大气卫生

二次污染物（secondary air pollutants）：排入大气的一次污染物在物理、化学等因素的作用下发生变化，或与环境中的其它物质发生反应所形成的理化性质不同于一次污染物的新的、毒性更大的污染物。

大气卫生1

• 第一节 大气的特征及其卫生学意义
  • 大气卫生（ambient air hygiene）：指大气的卫生状况及评价，其主要内容是识别大气污染来源和污染物，进行健康危险度评价，从而评估大气质量
  • 一、大气的垂直结构
    • 对流层（troposphere）
      • • 平均厚度12km，厚度随纬度变化（低纬度厚，高纬度薄）。 • 集中了总质量75%的空气和几乎全部的水蒸气量。 • 天气变化最复杂，各类天气现象大都发生于此。 • 人为排放的污染物绝大多数集中于对流层。 • 气温随着高度而降低。 原因：对流层大气不能直接吸收太阳辐射的能量，但是能够吸收地面反射的能量。 • 空气具有强烈的对流运动。 原因：近地表的空气接受地面的热辐射后温度升高，与高空的冷空气形成垂直对流。
    • 平流层（stratosphere）
      • • 位于对流层之上，上界伸展至55km。 • 30km以下，温度较为稳定，称为同温层；30-35km以上，温度随高度升高而升高。 • 空气气流以水平运动为主。 • 15-35km处有厚约20km的臭氧层，其分布有季节性变动。
      • 臭氧层的作用： 1. 保护作用，臭氧层能够吸收太阳光中的波长300μm以下的紫外线。 2. 加热作用，臭氧吸收太阳光中的紫外线并将其转换为热能加热大气，大气的温度结构对于大气的循环具有重要的影响。 3. 温室气体的作用。
    • 中间层（mesosphere）：平流层顶至85km，气温随高度的增加迅速降低，存在明显的空气垂直对流运动
    • 热成层（thermosphere）：85-800km，气体处于电离状态，电离后的氧能吸收太阳的短波辐射，空气迅速升温，气温随高度增加而增加，层内温度极高。该层能够反射无线电波。
    • 逸散层（exosphere）：800km以上区域。大气稀薄，气温高，分子运动快，气体和微粒可飞出地球进入太空。
  • 二、大气的组成
    • 干洁空气：除去水汽和悬浮颗粒物的空气，组成成分基本恒定（N2-78.08%、O2-20.94%）
    • 水汽：成云致雨的必要条件，对地面保湿。主要来自海洋、江河、湖泊、沼泽等，随时间、地域及气象条件的不同而变化
    • 气溶胶（aerosol）
      • 定义：液体或固体微粒均匀地分散在气体中形成的相对稳定的悬浮体系
      • 天然来源：地面扬尘、岩石风化、海洋溅沫、火山灰、森林火灾、宇宙陨星尘埃、花粉、孢子
      • 人为来源：燃煤、燃气、燃油、尾气排放、秸秆焚烧、生活灰尘、建筑扬尘
      • 雾：在水汽充足、微风及大气稳定的情况下，相对湿度较高时，空气中的水汽便会凝结成细微的水滴或冰晶悬浮于空中。相对湿度>90%
      • 霾：大量烟、尘等微粒悬浮而形成的混浊现象。相对湿度<80%
  • 三、大气的物理性状
    • 太阳辐射（solar radiation）
      • 太阳源源不断的以电磁波的形式向周边释放能量的现象。是各种复杂天气产生的根本原因，地球上光和热的源泉。
      • 紫外线（ultraviolet radiation）
        • 波长最短的超短紫外线UVC（200~290nm）通过大气层时几乎完全被臭氧所吸收，杀菌作用； 对生物特别有害的远紫外线UVB（290～320nm）90%被臭氧吸收，破坏臭氧； 波长更长的近紫外线UVA（320～400nm）则基本上自由穿透大气，但生物活性较弱。
        • 紫外线具有色素沉着、抗佝偻病、杀菌、增强免疫功能、提高组织的氧化过程、兴奋交感神经系统等有利作用；具有红斑作用，过强的紫外线可致日光性皮炎和光电性眼炎、甚至皮肤癌等；紫外线还与大气中的某些二次污染物形成有关，如光化学烟雾和硫酸雾等
      • 可见光（visible light）：400~760nm， • 可综合作用于机体的高级神经系统，提高机体视觉和代谢能力，平衡兴奋和镇静作用，提高情绪和工作效率，是生物体生存必不可少的条件； • 照度过强或过弱时，会因视觉器官过度紧张引起疲劳，损伤视力。
      • 红外线（infrered radiation）：760nm~1mm，生物学作用基础是热效应（又称热射线） •适量红外线可促进人体新陈代谢和细胞增生，具有一定的消炎和镇静作用 •过强引起皮肤灼伤、甚至日射病和红外线白内障等
    • 气象因素
      • 气象因素是指表明大气物理状态、物理现象的各项要素。主要有：气温、气压、风、湿度、云、降水以及各种天气现象
      • 气象因素与太阳辐射综合作用于机体，对机体的冷热感觉、体温调节、心血管功能、神经功能、免疫功能和新陈代谢功能有调节作用。
    • 空气离子（air ion）
      • 大气中带电荷的物质统称为空气离子（电离辐射、高压放电、 电离辐射、高压放电、紫外线照射、人为） •每个离子均能将周期10~15个中性分子形成氢离子（light iron） • 氢离子与空气中的悬浮颗粒或水滴结合后形成重离子 • 空气中重、轻离子的比例，可作为衡量空气清洁新鲜程度的标志和评价环境空气质量的参考指标之一。 • 空气中重离子数与轻离子数之比<50，表明空气比较清洁。
      • • 负离子与细菌（通常带正电）结合后，使细菌产生结构的改变或能量的转感，导致细菌死亡，最终沉降至地面，从而可以帮助人们减少细菌的入侵和感染。 • 负离子疗法能够使氧自由基无毒化，也能使酸性的生物体组织及血液、体液由酸性变成弱碱性，使血液中含氧量增加，有利于血氧输送、吸收和利用，促使机体生理作用旺盛，新陈代谢加快，提高人体免疫能力，增强人体机能，调节机体平衡功能。 • 负离子对人体8个系统、近36种疾病具有抑制、缓解和铺助治疗作用，有利于人体的疗养保健。
      • 空气阳离子可引起失眠、头痛、烦躁、血压升高等；空气阴离子对机体具有镇静、催眠、镇痛、镇咳、降压等作用。海滨、森林、瀑布附近环境中阴离子较多。
• 第二节 大气污染及大气污染物的转归
  • 大气污染（air pollution）：大气中的各种污染物的浓度增高，超过了大气的自净能力，从而导致其对所在地区的人体健康、动物或其他生物造成直接、间接或潜在的危害
  • 自净能力：环境要素对进入环境中的污染物通过复杂多样的物理过程、化学及生物过程，使其浓度降低、毒性减低或者消失的性能
  • 一、来源
    • 生产性污染
      • 燃料燃烧：•燃料的燃烧是大气污染的主要来源： •煤：工业用量占总量的70%，主要杂质：硫化物及氟、砷、钙、铁、镉等化合物。 •石油：主要杂质为硫化物、氮化物，少量有机金属化合物。 •燃料完全燃烧时的主要污染物：CO2、SO2、NO2、水汽和灰分。 •燃料不完全燃烧时的主要污染物：CO、硫氧化物、氮氧化物、醛类、碳粒、多环芳烃等。
      • 工业生产过程的排放：各个环节（原材料到产品）都可能；污染物种类与原料种类及其生产工艺有关。
    • 生活性污染（生活炉灶和采暖锅炉）：• 量大 • 燃烧不完全，污染物排放量高 • 无组织排放 • 低空排放，直接影响居民健康
    • 交通性污染：• 汽油、柴油等石油制品 • 燃烧后产生大量颗粒物、氮氧化物、CO、多环芳烃和醛类
    • 其他：农业污染、地面扬尘、水土挥发、摩擦沥青路面、意外事件等
  • 二、种类
    • 按属性分类
      • 物理性污染物：噪声、电离辐射、电磁辐射
      • 生物性污染物：病原微生物和植物花粉等
      • 化学性污染物：大气颗粒物、SO2、O3等。种类最多、污染范围最广
    • 按存在状态分类
      • 气态污染物（气体和蒸汽）：1）含氮化合物：主要有NO、NO2 和NH3 等。 2）含硫化合物：主要有SO2 、SO3和H2S等，其中SO2的数量最大，危害也最严重。 3）碳氧化合物：主要是CO和CO2。 4）碳氢化合物：包括烃类、醇类、酮类、酯类以及胺类。 5）卤素化合物：主要是含氯和含氟化合物，如HCl、HF、SiF4。
      • 气溶胶（大气颗粒物/particulate matter）
        • 粒径是大气颗粒物最重要的性质，实际工作中用空气动力学等效直径表示大气颗粒物的大小
        • 在气流中，如果所研究的大气颗粒物与一个单位密度的球形颗粒物的空气动力学效应相同，则这个球形颗粒物的直径就定义为所研究大气颗粒物的Dp
        • 1. 降尘：一般直径大于100μm的粒子由于自身的重力作用会很快沉降下来。 2. 总悬浮颗粒物（TSP）：用标准大容量颗粒采样器在滤膜上所收集到的颗粒物的总质量，通常称为总悬浮颗粒物。其粒径多在100 μm以下，尤以10 μm以下的为最多。 3. 可吸入粒子：空气动力学直径PAD≤10 μm通过呼吸过程而进入呼吸道的颗粒物，亦称飘尘（suspended dusts） • PM10：粗颗粒物，PAD= 2.5-10 μm。扬尘、土壤等。 • PM2.5 ：细颗粒物，PAD=0.1-2.5 μm。容易吸附各种有毒的有机物和重金属元素，对健康危害极大。 • PM0.1：超细颗粒物，PAD <0.1μm。汽车尾气，多为二次污染物。
    • 按形成过程分类
      • 一次污染物（primary airpollutants)：直接由污染源排放的污染物，物理和化学性质均未发生变化
      • 二次污染物（secondary air pollutants）：排入大气的一次污染物在物理、化学等因素的作用下发生变化，或与环境中的其它物质发生反应所形成的理化性质不同于一次污染物的新的、毒性更大的污染物。
  • 三、污染物浓度影响因素
    • 污染源的排放情况
      • 排放量：决定大气污染程度最基本的因素
      • 距污染源的距离
        • 无组织排放： 扩散距离短，距污染源越近，污染物浓度越高 有组织排放： 向下风侧逐渐扩散稀释
        • • 烟波着陆点：烟气自烟囱排出后，可向下风侧逐渐扩散稀释，然后接触地面，接触地面的点为烟波着陆点。 • 有害气体-烟囱有效排出高度的10~20倍；颗粒物-更近。 • 近地面大气中污染物浓度以烟波着陆点最大，烟波着陆点与烟囱之间的区域通常没有明显的污染
      • 排出高度
        • 有效排出高度（effective height of emmission）： 烟囱高度加烟气上升高度 ( 烟波中轴高度 )
        • 烟囱越高，烟波断面越大，烟波中轴高度越高，污染物稀释程度越好，地面污染物浓度越低。
        • 污染源下风侧的污染物最高浓度与烟波的有效排出高度的平方成反比，即有效排出高度每增加一倍，烟波着陆点处断面污染物的浓度可降至原来1/4
    • 气象因素
      • 风和湍流
        • • 风：空气的水平流动 • 风向影响污染物的扩散方向，风速的大小决定着污染物的扩散和稀释的状况。 • 风向频率：一定时间内各种风向出现的次数占总观测次数的百分比 • 风向频率图（风向玫瑰图）(wind rose) • 工业区的位置：全年主导风向的下风侧，或全年最小频率风向的上风侧 • 风速越大，单位时间内与烟气混合的清洁空气量越大，冲淡稀释的作用就越好，污染物的浓度就越低 • 污染系数表示风向和风速对污染物扩散的影响程度 • 污染系数=风向频率/该风向的平均风速 • 可绘制成污染系数玫瑰图 • 污染系数越大，下风向的污染越严重 • 静风出现频率和持续时间与污染物的扩散有很大关系：静风出现频率高，持续时间长的地方不宜建厂
        • • 大气湍流是指大气以不同的尺度做无规则运动的流体状态。风速的脉动和风向的摆动就是湍流作用的结果。风速有大小，具有阵发性，并在主导风向上还会出现上下左右无规则的阵发性搅动。 • 垂直温度递减率大、风速高、地面起伏程度大，则湍流运动强烈。 • 污染物进入大气后，除随风做整体漂移外，湍流的混合作用不断将新鲜空气、卷入污染烟气中，或将烟气卷人新鲜空气中，使污染物分散稀释。 • 大气污染物的扩散主要是靠大气湍流作用。风速越大，湍流越强，污染物的扩散速率就越快，污染物的浓度就越低。
      • 温度层结
        • • 温度层结即气温的垂直梯度 • 大气的温度在垂直方向上的分布 • 决定大气的稳定程度，影响湍流的强弱，常作为大气湍流状况的指标，从而判断污染物的扩散情况 • 稳定的垂直梯度易造成湍流抑制，使大气扩散不畅；不稳定时，热力作用湍流加强，大气扩散增强
        • 气温的垂直分布
          • • 气温递减：标准大气条件下，对流层内大气垂直温度随高度增加而下降 • 气温垂直递减率 (γ)：正常情况下，高度每上升100m ，气温下降0.65℃。不同的时间和地点，气象条件的不同，气温垂直递减率不同。
          • 三种类型
            • 递减层结（γ＞0）：• 气温沿高度增加而降低，有利于大气污染物的扩散 • 一般出现在晴朗的白天，风力较小的天气 • 地面由于吸收太阳辐射温度升高，使近地空气也得以加热，形成气温沿高度逐渐递减 • 此时上升空气团的降温速度比周围气温慢，空气团处于加速上升运动，大气为不稳定状态。
            • 等温层结（γ=0 ）：• 气温沿高度增加不变 • 多出现于阴天、多云或大风时 • 太阳的辐射被云层吸收和反射，地面吸热减少，此外晚上云层又向地面辐射热量，大风使得空气上下混合强烈，这些因素导致气温在垂直方向上变化不明显。 • 此时上升空气团的降温速度比周围气温快，上升运动将减速并转而返回，大气趋于稳定状态。
            • 逆温层结（逆温，temperature inversion）：• γ<0，气温沿高度增加而升高。无风、少云的夜晚 • 大气在竖直方向的运动基本停滞，处于强稳定状态
        • 辐射逆温：由于地面长波辐射冷却形成地面没有热量吸收，但同时不断通过辐射失去热量而冷却，近地空气也随之冷却，而上层空气降温较慢，这样气层不断从下向上冷却，从而形成逆温。 平流逆温：• 当暖空气吹向冷的地面和海面，底层的热量会被吸收，因 而下冷上热，形成了温度随高度升高而升高的平流逆温。 • 平流逆温的厚度一般可达数百米，少数可达1000米。 地形逆温：
        • 逆温的类型
          • •辐射逆温：由于地面长波辐射冷却形成。无风、少云的夜晚地面没有热量吸收，但同时不断通过辐射失去热量而冷却，近地空气也随之冷却，而上层空气降温较慢，这样气层不断从下向上冷却，从而形成逆温。对北方城市空气污染影响最大。 •平流逆温：当暖空气吹向冷的地面和海面，底层的热量会被吸收，因而下冷上热，形成了温度随高度升高而升高的平流逆温。平流逆温的厚度一般可达数百米，少数可达1000米。 •地形逆温：由于局部地区的地理条件而形成。在山谷和盆地中，由于山坡散热快，晚上较重的冷空气，沿山坡流动，聚集在山谷底部，由此形成下部是冷气层、上部是暖气层。因此，山谷中就形成了上温下冷的逆温层（马斯河谷、多诺拉烟雾事件） •锋面逆温：冷暖空气相遇时，它们之间会出现一个向冷空气一侧倾斜的界面，这个界面实际上是冷暖空气的过渡区，较轻的暖空气往往爬在较重的冷空气背上，这样过渡区里的气温自然就会出现下冷上暖的逆温现象。 •下沉逆温：因整层空气下沉，空气压缩增温而形成；多出现于高气压区内；冬季下沉逆温常与辐射逆温结合在一起 •湍流逆温：因低层空气的湍流混合作用而形成的逆温
          • 逆温对地理环境的主要影响：成雾、大气污染（垂直对流受阻）、沙尘暴（不利于沙尘扬起）、航空（低空逆温不利、高空逆温有利）
        • 大气稳定度（atmospheric stability）：气体垂直运动的程度
          • •气块干绝热垂直递减率（γd）：空气垂直移动过程中，因气压变化变化而发生温度的绝热变化。 •干燥空气的γd 为：0.986 ℃/100m，即每上升 100m，温度降低 0.986℃
          • •大气稳定度对污染物在大气中的扩散稀释影响较大。大气是否稳定取决于 气温在垂直方向上的分布，即取决于大气温度垂直递减率（γ）与气块干绝热垂直递减率γd 的相对大小。 •γ ＞ γd：大气处于不稳定状态，气块容易上升，有利于空气垂直对流，污染物容易扩散。不稳定温度层结。 •γ ＜ γd：气块上升受阻，大气垂直对流运动极弱，大气处于稳定状态，污染物扩散极差。稳定温度层结。 •γ = γd：大气处于中性状态，空气垂直对流不剧烈，污染物可以扩散，但不够充分。中性稳定温度层结。
      • 气压
        • •当地面受低压控制时，四周高压气团流向中心，中心的空气便上升，形成上升气流。此时云雨天较多，通常风速较大，有利于污染物向上扩散。 •当地面受高压控制时，中心部位的空气向周围下降。此时天气晴朗，风速小，出现逆温层，阻止污染物向上扩散。因此，在稳定气压的控制下，大气污染加重。
        • 气压：与海拔高度、地理纬度和空气温度等有关
      • 气湿：大气中含水的程度，常用相对湿度（%）表示 •相对湿度↑ 大气中颗粒物吸收H2O↑ 重量↑ 影 影响运动速度 污染物不易扩散加重局部大气的污染 •湿度↓ 空气干燥 有利于污染物扩散
    • 地形
      • 地形可以影响局部的气象条件，从而影响当地大气污染物的稀释和扩散
      • （1）山谷和盆地：山谷和盆地的地形特点容易形成逆温，不利于谷底污染物的扩散。城市高大建筑物也阻碍近地面空气污染物的扩散 （2）海滨与陆地：白天：太阳辐射使陆地升温速率比水面快，形成由水面吹向陆地的风（海风）。夜晚：陆地散热快于水面，气流由陆地吹向水面（陆风） （3 ）城市热岛（heat island ）效应：人口密集的城市热量散发远远大于郊区，在地图上绘制等温图，城区的高温部就像浮在海面上的岛屿。城市上升气流能将市区的污染物带到郊区累积起来，然后又通过从郊区吹向市区的风把这些污染物和郊区排放的污染物一起带到市区，使城市空气质量恶化。
    • • 静稳天气指近地面风速小、大气稳定的底层大气特征，大气持续静稳是雾、霾形成的重要条件之一。大气结构稳定，空气流通差，不利于污染扩散出去。 • 逆温时，高空温度比地面高，空气垂直上升受阻，就像锅盖一样盖在区域上空，污染物难以扩散。 • 山地、丘陵、盆地等特殊地貌易阻碍空气流通，降低大气自净能力，污染物不易在水平方向传输扩散。 • 高湿环境有利于二氧化硫、氮氧化物、氨等气态污染物转化为硝酸盐、硫酸盐、铵盐等成分的颗粒物，加重PM2.5污染。
  • 四、大气污染物的转归
    • 自净：大气的自净是指大气中的污染物在物理、化学和生物学作用下，逐渐减少到无害程度或者消失的过程。 （1）扩散和沉降：是大气污染物净化的主要方式。 （2）发生氧化和中和反应 （3）被植物吸附和吸收：有些植物能吸收大气污染物，从而净化空气。
    • 转移：（1）沿下风侧向更远的方向转移 （2）向平流层转移 （3）向其他环境介质中转移：土壤或地面等
    • 形成二次污染和二次污染物：有些大气污染物转移到其他环境介质后，在某些条件下仍可回到大气环境，造成二次污染。一次污染物还可转化为二次污染物。