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大氣污染化學研究概況

文檔作者：汪安璞文檔來源：中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心		點擊數：	更新時間： 2025年07月16日
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上一篇：植物與大氣污染

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第” 卷第期
馬年月
環(huán)境化學卜
。丫
大氣污染化學研究概況‘
汪安璞
中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京,
本文綜述了大氣污染化學研究在國內外的發(fā)展概況對大氣污染物的表征研究和大
氣污染的化學過程與模式的研究, 作了詳細的闡述特別對大氣顆粒物的表征與來源的
識別、大氣光化學反應、自由基反應及其它活性物種的反應在近年的發(fā)展作了全丙的總
結介紹了當今全球性大氣污染的一些重大環(huán)境問題, 如酸雨、臭氧層破壞、溫室效應
等有關大氣化學研究的情況。回顧了大氣污染化學對中國經濟與科學發(fā)展中的重要作
用
關鍵詞大氣化學, 空氣污染, 大氣環(huán)境
世紀中葉瑞典大氣科學家和英國化學家分別對大氣
中顆粒物質的擴散和全球循環(huán)以及降水中的組分開創(chuàng)了大氣化學的研究但一個世
紀來, 這方面的研究進展緩慢從年代起, 發(fā)生了幾起世界聞名的大氣污染事件, 即
洛衫磯煙霧事件、倫敦煙霧事件、四日市哮喘病事件, 大氣
光化學煙霧的研究得到了重視, 發(fā)現(xiàn)了自由基氧化鏈鎖反應及大氣顆粒物的協(xié)同作用對
人體健康的影響年代后, 酸性降水在北美北歐出現(xiàn), 開展了酸雨形成機制的研究,
發(fā)現(xiàn)了酸化的前體物和, 以及幾種氧化成酸的途徑和轉化致酸的作用
年代后在南極發(fā)現(xiàn)了“ 臭氧洞”和溫室效應對氣候變暖的作用, 認為是氯氟烴等痕量氣體
對臭氧層的耗損、二氧化碳等的增多引起的。這一系列的大氣環(huán)境污染問題, 由局地煙
霧污染, 到跨越國界的酸性降水, 以至遍及全球影響的臭氧層破壞和溫室效應, 使人類
的生存環(huán)境受到嚴重威脅從廣義上看, 大氣污染是全球性的何題, 因為污染物通過擴
散輸送最終將散布到整個大氣層, 所以引起了全世界的普遍關注近一二十年來, 大氣
污染化學以前所未有的速度迅猛發(fā)展起來, 是與大氣環(huán)境受污染物質的沖擊和影響直接
有關的。大氣污染化學研究的主要內容和任務是進行大氣環(huán)境中污染物質的化學組成、
性質、存在狀態(tài)等物理化學特性及其來源包括其形成、分布、遷移、轉化、累積、
消除等過程中的化學行為、反應機制和變化的規(guī)律, 探討大氣污染引起自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)
境的效應等其任務是為大氣污染防治, 改善大氣環(huán)境質量, 進行有效環(huán)境管理而服
務
年代初, 在世界范圍內興起了第二次保護大氣環(huán)境的浪潮, 許多國家圍繞大氣污
染物的來源與歸宿源與匯、大氣化學過程中的反應機制及效應, 進行了大量研究和
國家自然科學基金資助課題
含環(huán)境化學卷
控制污染的工作, 發(fā)表了許多論文, 設立了全球大氣監(jiān)測系統(tǒng), 召開了三次大氣科學及空
氣質量應用的國際學術會第一次, 年月在南朝鮮漢城第二次, 年月在日本
港區(qū), 第三次, 。年在中國上海、三次亞洲地區(qū)空氣污染研究學術會, 每年還有許多
大氣污染與大氣化學的專題會, 如全球與區(qū)域環(huán)境大氣化學會議, 活動頻繁, 內容豐富,
涉及面廣泛。大氣是一個運動著連續(xù)的封閉行星, 污染物在對流層的遷移、轉化、沉降
以及上升到平流層, 最終布及全球, 成為國際性的環(huán)境問題因此, 年美國國家研
究委員會在國家科學基金會和大氣科學、氣候委員會的支持下, 組織了大氣化學、氣象
學等許多專家成立了“ 全球對流層化學專門小組” , 為促進多學科國際合作共同研究低
層大氣的化學過程、化學循環(huán)和所需技術的發(fā)展, 提出了一份行動計劃, 其內容涉及到
現(xiàn)今大氣化學或大氣污染化學的許多主要方面
大氣污染化學國內外研究的動向與發(fā)展趨勢
根據現(xiàn)在大氣污染化學研究的內容基本可分為兩個方面, 即大氣污染現(xiàn)象及化學
物種的表征研究和大氣污染化學過程的研究大氣污染的化學模式, 也是研究的重要組
成部分。
大氣污染表征的研究
表征研究的主要內容有污染物的物理化學特性、在大氣中的存在狀態(tài)、組成變化及
其相應的化學行為、來源與歸宿等問題近十年來, 這方面的研究甚多, 據不完全統(tǒng)計
發(fā)表的論文約占有關大氣污染研究不包括治理技術等的一半, 其中較多的是研究化
學污染物的時空分布規(guī)律、長程遠距離的遷移、由對流層進入平流層的趨勢, 一次污染
物的排放與二次污染物間的濃度分布關系, 大氣氣溶膠的化學組成與粒度分布及環(huán)境污
染的關系, 酸性組分的干濕沉降, 及其鹽的分布與沉降關系, 城市、郊區(qū)、森林地
帶大氣中的的濃度, 痕量有毒金屬元素和揮發(fā)性有機物在對流層中的行為與分布,
污染物在大氣降水、降雪、冰帽中的分布等等大氣污染現(xiàn)象及化學物種表征研究的概
況如下
大氣環(huán)境污染物的分布與表征
進行大氣中各種有機、無機污染物的組成、分布及其時空變化規(guī)律的研究, 其目的
是為大氣環(huán)境質量評價積累基本數據, 控制污染的管理與立法等, 提供科學依據
現(xiàn)今城市、郊區(qū)等區(qū)域環(huán)境的質量研究, 較多地集中在大氣顆粒物的組成包括痕量
元素如鉛、銅、鉻、鎳、銅、鋅等有毒重金屬和硫、硒、硫酸鹽、硝酸鹽、多環(huán)芳烴
在不同粒度中的濃度, 及其長距離遷移分布如亞洲氣溶膠可遷移到日本奧仄島、美國
夏威夷和北極等地, 其不同粒度中有各異的組分含鉛顆粒物從歐洲向南極遷移, 可分
布于大西洋上空含氯碳氫化合物在瑞典大氣中遷移的多年變化含氯化合物在英國中
部與北部的分布極地大氣和冰帽中及聾一, 虧, 一的濃度分布與季節(jié)變化的規(guī)
律日本大氣中墓一, 三的形成與遷移等, 都與人為活動有關對。在城市、郊
冬、森林地帶的濃度變化及分布狀況有不少國家進行了研究對平流層如何進入對流
層, 大氣酸性組分的干濕沉降, 進行著定期或長期的觀測與廣泛的研究東北美和我國
對人為排放的, 二及大氣顆粒物與互一, 壓, 與降水中的濃度關系及其沉降
規(guī)律, 與按鹽‘ 。, , ‘等的排放、溶解、蒸發(fā)、沉降
期汪安璞大氣污染化學研究概況息
以及形成、化學轉化對酸性降水的緩沖作用等仍在研究中日本個觀測站和西北太平
洋地區(qū)對二一, 一, 進行常時沉降的測定大氣中的有機物除苯并花、環(huán)戊
并花等多環(huán)芳烴和, 外, 對甲酸、乙酸等有機酸在前西德中部、澳大利亞東
北部與我國西南地區(qū)的濃度, 菇烯在斯堪的那維亞針葉森林中, 。在華盛頓森林中的濃
度, 森林、土壤和空氣中一和一鹵代烴的含量, 氯氟烴, 的大
氣濃度及在對流層大氣中的行為都有報道近年來對大氣中的觀測與研究有所重
視, 這可能與對大氣的溫室效應有關如對南半球濃度進行了調查, 研究人為
排放與大氣中碳氫化合物的關系, 氨在自然大氣中的梯度分布, 一在紐約大氣
中的濃度, 法國郊區(qū)輕碳氫化合物濃度的垂直廓線和流量大氣顆粒物含硫含氮各種化
學狀態(tài)的化學物種, 如, 錄一與‘ , , 壓, 。, 及毒等的
表征在酸雨形成關系的研究中有其重要的意義此外, 對大氣顆粒物中元素碳、有機碳
和無機碳等狀態(tài)的鑒別與表征, 乃是識別污染來源, 研究碳的生物地球化學循環(huán)中必不
可少的一步最近, 不少國家測定了室內, 二, , 甲醛, 含氯農藥, 苯并
花及揮發(fā)性有機物等的濃度與空間時間的變化, 還與室外大氣濃度進行了比較, 結果表
明有些污染物濃度經常高于室外, 因此室內空氣污染問題已引起了人們的重視, 我國在
這方面也正在開始研究中。
污染來源識別的研究
根據大氣中顆粒物的化學組分, 進行污染來源的判別及其貢獻率的研究, 已成為近
十年來大氣顆粒物表征的重要內容
大氣顆粒物雖然不是大氣的主要組分, 但它是大氣環(huán)境中普遍存在而無恒定化學組
成的聚集體它可以是有害物, 也可能是有毒物的運載體或反應床。由于其來源或形成
條件的不同, 其化學組分和物理性質差異很大, 并具有一定污染源的特征近年來, 根
據現(xiàn)場采集顆粒物, 用多元素分析的方法, 獲得大量系統(tǒng)的大氣中元素濃度數據, 進行
受體模式的計算, 從污染源的標幟元素可最終獲得不同污染源在
特定受體即采樣點的貢獻率受體模式根據其處理方法主要分為兩類, 即化學質量
平衡法和因子分析法自年代初提出此方法后, 于年代在各國某些城市
及特定地區(qū)得到應用因子分析法在計算技術處理方面有所發(fā)展, 還分為主成份分析、
經典因子分析、目標變換因子分析,
等, 年美國環(huán)保局將列為顆粒物來源識別的主要方法年代末美
國馬里蘭大學、俄勒岡研究生中心等單位開始了這方面的研究年波特蘭氣溶膠表
征研究計劃, 建立了兩種粒度顆粒物共種污染源類型的“ 污染源清單”
或稱排放源成分譜, 用此在俄勒岡州的梅德福、波特蘭和賓夕法尼亞州的費城等地
區(qū)將用有效方差加權最小二乘法擬合, 獲得了顆粒物中各種污染源的貢獻率,
有土壤和馬路塵寫、汽車排氣、種主要工業(yè)排放共計、
燃油排放、揮發(fā)性碳、海鹽、植物性燃料燃燒物
以及二次污染物硫酸鹽、硝酸鹽各為等。并對小于井顆粒物的不同污染源
貢獻率也作了計算, 得到了較好的結果它可對相應的大氣擴散模式進行校準, 用于空
氣質量管理和控制污染決策美國華盛頓特區(qū)收集了個大氣顆粒物樣品, 用種標
環(huán)境化學卷
幟元素進行計算得出土壤、海洋、燃煤、燃油、汽車排氣及棄物焚燒等種污染
源的貢獻率之后類似的工作在美國圣路易斯、麥迪遜、波士頓、‘
日本大阪、澳大利亞
等許多地方也陸續(xù)被應用我國在天津、北京和重慶地區(qū)用和因子分析法進行了
研究, 初步獲得天津地區(qū)塵土和燃煤兩者占顆粒物來源的, 北京地區(qū)土壤風沙約占
顆粒物中總量的, 燃煤約占, 燃油約占重慶市區(qū)顆粒物中燃煤的貢獻率
為, 土壤和風砂約為, 汽車燃油約為
由于法要求各地區(qū)有各自完整的“ 污染源清單” , 并有系列顆粒物樣品的精
確元素濃度數據, 刁‘ 能獲得較為正確的結果在我國一般較難做到, 使其應用受到了限
制因子分析法雖然可不要“ 污染源清單” , 目標變換因子分析又可避免主觀設立污染
源的種數, 但污染源的標幟元素仍需人為選擇, 而且對某些污染源如燃煤排放元素與土
壤、揚塵的主要組分元素十分相似, 通常難以區(qū)分這兩類的貢獻率目前常用其它多元
數理統(tǒng)計分析如富集因子法、多元回歸分析、聚類分析等, 還有用單個顆粒的電鏡顯微
分析等方法相配合, 互相補充, 以求獲得較好結果, 但由于受體模型建立在線性關系原
理上有其自身的缺陷, 使所得的結果不盡滿意
最近國外用“ 雜化模式” 將污染物排放、受體模式與擴散模
式結合在一起解決受體模式的不足, 現(xiàn)尚在研究中。
此外, 亦有用穩(wěn)定同位素之比, 如, 等元素來區(qū)別人為來源還是自然來源, 如
加拿大郊區(qū)氣溶膠中的, 極地冰雪中的, 我國西南地區(qū)的來源等
大氣污染化學過程的研究
由于污染大氣中的化學物質很多, 且在不同的氣象條件和周圍環(huán)境中以各種物相、
狀態(tài)存在, 有些還互相作用, 或處于動態(tài)平衡中。在此眾多的物理化學轉化過程中, 從
污染物的特性以及在大氣環(huán)境中不同的化學行為來看, 對流層和平流層化學中較為普遍
而重要的反應, 主要有光化學反應、自由基反應和活性粒子或活性化學物種的反
應近十余年來, 研究這些化學反應的過程較多, 從理論上計算和現(xiàn)場測試及實驗室模
擬做了大量工作, 已初步闡明了一些反應機制, 但還有許多方面仍在探討中
大氣光化學反應
大氣中的許多化學反應是由于污染物叨收可見、紫外光而引發(fā)的在環(huán)境中這種光
致作用發(fā)生的光化學反應有許多類型, 其中比較重要而研究得較多的有
光解反應這是對流層和平流層中經常發(fā)生的大氣鏈反應的起始反應, 也是產生活
性粒子, 等和白由基, 三, 等的重要來源光化學煙霧反應過程
的研究, 揭示了的光解是鏈的引發(fā)反應在城市大氣中的, 醛, 酮和亞硝酸, 烷
基亞硝酸酷等也都會發(fā)生光解反應, 產生活性粒子或進行分子重排, 生成穩(wěn)定的小分
子關于這些反應過程現(xiàn)今仍在研究中, 如英國最近研究光化學生成。的化學過程,
還有研究和硝酸過氧丙酞醋的光化學形成機制等問題近年來研究臭氧
層破壞的化學機制中發(fā)現(xiàn)光解反應也是破壞臭氧的重要過程之一其中直接光解生成
激發(fā)態(tài)’ 或, 進而又光解為自由基, 氯氟烴經光解生成活性氯原子作為
引發(fā)反應, 這些活性物種都是參與奇氧反應循環(huán), 消耗。的重要成員, 或是酸雨形成中
的強氧化劑這方面的詳細過程還在探討中有些農藥的光解與光化學氧化也在研究
期汪安璞大氣污染化學研究概況
中女日滴滴涕、對硫磷等后者經光的作用會降解生成硝基苯酚自由基, 具有高活性
這些反應還與被吸附載體的光敏性質等有關。
激發(fā)態(tài)分子的反應大氣中有些氣體分子選擇吸收一定波長的光能而以激發(fā)態(tài)的分
子存在已發(fā)現(xiàn), 都有兩種激發(fā)態(tài)的分子單重態(tài)和三重態(tài), 和丙酮也有
激發(fā)態(tài)經研究已知’ 單重態(tài)與順丁烯一反應其產物為順式加成物, 而。三
重態(tài)與它反應的產物則是反式加成物和丁烯聚合物。大氣中激發(fā)三重態(tài)的丁酮與氧反
應分解為自由基的兩種激發(fā)態(tài)在光化學煙霧循環(huán)、臭氧光分解以及烯烴光氧化等反
應過程中有其突出的作用, 所以激發(fā)態(tài)分子反應在大氣光化學中是相當重要的但目前
研究甚少, 我國在這方面的研究尚屬空白。
光催化反應大氣顆粒物中含有多種無機元素及金屬離子, 吸附著一些有機物, 當
受到陽光照射時, 會產生光催化反應如有人研究了大氣顆粒物上蔥的光氧化作用, 可
生成四種不同的蕙酮多環(huán)芳烴吸附在載體上容易發(fā)生光解反應最近有人研究了
在金屬顆粒物表面及氣溶膠上的反應機制非均相光化學反應亦是對流層大氣化
學中主要的研究內容但迄今為止, 除光化學煙霧有關的以外, 其它方面的研究尚有待,
大力發(fā)展。
大氣光化學已是大氣污染化學的重要組成部分, 是對流層和平流層化學過程研究的
核心內容, 是大氣化學基礎研究的前沿領域迄今酸雨的前體物二, 二其氧
化產物的詳細反應路線已有了解, 但水相光化學在云內化學轉化過程中的機制尚不清
楚, 還有待在現(xiàn)場實驗站和實驗室中, 晝夜連續(xù)地做更多的研究, 取得更系統(tǒng)和可靠的
數據。
我國在大氣光化學的研究方面比較系統(tǒng)而全面的是蘭州西固地區(qū)光化學煙霧形談的
研究它闡明了西固地區(qū)光化學污染不同于國外的特征和二的比值比國外大
及其變化規(guī)律用氣質模式研究了影響該地區(qū)光化學煙霧污染的主要因素, 提出了污染
控制的對策等小型煙霧箱的光化學反應研究在國內已經建立
自由基反應
自由基反應是大氣化學反應過程中的核心反應, 大氣自由基反應化學已成為大氣污
染化學的另一重要組成部分年首次提出在污染空氣中有自由基的產生
后, 到“。年代末, 對光化學煙霧形成機制的實驗研究中才確認了自由基的存在· 近十多
年來對自由基的反應特征及其來源有了較多的研究, 在大氣化學中又開拓了一個新的領
域, 并與大氣光化學反應密切相關大氣中的污染物通常首先是發(fā)生光化學反應, 由此
而產生自由基或活性粒子, 后者繼而與其它化學物種發(fā)生反應, 其中包括自由基的氧化反
應與自由基的分解反應在光化學煙霧形成過程、酸性降水形成的化學過程以及臭氧層破
壞機制的研究結果, 發(fā)現(xiàn)污染大氣化學過程中的氫氧、氮氧自由基有· , 伏, 伏
烷基類自由基有· , 三, · , · , · , · 等研究這些自由基的來
源及其形成途徑, 已成為大氣污染化學的重要課題從年代中期以來, 有人指出。
有種途徑形成, 其中種均系光解的產物, 三有種途徑形成, 其中有烴類含氧基
色環(huán)境化學卷
及甲醛的抽提原子反應、原子與的復合反應和的光解反應等含烴的各種自
由基主要來自醛、酮和亞硝酸醋的光解, 或烴類氧化反應, 與分子氧化合而生成過氧基
玉, · 迄今, 除· 與各種有機物的反應已有了反應速度常數外, 其它各
類自由基的反應速度常數還在測定中。
· 的反應在大氣污染化學中很為重要它與, 的均相氧化生成和
, 是造成環(huán)境酸化的重要來源之一由于· 測定技術的改進, 近年已研究許
多與有機物的反應, 包括與烷烴、醛類的抽氫反應以及烯烴、芳烴和鹵代烴的各類反
應發(fā)現(xiàn)· 與這些有機物的反應速度常數要比大幾個數量級, 由此得知, · 在
大氣化學反應過程中是十分活潑的氧化劑有人用激光磁共振和放電流動系統(tǒng)研究·
與鹵代烴的反應, 發(fā)現(xiàn)帶有氫原子的鹵代烴很易產生抽氫反應研究了二與烯烴、
無機物如· , , 的反應, 并測定了速度常數, 表明它們也是不可忽視
的物種年代中期在實驗室發(fā)現(xiàn)由與反應會生成自由基它也可由
分解而得年代初在城市污染大氣中測得其濃度達, 并發(fā)現(xiàn)它與簡單烯烴在
夜間發(fā)生反應, 生成。, , 光解可產生或和。最近還有人研究不尼
大氣條件下電廠煙羽中的氧化反應以及自由基與有機物在黑暗中的氣相反應
烷基類自由基方面主要研究了它們與, 和的反應機制及反應速度常數的
測定。其基本產物大多為過氧基化合物或烷基過氧化合物。這是光化學煙霧化學反
應中的某些重要過程。目前還在研究中, 如日本研究中部地區(qū)光化學氧化劑的形成機
制等。
自由基反應是一種快速反應, 由于測試技術的限制和現(xiàn)場觀測數據的不足, 致使
, , 型自由基的光化學轉化循環(huán)還未能獲得確切的了解活性自由基· , , 和
三在大氣中對污染物氧化反應中的作用, 還需要在非均相大氣中作更深入的了解。
“ 全球對流層大氣化學” 行動計劃中要求第一階段即今后一年內從測試手段、現(xiàn)
場觀測和實驗室研究, 都圍繞以·為中心進行化學轉化過程的探討要求從光解
作用開始, 對· 的產生與消失途徑、生成的中間產物與最終產物進行鑒定要建立快
速響答時間小于、靈敏而能直接測定的儀器和設備, 以便測定· , ,
。, , ‘ , 及紫外輻射通量等項目在第二階段, 約一年內, 要增加孟,
, 和氣溶膠虧參與反應并在白晝與夜間進行現(xiàn)場試驗, 要進一步發(fā)展
測定, , 一的技術, 特別是現(xiàn)場遙測, , 的儀
器, 以便獲得大批精確可靠的系統(tǒng)實測數據, 為大氣光化學理論研究提供必要的基本
數據。
活性粒子的反應
大氣中除了上述這些自由基外, 還有各種活性粒子廣泛地存在著。由于這些粒子在
許多大氣污染的發(fā)生與變化過程中起著關鍵的作用, 尤其是近年來全球性大氣問題突
出, 酸雨問題、臭氧層破壞、溫室效應等, 為弄清這些問題發(fā)生的根源與變化的過程,
就必須要研究大氣中重票化學物種班的行為及其化學過程與變化
期汪安璞大氣污染化學研究概況
規(guī)律。頭此, 國外對大氣中活性粒子的研究十分活躍。
除自由基外, 已知的活性粒子有‘ , 。, , , , ,
, , , , , 以及有機化合物的分子碎片二, ,
, 對降水酸化過程起重要的作用在高層大氣中’ 和。是重要
的活性反應物它們與。相互間能轉化, 并與多種有機物和無機物形成各種基元
反應, 研究結果表明它們是大氣氣相和液態(tài)水中· 自由基的天然來源。由· 基又
可導致二, 等自由基的生成經多年來對光化學煙霧、酸性降水和臭氧層破壞等
重大大氣污染問題的研究表明, 都是這些活性粒子參與的氧化或催化循環(huán)反應。大氣中
的奇氧反應, 即十一。仇是耗損。的基本反應, 現(xiàn)已知它可以有三種途徑, 也
就是三種不同的化學過程來實現(xiàn)。
一是由· 自由基構成的催化循環(huán)反應
王一
·
· 。一。
凈反應一。,
其中, 可由。一幾, 一十提供
二是由構成的催化循環(huán)反應
。一
一爭
凈反應。一認
其中, 可由光解或與的反應
’
三是由構成的催化循環(huán)反應
叫,
, ‘
凈反屯。一因此, 大氣中, , , , 等活性粒子的增多, 會加速。的耗蝕。
年英國科學家首次發(fā)現(xiàn)了南極臭氧“ 空洞” 。之后美國于年牽頭進行了南極臭氧實
驗年美國、英國、挪威、前聯(lián)邦德國許多科學家考察了北極臭氧的情
況, 發(fā)現(xiàn)北極上空的濃度比原先認為的高倍, 但尚未形成“ 空洞” 。從此, 臭氧
層破壞問題引起了全世界及許多政府首腦的重視, 導致許多科學家對臭氧耗損機制的探
討近年來, 認識了‘等痕量氣體對這些催化循環(huán)起加速的作用因此, 痕量氣體
包括, 一, , , 。, 和等在對流層和平流層大氣中的濃度分
布、化學行為、遷移轉化機制, 亦即它們的源與匯的機制正在加強研究中。如擬訂了國
際全球大氣化學計劃成立了“ 歐洲平流層臭氧研究合作小組”
和國際性的平流層變化監(jiān)測網” 進行實地研究。在國際科聯(lián)環(huán)境問題委員會
的倡導下, 設立了痕量氣體在大氣圈與生物圈間變化的研究項目, 對平流
層中含氧、氫、氯、氮等化學物種之間的化學藕合及其變化, 提出了研究的要求與傲
法,
卷
— 一一一一一扁, 一一一一一一一一一
一一一一一一一
主要為實驗室測定基本反應的速度常數及其機制的研究用實驗室研究所
得的數據進行計算機模式研究, 預測各種中間產物和最終生成物的濃度, 以及指明隨著
人為排放量的改變, 它們的濃度將改變到什么樣的水平, 例如氯氟烴, 。最重要的是
在化學反應過程中要進行各種物種濃度的測量, 包括呂和各種自由基, 如等
對平流層中最關鍵的物種要能現(xiàn)場瞬時測定或檢測現(xiàn)國外正組織各方面的力量, 特別
是化學動力和光化學的專家們進行這個前沿領域的實驗室研究, 進展較快, 成績顯著
例如, 現(xiàn)在已經可能在實驗室用各種方法產生兒乎任何一種活性化學物種, 在受控條件
下進行反應, 并測定了它們的反應速度, 在年代完成了實際需要的一個光化學
過程和速率過程的研究, 已在實驗室和大氣中測定了許多痕量化學物種, 但是對活性物
種快速反應的直接測定, 在當時還認為是一個遙遠的目標, 而現(xiàn)今卻已成為事實痕量
化學物種的大氣測定與實驗室研究仍在繼續(xù)進行中
對流層大氣化學的研究
近年來, 對地球系統(tǒng)內主要的生命元素及人為與自然排放的一些化學物質在全球的
化學循環(huán)問題也給予了較大的重視年國際科聯(lián)環(huán)境問題科學委員會設立了“ 元素
全球生物地球化學循環(huán)” 的研究項目, 由美國國家科學基金會委托國家研究委員會
于年制訂的全球對流層化學的行動計劃中也列入了這些內容我國也參加
了部分, , , 的生物地球化學循環(huán)的研究, 在全球對流層大氣化學的研究中主要
集中對。, , , , 鹵素, 痕量元素以及水和氣溶膠顆粒在全球范圍內的來源、轉化
與歸宿的過程及其循環(huán)的化學機制, 其中特別著重研究的是臭氧的源與匯奇氮化合
物包括, , 。, 。, , 。, ‘ , 和, , ,
。以及大氣水相中的虧, 石, ‘ 十的循環(huán)關于的循環(huán), 在東北美、西歐對
的反應和遷移、分布和轉化已經有大量的研究, 對在局部范圍內人為的排放來源與
歸宿, 通過實測與模式的研究, 其循環(huán)與變化規(guī)律都較清楚了關于由火山爆發(fā)產生硫
化合物的通量正在研究中。對于, 。, , , 。和。等的
來源、分布、轉化與歸宿的研究及其在大氣中濃度的測定已開展了研究至于有自由基
如·基等參與的氣一液相間轉化循環(huán)的機制亦在研究中。
大氣中的光化學氧化會產生許多種含氧產物如醛、酸和過氧化合物等, 但
它們又受二。自由基和二的制約, 有些經非均相反應而被消除, 所以‘的大氣化
學轉化包含了復雜的化學反饋機制, 又加上人為排放對和‘循環(huán)的干擾等, 所有這
些化學過程和相互間的關系尚待進一步探討正加強對非甲烷烴的氧化反應研究, 包括
天然的非甲烷有機物如菇烯、異戊二烯會導致大量的產生, 迄今還不知其量有多大、
對流層中有大量的非甲烷烴飽和的和不飽和的一, 化合物、顆粒有機碳包括
。一烷烴和一。。脂肪酸以及元素碳、煙負等, 但對它們的全球行為
與在對流層中碳循環(huán)的機制還遠未很好認識。
關于對流層中痕量元素除, , , , 及鹵素外的循環(huán)也是有待大力加強
研究的方面許多痕量元素包括金屬和元素有機化合物都以氣溶膠顆粒物的狀態(tài)存
在于對流層中, 它們是生物地球化學循環(huán)的重要組成部分, 但迄今在對流層中這部分的
循環(huán)還認識很不足, 痕量元素按兩類進行研究一類是從發(fā)生到消失整個時間內都是以
期汪安璞大氣污染化學研究概況
顆粒物狀態(tài)存在的元素, 如, , , , , , , , , 和稀土元
素另一類是以蒸氣相或近似于蒸氣相的元素, 如, , , , , , 還可能
有和研究這些元素的來源、存在狀態(tài)及在不同粒度中的分布、轉化條件及其歸
宿, 對控制污染有重要意義, 其中特別重要且又復雜的是氣相、液相和固相中或界面間
元素的濃度分布與存在狀態(tài), 以及發(fā)生的均相或非均相反應過程, 現(xiàn)今在這方面采用元
素分析與狀態(tài)分析、表面分析、微區(qū)分析等相結會的先進技術進行研究, 有些還須進行
實時現(xiàn)場測試
氣溶膠顆粒物在對流層化學研究中較多的著重在顆粒粒度與化學組成及其物理化學
特性的研究方面見前大氣顆粒物表征部分對于氣溶膠的洲際長程遷移或向平流層
的擴散也正在探討中值得提出的是近年來對全球氣候變化的因素中, 對溫室效應使氣
候變暖的研究較多, 而對氣溶膠使氣候變冷或變暖的作用尚有爭議, 因而全球氣候
變化各種效應綜合的最終結果, 有待進一步研究在“ 全球對流層化學” 研究的行動計
劃中指出氣溶膠顆粒物對光有散射和吸收的作用, 會明顯地出現(xiàn)霆和能見度降低但
更為重要的是它對地球熱平衡的效應為了要了解這些光學效應, 就必須知道氣溶膠的
化學組成和粒度, 因為這些特性是直接決定氣溶膠對光的散射和吸收性質的行動計劃
還提出要著重研究氣溶膠在地球化學遷移和人為沖擊中的作用、氣一固轉化過程中的
光化學反應、氣溶膠在云微物理中的影響和氣溶膠的組成、濃度與物理性質等的時空特
征及變化規(guī)律等
關于鹵素的循環(huán), 目前主要對含氟含氯烷烴, 特別是類的濃度分布、遷移過
程、源與匯的機制研究較少現(xiàn)正研究兩種重要的含氯化學物種和的測
定方法很多重要化學過程的反應速度需要進一步做更精細的處理與研究
、
大氣污染的化學模式研究
抓述某一物質在大氣環(huán)境中的生成和消失的化學動力學過程, 常有數十乃至數百個
以上的化學反應。通過模式模擬計算的方法與現(xiàn)場實測, 實驗室模擬實驗三者結合起來,
可較正確地定量描述或預測化學物質的時空分布狀況所以模式研究已成為了解大氣質
量、闡明污染機制的重要方面年代美日開始探索大氣質量模擬模式簡稱氣質模
式近十余年來, 氣質模式研究隨著光化學煙霧的發(fā)生、酸雨的廣泛出現(xiàn), 當今世界
注目的全球性大氣污染對氣候的變化等問題, 大氣化學模式的研究, 正迅速地在發(fā)展
中。
光化學煙霧形成機制的化學模式研究
光化學煙霧模式始于年代末, 由于當時缺乏有關的反應速率和實驗數據妥使模式
的發(fā)展受到很大限制通過對某些反應速率常數的測定和煙霧箱模擬的機制研究, 為化
學模式的建立創(chuàng)造了條件到年代已有幾十種光化學煙霧模式用
個化學反應概括了光化學煙霧形成的整個過程, 奠定了光化學反應化學模式的基礎
這類化學模式是當今研究化學機制中較為成熟的一類。
我國光化學煙霧模式的研究已有開始。年用大氣質量模擬模式對蘭州西固地區(qū)
光化學煙霧的污染進行了研究之后, 模擬北京大氣光化學的污染, 建立和修改了一個
包括個物種、個反應的“ 北京模式” , 對北京大氣光化學反應機制有了進一步的認
識。
環(huán)境化學卷
酸雨化學模式的研究
酸雨的形成是一種復雜的物理和化學的過程, 包括污染物的遠程輸送、成云成雨過
穆以及在這些過程中發(fā)生的均相與非均相化學反應從化學的角度, 主要是闡明酸性物
質在大氣中形成的化學機制及降水酸化的化學動力學過程利用化學反應機制模式可估
算氣相均相反應、云內液相反應、云下液相反應等各個過程對酸雨形成的作用、判定其
主次這種估算雖較粗糙, 但對了解酸雨的成因, 描述酸性物種的時空分布, 仍是彌補
現(xiàn)場觀測局限性的一種重要手段。年代以來, 酸雨模式中把化學模式與物理模式結合
起來, 使其預測能力和準確可靠程度得到了提高
總的看來, 大氣氣相均相反應模式研究較多, 氣相與氣溶膠的多相反應模式研究甚
少, 掖相反應模式包括云內和云下的研究只是近兒年才開始
在氣相均相反應模式中對二和光化學的反應機制研究得比較完善和成熟。目前
建立了一個可描述大氣化學反應較為詳細的“ 特定機理” “ ,
它包括個物種, 個化學反應
云下洗脫的液相化學反應涉及降水對云下大氣污染物清除的化學過程, 這方面的研
究在年代已開始。當時用不可逆洗脫方式來處理氣液之間的反應之后, 對雨滴與氣
體相互作用、洗脫氣體的理論作了大量研究后, 才建立了云下洗脫模式的基礎后期的
雨水酸化模式中把洗脫的物理模式和雨水中的離子平衡、氧化反應結合起來, 形成
了云下洗脫的物理化學模式, 稱為“ 拉格朗日模式” 此外, 把氣體的洗脫和污染物在
雨滴中的反應結合起來處理, 建立了“ 歐拉模式” , 可方便地描述污染氣體濃度和雨水
組分濃度的時空分布。
至于云內液相化學反應雨除過程機理研究得還不很成熟近年來用云雨的物理
化學模式研究云水形成時對污染物的清除過程和酸化機制, 取得了較大進展
我國酸雨化學模式的研究始于年, 重慶市環(huán)監(jiān)所和貴州省環(huán)科所用氣液平衡可
逆洗脫模式對重慶和貴陽地區(qū)的濕沉降酸化進行了研究。北京大學用一維時變微物理參
數化的暖性層狀云模式研究了, 在云、雨水中的溶解、離解和液相氧化過程。
中科院大氣物理所和生態(tài)環(huán)境研究中心用拉格朗日模式對重慶云下洗脫痕量氣體和氣溶
膠, 對雨水酸化進行了研究。北京大學在修改’匕京模式” 的基礎上, 簡化氣相和液相
化學反應機理, 建立了酸雨化學模式, 結合廣州地區(qū)探討了云水酸化機制
和云下洗脫的過程。
區(qū)域性遷移和酸沉降模擬模式的研究
酸雨物理化學模式可闡明區(qū)域性污染物的遷移、轉化和干濕沉降的規(guī)律, 預測其濃
度分布和污染趨勢, 估算跨國界污染物的流量等如太平洋西北實驗室模式、
歐州區(qū)域性空氣污染模式一和統(tǒng)計軌跡區(qū)域性空氣污染模式
用這些模式模擬了美國東北部和加拿大東部地區(qū)污染物的區(qū)域性遷移和沉降這些模式
中的化學過程主要用轉化與清除過程的經驗關系, 并限于, 和硫酸鹽
目前最完整的酸沉降氣質模式乃是美國酸雨十年評價研究項目中建立的區(qū)域酸沉降
模式, 它是在中尺度氣象模式的氣象背景場上, 包括污染物的遷移、轉化和
期汪安璞大氣污染化學研究概況
干濕沉降的三維歐拉模式其化學模式中包括個物種和個反應主要研究云內化學
過程之后修改成個物種、個反應的一模式它曾用于包括美國東部、
加拿大東南部和西大西洋的區(qū)域大氣環(huán)境的研究
我國氣象科學院和北京大學對模式加以修改, 發(fā)展了在中尺度氣象模式輸
出的氣象背景基礎上, 除云內過程外, 還加入了云下過程痕量氣體和氣溶膠的傳輸、擴
散、氣液相化學反應及干濕沉降的三維歐拉模式, 包括個物種、個反應用此模式
探討了華北地區(qū)的干濕沉降和云內云下洗脫等情況
模式中化學反應機制簡化方法的研究
由于目前模式運算受計算機容量和速度的限制對氣質模式中化學動力學機制進行
簡化處理, 減少物種數目和反應個數, 已成為當今氣質模式能否用于實際的關鍵問題。
現(xiàn)今無機物種的化學反應基本上較清楚, 簡化處理的對象主要是有機物常見的簡化方
法有物種替代法、結構歸并法和分子歸并法目前認為較好的一種分子歸并法模式是
等建立的, 后經和改進, 成為最新的光化學煙霧形成模式,
它被美國環(huán)保局用于模式中作為對碳鍵模式的驗證年后, 等先
后提出了四個碳鍵模式, 形成了模式的系列, 現(xiàn)還在發(fā)展與完善中。北京大學曾用
分子歸并法對上海金山石油化工地區(qū)光化學煙霧形成的可能性, 進行了模式預測
我國大氣污染化學研究發(fā)展過程的回顧及其戰(zhàn)略地位
我國大氣污染化學研究的回顧
年起我國各城市、各地區(qū)及不少單位對大氣污染狀況的監(jiān)測調查與質量評價等
方面有了廣泛的開展, 取得了不少成果年后, 研究的內容和范圍向縱深發(fā)展從
單項以城市為主的小尺度研究, 逐漸向綜合的、多學科的區(qū)域性研究延伸。在研究中,
把大氣污染化學與大氣物理、環(huán)境氣象學結合起來, 把污染現(xiàn)狀與未來預測、防洽對策
結合起來, 提高了社會效益和環(huán)境效益, 使大氣污染化學的研究水平提高了一大步, 同
時也體現(xiàn)了我國大氣污染化學研究的特色, 反映了我國大氣污染的不同類型和區(qū)域性特
點多年來, 結合實際污染問題發(fā)展了學科, 充實了內容, 奠定了基礎。通過我國普
遍存在的煤煙型大氣污染問題, 發(fā)展了硫和氣溶膠大氣顆粒物化學, 通過光化學煙
霧污染研究, 發(fā)展了大氣光化學, 通過酸雨污染的研究, 發(fā)展了降水化學這三個領域
正是大氣污染化學三個重要的研究方向, 也是國際上曾經或現(xiàn)在十分關注的污染化
學問題但是, 對有機物污染物的研究方面還不廣泛, 在化學反應動力學的研究, 更
是基礎薄弱, 重要的前沿內容尚未涉及如活性物種的反應動力學等, 全球性痕量氣
體的問題正在起步研究中。
發(fā)展大氣污染化學在我國的戰(zhàn)略地位與作用
大氣污染化學在我國國民經濟的持續(xù)發(fā)展與保護環(huán)境同步實施中起到了保證的作
用。它對發(fā)展我國環(huán)境化學與大氣科學起積極的推動作用在當今及未來全球性污染問
題和國際間“ 環(huán)境外交” 中起參謀、后盾的作用
大氣污染化學研究在發(fā)展經濟中的重要性
由于大氣污染化學的宗旨是研究污染的來源、發(fā)展與消徐的途徑和對策。在本世紀
最后的年, 我國工農業(yè)生產成倍增長, 環(huán)境污染與生態(tài)破壞的潛在危臉也大大增加, 據
環(huán)境化學卷
預測到公元年煤炭產量翻一番, 二氧化硫排放將達萬噸, 比年增加倍
顆粒物塵排放量上升到萬噸, 比年增加倍如以我國酸雨嚴重地區(qū)
西南地區(qū)為例, 到那時酸沉降將增加, 酸雨復蓋面積繼續(xù)擴大。森林、作物的
危害、水體土壤的酸化、材料建筑物的腐蝕等造成的經濟損失將以億元計進行大氣污
染化學的研究, 把可能發(fā)生的污染危險消除在出現(xiàn)之前, 這是最經濟而又保證了國民經
濟的正常發(fā)展國外的經驗證明一旦污染造成, 要使其復原要付出高昂的代價, 還阻
礙了生產的發(fā)展, 所以專家們認為“ 省錢的唯一辦法是把很小一部分公共資金投資到研
究上, 才能更好地選擇凈化方案, 減少再發(fā)生污染的機會” 《化學中的機會》
發(fā)展大氣污染化學學科的必要性
我國環(huán)境化學只有十幾年的歷史, 化學和土壤污染化學, 有其原有學科的基礎, 而
大氣污染化學純屬空白年中國科學院成立環(huán)境化學研究所, 年開始組建大氣
污染化學研究組, 年建立大氣污染化學研究室, 在此同時其他單位如北京大學、北
京工業(yè)大學等高等院校, 之后氣科院、中國環(huán)境科學研究院先后也進行有關這方面的研
究工作, 迄今已基本上形成了一支研究大氣環(huán)境問題的具有一定規(guī)模的隊伍和裝備由
于國內外大氣污染問題的突出, 大氣污染的敏感度較強, 促使該學科通過“任務” 迅速發(fā)
展起來, 但是總的看來, 與國外相比還是基礎比較薄弱, 發(fā)展不平衡大氣顆粒物的表
征研究已有一定進展, 還未做到更深入的水平而化學反應動力學方面則基本上處于
起步階段, 這方面的研究是大氣污染化學的核心內容之一, 是解決污染形成的根源, 提
供控制對策的基礎性研究為此, 結合我國煤煙型大氣污染的特點, 大力開展有關氣溶
膠大氣顆粒物化學、均相與非均相的硫氧、氮氧污染物的化學反應動力學研究, 結
合全球性大氣環(huán)境間題, 開展痕量氣體研究, 并與大氣物理學、環(huán)境氣象學相結合, 豐富
大氣科學的內容, 填補大氣化學的空白與生態(tài)學、環(huán)境醫(yī)學、土壤學、地球化學的結
合, 將使大氣污染對人體健康與生態(tài)效應的機制, 會有更深入的認識與深化作用
大氣污染現(xiàn)象的本質決定于化學物質的性質及其受大氣環(huán)境因素制約下的變化, 許
多大氣污染問題如光化學煙霧、酸雨污染和臭氧層的耗損等其根源都是化學物種在大氣
中的化學作用引起的大氣污染化學是弄清污染根源, 從化學方面了解污染源與最終有
害產物之間各種反應的序列和轉化過程, 從而找出控制污染的途徑, 因而它是消除污染
或改善大氣環(huán)境質量的中心科學《化學中的機會》
為當今及將來“ 環(huán)境外交” 作后盾, 起參謀作用
當今全球性環(huán)境問題已成為世界上的熱點世界資源研究所和國際環(huán)境與發(fā)展研究
所提出的《世界資源》報告中指出中國的二氧化碳從年到日年由全球排放量的
增加到僅次于美國, 超過了日本‘ 近年來, 美、前蘇聯(lián)、英、法、荷蘭、瑞典等
國呼吁要加強國際合作, 增加環(huán)境研究的投資維也納保護臭氧層公約的蒙特利爾議定
書, 要求世界各國簽字, 削減氯氟烴的生產和消費量, 面對這些涉及國際關系的問題,
我國采取何種立場和態(tài)度, 執(zhí)持什么樣的方針與對策, 萬一發(fā)生象美國與加拿大、斯堪
的那維亞地區(qū)的國際糾紛又將如何對待所有這些都要有我們國內第一手的科學調查與
長期研究所獲得的結果和資料作為依據和后盾, 因此, 加強大氣污染化學研究, 無論對
弄清國內大氣污染問題, 還是參與全球性大氣污染間題都是很必要的,
汪安璞大氣污染化學研究概況
參考文獻
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