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1、第第4章章 放射性物质在大气中的行为放射性物质在大气中的行为1大气颗粒物（PM10）中核素的gama谱2上海应用物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图上海应用物理研究所，南华大学空气污染来源反轨迹图3地球上空的大气简介：人为产生的气载污染物一般都排入边界层中。污染物质释入大气后将随风的运动向下风向输运，污染物分布不均匀形成的浓度梯度导致其在水平和铅直方向上扩散，空气流场的切变则导致污染物的弥散。4 输运过程中放射性核素将逐渐衰变，其子体逐渐积累。雨雪的清洗湿沉积；粒径较大(20m)的固体颗粒沉降；气溶胶与地面附着物碰撞干沉积；风的作用沉积物悬浮二次污染。5空气中的放射性污染物的危害：空气中的
2、放射性污染对人直接造成外照射；人吸入污染的空气内照射；沉积到地面上的污染物 沉积造成的地面污染 外照射；沉积导致的农作物污染经食物链内照射。64.1 放射性物质在大气中的化学行为放射性物质在大气中的化学行为 7（一）大气的恒定组分（一）大气的恒定组分 大气的恒定组分是指大气中的大气的恒定组分是指大气中的O2、N2和稀有气体。在近地层大气和稀有气体。在近地层大气中这些气体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的中这些气体组分的含量几乎可认为是不变的，它们约占大气总量的99.97%。（二（二)大气的可变组分大气的可变组分 主要指主要指CO2和和H2O（g），这些气体组分受不同地区气候、季节
3、等），这些气体组分受不同地区气候、季节等多种因素的影响而发生变化。正常状况下，多种因素的影响而发生变化。正常状况下，H2O(g)约占约占0-4，CO2约约占占0.02%-0.04%。由由恒定组分和可变组分恒定组分和可变组分所组成的大气称为所组成的大气称为洁净大气洁净大气。4.1.1 大气的化学组成大气的化学组成 （三）大气的不定组分（三）大气的不定组分 大气中的尘埃、硫化物、氮氧化物等是大气中的大气中的尘埃、硫化物、氮氧化物等是大气中的不定不定组分，组分，当它们进入大气后，可能当它们进入大气后，可能造成大气污染。造成大气污染。89成云致雨的必要条件成云致雨的必要条件主要主要成分成分次要次要成分
4、成分 水水 汽汽固体杂质固体杂质生物体的基本成分生物体的基本成分维持生物活动的必要物质维持生物活动的必要物质植物光合作用的原料；对地面保温植物光合作用的原料；对地面保温吸收紫外线，使地球上的生吸收紫外线，使地球上的生物免遭过量紫外线的伤害物免遭过量紫外线的伤害成云致雨的必要条件，对地面保温作用成云致雨的必要条件，对地面保温作用大气组成大气组成主主 要要 作作 用用干干洁洁空空气气O3N2O2CO2大气各组成成分的作用10大气圈结构大气圈结构w 大气层又叫大气圈，地球就被这大气层又叫大气圈，地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要环境空气的成分。层的成分主要
5、环境空气的成分。大气层的空气密度随高度而减小，大气层的空气密度随高度而减小，越高空气越稀薄。大气层的厚度越高空气越稀薄。大气层的厚度大约在大约在1000-1400千米以上，但千米以上，但没有明显的界限。整个大气层随没有明显的界限。整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分高度不同表现出不同的特点，分为为对流层、平流层、中间层、暖对流层、平流层、中间层、暖层和逸散层层和逸散层，再上面就是星际空，再上面就是星际空间了。间了。114.1.2 大气中的一般化学过程大气中的一般化学过程 在一些射线的作用下，大气中会发生一系列的化学反应，其中最重要的是光化学反应。各层的化学反应不近一致。这些射线是太阳辐射、
6、宇宙射线、X射线及闪电引起的放电效应。平流层：热层的主要光反应：32OOONO232OOONOOCOCOONNOOO22222212 大气中的主要成分是N2和 O2，它们可以吸收太阳辐射而引起光致离解，产生氮原子和氧原子，这些原子非常活跃，在不同的气流层中发生一些化学反应。宇宙射线、太阳紫外线和X射线等可引起大气组分电离，这主要发生在60km以上的大气层，生成一些自由基。这些离子也可发生一系列的化学反应。大气层中另一类重要化学反应是由大气中的污染物质造成的，如酸雨、氮氧化物和烃类等。13中间层主要的光化学反应有：平流层主要反应有：对流层有：2242242233,2COCOOCHCHHHOHCH
7、NNONONOHNOOO24222432232,COCOCHOHOHCHHNONONOONOOOCOCHCOCHNHHOHNONONHONNONHNOCO,42432223234222144.1.3 放射性物质在大气中的化学行为放射性物质在大气中的化学行为 大气中的放射性物质可发生一系列的化学变化：氧化反应、光化学反应和同位素交换反应；气溶胶的形成和吸附现象；云雾、雨滴对放射性物质的溶解、吸收等。15 放射性气溶胶的形成：放射性气溶胶的形成：液态或固态放射性核素大部分被大气溶胶捕集形成气溶胶。大气气溶胶主要包括微尘、有机碳化物微粒和液态的雾。核爆炸放射性核素进入对流层顶部温度降低放射性气溶胶
8、环境污染。氡溢出衰变子体（钋、铅、铋等）大气气溶胶环境污染。核设施、核事故放出的铷、碘、铯、钼、氚、碳等它们中的放射性核素形成气溶胶对环境污染。16化学反应化学反应 大气中的放射性物质在迁移、扩散过程中，因其化学活性或大气中其它物质的化学活性而发生多种化学反应。其中与O2和CO2的反应是大气中最容易发生的化学反应。如Sr通过一系列的反应可以生成SrCO3，T2可以氧化成T2O等。233,2/2222HCOSrSrCOOHSrSrOSrOHCOOHOOTOTTTT22222217 此外，大气中发生的化学过程与大气吸收太阳能辐射引起的大气光化学过程有密切关系。大气中的某些放射性气体在太阳光的照射下
9、，也可直接发生光化学反应。主要是因为自由基的生成。同位素交换反应：241442142142142222COCHCHCOCOCOCOCOHHTOOHHTHTHTOOHT184.2 放射性物质在大气中的输运和弥散放射性物质在大气中的输运和弥散4.2.1 大气边界层的温度场和风场大气边界层的温度场和风场1、大气边界层的温度场 1）干绝热递减率 不含水分的干空气团随机运动而绝热上升时，其膨胀、位置升高其内能降低、温度下 降；反之，温度升高。干空气团每绝热升降100m而导致其身温度变化率的负值称为干绝热递减率，以rd表示，其理论值为：0.98K/100m1.0K/100m。未饱和湿空气上升时，其温度下降
10、率将小于1.0K/100m。192）大气的气温层结 大气边界层气温在铅直方向上的变化情况称为气温层结，其特征可用气温垂直递减率表示：一般取单位高差(100m)上气温变化速率为负值。因此，当气温随高度增高而降低时，r0，反之,则小于0,表示气温随高度增高而上升。dzdTr/20大气边界层中气温层结有四种典型情况：气温随高度增高而递减，且其递减率大于干绝热递减率r rd时，为正常分布层结或超绝热递减层结；r rd时，为中性层结；r0时，为逆温层结；r=0时，等温层结。由不同的气温层结而产生不同的烟羽形状。21气温的垂直分布（温度层结）Tz d 0，正常分布层结正常分布层结 ，中性层结（绝热直减率）
11、，中性层结（绝热直减率）0 ，等温层结，等温层结 0 ，逆温层结逆温层结 22逆逆 温温逆温逆温不利于扩散，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平流逆不利于扩散，容易造成大气污染，包括辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋面逆温等。温、锋面逆温等。w辐射逆温：辐射逆温：由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，地面夜间变冷，大气自下由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温，地面夜间变冷，大气自下而上冷却，而上冷却，造成温度自下而上的增加，产生逆温现象；造成温度自下而上的增加，产生逆温现象；地面白天加热，大气地面白天加热，大气自下而上变暖，逆温消失。自下而上变暖，逆温消失。下午日落前1小时黎明日出后上午10点左
12、右辐射逆温的生消过程辐射逆温的生消过程233）气温的垂直变化与大气稳定度性的关系）气温的垂直变化与大气稳定度性的关系 地球表面上方大气的温度随高度发生变化，地球表面上方大气的温度随高度发生变化，大大气温度随高度的分布情况与大气稳定性关系密切气温度随高度的分布情况与大气稳定性关系密切，同时影响受污染的空气被较洁净的空气混合而冲释同时影响受污染的空气被较洁净的空气混合而冲释其污染浓度的作用。其污染浓度的作用。24烟流型与大气稳定度的关系烟流型与大气稳定度的关系 波浪型（不稳）锥型（中性or弱稳）扇型（逆温）爬升型（下稳，上不稳）漫烟型（上逆、下不稳）25大气稳定度和烟羽行为26逆温对扩散的影响27
13、2、大气边界层的风场、大气边界层的风场1）作用于大气的水平力）作用于大气的水平力 大气水平方向存在着气压差，就存在水平力。水平气压梯度力是导致空气水平运动的原动力；地球的转动使之与大气之间产生相对运动而造成旋转效应，产生地球的偏转力(科里奥利力)，其存在与风伴生，其方向与实际风向垂直；近地层空气运动还会产生摩擦力，方向与风向相反；作曲线运动的大气还会受到惯性离心力的作用，其方向与实际风方向垂直。2）大气边界层中的风场）大气边界层中的风场 在自由大气中，摩擦力可忽略，但在大气边界层中，气压梯度力G，科氏力D及摩擦力F三者处于同一数量级，三者的合力构成风场。284.2.2 湍流扩散的基本理论湍流扩
14、散的基本理论 扩散的要素扩散的要素 风风：平流输送为主，风大则湍流大平流输送为主，风大则湍流大 湍流是导致烟羽扩散的主要原因：扩散速率比分子扩散快湍流是导致烟羽扩散的主要原因：扩散速率比分子扩散快10105 510106 6倍倍 湍流的基本概念湍流的基本概念（什么是湍流？）什么是湍流？）除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的除在水平方向运动外，还会由上、下、左、右方向的乱运动，风的这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是这种特性和摆动称为大气湍流。（有点象分子的热运动）或者说湍流是大气的无规则运动大气的无规则运动。(湍流湍流大气的无规则运动大气的无规则
15、运动:风速的脉动风速的脉动和和风向的摆动风向的摆动)起因与两种形式起因与两种形式 热力：温度垂直分布不均（不稳定）热力：温度垂直分布不均（不稳定）机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度机械：垂直方向风速分布不均匀及地面粗糙度29湍流扩散理论简介主要阐述：湍流与烟流传播及湍流与物质浓度衰减的关系 1.梯度输送理论 德国科学家菲克，在1855年发表了一篇题为“论扩散”的著名论文。在这篇论文中，他首先提出了梯度扩散理论。他把这个理论表述为：“假定食盐在其溶剂中的扩散定律与在导体中发生的热扩散相同，是十分自然的。”湍流梯度输送理论进一步假定，由大气湍流引起的某物质的扩散，类似于分子扩散，并可用同样的
16、分子扩散方程描述。为了求得各种条件下某污染物的时、空分布，必须对分子扩散方程在进行扩散的大气湍流场的边界条件下求解。然而由于边界条件往往很复杂，不能求出严格的分析解，只能在特定的条件下求出近似解，再根据实际情况修正。30湍流扩散理论简介湍流扩散理论简介2.湍流统计理论：湍流统计理论：湍流统计理论假定：流体中的微粒与连续流体一样，呈连续运动，微粒在进行传输和扩散时，不发生化学和生物学反应；微粒的大小和质量不计，并将微粒运动看作是相对于一定空间发生的。如图表示从污染源释放出的粒子，在风沿着x方向吹的湍流大气中扩散的情况。假定大气湍流场是均匀、稳定的。从原点释放出的一个粒子的位置用y表示，则y随时间而变化，但其平均值为零。如果从原点放出很多粒子，则在x轴上粒子的浓度最高，浓度分布以x轴为对称轴，并符合正态分布。31由湍流引起的扩散 32 3.相似扩散理论相似扩散理论 湍流扩散相似理论的基本观点：湍流由许多大小不同的湍涡所构成，大湍涡失去稳定分裂成小湍涡，同时发生了能量转移，这一过程一直进行到最小的湍涡转化为热能为止。从这一基本观点出发，利用量纲分析的理论，建立起某种统计物理量的普适函数，再找
