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第三部分大气环境工程学
第九章空气环境与空气污染
9.1空气环境
9.1.1空气的组成
空气组成是由多种气体混合而成的，其组成可以分为三部分：干燥清洁的空气、水蒸气和各种杂质。干洁空气的主要成分是氮、氧、氩和二氧化碳气体，其含量占全部干洁空气的99.996%（体积）；氖、氦、氪、甲烷等次要成分只占0.004%左右。表9.1列出了乡村或远离大陆的海洋上空典型的干燥空气的化学组成。
表9.1干洁空气的组成
成分
分子量
体积比/%
成分
分子量
体积比/9.6
氮（N2）
28.01
78.084±0.004
氖（Ne）
20.18
1.8
氧（O2）
32.00
20.946±0.002
氦（He）
4.003
5.2
氩（Ar）
39.94
0.934±0.001
甲烷（CH4）
16.04
1.2
二氧化碳（CO2）
44.01
0.033±0.001
氪（Kr）
83.80
0.5
氢（H2）
2.016
0.5
氙（Xe）
131.30
0.08
二氧化氮（NO2）
46.05
0.02
臭氧（O3）
48.00
0.01～0.04
由于空气的垂直运动、水平运动、湍流运动及分子扩散，使不同高度、不同地区的大气得以交换和混合，因而从地面到90km的高度，干洁空气的组成基本保持不变。
空气中的水蒸气含量，平均不到0.5%，而且随着时间、地点和形象条件等不同而有较大变化，其变化范围可达0.01%~4%，但却导致了各种复杂的天气现象：云、雾、雨、雪、霜、露等，这些现象不仅引起空气湿度的变化，而且还导致空气中热能的输送和交换。水蒸气吸收太阳辐射的能力较弱，但吸收地面长波辐射的能力却较强，所以对地面的保温起着重要的作用。
空气中的各种杂质是由于自然过程和人类活动排到空气中的各种悬浮微粒和气态物质形成的。空气中的悬浮微粒，除了由水蒸气凝结成的水滴和冰晶外，主要是各种有机的或无机的固体微粒。有机微粒数量较少，主要是植物花粉、微生物、细菌、病毒等。无机微粒数量较多，主要有岩石或土壤风化后的尘粒、流星在大气层中燃烧后产生的灰烬、火山喷发后留在空气中的火山灰、海洋中浪花溅起在空中蒸发留下的盐粒，以及地面上燃料燃烧和人类活动产生的烟尘等。
空气中的各种气态物质，也是由于自然过程和人类活动产生的，主要有硫氧化物、氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳、硫化氧、氨、甲烷、甲醛、烃蒸气、恶臭气体等。
9.1.2大气圈垂直结构
地球表面环绕着一层很厚的气体，称为环境大气或地球大气，简称大气，是自然环境的重要组成部分，是人类及生物赖以生存的必不可少的物质。
自然地理学将受地心引力而随地球旋转的大气层称为大气圈。大气圈与宇宙空间之间很难确切划分,在大气物理学和污染气象学研究中,常把大气圈的上界定为1200～1400km以外，气体非常稀薄，就是宇宙空间了。
大气圈的垂直结构是指气象要素的垂直分布情况，如气温、气压、大气密度和大气成分的垂直分布等。这里主要对气温的垂直分布情况作一简介。根据气温在垂直于下垫面（即地球表面情况）方向上的分布，可将大气圈分为五层：对流层、平流层、中间层、暖层和散逸层（图9.1）。
（1）对流层：对流层是大气圈最低的一层。由于对流程度在热带要比寒带强烈，故自下垫面算起的对流层的厚度随纬度增加而降低；赤道处约16～17km，中纬度地区约10～12km，两极附近只有8～9km。
对流层的主要特征是：①对流层虽然较薄，但却集中了整个大气质量的3/4和几乎全部水蒸气，主要的大气现象都发生在这一层中，它是天气变化最复杂、对人类活动影响最大的一层；②大气温度随高度增加而降低，每升高100m平均降温约0.65℃；③空气具有强烈的对流运动，主要是由于下垫面受热不均及其本身特性不同造成的；④温度和湿度的水平分布不均匀，在热带海洋上空，空气比较温暖潮湿，在高纬度内陆上空，空气比较寒冷干燥，因此也经常发生大规模空气的水平运动。
对流层的下层，厚度约为1～2km，其中气流受地面阻滞和摩擦的影响很大，称为大气边界层（或摩擦层）。其中从地面到50～100m左右的一层又称近地层。在近地层中，垂直方向上热量和动量的交换甚微，所以上下气温之差很大，可达1～2℃。在近地层以上，气流受地面摩擦的影响越来越小。在大气边界层以上的气流，几乎不受地面摩擦的影响，所以称为自由大气。
在大气边界层中，由于受地面冷热的直接影响，所以气温的日变化明显，特别是近地层，昼夜可相差十几乃至几十度。由于气流运动受地面摩擦的影响，故风速随高度的增高而增大。在这一层中，大气上下有规则的对流和无规则的湍流运动都比较盛行，加上水汽充足，直接影响着大气污染物的传输、扩散和转化。
（2）平流层：从对流层顶到50～55km高度的一层称为平流层。从对流层顶到35～40km左右的