污染物在大气中的物理及化学变化VIP免费

第三章污染物在大氣中的物理及化學變化學習目標研讀本章後，學習者應能夠：了解地球大氣系統的能量平衡及其對地球溫度和大氣運動的影響了解影響大氣運動的各種因素和不同形式的大氣運動了解不同尺度的天氣系統及其對污染物擴散的影響了解大氣穩定度、逆溫層和混合層高度，並可說明這些參數對煙流擴散的影響酸雨及都市光化學污染的成因和防治方法空氣品質模式的用途和一些常用的模式的基本假設和架構摘要空氣污染物由排放出來到由大氣去除為止，大氣是其傳播的主要媒介，污染物在大氣中會產生稀釋、擴散、化學轉化(transformation)及沉降去除等許多現象，對其濃度分佈有很大的影響，只有了解污染物在大氣中的物理及化學變化才能評估污染源對環境的影響，並擬定可行的管制措施，此為空氣污染研究上重要的課題。本章可分為三大部份，第一部份介紹大氣的物理性質，包括：系統能量平衡、大氣運動、穩定度、天氣系統、大氣亂流等，第二部份則介紹污染物在大氣中的化學轉換，最後再對空氣品質模式作一簡單的介紹。第一節大氣系統及能量平衡大氣的運動變化主要是由大氣中熱能的交換所引起的，地球熱能主要來源為太陽輻射，太陽是個熾熱的大火球，它的表面溫度約6000K，它以輻射的方式不斷地把巨大的能量傳送到地球上來。圖3-1為太陽輻射光譜圖，太陽輻射的能量可分為三個主要區域：即波長小於0.4μm的紫外光區、波長超過0.7μm的紅外光區和介於二者之間的可見光區。波長小於0.29μm的紫外線在高空就被氮和氧分子所吸收，而波長大於2.5μm的部分又很容易被水蒸氣和二氧化碳所吸收，所以到達地面的輻射主要為0.38-0.76μm的可見光。圖3-1太陽輻射光譜圖太陽輻射到達地球，地面和大氣吸收了輻射，溫度升高，本身也成為輻射體不斷地向外放出輻射。圖3-2為全球平均能量的收支圖。由太陽輻射到地球的能量平均為342Wm-2，其中有20%(67Wm-2)在到達地面之前就被大氣氣體和雲所吸收，變成熱能；另外77Wm-2則因為雲層和懸浮微粒的散射或反射作用而回到太空，到達地表的能量又有30Wm-2因地表反射而回到太空，只有剩餘的49%(168Wm-2)被地表吸收。地球表面在吸收太陽輻射的同時，又將其中的大部分能量以輻射的方式傳送給大氣，此種向外放射輻射的方式，稱為地面輻射。由於地表溫度比太陽低得多(地表面平均溫度約為300K)，因而，地面輻射的主要能量集中在1～30μm之間，屬紅外區間，與太陽輻射相比其波長較長，所以稱為地面長波輻射，相對地，太陽輻射就稱為太陽短波輻射。地面輻射的能量約390Wm-2，其中40Wm-2直接進入太空，剩餘的350Wm-2則被大氣氣體或雲所吸收。圖3-2為全球平均能量的收支圖大氣吸收了太陽的短波輻射(67Wm-2)、地面長波輻射(350Wm-2)和地面傳送的對流能量(102Wm-2)，再以輻射的方式向外放射能量。大氣這種向外放射能量的方式，稱為大氣輻射。大氣輻射的方向既有向上的(195Wm-2)，也有向下的(324Wm-2)。大氣輻射中向下的那一部分，剛好和地面輻射的方向相反，所以稱為大氣逆輻射。大氣逆輻射是具有保溫作用，可維持地表適當的溫度，但如果大氣逆輻射太強，就會造成地球暖化。大氣中某些氣體分子具有選擇吸收一定波長輻射的特性，可以吸收太陽輻射或地面輻射，在能量平衡中扮演重要角色。圖3-3為大氣中甲烷、氧化亞氮、氧和臭氧、二氧化碳和水蒸氣的吸收光譜。大氣中的主要氣體是氮和氧，只有氧能微弱地吸收太陽輻射。在波長小於0.2μm處為一寬的吸收帶，吸收能力較強；在0.69和0.76μm附近，各有一個窄吸收帶，吸收能力較弱。臭氧在大氣中含量雖少，但對太陽輻射的吸收很強。0.2-0.3μm為一強吸收帶，使小於0.29μm的太陽輻射不能到達地面。在0.6μm附近又有一寬吸收帶，吸收能力雖然不強，但因位於太陽輻射最強烈的輻射帶裏，吸收的太陽輻射還是相當多的。圖3-3大氣中甲烷、氧化亞氮、氧和臭氧、二氧化碳和水蒸氣的吸收光譜水汽雖然在可見光區和紅外區都有不少吸收帶，但吸收最強的是在紅外區，從0.93-2.85μm之間的幾個吸收帶。因此水汽從太陽輻射能裏所吸收的能量並不多的，但可以吸收地面的長波輻射。甲烷、氧化亞氮、二氧化碳等溫室效應氣體其吸收帶都在紅外線範圍，因...