大气的化学组成

大气的化学组成

一、大气的组成与结构

包围在地球地表外，离地球表面约1000多千米厚度的空气构成大气圈。人类生活在大气中，靠空气中氧气生存。大气与生命相连，一般成年人每天需呼吸10～13立方米的空气，它相当食用食物质量的10倍，饮水质量的3倍。一个健康人在5周内不吃食物，或5天内不喝水都可能生存下来。但若5分钟不呼吸空气，会窒息死亡。由于大气直接参与人体的物质代谢和调节体温。可见空气对维持生命的重要性，清洁的空气是健康的保证。对于植物来说，它吸收二氧化碳放出氧气，它的生命活动还是离不开氧气，没有氧气也要死亡。

大气圈是人类生存所必不可少的条件，人类的活动，不适当的开发，可能改变大气组成引起大气污染，反过来又给人类以惩罚。由于大气的整体性和流动性，大气环境问题常常是全球性的、区域性的。目前国际关注的三大环境问题：全球性的酸雨、CO₂浓度的增加（温室效应）、臭氧层的破坏均为全球性的环境问题。

二、大气的组成

大气是多种气体的混合物，就其组分的含量变动情况可分为恒定组分、可变组分和不定组分三种。恒定组分指N₂、O₂和Ar。N₂占空气体积78.09%、O₂占20.95%、Ar占0.93%，三者总和占空气总体积的99.97%，其余为微量的氖、氦、氙、氡等稀有气体。可变组分指空气中的CO₂和水蒸气，通常CO₂含量为0.02%～0.04%，水蒸气含量小于4%。可变组分在空气中的含量随季节、气象与人类活动的变化而变化。不定组分指煤烟、尘埃、硫氧化物、氮氧化物及一氧化碳等，它与人类活动直接有关，这些组分达到一定浓度，会给人类、生物造成严重的危害。

三、大气的结构

大约经过60亿年地球的演化，形成了现今的地球圈层结构。

按大气的化学组成、物理性质（温度、扩散、电子密度等）和与地表面垂直分布特性，可将大气圈分成5个层次。

1.对流层

对流层位于大气圈的最底层，从地表到10～12km高度范围，对流层与人类的关系最密切。它的主要特征：第一，对流层气温随高度增加而降低，这与地面受太阳的热辐射影响有关，大约每上升1km温度平均降低6℃，对流层上部分气温在－50℃左右。第二，对流层的气体密度大，占大气总质量的75%以上，水汽的90%以上集中在该层中。因此天气现象（云、雾、降雨、风等）及化学污染的产生与变化都发生在这一层。第三，气体强烈的上下对流，贴近地面的空气受地面发散热量影响而膨胀上升，上层的冷空气因冷而下降。空气强烈对流对地面上的污染物的扩散、稀释十分有利。相反，若形成下冷上热的“逆温”现象，污染物难以扩散，极容易造成污染事件。如1952年12月英国伦敦烟雾事件。据分析，当时伦敦处于“逆温”状态，家庭取暖产生的煤粉尘在浓雾中积蓄，被吸附的SO₂随飘尘进入人体，使居民感到胸闷，并有咳嗽、喉痛、呕吐等症状，4天内死亡人数达4000之多。

2.平流层

平流层位于距地表12～50千米处，其大气组成与对流层相近。与对流层不同的是平流层含有大量的臭氧，其最高浓度可达0.1～0.2μg·g^－1。平流层的温度由下而上逐渐升高，顶部温度最高可达273K，这是由于臭氧强烈吸收太阳紫外辐射的缘故。平流层的空气稀薄，水汽和尘埃的含量极微。

平流层中空气的气流运动以水平移动为主，因此大气组成稳定，很少有气象现象。若有污染物进入此区，会形成一薄层气流，停留在大气中，不易迁移和稀释。

3.中间层

中间层距地表高度50～85千米。该层空气稀薄，臭氧浓度减少，气温随高度的增加而降低。

4.热层

热层位于距地表85～500千米处，由于太阳紫外线和宇宙线的作用，使中间层与热层空气分子变成离子，所以又称电离层。

5.逸散层

电离层上部是逸散层。大气极为稀薄，受地心引力极小，微粒可扩散到太空，是大气圈过渡到星际空间的中间层。

四、大气污染的基本化学原理

下面简单介绍与大气污染有关的基本化学原理：光化学反应、自由基反应与大气气溶胶。

1.光化学反应

大气污染的化学原理比较复杂，它除了与一般的化学反应规律有关外，更多的由于大气中物质吸收了来自太阳的辐射能量（光子）发生了光化学反应，使污染物成为毒性更大的物质（叫做二次污染物）。光化学反应是由物质的分子吸收光子后所引发的反应。分子吸收光子后，内部的电子发生能级跃迁，形成不稳定的激发态，然后进一步发生离解或其他反应。

2.气溶胶化学

自由基反应因存在时间短就不多作介绍了。

气溶胶通常是指液体或固体微粒均匀分散在气体中而形成的稳定的分散体系。气溶胶的颗粒粒径范围0.001～500μm，这些颗粒物粒径比气态分子大，比降尘粒径小。它们不服从气体分子运动规律，不会受地心引力而沉降，具有胶体的光学性质，对阳光有吸收和散射能力，且影响大气的能见度。

气溶胶的颗粒大小范围较大，而且颗粒的大小直接关系到气溶胶三方面性质：化学活性、在大气中的稳定时间和在肺部的附着性。一般说颗粒越小，上述性质越强，但不一定是线性关系。

大气环境是一个宏大的气溶胶体系，其组成十分复杂，某些气溶胶含有40～50种元素。气溶胶的化学成分有无机物（硫酸盐、硝酸盐等）、有机物（主要是一些含O，S，N的有机物）、微量元素及微生物。

气溶胶进入人体组织，其危害性取决于其化学成分的毒性，如硫酸和硫酸盐容易被吸入肺部，引起呼吸困难，若大气气溶胶吸附有毒物（例如SO₂），其危害性就更大。此外，小颗粒气溶胶对气象及电器设备有明显影响，大颗粒气溶胶与视程、辐射、航天及酸雨的成因有密切关系。