大气及其影响
大气被污染后能改变大气的性质和影响气候。如二氧化碳可吸收辐射,颗粒污染物能散射日光,导致地面温度发生变化。极小的污染微粒可集积云量,增多雾天次数。大气污染形成的酸雨,是世界性的危害。
城市排放的烟尘使大气混浊度增加,影响环境接受太阳辐射。另外尘粒能促进云的形成,对环境起加热作用,再加上燃料燃烧过程中向大气散发的废热,其综合效应是使城市温度升高,形成热岛。城市的急剧发展,将使“热岛效应”不断扩展,最终影响整个地球的大气环境。
由于人类活动或自然过程,向大气中排进了一些有害物质(称污染物),当排入量够多(污染物浓度达一定限度),则使原来洁净空气的品质下降,若这种情况维持时间够长,便会对人类、动物、植物和大气中的物品产生危害和不良影响,这种大气状态称为空气污染。
洁净大气是人类赖于生存的必要条件之一,一个人在五个星期内不吃饭或5天内不喝水,尚能维持生命,但超过5分钟不呼吸空气,便会死亡,人体每天要吸10—12立方米的空气。由此可见,消除空气污染或保持污染浓度低于某个限度之下,是何等重要。
大气有一定的自净能力,现代大工业发展以前,因自然过程等排进大气的污染物,与由大气自净过程而从大气移除的量基本平衡。但是20世纪五、六十年代以后,现代大工业迅速发展,人类排进大气的污染物量大大超过了大气的自净能力,致使目前全球大气都遭到不同程度的污染。这引起了各国的关注,我国已把保护环境(大气环境、水环境等)作为国家的基本国策。
大气污染对人类及其生存环境造成的危害与影响,已逐渐为人们所认识,归结起来有如下几个方面:
①对人体健康的危害。人体受害有三条途径,即吸入污染空气、表面皮肤接触污染空气和食入含大气污染物的食物,除可引起呼吸道和肺部疾病外,还可对心血管系统、肝等产生危害,严重的可夺去人的生命。
②对生物的危害。动物因吸入污染空气或吃含污染物食物而发病或死亡,大气污染物可使植物抗病力下降、影响生长发育、叶面产生伤斑或枯萎死亡。
③对物品的危害。如对纺织衣物、皮革、金属制品、建筑材料、文化艺术品等,造成化学性损害和玷污损害。
④造成酸性降雨,对农业、林业、淡水养殖业等产生不利影响。
⑤破坏高空臭氧层,形成臭氧空洞,对人类和生物的生存环境产生危害。
⑥对全球气候产生影响,如二氧化碳等温室气体的增多会导致地球大气增暧,导致全球天气灾害增多,又如烟尘等气溶胶粒子增多,使大气混浊度增加,减弱太阳辐射,影响地球长波辐射,可能导致天气气候异常。
大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中,呈现出足够的浓度,达到足够的时间,并因此危害了人体的舒适、健康或环境的现象。大气污染的产生原因有自然因素(如森林火灾、火山爆发等)和人为因素(如工业废气、生活燃煤、汽车尾气、焚烧垃圾、核爆炸等)两种,且以后者为主,尤其是工业生产和交通运输所造成的。
大气污染非常严重凡是能使空气质量变坏的物质都是大气污染物。大气污染物目前已知约有100多种,按其存在状态可分为两大类:一种是气溶胶状态污染物,另一种是气体状态污染物。气溶胶状态污染物主要有粉尘、烟液滴、雾、降尘、飘尘、悬浮物等。气体状态污染物主要有以二氧化硫为主的硫氧化合物,以二氧化氮为主的氮氧化合物,以二氧化碳为主的碳氧化合物以及碳、氢结合的碳氢化合物。
3.1.1 地球大气
地球大气是指地球引力作用下大量气体聚集在地球周围所形成的包层。地球大气的质量约为5.136 × 1021 g,约占地球总质量的百万分之一。大气密度随高度的增加而按指数函数下降,大气总质量的90% 集中在离地表15 km高度以内,99.9% 在50 km高度以内。在2000 km高度以上,大气极其稀薄,逐渐向行星际空间过渡,而无明显的上界。
3.1.2 大气成分
大气主要包括一些气体分子和其他微粒。分子主要有 N2 和 O2 ,约占99%,其余1% 是 O3 ,CO2 ,H2 O及其他(N2 O,CH4 ,NH3 等)。大气中的微粒主要有烟、尘埃、雾霾、小水滴及气溶胶。
3.1.3 大气影响
大气层自下而上分别是对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。遥感利用的一切辐射都必然经过地球的大气层。由于遥感器的工作波段选择的原因,对遥感器接收到的电磁辐射影响最大的是对流层和平流层。
当太阳辐射穿过大气时,必然要受到大气散射、吸收和折射的影像。大气对遥感数据的影响主要是因为辐射被大气中各种成分(气体分子和气溶胶粒子)吸收和散射,使携带有目标物光学信息的辐射衰减。同时,散射的结果又使遥感器接收到的辐射信号增加了一个与目标物的光学信息无关的附加量,使得遥感器接收到的辐射信号产生了畸变。
3.1.3.1 大气散射
电磁辐射在非均匀介质或各向异性介质中传播时,改变原来传播方向的现象称为大气散射。大气散射时电磁辐射能受到大气分子或气溶胶等的作用,改变传播方向。大气散射的强度取决于微粒的大小、含量、辐射波长和穿过的大气厚度。
散射对于遥感产生几种重要的影响。由于依赖于波长的瑞利散射的存在,遥感一般不考虑使用蓝光或紫外线。采用这些波段的影像主要记录的是大气亮度而不是地物本身的亮度。散射还会使遥感器接收到视场之外的辐射,因而模糊了记录的空间细节。不仅如此,散射还会使暗色物体表现出比自身更亮的颜色,而使亮色物体表现得更暗,从而降低了影像的反差。
3.1.3.2 大气折射
电磁波穿过大气层时,会发生折射现象,改变传播方向。大气的折射率与大气密度相关,密度越大折射率越大;离地面越高,空气越稀薄,折射率也越小。由于电磁波在大气的传播中折射率的变化,使得电磁波在大气中的行进轨迹是一条曲线。这样当电磁波到达地面后,地面接收的电磁波方向与实际的太阳辐射方向相比就会偏转一定的角度。
3.1.3.3 大气吸收
电磁辐射穿过大气时,要受到大气分子等的吸收作用,造成能量的衰减。大气中的臭氧(O3)、二氧化碳(CO2)和水汽(H2O)对太阳辐射德尔吸收最显著。臭氧(O3)主要集中在20~30km高度的平流层。臭氧除了在紫外(0.22~0.32μm)有一个很强的吸收带外,在0.6μm附近也有一个较宽的弱吸收带,而且在远红外9.6μm附近还有一个强吸收带。
二氧化碳(CO2)主要分布于底层大气,含量约占0.03%。CO2 在中-远红外区段(2.7μm,4.3μm,14.5μm附近)均有强吸收带,其中最强的吸收带位于17.5μm的远红外波段。
水汽(H2O)不包括固态冰粒。水汽一般分布在低空,其含量随时间、地点的变化很大(占0.1%~3%)。而且,水汽的吸收辐射是其他大气组分的几倍。其最重要的吸收带在2.5~3.0μm,5.5~7.0μm 和 >27.0μm(在这些区段,水汽的吸收可能超过 80%)的波段。另外,水汽在0.94mm,1.63mm及1.35cm处还有三个吸收峰。
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