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大气污染化学研究概况

文档作者：汪安璞文档来源：中国科学院生态环境研究中心		点击数：	更新时间： 2025年07月16日
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上一篇：植物与大气污染

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第” 卷第期
马年月
环境化学卜
。丫
大气污染化学研究概况‘
汪安璞
中国科学院生态环境研究中心, 北京,
本文综述了大气污染化学研究在国内外的发展概况对大气污染物的表征研究和大
气污染的化学过程与模式的研究, 作了详细的阐述特别对大气颗粒物的表征与来源的
识别、大气光化学反应、自由基反应及其它活性物种的反应在近年的发展作了全丙的总
结介绍了当今全球性大气污染的一些重大环境问题, 如酸雨、臭氧层破坏、温室效应
等有关大气化学研究的情况。回顾了大气污染化学对中国经济与科学发展中的重要作
用
关键词大气化学, 空气污染, 大气环境
世纪中叶瑞典大气科学家和英国化学家分别对大气
中颗粒物质的扩散和全球循环以及降水中的组分开创了大气化学的研究但一个世
纪来, 这方面的研究进展缓慢从年代起, 发生了几起世界闻名的大气污染事件, 即
洛衫矶烟雾事件、伦敦烟雾事件、四日市哮喘病事件, 大气
光化学烟雾的研究得到了重视, 发现了自由基氧化链锁反应及大气颗粒物的协同作用对
人体健康的影响年代后, 酸性降水在北美北欧出现, 开展了酸雨形成机制的研究,
发现了酸化的前体物和, 以及几种氧化成酸的途径和转化致酸的作用
年代后在南极发现了“ 臭氧洞”和温室效应对气候变暖的作用, 认为是氯氟烃等痕量气体
对臭氧层的耗损、二氧化碳等的增多引起的。这一系列的大气环境污染问题, 由局地烟
雾污染, 到跨越国界的酸性降水, 以至遍及全球影响的臭氧层破坏和温室效应, 使人类
的生存环境受到严重威胁从广义上看, 大气污染是全球性的何题, 因为污染物通过扩
散输送最终将散布到整个大气层, 所以引起了全世界的普遍关注近一二十年来, 大气
污染化学以前所未有的速度迅猛发展起来, 是与大气环境受污染物质的冲击和影响直接
有关的。大气污染化学研究的主要内容和任务是进行大气环境中污染物质的化学组成、
性质、存在状态等物理化学特性及其来源包括其形成、分布、迁移、转化、累积、
消除等过程中的化学行为、反应机制和变化的规律, 探讨大气污染引起自然环境和生态环
境的效应等其任务是为大气污染防治, 改善大气环境质量, 进行有效环境管理而服
务
年代初, 在世界范围内兴起了第二次保护大气环境的浪潮, 许多国家围绕大气污
染物的来源与归宿源与汇、大气化学过程中的反应机制及效应, 进行了大量研究和
国家自然科学基金资助课题
含环境化学卷
控制污染的工作, 发表了许多论文, 设立了全球大气监测系统, 召开了三次大气科学及空
气质量应用的国际学术会第一次, 年月在南朝鲜汉城第二次, 年月在日本
港区, 第三次, 。年在中国上海、三次亚洲地区空气污染研究学术会, 每年还有许多
大气污染与大气化学的专题会, 如全球与区域环境大气化学会议, 活动频繁, 内容丰富,
涉及面广泛。大气是一个运动着连续的封闭行星, 污染物在对流层的迁移、转化、沉降
以及上升到平流层, 最终布及全球, 成为国际性的环境问题因此, 年美国国家研
究委员会在国家科学基金会和大气科学、气候委员会的支持下, 组织了大气化学、气象
学等许多专家成立了“ 全球对流层化学专门小组” , 为促进多学科国际合作共同研究低
层大气的化学过程、化学循环和所需技术的发展, 提出了一份行动计划, 其内容涉及到
现今大气化学或大气污染化学的许多主要方面
大气污染化学国内外研究的动向与发展趋势
根据现在大气污染化学研究的内容基本可分为两个方面, 即大气污染现象及化学
物种的表征研究和大气污染化学过程的研究大气污染的化学模式, 也是研究的重要组
成部分。
大气污染表征的研究
表征研究的主要内容有污染物的物理化学特性、在大气中的存在状态、组成变化及
其相应的化学行为、来源与归宿等问题近十年来, 这方面的研究甚多, 据不完全统计
发表的论文约占有关大气污染研究不包括治理技术等的一半, 其中较多的是研究化
学污染物的时空分布规律、长程远距离的迁移、由对流层进入平流层的趋势, 一次污染
物的排放与二次污染物间的浓度分布关系, 大气气溶胶的化学组成与粒度分布及环境污
染的关系, 酸性组分的干湿沉降, 及其盐的分布与沉降关系, 城市、郊区、森林地
带大气中的的浓度, 痕量有毒金属元素和挥发性有机物在对流层中的行为与分布,
污染物在大气降水、降雪、冰帽中的分布等等大气污染现象及化学物种表征研究的概
况如下
大气环境污染物的分布与表征
进行大气中各种有机、无机污染物的组成、分布及其时空变化规律的研究, 其目的
是为大气环境质量评价积累基本数据, 控制污染的管理与立法等, 提供科学依据
现今城市、郊区等区域环境的质量研究, 较多地集中在大气颗粒物的组成包括痕量
元素如铅、铜、铬、镍、铜、锌等有毒重金属和硫、硒、硫酸盐、硝酸盐、多环芳烃
在不同粒度中的浓度, 及其长距离迁移分布如亚洲气溶胶可迁移到日本奥仄岛、美国
夏威夷和北极等地, 其不同粒度中有各异的组分含铅颗粒物从欧洲向南极迁移, 可分
布于大西洋上空含氯碳氢化合物在瑞典大气中迁移的多年变化含氯化合物在英国中
部与北部的分布极地大气和冰帽中及聋一, 亏, 一的浓度分布与季节变化的规
律日本大气中墓一, 三的形成与迁移等, 都与人为活动有关对。在城市、郊
冬、森林地带的浓度变化及分布状况有不少国家进行了研究对平流层如何进入对流
层, 大气酸性组分的干湿沉降, 进行着定期或长期的观测与广泛的研究东北美和我国
对人为排放的, 二及大气颗粒物与互一, 压, 与降水中的浓度关系及其沉降
规律, 与按盐‘ 。, , ‘等的排放、溶解、蒸发、沉降
期汪安璞大气污染化学研究概况息
以及形成、化学转化对酸性降水的缓冲作用等仍在研究中日本个观测站和西北太平
洋地区对二一, 一, 进行常时沉降的测定大气中的有机物除苯并花、环戊
并花等多环芳烃和, 外, 对甲酸、乙酸等有机酸在前西德中部、澳大利亚东
北部与我国西南地区的浓度, 菇烯在斯堪的那维亚针叶森林中, 。在华盛顿森林中的浓
度, 森林、土壤和空气中一和一卤代烃的含量, 氯氟烃, 的大
气浓度及在对流层大气中的行为都有报道近年来对大气中的观测与研究有所重
视, 这可能与对大气的温室效应有关如对南半球浓度进行了调查, 研究人为
排放与大气中碳氢化合物的关系, 氨在自然大气中的梯度分布, 一在纽约大气
中的浓度, 法国郊区轻碳氢化合物浓度的垂直廓线和流量大气颗粒物含硫含氮各种化
学状态的化学物种, 如, 录一与‘ , , 压, 。, 及毒等的
表征在酸雨形成关系的研究中有其重要的意义此外, 对大气颗粒物中元素碳、有机碳
和无机碳等状态的鉴别与表征, 乃是识别污染来源, 研究碳的生物地球化学循环中必不
可少的一步最近, 不少国家测定了室内, 二, , 甲醛, 含氯农药, 苯并
花及挥发性有机物等的浓度与空间时间的变化, 还与室外大气浓度进行了比较, 结果表
明有些污染物浓度经常高于室外, 因此室内空气污染问题已引起了人们的重视, 我国在
这方面也正在开始研究中。
污染来源识别的研究
根据大气中颗粒物的化学组分, 进行污染来源的判别及其贡献率的研究, 已成为近
十年来大气颗粒物表征的重要内容
大气颗粒物虽然不是大气的主要组分, 但它是大气环境中普遍存在而无恒定化学组
成的聚集体它可以是有害物, 也可能是有毒物的运载体或反应床。由于其来源或形成
条件的不同, 其化学组分和物理性质差异很大, 并具有一定污染源的特征近年来, 根
据现场采集颗粒物, 用多元素分析的方法, 获得大量系统的大气中元素浓度数据, 进行
受体模式的计算, 从污染源的标帜元素可最终获得不同污染源在
特定受体即采样点的贡献率受体模式根据其处理方法主要分为两类, 即化学质量
平衡法和因子分析法自年代初提出此方法后, 于年代在各国某些城市
及特定地区得到应用因子分析法在计算技术处理方面有所发展, 还分为主成份分析、
经典因子分析、目标变换因子分析,
等, 年美国环保局将列为颗粒物来源识别的主要方法年代末美
国马里兰大学、俄勒冈研究生中心等单位开始了这方面的研究年波特兰气溶胶表
征研究计划, 建立了两种粒度颗粒物共种污染源类型的“ 污染源清单”
或称排放源成分谱, 用此在俄勒冈州的梅德福、波特兰和宾夕法尼亚州的费城等地
区将用有效方差加权最小二乘法拟合, 获得了颗粒物中各种污染源的贡献率,
有土壤和马路尘写、汽车排气、种主要工业排放共计、
燃油排放、挥发性碳、海盐、植物性燃料燃烧物
以及二次污染物硫酸盐、硝酸盐各为等。并对小于井颗粒物的不同污染源
贡献率也作了计算, 得到了较好的结果它可对相应的大气扩散模式进行校准, 用于空
气质量管理和控制污染决策美国华盛顿特区收集了个大气颗粒物样品, 用种标
环境化学卷
帜元素进行计算得出土壤、海洋、燃煤、燃油、汽车排气及弃物焚烧等种污染
源的贡献率之后类似的工作在美国圣路易斯、麦迪逊、波士顿、‘
日本大阪、澳大利亚
等许多地方也陆续被应用我国在天津、北京和重庆地区用和因子分析法进行了
研究, 初步获得天津地区尘土和燃煤两者占颗粒物来源的, 北京地区土壤风沙约占
颗粒物中总量的, 燃煤约占, 燃油约占重庆市区颗粒物中燃煤的贡献率
为, 土壤和风砂约为, 汽车燃油约为
由于法要求各地区有各自完整的“ 污染源清单” , 并有系列颗粒物样品的精
确元素浓度数据, 刁‘ 能获得较为正确的结果在我国一般较难做到, 使其应用受到了限
制因子分析法虽然可不要“ 污染源清单” , 目标变换因子分析又可避免主观设立污染
源的种数, 但污染源的标帜元素仍需人为选择, 而且对某些污染源如燃煤排放元素与土
壤、扬尘的主要组分元素十分相似, 通常难以区分这两类的贡献率目前常用其它多元
数理统计分析如富集因子法、多元回归分析、聚类分析等, 还有用单个颗粒的电镜显微
分析等方法相配合, 互相补充, 以求获得较好结果, 但由于受体模型建立在线性关系原
理上有其自身的缺陷, 使所得的结果不尽满意
最近国外用“ 杂化模式” 将污染物排放、受体模式与扩散模
式结合在一起解决受体模式的不足, 现尚在研究中。
此外, 亦有用稳定同位素之比, 如, 等元素来区别人为来源还是自然来源, 如
加拿大郊区气溶胶中的, 极地冰雪中的, 我国西南地区的来源等
大气污染化学过程的研究
由于污染大气中的化学物质很多, 且在不同的气象条件和周围环境中以各种物相、
状态存在, 有些还互相作用, 或处于动态平衡中。在此众多的物理化学转化过程中, 从
污染物的特性以及在大气环境中不同的化学行为来看, 对流层和平流层化学中较为普遍
而重要的反应, 主要有光化学反应、自由基反应和活性粒子或活性化学物种的反
应近十余年来, 研究这些化学反应的过程较多, 从理论上计算和现场测试及实验室模
拟做了大量工作, 已初步阐明了一些反应机制, 但还有许多方面仍在探讨中
大气光化学反应
大气中的许多化学反应是由于污染物叨收可见、紫外光而引发的在环境中这种光
致作用发生的光化学反应有许多类型, 其中比较重要而研究得较多的有
光解反应这是对流层和平流层中经常发生的大气链反应的起始反应, 也是产生活
性粒子, 等和白由基, 三, 等的重要来源光化学烟雾反应过程
的研究, 揭示了的光解是链的引发反应在城市大气中的, 醛, 酮和亚硝酸, 烷
基亚硝酸酷等也都会发生光解反应, 产生活性粒子或进行分子重排, 生成稳定的小分
子关于这些反应过程现今仍在研究中, 如英国最近研究光化学生成。的化学过程,
还有研究和硝酸过氧丙酞醋的光化学形成机制等问题近年来研究臭氧
层破坏的化学机制中发现光解反应也是破坏臭氧的重要过程之一其中直接光解生成
激发态’ 或, 进而又光解为自由基, 氯氟烃经光解生成活性氯原子作为
引发反应, 这些活性物种都是参与奇氧反应循环, 消耗。的重要成员, 或是酸雨形成中
的强氧化剂这方面的详细过程还在探讨中有些农药的光解与光化学氧化也在研究
期汪安璞大气污染化学研究概况
中女日滴滴涕、对硫磷等后者经光的作用会降解生成硝基苯酚自由基, 具有高活性
这些反应还与被吸附载体的光敏性质等有关。
激发态分子的反应大气中有些气体分子选择吸收一定波长的光能而以激发态的分
子存在已发现, 都有两种激发态的分子单重态和三重态, 和丙酮也有
激发态经研究已知’ 单重态与顺丁烯一反应其产物为顺式加成物, 而。三
重态与它反应的产物则是反式加成物和丁烯聚合物。大气中激发三重态的丁酮与氧反
应分解为自由基的两种激发态在光化学烟雾循环、臭氧光分解以及烯烃光氧化等反
应过程中有其突出的作用, 所以激发态分子反应在大气光化学中是相当重要的但目前
研究甚少, 我国在这方面的研究尚属空白。
光催化反应大气颗粒物中含有多种无机元素及金属离子, 吸附着一些有机物, 当
受到阳光照射时, 会产生光催化反应如有人研究了大气颗粒物上葱的光氧化作用, 可
生成四种不同的蕙酮多环芳烃吸附在载体上容易发生光解反应最近有人研究了
在金属颗粒物表面及气溶胶上的反应机制非均相光化学反应亦是对流层大气化
学中主要的研究内容但迄今为止, 除光化学烟雾有关的以外, 其它方面的研究尚有待,
大力发展。
大气光化学已是大气污染化学的重要组成部分, 是对流层和平流层化学过程研究的
核心内容, 是大气化学基础研究的前沿领域迄今酸雨的前体物二, 二其氧
化产物的详细反应路线已有了解, 但水相光化学在云内化学转化过程中的机制尚不清
楚, 还有待在现场实验站和实验室中, 昼夜连续地做更多的研究, 取得更系统和可靠的
数据。
我国在大气光化学的研究方面比较系统而全面的是兰州西固地区光化学烟雾形谈的
研究它阐明了西固地区光化学污染不同于国外的特征和二的比值比国外大
及其变化规律用气质模式研究了影响该地区光化学烟雾污染的主要因素, 提出了污染
控制的对策等小型烟雾箱的光化学反应研究在国内已经建立
自由基反应
自由基反应是大气化学反应过程中的核心反应, 大气自由基反应化学已成为大气污
染化学的另一重要组成部分年首次提出在污染空气中有自由基的产生
后, 到“。年代末, 对光化学烟雾形成机制的实验研究中才确认了自由基的存在· 近十多
年来对自由基的反应特征及其来源有了较多的研究, 在大气化学中又开拓了一个新的领
域, 并与大气光化学反应密切相关大气中的污染物通常首先是发生光化学反应, 由此
而产生自由基或活性粒子, 后者继而与其它化学物种发生反应, 其中包括自由基的氧化反
应与自由基的分解反应在光化学烟雾形成过程、酸性降水形成的化学过程以及臭氧层破
坏机制的研究结果, 发现污染大气化学过程中的氢氧、氮氧自由基有· , 伏, 伏
烷基类自由基有· , 三, · , · , · , · 等研究这些自由基的来
源及其形成途径, 已成为大气污染化学的重要课题从年代中期以来, 有人指出。
有种途径形成, 其中种均系光解的产物, 三有种途径形成, 其中有烃类含氧基
色环境化学卷
及甲醛的抽提原子反应、原子与的复合反应和的光解反应等含烃的各种自
由基主要来自醛、酮和亚硝酸醋的光解, 或烃类氧化反应, 与分子氧化合而生成过氧基
玉, · 迄今, 除· 与各种有机物的反应已有了反应速度常数外, 其它各
类自由基的反应速度常数还在测定中。
· 的反应在大气污染化学中很为重要它与, 的均相氧化生成和
, 是造成环境酸化的重要来源之一由于· 测定技术的改进, 近年已研究许
多与有机物的反应, 包括与烷烃、醛类的抽氢反应以及烯烃、芳烃和卤代烃的各类反
应发现· 与这些有机物的反应速度常数要比大几个数量级, 由此得知, · 在
大气化学反应过程中是十分活泼的氧化剂有人用激光磁共振和放电流动系统研究·
与卤代烃的反应, 发现带有氢原子的卤代烃很易产生抽氢反应研究了二与烯烃、
无机物如· , , 的反应, 并测定了速度常数, 表明它们也是不可忽视
的物种年代中期在实验室发现由与反应会生成自由基它也可由
分解而得年代初在城市污染大气中测得其浓度达, 并发现它与简单烯烃在
夜间发生反应, 生成。, , 光解可产生或和。最近还有人研究不尼
大气条件下电厂烟羽中的氧化反应以及自由基与有机物在黑暗中的气相反应
烷基类自由基方面主要研究了它们与, 和的反应机制及反应速度常数的
测定。其基本产物大多为过氧基化合物或烷基过氧化合物。这是光化学烟雾化学反
应中的某些重要过程。目前还在研究中, 如日本研究中部地区光化学氧化剂的形成机
制等。
自由基反应是一种快速反应, 由于测试技术的限制和现场观测数据的不足, 致使
, , 型自由基的光化学转化循环还未能获得确切的了解活性自由基· , , 和
三在大气中对污染物氧化反应中的作用, 还需要在非均相大气中作更深入的了解。
“ 全球对流层大气化学” 行动计划中要求第一阶段即今后一年内从测试手段、现
场观测和实验室研究, 都围绕以·为中心进行化学转化过程的探讨要求从光解
作用开始, 对· 的产生与消失途径、生成的中间产物与最终产物进行鉴定要建立快
速响答时间小于、灵敏而能直接测定的仪器和设备, 以便测定· , ,
。, , ‘ , 及紫外辐射通量等项目在第二阶段, 约一年内, 要增加孟,
, 和气溶胶亏参与反应并在白昼与夜间进行现场试验, 要进一步发展
测定, , 一的技术, 特别是现场遥测, , 的仪
器, 以便获得大批精确可靠的系统实测数据, 为大气光化学理论研究提供必要的基本
数据。
活性粒子的反应
大气中除了上述这些自由基外, 还有各种活性粒子广泛地存在着。由于这些粒子在
许多大气污染的发生与变化过程中起着关键的作用, 尤其是近年来全球性大气问题突
出, 酸雨问题、臭氧层破坏、温室效应等, 为弄清这些问题发生的根源与变化的过程,
就必须要研究大气中重票化学物种班的行为及其化学过程与变化
期汪安璞大气污染化学研究概况
规律。头此, 国外对大气中活性粒子的研究十分活跃。
除自由基外, 已知的活性粒子有‘ , 。, , , , ,
, , , , , 以及有机化合物的分子碎片二, ,
, 对降水酸化过程起重要的作用在高层大气中’ 和。是重要
的活性反应物它们与。相互间能转化, 并与多种有机物和无机物形成各种基元
反应, 研究结果表明它们是大气气相和液态水中· 自由基的天然来源。由· 基又
可导致二, 等自由基的生成经多年来对光化学烟雾、酸性降水和臭氧层破坏等
重大大气污染问题的研究表明, 都是这些活性粒子参与的氧化或催化循环反应。大气中
的奇氧反应, 即十一。仇是耗损。的基本反应, 现已知它可以有三种途径, 也
就是三种不同的化学过程来实现。
一是由· 自由基构成的催化循环反应
王一
·
· 。一。
净反应一。,
其中, 可由。一几, 一十提供
二是由构成的催化循环反应
。一
一争
净反应。一认
其中, 可由光解或与的反应
’
三是由构成的催化循环反应
叫,
, ‘
净反屯。一因此, 大气中, , , , 等活性粒子的增多, 会加速。的耗蚀。
年英国科学家首次发现了南极臭氧“ 空洞” 。之后美国于年牵头进行了南极臭氧实
验年美国、英国、挪威、前联邦德国许多科学家考察了北极臭氧的情
况, 发现北极上空的浓度比原先认为的高倍, 但尚未形成“ 空洞” 。从此, 臭氧
层破坏问题引起了全世界及许多政府首脑的重视, 导致许多科学家对臭氧耗损机制的探
讨近年来, 认识了‘等痕量气体对这些催化循环起加速的作用因此, 痕量气体
包括, 一, , , 。, 和等在对流层和平流层大气中的浓度分
布、化学行为、迁移转化机制, 亦即它们的源与汇的机制正在加强研究中。如拟订了国
际全球大气化学计划成立了“ 欧洲平流层臭氧研究合作小组”
和国际性的平流层变化监测网” 进行实地研究。在国际科联环境问题委员会
的倡导下, 设立了痕量气体在大气圈与生物圈间变化的研究项目, 对平流
层中含氧、氢、氯、氮等化学物种之间的化学藕合及其变化, 提出了研究的要求与傲
法,
卷
— 一一一一一扁, 一一一一一一一一一
一一一一一一一
主要为实验室测定基本反应的速度常数及其机制的研究用实验室研究所
得的数据进行计算机模式研究, 预测各种中间产物和最终生成物的浓度, 以及指明随着
人为排放量的改变, 它们的浓度将改变到什么样的水平, 例如氯氟烃, 。最重要的是
在化学反应过程中要进行各种物种浓度的测量, 包括吕和各种自由基, 如等
对平流层中最关键的物种要能现场瞬时测定或检测现国外正组织各方面的力量, 特别
是化学动力和光化学的专家们进行这个前沿领域的实验室研究, 进展较快, 成绩显著
例如, 现在已经可能在实验室用各种方法产生儿乎任何一种活性化学物种, 在受控条件
下进行反应, 并测定了它们的反应速度, 在年代完成了实际需要的一个光化学
过程和速率过程的研究, 已在实验室和大气中测定了许多痕量化学物种, 但是对活性物
种快速反应的直接测定, 在当时还认为是一个遥远的目标, 而现今却已成为事实痕量
化学物种的大气测定与实验室研究仍在继续进行中
对流层大气化学的研究
近年来, 对地球系统内主要的生命元素及人为与自然排放的一些化学物质在全球的
化学循环问题也给予了较大的重视年国际科联环境问题科学委员会设立了“ 元素
全球生物地球化学循环” 的研究项目, 由美国国家科学基金会委托国家研究委员会
于年制订的全球对流层化学的行动计划中也列入了这些内容我国也参加
了部分, , , 的生物地球化学循环的研究, 在全球对流层大气化学的研究中主要
集中对。, , , , 卤素, 痕量元素以及水和气溶胶颗粒在全球范围内的来源、转化
与归宿的过程及其循环的化学机制, 其中特别着重研究的是臭氧的源与汇奇氮化合
物包括, , 。, 。, , 。, ‘ , 和, , ,
。以及大气水相中的亏, 石, ‘ 十的循环关于的循环, 在东北美、西欧对
的反应和迁移、分布和转化已经有大量的研究, 对在局部范围内人为的排放来源与
归宿, 通过实测与模式的研究, 其循环与变化规律都较清楚了关于由火山爆发产生硫
化合物的通量正在研究中。对于, 。, , , 。和。等的
来源、分布、转化与归宿的研究及其在大气中浓度的测定已开展了研究至于有自由基
如·基等参与的气一液相间转化循环的机制亦在研究中。
大气中的光化学氧化会产生许多种含氧产物如醛、酸和过氧化合物等, 但
它们又受二。自由基和二的制约, 有些经非均相反应而被消除, 所以‘的大气化
学转化包含了复杂的化学反馈机制, 又加上人为排放对和‘循环的干扰等, 所有这
些化学过程和相互间的关系尚待进一步探讨正加强对非甲烷烃的氧化反应研究, 包括
天然的非甲烷有机物如菇烯、异戊二烯会导致大量的产生, 迄今还不知其量有多大、
对流层中有大量的非甲烷烃饱和的和不饱和的一, 化合物、颗粒有机碳包括
。一烷烃和一。。脂肪酸以及元素碳、烟负等, 但对它们的全球行为
与在对流层中碳循环的机制还远未很好认识。
关于对流层中痕量元素除, , , , 及卤素外的循环也是有待大力加强
研究的方面许多痕量元素包括金属和元素有机化合物都以气溶胶颗粒物的状态存
在于对流层中, 它们是生物地球化学循环的重要组成部分, 但迄今在对流层中这部分的
循环还认识很不足, 痕量元素按两类进行研究一类是从发生到消失整个时间内都是以
期汪安璞大气污染化学研究概况
颗粒物状态存在的元素, 如, , , , , , , , , 和稀土元
素另一类是以蒸气相或近似于蒸气相的元素, 如, , , , , , 还可能
有和研究这些元素的来源、存在状态及在不同粒度中的分布、转化条件及其归
宿, 对控制污染有重要意义, 其中特别重要且又复杂的是气相、液相和固相中或界面间
元素的浓度分布与存在状态, 以及发生的均相或非均相反应过程, 现今在这方面采用元
素分析与状态分析、表面分析、微区分析等相结会的先进技术进行研究, 有些还须进行
实时现场测试
气溶胶颗粒物在对流层化学研究中较多的着重在颗粒粒度与化学组成及其物理化学
特性的研究方面见前大气颗粒物表征部分对于气溶胶的洲际长程迁移或向平流层
的扩散也正在探讨中值得提出的是近年来对全球气候变化的因素中, 对温室效应使气
候变暖的研究较多, 而对气溶胶使气候变冷或变暖的作用尚有争议, 因而全球气候
变化各种效应综合的最终结果, 有待进一步研究在“ 全球对流层化学” 研究的行动计
划中指出气溶胶颗粒物对光有散射和吸收的作用, 会明显地出现霆和能见度降低但
更为重要的是它对地球热平衡的效应为了要了解这些光学效应, 就必须知道气溶胶的
化学组成和粒度, 因为这些特性是直接决定气溶胶对光的散射和吸收性质的行动计划
还提出要着重研究气溶胶在地球化学迁移和人为冲击中的作用、气一固转化过程中的
光化学反应、气溶胶在云微物理中的影响和气溶胶的组成、浓度与物理性质等的时空特
征及变化规律等
关于卤素的循环, 目前主要对含氟含氯烷烃, 特别是类的浓度分布、迁移过
程、源与汇的机制研究较少现正研究两种重要的含氯化学物种和的测
定方法很多重要化学过程的反应速度需要进一步做更精细的处理与研究
、
大气污染的化学模式研究
抓述某一物质在大气环境中的生成和消失的化学动力学过程, 常有数十乃至数百个
以上的化学反应。通过模式模拟计算的方法与现场实测, 实验室模拟实验三者结合起来,
可较正确地定量描述或预测化学物质的时空分布状况所以模式研究已成为了解大气质
量、阐明污染机制的重要方面年代美日开始探索大气质量模拟模式简称气质模
式近十余年来, 气质模式研究随着光化学烟雾的发生、酸雨的广泛出现, 当今世界
注目的全球性大气污染对气候的变化等问题, 大气化学模式的研究, 正迅速地在发展
中。
光化学烟雾形成机制的化学模式研究
光化学烟雾模式始于年代末, 由于当时缺乏有关的反应速率和实验数据妥使模式
的发展受到很大限制通过对某些反应速率常数的测定和烟雾箱模拟的机制研究, 为化
学模式的建立创造了条件到年代已有几十种光化学烟雾模式用
个化学反应概括了光化学烟雾形成的整个过程, 奠定了光化学反应化学模式的基础
这类化学模式是当今研究化学机制中较为成熟的一类。
我国光化学烟雾模式的研究已有开始。年用大气质量模拟模式对兰州西固地区
光化学烟雾的污染进行了研究之后, 模拟北京大气光化学的污染, 建立和修改了一个
包括个物种、个反应的“ 北京模式” , 对北京大气光化学反应机制有了进一步的认
识。
环境化学卷
酸雨化学模式的研究
酸雨的形成是一种复杂的物理和化学的过程, 包括污染物的远程输送、成云成雨过
穆以及在这些过程中发生的均相与非均相化学反应从化学的角度, 主要是阐明酸性物
质在大气中形成的化学机制及降水酸化的化学动力学过程利用化学反应机制模式可估
算气相均相反应、云内液相反应、云下液相反应等各个过程对酸雨形成的作用、判定其
主次这种估算虽较粗糙, 但对了解酸雨的成因, 描述酸性物种的时空分布, 仍是弥补
现场观测局限性的一种重要手段。年代以来, 酸雨模式中把化学模式与物理模式结合
起来, 使其预测能力和准确可靠程度得到了提高
总的看来, 大气气相均相反应模式研究较多, 气相与气溶胶的多相反应模式研究甚
少, 掖相反应模式包括云内和云下的研究只是近儿年才开始
在气相均相反应模式中对二和光化学的反应机制研究得比较完善和成熟。目前
建立了一个可描述大气化学反应较为详细的“ 特定机理” “ ,
它包括个物种, 个化学反应
云下洗脱的液相化学反应涉及降水对云下大气污染物清除的化学过程, 这方面的研
究在年代已开始。当时用不可逆洗脱方式来处理气液之间的反应之后, 对雨滴与气
体相互作用、洗脱气体的理论作了大量研究后, 才建立了云下洗脱模式的基础后期的
雨水酸化模式中把洗脱的物理模式和雨水中的离子平衡、氧化反应结合起来, 形成
了云下洗脱的物理化学模式, 称为“ 拉格朗日模式” 此外, 把气体的洗脱和污染物在
雨滴中的反应结合起来处理, 建立了“ 欧拉模式” , 可方便地描述污染气体浓度和雨水
组分浓度的时空分布。
至于云内液相化学反应雨除过程机理研究得还不很成熟近年来用云雨的物理
化学模式研究云水形成时对污染物的清除过程和酸化机制, 取得了较大进展
我国酸雨化学模式的研究始于年, 重庆市环监所和贵州省环科所用气液平衡可
逆洗脱模式对重庆和贵阳地区的湿沉降酸化进行了研究。北京大学用一维时变微物理参
数化的暖性层状云模式研究了, 在云、雨水中的溶解、离解和液相氧化过程。
中科院大气物理所和生态环境研究中心用拉格朗日模式对重庆云下洗脱痕量气体和气溶
胶, 对雨水酸化进行了研究。北京大学在修改’匕京模式” 的基础上, 简化气相和液相
化学反应机理, 建立了酸雨化学模式, 结合广州地区探讨了云水酸化机制
和云下洗脱的过程。
区域性迁移和酸沉降模拟模式的研究
酸雨物理化学模式可阐明区域性污染物的迁移、转化和干湿沉降的规律, 预测其浓
度分布和污染趋势, 估算跨国界污染物的流量等如太平洋西北实验室模式、
欧州区域性空气污染模式一和统计轨迹区域性空气污染模式
用这些模式模拟了美国东北部和加拿大东部地区污染物的区域性迁移和沉降这些模式
中的化学过程主要用转化与清除过程的经验关系, 并限于, 和硫酸盐
目前最完整的酸沉降气质模式乃是美国酸雨十年评价研究项目中建立的区域酸沉降
模式, 它是在中尺度气象模式的气象背景场上, 包括污染物的迁移、转化和
期汪安璞大气污染化学研究概况
干湿沉降的三维欧拉模式其化学模式中包括个物种和个反应主要研究云内化学
过程之后修改成个物种、个反应的一模式它曾用于包括美国东部、
加拿大东南部和西大西洋的区域大气环境的研究
我国气象科学院和北京大学对模式加以修改, 发展了在中尺度气象模式输
出的气象背景基础上, 除云内过程外, 还加入了云下过程痕量气体和气溶胶的传输、扩
散、气液相化学反应及干湿沉降的三维欧拉模式, 包括个物种、个反应用此模式
探讨了华北地区的干湿沉降和云内云下洗脱等情况
模式中化学反应机制简化方法的研究
由于目前模式运算受计算机容量和速度的限制对气质模式中化学动力学机制进行
简化处理, 减少物种数目和反应个数, 已成为当今气质模式能否用于实际的关键问题。
现今无机物种的化学反应基本上较清楚, 简化处理的对象主要是有机物常见的简化方
法有物种替代法、结构归并法和分子归并法目前认为较好的一种分子归并法模式是
等建立的, 后经和改进, 成为最新的光化学烟雾形成模式,
它被美国环保局用于模式中作为对碳键模式的验证年后, 等先
后提出了四个碳键模式, 形成了模式的系列, 现还在发展与完善中。北京大学曾用
分子归并法对上海金山石油化工地区光化学烟雾形成的可能性, 进行了模式预测
我国大气污染化学研究发展过程的回顾及其战略地位
我国大气污染化学研究的回顾
年起我国各城市、各地区及不少单位对大气污染状况的监测调查与质量评价等
方面有了广泛的开展, 取得了不少成果年后, 研究的内容和范围向纵深发展从
单项以城市为主的小尺度研究, 逐渐向综合的、多学科的区域性研究延伸。在研究中,
把大气污染化学与大气物理、环境气象学结合起来, 把污染现状与未来预测、防洽对策
结合起来, 提高了社会效益和环境效益, 使大气污染化学的研究水平提高了一大步, 同
时也体现了我国大气污染化学研究的特色, 反映了我国大气污染的不同类型和区域性特
点多年来, 结合实际污染问题发展了学科, 充实了内容, 奠定了基础。通过我国普
遍存在的煤烟型大气污染问题, 发展了硫和气溶胶大气颗粒物化学, 通过光化学烟
雾污染研究, 发展了大气光化学, 通过酸雨污染的研究, 发展了降水化学这三个领域
正是大气污染化学三个重要的研究方向, 也是国际上曾经或现在十分关注的污染化
学问题但是, 对有机物污染物的研究方面还不广泛, 在化学反应动力学的研究, 更
是基础薄弱, 重要的前沿内容尚未涉及如活性物种的反应动力学等, 全球性痕量气
体的问题正在起步研究中。
发展大气污染化学在我国的战略地位与作用
大气污染化学在我国国民经济的持续发展与保护环境同步实施中起到了保证的作
用。它对发展我国环境化学与大气科学起积极的推动作用在当今及未来全球性污染问
题和国际间“ 环境外交” 中起参谋、后盾的作用
大气污染化学研究在发展经济中的重要性
由于大气污染化学的宗旨是研究污染的来源、发展与消徐的途径和对策。在本世纪
最后的年, 我国工农业生产成倍增长, 环境污染与生态破坏的潜在危脸也大大增加, 据
环境化学卷
预测到公元年煤炭产量翻一番, 二氧化硫排放将达万吨, 比年增加倍
颗粒物尘排放量上升到万吨, 比年增加倍如以我国酸雨严重地区
西南地区为例, 到那时酸沉降将增加, 酸雨复盖面积继续扩大。森林、作物的
危害、水体土壤的酸化、材料建筑物的腐蚀等造成的经济损失将以亿元计进行大气污
染化学的研究, 把可能发生的污染危险消除在出现之前, 这是最经济而又保证了国民经
济的正常发展国外的经验证明一旦污染造成, 要使其复原要付出高昂的代价, 还阻
碍了生产的发展, 所以专家们认为“ 省钱的唯一办法是把很小一部分公共资金投资到研
究上, 才能更好地选择净化方案, 减少再发生污染的机会” 《化学中的机会》
发展大气污染化学学科的必要性
我国环境化学只有十几年的历史, 化学和土壤污染化学, 有其原有学科的基础, 而
大气污染化学纯属空白年中国科学院成立环境化学研究所, 年开始组建大气
污染化学研究组, 年建立大气污染化学研究室, 在此同时其他单位如北京大学、北
京工业大学等高等院校, 之后气科院、中国环境科学研究院先后也进行有关这方面的研
究工作, 迄今已基本上形成了一支研究大气环境问题的具有一定规模的队伍和装备由
于国内外大气污染问题的突出, 大气污染的敏感度较强, 促使该学科通过“任务” 迅速发
展起来, 但是总的看来, 与国外相比还是基础比较薄弱, 发展不平衡大气颗粒物的表
征研究已有一定进展, 还未做到更深入的水平而化学反应动力学方面则基本上处于
起步阶段, 这方面的研究是大气污染化学的核心内容之一, 是解决污染形成的根源, 提
供控制对策的基础性研究为此, 结合我国煤烟型大气污染的特点, 大力开展有关气溶
胶大气颗粒物化学、均相与非均相的硫氧、氮氧污染物的化学反应动力学研究, 结
合全球性大气环境间题, 开展痕量气体研究, 并与大气物理学、环境气象学相结合, 丰富
大气科学的内容, 填补大气化学的空白与生态学、环境医学、土壤学、地球化学的结
合, 将使大气污染对人体健康与生态效应的机制, 会有更深入的认识与深化作用
大气污染现象的本质决定于化学物质的性质及其受大气环境因素制约下的变化, 许
多大气污染问题如光化学烟雾、酸雨污染和臭氧层的耗损等其根源都是化学物种在大气
中的化学作用引起的大气污染化学是弄清污染根源, 从化学方面了解污染源与最终有
害产物之间各种反应的序列和转化过程, 从而找出控制污染的途径, 因而它是消除污染
或改善大气环境质量的中心科学《化学中的机会》
为当今及将来“ 环境外交” 作后盾, 起参谋作用
当今全球性环境问题已成为世界上的热点世界资源研究所和国际环境与发展研究
所提出的《世界资源》报告中指出中国的二氧化碳从年到日年由全球排放量的
增加到仅次于美国, 超过了日本‘ 近年来, 美、前苏联、英、法、荷兰、瑞典等
国呼吁要加强国际合作, 增加环境研究的投资维也纳保护臭氧层公约的蒙特利尔议定
书, 要求世界各国签字, 削减氯氟烃的生产和消费量, 面对这些涉及国际关系的问题,
我国采取何种立场和态度, 执持什么样的方针与对策, 万一发生象美国与加拿大、斯堪
的那维亚地区的国际纠纷又将如何对待所有这些都要有我们国内第一手的科学调查与
长期研究所获得的结果和资料作为依据和后盾, 因此, 加强大气污染化学研究, 无论对
弄清国内大气污染问题, 还是参与全球性大气污染间题都是很必要的,
汪安璞大气污染化学研究概况
参考文献
〔〕
〔〕
〔〕
〔〕
〔〕
〔一〕
关国化学科学机会调查委员会、美国化学科学技术部等著, 中国科学院化学部、中国化学会等译,
化学中的机会中国计量出版社, 北京
中国环境科学学会编, 中国环境科学年鉴中国环境科学出版社, 北京
中国科学院环境化学研究所等, 环境化学专题报告文集北京
唐孝炎主编, 大气环境化学, 高等教育出版社, 北京
邓楠等, 全球气候变化及其对策—全球气候变化及对策专家组研究报告, 国家科委社会发展司,
北京
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