空气污染气体和气溶胶

各种各样的污染物每年以吨计排放到大气中。美国环境保护署(EPA)根据它们各自的源头将它们分为两大类。

1.初级污染物是指那些直接从污染源排放、未经历任何化学或物理转化的污染物。汽车尾气排放的一氧化碳就是一个例子。这种气体被称为非反应性气体，因为它们通常不与其他气体相互作用，也不受太阳辐射的影响。

2.二次污染物是指主要污染物与其他污染物(包括大气中可能存在的辐射)发生化学反应而在大气中形成的污染物。其中最引人注目的化学发光反应是导致对流层臭氧形成的反应。其他反应会导致颗粒物质(硝酸盐、硫酸盐)、酸性液滴的形成，盐颗粒和碳氢化合物。

污染物还可以根据其物理性质分为两类:(1)气体，如一氧化碳(CO)、O3或SO2;(2)颗粒物，如硫酸盐、硝酸盐、黑碳和较重的碳氢化合物。颗粒物，也通常被称为气溶胶，包括通过空气传播的固体和液体颗粒。这包括固体积聚水，变得难以分配光学性质，将在后面展示。表11.1列出了一些比较常见的空气污染源。

表11.1空气污染源

人为			自然
活动	源	污染物	源/活动	污染物
汽车，公共汽车		Co, no *， pm *	侵蚀	被风吹的点
工业	采矿、纸浆和造纸厂	Pm, h2s, co2	衰变	NH3，甲烷，H2S
建设	铺平道路,绘画	挥发性有机化合物的仪器* *	森林火灾	PM, VOCs, NOX等
露天焚烧	树叶，刀伤燃烧，壁炉等。	VOCs，微粒物质	土壤过程	N2o, co2, nh3
浪费	生活垃圾处理	二氧化碳，甲烷，H2S	蒸发	海盐
权力	煤和石油燃烧	Hg,点	火山	SO2, CO，细颗粒物
一代	植物	碳氢化合物,	生物排放	挥发性有机化合物，萜烯，异戊二烯，花粉

* PM =颗粒物

** VOCs =挥发性有机物

* PM =颗粒物

** VOCs =挥发性有机物

3.气体。在本章中，我们将提出，由于紫外线穿过大气中受污染部分的路径很短，而且通常浓度很低(十亿分之一， ppb)的气体污染物，这些气体对到达表面的紫外线几乎没有影响。的干燥的空气主要由氮气(N2)、O2和几种惰性惰性气体——氩(Ar)、氖(Ne)、氪(Kr)和氙(Xe)组成。随着时间的推移，它们的相对浓度基本保持固定(Arya, 1999)。水蒸气(H2O)的浓度在时间和空间上都有很大的变化。它是低层大气中天气和气候的最重要成分之一，但通常不被认为是空气污染物。raybet雷竞技最新二氧化碳(CO2)也有比较高的浓度，主要是由于排放的一部分自然碳循环．然而，以目前每年0.5%的速度增长的环境二氧化碳水平显然是由于人为排放造成的化石燃料燃烧，刀耕火种，滥伐森林。尽管正如一些研究表明的那样，二氧化碳水平的增加可能对农业和林业有益

(Booker, et al.， 2007)，由于二氧化碳、甲烷(CH4)和其他温室气体水平的增加，气候变暖raybet雷竞技最新的潜在后果被认为严重到足以将这些气体归入空气污染物的范畴。大多数被认为是空气污染物的其他物种既有自然来源，也有人为来源。它们在污染大气中的浓度，如大城市和工业园区，比通常测量的十亿分之一(ppb)范围内的“清洁”大气值高出几个数量级。

对流层臭氧的季节性变化取决于太阳的强度，最重要的是，取决于紫外线辐射的强度。在这种情况下，紫外线与氮氧化物和不同类型的碳氢化合物一起产生对流层臭氧。臭氧反过来又吸收了它自己的创造者之一;紫外线辐射。没有紫外线，就没有臭氧。人为前体在对流层发生光化学反应，导致城市和工业化地区对流层臭氧的积累。这些反应在更多的城市地区导致了臭氧的日变化模式(图11.3)。对流层臭氧在更多的农村地区是由自然排放的前体产生的。它也可以从附近的城市地区运输。

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图11.3加州鲁比杜9月3天臭氧浓度峰值

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图11.3加州鲁比杜9月3天臭氧浓度峰值

虽然对流层中有许多重要的气态污染物，但只有三种污染物吸收光谱的紫外线区域;SO2, NO2和O3(图11.4)。如图11.4所示，SO2和O3在305nm左右的散射截面大小大致相同，而NO2在该区域的散射截面相对平缓，在315nm以上的散射截面实际上超过了O3和SO2。二氧化氮是臭氧的前体。它的晨峰可以在受污染的城市环境的每日图中显示出来(图11.5)，同时还有NO2、UV辐射和O3的三个峰(Barnard et al.， 2003)。当二氧化氮与其他污染物和入射的紫外线辐射发生反应时，它会在当地时间的下午14:00 -16:00左右产生臭氧峰值。二氧化硫不是在夏季发现的污染物，通常是在冬季燃烧化石燃料的结果。除非发现SO2和NO2浓度异常高(大于十亿分之一百五十)，否则SO2和NO2对大气的贡献紫外吸收最小值(小于1%)。

图11.4紫外线下污染物吸收截面图

时间(小时)* DUV=差异加权布鲁尔日输出图11.5一九九七年七月八日污染及紫外线辐射峰值Rubidoux,

4.气溶胶。大气气溶胶浓度为光散射和吸收提供了复杂的介质(Ball和Robinson, 1982;科克利等人，1983年;Charlson等人，1991;Penner et al.， 1992)。各种大小、形状、吸湿性、反射性、折射率和吸水性，这些气溶胶形成了数学汤(混合和/或分层)，紫外线必须通过它才能到达地球表面。它们也出现在许多海拔高度。火山爆发，如1984年的埃尔奇雄火山皮勒在1991年，已经向平流层发送了大量的物质(Stephens, 1995)。这些物质与平流层臭氧发生了反应，消耗了臭氧。火山气体在这样的海拔高度发生反应，产生了极具反光性的细硫酸盐颗粒物质。火山物质，气体和颗粒，提供了评估气候强迫的机会(Hansen等人，1997;raybet雷竞技最新科颜尔等人，2000)平流层气溶胶(Lacis et al.， 1992;Dutton等人，1994)。

自20世纪初以来，对流层气溶胶浓度急剧增加。人为排放导致城市地区的浓度增加，并对空气质量产生了重大影响密西西比河以东山谷。由于气溶胶已成为积极和消极影响的地区raybet雷竞技最新气候变化，研究专注于他们的辐射特性在可见光和红外区域，但在紫外线区域不显著(Flowers et al.， 1969)。最近，紫外线测量和气溶胶的主要成分之一，黑碳(Im et al.， 2001)，已涉及美国东南部的气候变化领域(Saxena和Menon, 1999)。raybet雷竞技最新美国东部的可见光范围研究(Liu et al.， 1991)表明，到达地表的生物活性紫外线减少了5% -18%自从工业革命以来．Seckmeyer和McKenzie(1992)、Varotsos等人(1995)、Blumthaler等人(1996)、Mims(1996)和Estupinan等人(1996)也报告了气溶胶衰减导致表面UV-B辐照度下降的类似证据。Lorente等人(1994年)观察到，在城市站点的最高和最低浊度条件之间，UV-B总辐照度的衰减增加了14%。还观察到弥漫性UV-B成分显著增强了27%。在高日照条件下，大约50%紫外辐照度呈弥漫性，且随天顶角和浊度的增加而增加。扩散辐射，尤其是对特定物种，是非常有害的。青蛙在曾经被认为是明显阴凉的地方产卵，现在受到了更高水平的紫外线辐射，这是由于增加的气溶胶产生了更高比例的漫射紫外线辐射(Blaustein和Wake, 1995;米姆,1995)。大气气溶胶对紫外线辐射的影响是非常复杂的。与已知的不利影响相反，增加的人为气溶胶似乎具有减少表面紫外线辐射水平的明显有利影响，特别是在对流层臭氧增加的情况下(Bruhl和Crutzen, 1989;Liu等，1991)。

黑碳是大气中气溶胶砾岩的一部分。城市地区的黑碳浓度可达13.3亿微克/立方米(Wolff, 1981)，而在北卡罗来纳州西部的农村地区，黑碳浓度可达0.03亿微克/立方米(Bahrmann和Saxena, 1998)。它几乎在所有的燃烧过程中产生，由于它在正常的大气条件下不降解，湿沉积和干沉积是它的主要汇。由于它主要存在于亚微米粒子中(Cadle和Mulawa, 1990)，它在大气中的寿命从几天到几周不等。它通过其光消特性在大气的可见性中起着重要作用(Gundel et al.， 1984;Cadle和Mulawa, 1990;Hansen和Rosen, 1990)以及具有在大气化学中发挥作用的催化特性(Goldberg, 1985)。汽车尾气和柴油尾气是黑碳的主要来源。

颗粒也可以是吸水性的(容易吸收水分)，并增大大小。这些类型经常反射辐射，因为它们的外壳是水，但也可能吸收以更长的波长再辐射。硝酸盐和硫酸盐从大气中的气体中生长出来，通常会成为很好的散射物。由于颗粒大小的性质和它们保持水分的能力，散射和光吸收非常依赖于波长。

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