大氣微量氣體

大氣中含量很微小的氣體組分，即除氮、氧和惰性氣體以外的其他氣體組分。它們的濃度大多低於100微克/米³。

基本介紹

• 中文名：大氣微量氣體
• 外文名：atmospheric trace gas
• 定義：大氣中含量很微小的氣體組分
• 濃度：大多低於100微克/m3
• 特點：相當長的時間內它們的含量是不變
• 種類：二十多種
• 最小濃度氣體：氡

組成結構

對流層大氣中，氧和氮是主要的氣體組分，惰性氣體氬-40、氖、氦-4、氪和氙也有相當的含量,這是大氣長期演化過程的結果（見地球大氣演化），它們在大氣中存在的時間很長，存在時間最短的氦-4，至少也有一百萬年，因此可以認為在相當長的時間內它們的含量是不變的。與之相反，大氣微量氣體如氮氧化物、碳氧化物、氯化物和硫化物等，都參與了周期相當短的化學循環，它們的滯留期從幾十年到幾天，甚至時間更短。已發現的大氣微量氣體有二十多種，其中濃度最小的是氡，它在空氣中的混合比（按體積計算）為6×10^-20。隨著分析技術的發展，預期還會發現更多的微量氣體。

大氣循環

大氣是一個動態體系，微量氣體通過與海洋、土壤和生物體系進行交換，構成了包括物理過程和化學過程在內的氣體循環。由於大氣自身的化學反應、生物活動、火山噴發、放射性蛻變和人類的工農業生產所產生的氣體，也往往因大氣中的化學反應、生物活動、物理過程（如微粒形成）和海洋的攝取或沉積而被除去。因此氣體的循環不限於大氣圈，它還涉及水圈、生物圈、岩石圈甚至地球的深層。這些天然的化學循環對人類活動所引起的擾動特別敏感，已日益受到重視。

碳循環

碳元素在自然界環境中遷移轉化，周而復始的循環過程。碳是構成機體的主要元素，與其它元素結合形成碳水化合物、蛋白質和脂肪。綠色植物通過光合作用把大氣中的二氧化碳轉變成碳水化合物並釋放出氧。動物食入植物性的碳水化合物、蛋白質、脂肪後，構成本身機體的細胞和組織，並通過生物氧化提供機體需要的能量，放出二氧化碳。動物的排泄物以及動、植物的殘體在土壤和水中被微生物分解，最後氧化成二氧化碳，又返回大氣中，活著的植物又利用它進行光合作用構成自身的組織，這種周而復始的轉化，便形成了碳在自然界的循環。

對地球上的生命具有首要意義的氣體循環是碳循環。海洋中二氧化碳的含量為大氣的60倍，而地球上以石灰岩等沉積形式存在的二氧化碳的量,又是海洋和大氣中總含量的600倍。大氣中的二氧化碳，主要是一氧化碳氧化、煤和石油的燃燒和動物的呼吸以及水圈蒸發逸出等過程生成的。此外，有機物分解而釋放的甲烷等，在大氣中也會被氧化為二氧化碳。二氧化碳的主要消除過程是大氣降水的沖刷、沉降和植物的吸收（光合作用）等。由熱帶海面逸出的二氧化碳進入大氣層後，為南北極的海洋所吸收，在大氣中的滯留期大約為5年,而生物圈的二氧化碳要完成一次循環則需要幾十年。

硫循環

大氣中的硫主要以二氧化硫和硫化氫的形式存在。它們容易被雨水洗脫或者被氧化，所以濃度都比較低。大氣中的二氧化硫來源於高硫燃料的燃燒，另外，厭氧菌在對有機物的腐爛過程中產生的硫化氫也能被氧化成二氧化硫。由二氧化硫氧化而生成的硫酸是特別有害的污染物。硫化物氣體在大氣中的消除過程主要是大氣的沉降作用（包括降水或通過化學反應生成氣溶膠粒子後沉降）。植物和土壤也會吸收一部分硫化物氣體。

氮循環

大氣中含氮的微量氣體主要有一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮和氨，其中尤以一氧化氮和二氧化氮為重要，它們不僅是對流層大氣中的主要污染物，還能直接進入平流層參與生成臭氧的光化學反應。氮氧化物對平流層臭氧濃度的影響,已引起人們的關注,其機理尚無定論（見大氣臭氧層）。大氣中部分游離氮通過雷電的作用或在燃燒過程中轉化成可溶性的氮氧化物，被降水輸送到地面，為生物所利用，有機體分解後，它們又回到大氣。最重要的天然途徑是大氣中的氮氣被某些植物根部的細菌所固定，生成硝酸鹽，又被動植物轉化成蛋白質。動植物腐爛後，氮氧化物又被釋放，進入大氣。此外，人類施用氮肥也參與氮循環過程。

氯循環

大氣中氯的天然來源主要是地表氯化物氣溶膠，它被酸化時釋放出鹽酸，後者易被雨水沖洗而減少，人類活動向大氣釋放的四氯化碳、氟利昂 （CCl₃F、CCl₂F₂）和氯仿(CHCL3)等，也不斷增加,它們不溶於水，故不受雨水沖洗，而容易向平流層擴散，滯留期可達數十年之久。在平流層中，它們可被光解而釋放活化氯原子，影響臭氧的化學循環。研究表明，對這些碳氯化合物若不加以控制,將導致平流層臭氧濃度的減少。

大氣臭氧研究

中國對流層光化學煙霧的研究，始於70年代，經蘭州、北京等地外場探測和煙霧箱模擬表明NOx和VOC的光化反應，產生高濃度的O₃，PAN和HNO₃等高氧化性物種，是造成此種低能見度煙霧的原因。高濃度O₃會刺激人的呼吸道，破壞植物的葉面氣孔，影響植物的生長發育。其先行物主要是來自能源和工業活動的高溫燃燒和汽車排放的尾氣。此外，植物排放的非甲烷碳氫化合物 (NMHC)也可以是其先行物的來源。隨經濟發展，此項污染將會更加嚴重，並向農村發展，從而影響農業生產。90年代開始了較系統的中國大氣臭氧研究計畫。通過計畫的實施，了解了中國地區臭氧變化概貌，衛星資料分析發現了青藏高原夏季臭氧柱體總量低於同緯度的平均值，總結出由南到北臭氧柱體總量年遞降率增大的規律。此種逐年遞降趨勢反映了臭氧層的耗損。在4個不同的背景站，進行了長達一年的對臭氧及其先行物的觀測並建立了資料庫； 不同測點的物種變化規律不盡相同，反映了其污染狀況和地理特徵。資料結果表明，像浙江臨安的農村地區，其地面臭氧濃度已經達到危害農作物的水平。對不同植物和土壤的NMHC、N₂O、OCS等排放率進行了測定，編制了1°×1°有關NOx、SO₂、CO₂、CH₄、NH₃，等物種的全國排放清單。就CFC和冰相氣溶膠對臭氧破壞的機理作了實驗室的研究； 用模式預測了按國際協定禁用CFC的規定後大氣臭氧層恢復的時間。

溫室氣體研究

80年代末中國為研究全球氣候變化開始了溫室氣體排放系統的研究，主要集中於測定不同地區的溫室氣體濃度以及不同生長條件下稻田CH₄和N₂O排放規律，研究了控制施肥和灌水等農業措施來減少排放的方法。

大氣氣溶膠研究

氣溶膠是較早開始研究的對象，早在60年代，由於雲霧物理和人工影響天氣研究的需要進行了凝結核計數測量、鹽核測量。氣溶膠作為污染物，為求其來源，發展了受體模式，用多元分析的方法，處理氣溶膠的成分分析的資料，得到不同源的貢獻。沙塵暴是中國北方春季多發的天氣現象，最初的研究是針對沙漠遷徙、陸地和海洋沉積。對蒐集到的樣品，進行了組分分析，並用數值模擬方法分析沙塵暴的源地分布以及傳輸規律。基於輻射和氣候研究的需要，80年代開始進行氣溶膠輻射和光學特徵的測量，測定氣溶膠的光學厚度、折射指數等。發展了由氣體到粒子的轉化數值模式。

大氣微量氣體CO

大氣中CO、CH₄和N₂O等微量氣體具有化學活性，它們在大氣中濃度的變化影響著大氣化學反應平衡和物質平衡，從而影響其他許多微量氣體成分包括一些大氣污染成分如臭氧的濃度分布及變化。同時CH₄和N₂O都是溫室氣體，它們濃度的變化將對全球氣候產生重要的影響。所以對CO、CH₄和N₂O等微量氣體的研究在氣候與大氣環境方面都具有重要意義。

CO的地基紅外遙感

細介紹了中解析度紅外光譜儀和利用該儀器測量的太陽紅外吸收光譜反演大氣CO等微量氣體的原理和方法。原理和數據分析表明，該測量方法可以較好地反演出大氣CO等微量氣體的柱總量。對CO大氣柱總量的反演精度可達到8%-10%。反演算法簡單易用。 自1996年以來，中國科學院大氣物理研究所中層大氣與遙感研究部利用中解析度紅外光譜儀系統，在北京市區北三環和北四環中路之間的中國科學院大氣物理研究所主樓樓頂進行了CO、水汽和CH₄等大氣微量氣體柱總量的觀測，獲得每年秋季（10、11月），1997、1999年夏季和2003年一整年的CO和水汽的資料：1996、1998、2001和2002年秋季CH₄的資料。此外，1992年在相同地點對這幾種氣體和N₂O作過短期觀測，獲取了這些微量氣體的少量資料。

研究過程和結果

（1） 利用太陽吸收光譜反演得出的CO柱總量與地面CO濃度之間、水汽柱總量與地面露點溫度之間存在著比較好的相關性。所以，CO柱總量的觀測值也能大致反映出近地面CO的污染狀況。

（2） 1996～2003年秋季北京CO柱總量月平均在0.1～0.2atm·cm之間，CH₄在1.17～1.47 atm·cm範圍內。1992年觀測到的N₂O的柱總量在0.24～0.26atm·cm之間，平均為0.248 atm·cm。

（3） CO柱總量11月平均值的最高值出1998年，為0.185 atm·cm，與1997下半年到1998年發生的嚴重生物質燃燒事件相對應。之後下降，1999年後大氣中CO濃度又回復到正常水平，為0.15 ，2001出現最低值 為0.122 atin.em。2001年和2002年C場柱總量平均值均比1996年和1998年的低，這可能是因 為北京秋季CH₄排放源減少，也可能是CO、OH等濃度變化引起的。

（4）CO柱總量季節變化明顯，冬季高，夏季低，而水汽正好相反。

（5）北京市CO柱總量的季節變化受人為主要排放源的季節變化影響很大； CO濃度的變化和氣象條件關係緊密，影響CO柱總量逐日變化和日變化 的氣象因子主要有大氣穩定度和風速風向等。