大气全部质量的 3/4和几乎全部水气,
复杂的天气现象 。 (15 ℃ ~-56 ℃ )
? 2,大气温度层结
[???????????] n,[气 ]
对流层
[????????????] n,[气 ]
同温层
平流层
Stratosphere
高度为 12~ 50 km;温度随高度的增高而递增;垂直对流少,
大气稳定 。 ( -56 ℃ ~-2 ℃ )
135~176 nm;
240~260 nm
O3 + hv ? O + O2
200-300 nm,300-360 nm
λmax = 254 nm
小 知 识
decimeter (dm); centimeter (cm);
millimeter (mm);
micrometer (μm) (测微计、千分
尺、微米 );
nanometer (nm); angstrom (?);
liter (L);
milliliter (mL); microlitre (μL)
? 2,大气温度层结
O + O2 + M ? O3 + M
O2 + hv ? O + O
angstrom [????????]
n,埃(光谱线波长单位)
? 2,大气温度层结
中间层 Mesosphere
高度为 48~ 78 km;气温随高度的增加而降低;空气运动
激烈; (meso-)
热层 (电离层 )
Thermosphere
高度为 80~ 800 km; 温度随高度增加而迅速上升;
散逸层 Exosphere
空气非常稀薄
[?????????] n,[气 ] 中间层
[??????????] n,[气 ]
热层
[?????????] n,[气 ]
外逸层
? 2,大气温度层结
图 2-1 大气温度的垂直分布 图 2-2 大气密度的垂直分布
热层
中间层顶
中间层
平流层顶
对流层顶
平流层
对流层
100
80
60
40
20
0
160 200 240 280
T(K)
Z(k
m)
0.8
0
20
4
8
12
16
Z(k
m)
0 0.2 0.4 0.6 1.0
ρ 0 / ρ 0s
? 2,大气温度层结
Figure 2-3,Major regions of the atmosphere (not to scale),
.,,,,
,
.,,,
,Earth
Sea level
Stratosphere
N2,O2
H2O,CO2 Troposphere
Mesosphere
Thermosphere
O3
10-16 km
50 km
85 km
500 km
15 ℃
-56 ℃
-2 ℃
-92 ℃
1200 ℃
O3 + hv (220 nm-330 nm) → O2 + O
O2+,NO+
Incoming Solar radiation
[O]>>[O2]
O2+,O+,NO+
1200 km,[O]=[O2]
High energy ultraviolet,λ <100 nm,
Penetration to ~ 200 km Infrared,visible,and ultraviolet,
λ>330 nm,penetration to Eearth’s
surface
Ultraviolet,
λ 200-330 nm,
penetration
to ~ 50 km
臭氧的形成 (天然 )
? 3,臭氧层的形成与损耗
O2 + hv ? O + O (λ < 243 nm)
2O + 2O2 + M ? 2O3 + M
3O2 + hv ? 2O3
臭氧层存在与对
流层上面的平流
层中,主要分布
在距地面 10-50
km的范围内,峰
值浓度在 20-25
km处。 NO
2 + hv ? NO + O (λ < 420 nm)
O + O2 + M ? O3 + M
臭氧形成:人为来源
? 3,臭氧层的形成与损耗
动态平衡,生成和
耗损的速率相同,
臭氧的浓度保持恒
定。
O3 + hv ? O2 + O
O3 + O ? 2O2
2O3 + hv ? 3O2
210 <λ<290 nm 耗损
0 2 4 6 8 10 Ozone concentration (ppm)
Al
titu
de
(k
m)
60
40
20
0
Stratosphere
Troposphere
Figure 2-4 Variation with
altitude of ozone concentration
臭氧层耗损
由于水蒸气、
NOx,氟氯烃等
污染物进入平流
层,它们能加速
臭氧耗损过程,
破坏臭氧层的稳
定状态。
? 3,臭氧层的形成与损耗
Figure 2-5,The yearly variation in
total ozone (mean values for October)
over Halley bay Station,Antarctica,
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.,
.
.
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.,
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.
.
.
.
.
.
1 9 5 6 19 6 0 19 6 4 19 6 8 19 7 2 19 7 6 19 8 0 19 8 4 19 8 8
350
325
300
275
250
225
200
175
150
Tot
al
o
z
one
(D
obs
on u
ni
ts
)
Tot
al
o
z
one
(D
obs
on u
ni
ts
)
The total overhead amount of atmospheric ozone at
any location is expressed in terms of Dobson units (DU);
one such unit is equivalent to a 0.01 mm thickness of
pure ozone at the density it would possess if it were
brought ground-level (1 atm) pressure,
The normal amount of over-head ozone at temperate
latitudes is about 350 DU,Because of stratospheric
winds,ozone is transported from tropical toward polar
regions,Thus the closer to the equator you live,the less
the total amount of ozone that protects you from
ultraviolet light,
Dobson units (D,U.)
? 3,臭氧层的形成与损耗
假设可催化臭氧分解的物质为 Y,则有如下反应,
超音速飞机可以排放 NO。
平流层中 NO,NO2的主要天然来源是 N2O的氧化,
? 3,臭氧层的形成与损耗
N2O是无色气体,低层空气
中含量最高的含氮化合物,
主要是天然来源,惰性较
大。
N2O + O 2NO
NO + O3 NO2 + O2
Y = NOX(NO,NO2)
HOX(H,HO,HO2)
ClOX(Cl,CLO)
Y+O3 YO+O2
YO+O Y+O2
O3+O 2O2
NO+O3 NO2+O2
NO2+O NO+O2
O3+O 2O2
平流层 HOX主要是由 H2O,CH4 或 H2与 O反应而生成
的。
H 2 O + O
C H 4 + O C H 3 + H O
H 2 + O H + H O
2 H O
H O + O 3 H O 2 + O 2
H O 2 + O H O + O 2
O 3 + O 2 O 2
? 3,臭氧层的形成与损耗
C F C l
3
+ h v C F C l 2 + C l
C F
2
C l
2
+ h v C F 2 C l + C l
C l + O
3
C l O + O
2
C l O + O C l + O 2
O 3 + O 2 O 2
ClOx的人为来源是制冷剂,如 F-11(CFCl3)和 F-
12(CF2Cl2),它们在波长 175-220 nm的紫外光照射
下会产生 Cl。
? 3,臭氧层的形成与损耗
The stratosphere chlorine concentration currently is 3.5 ppb,
which is twice as great as it was in the 1970s and six times the
background level of 0.6 ppb,paralleling the growth in the use of
CFCs,
In the 1980s,about 1 million tonnes (i.e.,metric tons,1000
kg each) of CFCs were released annually to the atmosphere,
? 3,臭氧层的形成与损耗
氟里昂
Freon is a commercial trade name used by Du Pont,a large
corporation producing industrial chemicals,to refer to CFCs---
it is a term often used informally in discussions of
environmental air chemistry,
freon [???????] n,[化 ] 氟里昂,二氯二氟
[氟三氯 ]甲烷(商标名,一种无色气体冷冻剂)
The chemical formulas for individuals CFCs,such as CFC-
11,can be deduced from their code number by adding 90,
The resulting digits correspond,respectively,to the number
of carbon,hydrogen,and fluorine atoms present in one
molecule,
For example,adding 90 to 11 gives 101,so it follows that
CFC-11 contains one carbon,zero hydrogens,and one fluorine,
Since that the total number of noncarbon atoms adds up to
2n+2,where n is the number of carbons,the number of
chlorines in these substituted alkanes can be deduced by
difference,that is,by subtracting from 2n+2,the number of
hydrogen plus fluorine atoms,Thus for CFC-11,2n+2=4,so the
number of chlorine atoms is 4-(0+1)=3,and its formula is CFCl3,
? 3,臭氧层的形成与损耗
Deduce the formulas for the compounds with the
following code numbers,
a,12 b,113 c,123 d,134
Deduce the code numbers for each of the following
compounds
a,CH3CCl3 b,CCl4 c,CH3CFCl2
? 3,臭氧层的形成与损耗
练 习
2002年 1月 1日起我国
汽车业全面禁止新车使
用氟里昂的空调
这个规定是为了履
行保护臭氧层的国际义
务, 执行保护臭氧层维
也纳公约和关于消耗臭
氧层物质的蒙特利尔议
定书而制定的 。
? 3,臭氧层的形成与损耗
澳科学家称大气氟里昂水平
下降
澳大利亚科学家保罗 ·弗
雷泽说, 1990年蒙特利尔议
定书禁止氟里昂的规定已经
取得效果 。 大气中的氟里昂
水平正在下降, 南极上空的
臭氧洞应在 2050年前闭合 。
4.1 逆温 (Temperature inversion)
大气垂直递减率,
z
T
Γ
d
d
??
T—— 绝对温度 (K); z—— 高度。
Γ= 0,等温气层; Γ< 0,逆温气层。
? 4,大气中污染物的迁移
逆温
近地面层逆温:辐射逆温、平流逆温、融雪逆温,
地形逆温
自由大气逆温:乱流逆温、下沉逆温、锋面逆温
? 4,大气中污染物的迁移
A
B
C
D
E
F T
lnP
图 2-6,辐射逆温(陈世训,1991)
100-150 m;
晴朗夜晚
4.2 影响大气中污染物迁移的因素
空气的机械运动
逆温 (天气形势、地理地势 )
污染源本身特性
1,风和大气湍流的影响,
污染物在大气中的扩散取决于三个因素:风、湍流
和浓度梯度。其中,风和湍流起主导作用。
? 4,大气中污染物的迁移




无规则运动
规则运动
铅直方向
大尺度,
系统性
铅直运
动 (cm/s)
小尺
度,
对流
(m/s)
水平方向-风
? 4,大气中污染物的迁移
无规则运动, 具有乱流特征的气层称为摩擦层, 该层底部
与地面接触, 厚约 1000-1500 m。 摩擦层中大气稳定度低 。


动力乱流,也称为
湍流,起因于有规
律水平运动的气流
遇到起伏不平的地
形扰动所产生;
热力乱流,对流,
起因于温度的不均
一。
? 4,大气中污染物的迁移
重力加速度
气块与周围空气的温度,
气块运动的加速度;
???
???
???
?
?
g
TT
t
v
g
T
TT
t
v
'
d
d
)
'
(
d
d
图中 T0表示地面温度,温度曲线由实线表示。某气团受
太阳辐射升温到 T'0,它将按照干绝热线膨胀上升,如图中
虚线,两线的相交处为最大混合层高度。
? 4,大气中污染物的迁移
MMD
MMD
MMD
T0 T0’ T0 T0’ T0 T0’
a b c
(— )env dT dz
图 2-7,不同情况下的最大混合层高度( K,Wark,1981)
2,天气和地理地势的影响
? 海陆风
? 城郊风、热岛效应
? 山谷风
? 4,大气中污染物的迁移
? 课后思考
1,什么是大气温度层结?各层结的特点如何?
2,臭氧是如何生成和损耗的?
3,如果根据 氟里昂的代码推算其分子式?
3,什么是逆温?