Air Pollutants

Report
Remaining
1%
Composition of the Atmosphere
Oxygen
21%
• Permanent gases
(constant proportion in the atmosphere)
– 99.999 % of atmospheric mass
– Nitrogen(78%), Oxygen(21%)
– Argon, Neon, Helium, Krypton, Xenon, Hydrogen
• Variable gases (small percentage, but impact the
behavior of the atmosphere)
– Water Vapor, Carbon Dioxide, Ozone, Methane
– SO2, NOx, CO, VOC
• Particulate matter (aerosol)
Nitrogen
78%
Troposphere(對流層)
• 對流層是大氣中最低的一層。
• 高度每增加100公尺,氣溫平均下降約0.65℃。
• 對流層的厚度大約9-16km,由赤道向兩極減少,在同
一緯度,對流層夏季較厚,冬季較薄。
• 雖然對流層的厚度不及整個大氣層厚度的1%,但是由
於地球引力的作用,這一層卻集中了大氣3/4的質量和
幾乎全部的水氣。
• 空氣通過對流和亂流運動,使近地面的熱量、水氣、
質量等易於向上輸送,在垂直向得以混合,也因此雲、
霧、雨、雪等主要大氣現象都出現在此層。
• 因為人類主要在此層活動,空氣污染物的排放、傳輸
和去除也大都發生在此層。
• 在對流層的上方,界於對流層和平流層間,有一厚度
為數百米到一兩公里的過度層,稱為對流層頂
(tropopause)。
Stratosphere(平流層)
• 自對流層頂到50km左右為平流層。(比對流層厚)
• 在平流層的下層隨著高度增加溫度保持不變或略有上升,大
約到30km以上溫度會隨著高度顯著的增加,在50km左右會達
到270K,平流層內此種溫度變化與臭氧吸收紫外線(UV)有密
切關係,雖然臭氧在30km以上逐漸減少,但這裡紫外線的輻
射較強,故溫度隨著高度增加而快速增加,造成顯著的暖
層,
• 平流層內氣流較為穩定,空氣的垂直混合作用較為微弱。
• 平流層中間有一臭氧層(ozone layer),可以吸收有害的太陽
紫外線輻射,是地球生態的保護,然而由於長期的氟氯碳化
物(CFCs)累積,及其他由地面排放及高空飛行的飛機所排出
的污染物,造成所謂的臭氧層破壞的問題,是目前環境科學
家所關心的問題。
• 火山爆發所產生的微粒,會進入此層對太陽輻射產生影響,
• 此層是許多長程飛行的高度,因此飛機所排出的污染物會在
平流層擴展。
Ozone Layer(臭氧層)
• 在平流層中約 20-25 km高,臭氧濃度最高,稱
為臭氧層 。
• UV breaks down oxygen
O2 + UV → O + O
• Quickly combines
O2 + O → O3
• Which also can be broken down
O3 + UV → O2 + O
• 臭氧層可阻擋紫外線,避免人類被太陽曬傷、
白內障、皮膚癌等。
Air Pollutants (空氣污染物)
• 在「空氣污染防制法」中說明:
空氣污染物:指空氣中足以直接或間接
妨害國民健康或生活環境之物質。
生活環境:指與人之生活有密切關係之
財產、動、植物及其生育環境。
空氣污染物(Air pollutants)
• 當大氣中某一物質的濃度比正常大氣中該物質的
濃度要高出許多,且會對人體、動物、植物、財
產、天氣等產生足以察覺的不利影響時,該物質
就可視為污染物(pollutant)。一般而言,常定濃
度氣體都不是污染物,污染物都是可變濃度氣體,
不過也不是所有可變濃度氣體都是污染物,只有
當該物質濃度太高,影響空氣的正常用途時才被
視為污染物。
• 有許多污染物是因為人類的活動而產生,但許多
自然的過程(如火山爆發、森林火災等)也會產生
污染物,在乾淨的環境中也會有這些氣體存在;
然而在嚴重污染的都市或工業區中污染物的濃度
往往比乾淨空氣中的濃度高上好幾倍。
空氣污染物的分類
• 氣體(Gaseous): CO, SO2, NOx, VOC
• 粒狀物(Particulate) : TSP (total suspended
particulate), PM10, PM2.5,ultrafine particle
• 原生性或一次污染物(Primary pollutants):
emitted directly into the air.
• 衍生性或二次污染物(Secondary pollutants):
formed in the atmosphere by primary pollutants
through reactions. (O3, H2SO4)
• 前趨物(precursor): primary pollutants that form
secondary pollutants
空氣污染物的分類
在「空氣污染防制法施行細則」中將空氣
污染物分為下面幾類:
• 氣狀污染物
• 粒狀污染物
• 衍生性污染物
• 毒性污染物
• 惡臭污染物
空氣污染物—氣狀污染物
•
•
•
•
•
•
•
•
•
硫氧化物(SO2及SO3合稱為SOx)。
一氧化碳(CO)。
氮氧化物(NO及NO2合稱為NOx)。
碳氫化合物(CxHy)。
氯化氫(HCl)。
二硫化碳(CS2)。
鹵化烴類(CmHnXx)。
全鹵化烷類(CFCs)。
揮發性有機物(VOCs)。
空氣污染物—粒狀污染物
• 總懸浮微粒(TSP, Total suspended particulate):指懸浮於空
氣中之微粒。
• 懸浮微粒(PM10):指粒徑在十微米(µm)以下之粒子。
(PM : Particulate Matter)
• 細微粒(PM2.5):指粒徑在2.5微米(µm)以下之粒子
• 落塵(dust fall):粒徑超過十微米(µm),能因重力逐
漸落下而引起公眾厭惡之物質。
• 金屬燻煙(fume)及其化合物:含金屬或其化合物之微粒。
• 黑煙(soot):以碳粒為主要成分之暗灰色至黑色之煙。
• 酸霧:含硫酸、硝酸、磷酸、鹽酸等微滴之煙霧。
• 油煙:含碳氫化合物之煙霧。
空氣污染物—衍生性污染物
• 光化學霧:經光化學反應所產生之微粒狀物質
而懸浮於空氣中能造成視程障礙者。
• 光化學性高氧化物:經光化學反應所產生之強
氧化性物質,如臭氧、過氧硝酸乙醯酯
(PAN)等(能將中性碘化鉀溶液游離出碘者為
限,但不包括二氧化氮)。
• 以上為空氣汙染防制法施行細則中的分類,已
經有點落伍,目前衍生性汙染物常分為:光化
學煙霧(photochemical smog)和二次氣膠
(secondary aerosols) 。
空氣污染物—毒性污染物
•
•
•
•
•
•
•
氟化物。
氯氣(Cl2)。
氨氣(NH3)。
硫化氫(H2S)。
甲醛(HCHO)。
含重金屬之氣體。
硫酸、硝酸、磷酸、
鹽酸氣。
•
•
•
•
氯乙烯單體(VCM)。
多氯聯苯(PCBs)。
氰化氫(HCN)。
戴奧辛類(Dioxins及
Furans)。
• 致癌性多環芳香烴。
• 致癌揮發性有機物。
• 石綿及含石綿之物質。
空氣污染物—惡臭污染物
• 硫化甲基[(CH3)2S]。
• 硫醇類(RSH)。
• 甲基胺類[(CH3)XNH3-x,x=1,2,3]。
空氣污染物的分類—美國
• Criteria pollutants
• Hazardous pollutants
Criteria air pollutants
• Criteria air pollutants: those that “cause or contribute
to air pollution that may reasonably be anticipated to
endanger public health or welfare … the presence of
which in the ambient air results from numerous or
diverse mobile or stationary sources. “
• The USEPA set National Ambient Air Quality
Standards (NAAQS) for criteria pollutants that
required protection to the public health with an
adequate margin of safety. This was a health-based
standard that did not take implementation costs into
consideration and protected people regardless of age
or their health status.
Pollutants – Criteria
• Response to 1970 Clean Air Act
• Established the National Ambient Air Quality
Standards (NAAQS) for six pollutants:
–
–
–
–
–
–
–
*
Nitrogen dioxide (NO2)
Ozone (O3)
Sulfur dioxide (SO2)
Particulate matter (PM10)
Particulate matter (PM2.5)*
Lead (Pb)
Carbon monoxide (CO)
established after 1970
February 2004
Source: U.S. EPA National Air Pollutant Emission Trends, 1900-1998
Short Course on Air Quality Forecasting: Air
Quality and Meteorology 101
17
Types of NAAQS
• Primary standard: “Health-based” standards
used to protect human health and the
environment.
• Secondary standard: Designed to protect
general public welfare and prevention of
damage to public property.
National Ambient Air Quality Standards
Pollutant
Primary Stds.
Averaging Times
Secondary Stds.
CO
9 ppm (10 mg/m3)
8-hour(1)
None
35 ppm (40 mg/m3)
1-hour(1)
None
Pb
1.5 µg/m3
Quarterly Ave
Same as Primary
NO2
0.053 ppm (100 µg/m3) Annual (Arith. Mean)
PM10
Revoked(2)
Annual(2) (Arith. Mean)
150 µg/m3
24-hour(3)
15.0 µg/m3
Annual(4) (Arith. Mean)
35 µg/m3
24-hour(5)
0.08 ppm
8-hour(6)
Same as Primary
0.12 ppm
1-hour(7) (Applies only in
limited areas)
Same as Primary
0.03 ppm
Annual (Arith. Mean)
-------
0.14 ppm
24-hour(1)
-------
3-hour(1)
0.5 ppm (1300 µg/m3)
PM2.5
O3
SO2
------http://www.epa.gov/air/criteria.html
Same as Primary
Same as Primary
台灣空氣品質標準
Hazardous Air Pollutant (HAP)
• Hazardous Air Pollutant (HAP) : air pollutants which
may reasonably be anticipated to result in an increase
in mortality or an increase in serious irreversible or
incapacitating reversible, illness.
• The EPA was required to list substances that met the
definition of hazardous air pollutants and to publish
national emission standards (NESHAP) providing an
“ample margin of safety” to protect the public health
from these HAPs.
Reference: USEPA APTI, 2009, Introduction to Air Toxics Student Manual
Hazardous Air Pollutant (HAP)
• In the 1990 Clean Air Act Amendments (CAAA),
Congress completely changed the approach to
hazardous air pollutants from a risk, health-based to a
technology-based regulation. In these Amendments,
Congress now defined a hazardous air pollutant as
“any air pollutant listed in Section 112 (b).” EPA has a
current list of all regulated HAPs on its Air Toxics Web
page: http://www.epa.gov/ttn/atw/orig189.html.
• The 1990 CAAA also required EPA to pass technologybased emission standards (referred to as “maximum
achievable control technology” [MACT] standards)
for all major source categories.
Hazardous Air Pollutants
• Different than criteria pollutants
– No set criteria (yet) for health concern (except lead)
– A challenge to monitor
• Usually not available in real-time
• Example: Dioxin requires 28 days of sampling to get
measurable amounts
– Often localized near source
– Difficult to forecast due to
• Lack of real-time data
• Local nature
23
February 2004
Short Course on Air Quality
Forecasting: Air Quality and
Meteorology 101
一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)
• 無色、無臭、無味的氣體
• 含碳燃料在不完全燃燒的情況下產生的副產品。
• Sources(源):
– 天然排放源: 森林火災、海洋生物活動、碳氫化合物
氧化等。
– 人為排放主要來自移動污染源,固定污染源排放量較
少。
• Sink(匯):
– 在光化學反應中與OH· (hydroxyl radical)反應形成CO2
– 土壤吸收
• 在大氣中的生命期(lifetime)約30-90天,在熱帶約1
月,在中緯度地區約四個月。
• 在整個對流層平均濃度約40-20ppb ,在乾淨的空氣中CO
濃度約為50-150ppb,但在都市交通繁忙地區濃度可達數
個ppm 。
一氧化碳 (Carbon Monoxide, CO)
• 一氧化碳主要的影響是人體暴露在高濃度的CO所產生的中毒
事件。一氧化碳中毒常發生於通風不良的情況。
• 正常情況下,經過呼吸系統進入血液的氧,會與血紅蛋白
(hemoglobin, Hb)結合,形成氧血紅蛋白(O2Hb),被輸送
到身體的各個器官與組織,參與正常的新陳代謝活動;如果
空氣中的一氧化碳濃度過高,很多的一氧化碳將進入身體血
液,因為CO和Hb的結合能力是O2和Hb結合能力的300倍,所
以進入血液的CO會先與Hb結合,形成碳氧血紅蛋白(COHb),
COHb濃度太高會降低紅血球的帶氧能力,人體內正常水準的
COHb含量為0.5%左右,安全閾值約為10%,當COHb含量達到
25%~30%時,顯示中毒症狀,幾小時後陷入昏迷;當COHb
含量達到70%時,即刻死亡。一氧化碳對健康所造成的影響與
吸入的濃度和持續時間的長短有關。一般人吸入低濃度的一
氧化碳時會感到頭痛、暈眩及疲倦。當吸入高濃度的一氧化
碳時更會造成視力糢糊、失去協調能力,甚至死亡。
Atmospheric Sulfur Compounds
• Sulfur occurs in five oxidation states in the
atmosphere.
• Those with oxidation state -2 or -1 are
reduced sulfur compounds.
• The water solubility of sulfur species
increases with oxidation state; reduced
sulfur species occur preferential in the gas
phase, where the S(+6) compounds often
tend to be found in particles or dropletrs.
Atmospheric Sulfur compounds
Oxidation
state
Name
Formula
-2
Hydrogen sulfide
Dimethyl sulfide (DMS)
Carbon disulfide
Carbonyl sulfide
Methyl mercaptan
H2S
CH3SCH3
CS2
COS
CH3SH
-1
Dimethyl disulfide
CH3SSCH3
0
Dimethyl sulfoxide
CH3SOCH3
4
Sulfur dioxide
Bisulfite ion
Sulfite ion
SO2
HSO3SO32-
6
Sulfuric acid
Bisulfate ion
Sulfate ion
H2SO4
HSO4SO42-
硫氧化物(SOX)
• SOX是硫和氧的化合物,包括二氧化硫
(SO2)和三氧化硫(SO3)。
• SO3產生後,很快形成H2SO4 ,所以大氣中
最主要的硫氧化物為二氧化硫。
• SO2是一種無色氣體,在濃度為1000 到
3000μg/m3 的範圍內可能通過味覺和嗅覺檢
測到。在濃度為10000μg/m3 時,它具有一
種刺鼻的、不舒服的氣味。SO2在對流層的
背景值約為0.01到1ppb,在污染地區其濃度
可達數十ppb。
SO2主要來源
• 二氧化硫的來源:
– 天然排放源,如:火山、DMS(dimethylsulfide)和
H2S的生物氧化等,
– 人為產生,主要包括:含硫燃料燃燒、焙燒金屬硫
化物礦、化學製造過程產生的。
• 台灣(含金馬地區)2007年全國人為硫氧化物排放量約
15.6萬公噸/年,工業類別排放佔絕大多數,共約佔
89%,其中電力業部份即佔所有排放量之約37%左右,
次為化學材料製造業約16%及鋼鐵基本工業約14%,其
他則分散在不同之行業別中,其中較大者包括石油煉
製業、紡織業、造紙及印刷出版業及食品業等,各約
佔2~6%之間,其餘業別多小於1%。移動汙染源除柴油
車和船舶外排放量較小。
二氧化硫(Sulfur Dioxide, SO2)
• 影響
– 人體健康:二氧化硫會溶於上呼吸道系統的水性流體中,
並被吸收進入血液,吸入空氣中的二氧化硫可能會造成
肺功能退化、出現呼吸系統症狀和疾病的事件增多、眼
睛鼻子和喉嚨的發炎、以及過早的死亡。對兒童、老年
人和那些已經遭受呼吸系統小病的人特別危險的。
– 植物:接觸高濃度二氧化硫的植物可能失去它們的葉、產
量減小、或早早枯死。在遠離排放源的地方主要受到硫
酸鹽氣膠乾、濕酸沉降的影響,對森林生態系統的影響
變化很大。
– 腐蝕(金屬、建築物、古蹟、鐵橋、…等)
– 反應產生硫酸鹽氣膠:從大氣中的二氧化硫轉化來的硫酸
鹽懸浮微粒會散射光線,降低能見度。硫酸鹽氣膠會反
射太陽輻射,降低到達地面的太陽輻射,降低地表溫度,
氣膠可作為凝結核,會增加降雨量。
SO2在大氣中的轉換
燃料中的硫份燃燒後產生SO2,排放進入大氣後,會產
生包括氣相和液相的一系列的反應,空氣中的硫化物
除了SO2以外還包括H2SO3(aq)、HSO3-、SO32-、
H2SO4(g,aq)、HSO4-、SO42-等,前面三種屬於+4價的硫,
後面三種則為+6價的硫,所以在大氣中的反應為將+4
價的硫氧化成為+6價的硫。
SO2氧化成H2SO4的過程可以分為兩種方式,其中一種
方式是先在氣相中被氧化成硫酸,然後被水滴吸收成
為酸雨,另外一種方式則是SO2先溶解在水滴中,然後
再氧化成為硫酸。
硫化氫(H2S)
• 具有臭味(蛋腐敗的味道,嗅覺閥值500 pptv) ,
有毒性。
• 來源:
– 天然: 主要微生物厭氣分解
– 人為: 油氣開採, 煉油廠, 煤焦爐, 造紙等。
• 在大氣中停留時間短 (4.4 days) ,氧化為
SO2 。
• 背景濃度約 30-100 pptv; 在許多工業汙染源和
掩埋場濃度常超過閥值,造成惡臭問題。
Nitrogen Compounds
• Gas phase
–
–
–
–
–
–
–
–
Nitrogen (N2)
Nitrous oxide (N2O)
Nitric oxide (NO)
Nitrogen dioxide (NO2)
Nitrate radical (NO3)
Dinitrogen pentoxide (N2O5)
Ammonia (NH3)
Peroxyacyl nitrate
(CH3COO2NO2; PAN)
– Ammonia (NH3)
– Hydrogen cyanide (HCN)
Gas/Liquid phase
–
–
–
–
–
Nitrous acid (HNO2)
Nitric acid (HNO3)
Nitrite (NO2-)
Nitrate (NO3-)
Ammonium (NH4+)
氧化亞氮(Nitrous Oxide, N2O)
•
•
•
•
無色,微甜,無毒氣體。
俗稱笑氣,常用於麻醉,吸入高濃度N2O產生興奮的效果。
大氣背景濃度逐漸增加(0.8 ppbv/yr)
排放源:
– 自然: 土壤中硝酸鹽經生物硝化(nitrification)及脫
硝(denitrification)作用產生。
– 人為: 農田氮肥使用,生物質燃燒,工業製程,畜牧
業。
• N2O 不易溶於水,在對流層幾乎不反應,在大氣的生命期
約 120 ±30年。
• 在平流層為主要的匯(sink): 光解(photodissociation)
(90%) 和O(1D)反應 (10%) 。
• 重要的溫室氣體(greenhouse gas) 。
氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOX)
• 環境空氣中的氮氧化物主要包括一氧化氮(NO)
和二氧化氮(NO2)。
• 人為污染源所排放的氮氧化物絕大部份為一氧化
氮,NO是無色無味的氣體, 對人體健康影響較
小。
• 一氧化氮進入大氣後會與臭氧反應,氧化成二氧
化氮。二氧化氮是一種帶有辛辣刺激性氣味的黃
橙到紅褐色的氣體,它是一種強氧化劑。
• 在大氣中二氧化氮的一部分被轉換成硝酸(HNO3)
和銨鹽,大氣中的硝酸鹽懸浮微粒會因為乾或濕
沉降而去除。
• 在海平面附近NO的背景值約0.005ppb,NO2的背
景值約0.02到0.05ppb;在對流層頂NO的濃度約
0.02到0.06ppb,NO2的濃度約0.03到0.07ppb。
氮氧化物(Nitrogen Oxides, NOX)
• 自然排放源包括:土壤和水中厭氧微生物的生物過
程、生物質燃燒、閃電、NH3氧化、平流層傳輸進入
對流層等。
• 人為排放主要來自高溫下燃燒,空氣中的N2和O2會反
應產生NO 。主要來自火力發電廠、移動污染源、工
業鍋爐、焚燒爐、硝酸和其他的含氮化學品的生
產、電弧焊接過程、在採礦中使用爆破以及農場
的地窖等。
• 民國96年全台灣氮氧化物人為排放量約為50.4萬
公噸/年,工業類別與移動源部份,分別約佔48%
與52%。
NOX在大氣中的轉換
NO可與空氣中之O3發生化學反應,形成 NO2
NO + O3 → NO2 + O2
NO2與OH自由基反應會產生HNO3(g)
NO2 + OH- + M → HNO3 + M
或經由水滴之直接吸收,將溶解之 NO2 轉變為 NO3-,其反應
式,可以表示如下:
NO2 + H2O + M → H+ + NO3- + M
HNO3(g)被微粒表面吸收,轉變為無機性硝酸鹽或硝酸,硝酸
可再與氨 (NH3) 反應生成硝酸銨 (NH4NO3);
HNO3 + HN3 → NH4NO3
NOx concentrations
城市室外氮氧化物的濃度會呈現日夜變化;在早晨和傍晚的
交通尖峰時間NO的濃度達到最高值,常常高達100ppb以上,
但晚上NO排放減少,再加上與臭氧反應形成NO2,所以深夜都
市地面的NO濃度很低,NO2的濃度在污染地區可達100到
250ppb。
NOy
• NOx: NO and NO2
NOx = NO + NO2
• NOy: NOx and their atmospheric oxidation products
NOy=NOX+HNO3+HONO+NO3+N2O5
+HNO4+PAN+RONO2+ROONO2
• N2O and NH3 are not considered as NOy.
• HNO3 is the major oxidation of NOx in the atmosphere.
Because of its extreme water solubility, HNO3 is rapidly
deposited on surface of water droplets. In the presence
of NH3, HNO3 can form NH4NO3 aerosol.
一氧化氮和二氧化氮的濃度比([NO]/[ NO2])與新鮮度
有關,在靠近排放源的地方[NO]/[ NO2]較高,遠離排
放源則其值較小。在沒有主要污染源的郊區氮氧化物
的濃度一般接近背景濃度。可是,在高空的大氣層中
氮氧化物濃度能移動很長距離,這會導致遠離排放源
的地方臭氧含量和酸性沉降物的升高。
NOx和NOy的濃度比有何意義?
NOx對健康和環境的影響
• 雖然暴露在高濃度的NO2可能傷害肺部和增加呼吸器
官的疾病,但資料顯示暴露在濃度低於1880μg/m3 的
NO2對健康影響不大。 (WHO,1987)
• NO2光解會引發光化學反應,NOx為對流層臭氧的前驅
物。
• 二氧化氮會吸收短波長的藍光,所以高濃度的二氧化
氮呈現出淡黃到紅褐的顏色,因此會影響可見度,氮
氧化物也是大氣中細微粒的前趨物,細微粒也會降低
大氣能見度,並影響天氣和氣候。
• 氮氧化物在大氣中反應產生硝酸,是酸雨和酸性沉降
物中重要的物種,酸沉降會影響植物生長並破壞森
林,硝酸鹽可作為肥料,這些養分會產生海灣水質的
優養化(eutrophication)現象,引起藻類的大量繁殖
和缺氧的狀況。
• 二氧化氮與織物染料反應能引起織物的褪色或發
黃。
氨(NH3 , Ammonia)
• Sources: 有機物厭氣分解,動物和其廢棄物,生物
質燃燒,土壤腐殖質的氨化,使用肥料,燒煤,工業
排放等。
• 背景濃度: 0.1-10 ppbv 。
• Sink processes: 與酸性物質反應,產生氣膠銨鹽,
再經乾沉降或濕沉降去除。
• 大氣中生命期: 約10 days 。
• 參與降水中的化學反應,中和降水的酸度。
揮發性有機物
(Volatile Organic Compounds, VOCs )
• 有各種不同定義
• 在台灣,「揮發性有機物空氣污染管制及排放標準」中對VOC的
定義為:
指在一大氣壓下,測量所得初始沸點在攝氏二百五十度以下
有機化合物之空氣污染物總稱。但不包括甲烷、一氧化碳、
二氧化碳、二硫化碳、碳酸、碳酸鹽、碳酸銨、氰化物或硫
氰化物等化合物。
• USEPA defines a volatile organic compound (VOC) as “any compound
of carbon, excluding carbon monoxide, carbon dioxide, carbonic acid,
metallic carbides or carbonates, and ammonium carbonate, which
participates in atmospheric photochemical reactions.”
• 通常指在常溫下其蒸氣壓大於0.01psi (0.0007atm, 70Pa),且其沸
點小於260℃的有機液體和固體。
揮發性有機物
• 自然排放主要來自植物排放,少數則來自採煤區、
油田天然氣及自然火災等
• 植物會排放VOC,因此稱為VOC的生物源(biogenic
emission)。生物源所排放的VOC包含萜烯(terpene)、
異戊二烯(isoprene) 等,由植物與樹木所產生之萜烯
分子可彼此結合而產生瀰漫在森林區之藍霧( blue
haze )。生物排放源的特性除了與植物的種類有關
外,另一方面它們的排放量與光合作用、日光強度
及大氣溫度有密切關係。一般而言,生物排放源的
影響在夏天午後的時段最為顯著。
• 人為排放的揮發性有機物其來源相當龐雜,若以行
業別觀點加以分類,則可分成工業、商業、住宅、
車輛等
• 若依其排放特性加以區分,則可歸納為不完全燃
燒、製程排放、油品揮發、溶劑使用及生物作用等
五大類
VOC對健康與環境的影響
• 有些VOC具有惡臭,會造成心理的不適。
• 大氣環境中由於 VOCs 具有滲透、脂溶及
揮發等特性,故極易經由皮膚接觸及呼吸
系統而對人體造成危害,其侵害人體的對
象主要為皮膚、呼吸系統、腎、肝、中樞
神經系統等,且部分揮發性有機化合物已
被列為致癌物,例如苯等有機溶劑。
• VOCs 均具化學活性,是臭氧的前趨物,
在陽光照射下,會與氮氧化物反應,產生
光化學煙霧。
• 當VOCs濃度過高,容易在封閉性空間或作
業環境中產生火災爆炸。
碳氫化合物(Hydrocarbon, HC)
• 只含碳和氫原子
• 甲烷在大氣中反應較慢,排除甲烷後其他
大氣中的碳氫化合物稱為非甲烷碳氫化合
物(non-methane hydrocarbon, NMHC),
NMHC代表參與大氣中光化學反應的碳氫化
合物。
• 甲烷加上NMHC稱為總碳氫化合物(Total
Hydrocarbon, THC)
NMHC
• 種類很多,因來源而異。
• 自然界植物釋放的萜烯類化合物約佔全球NMHC總量的65% ,
比人為排放量還要大,最主要的天然排放物是異戊二烯
(isoprene)和單萜烯(monoterpene) 。
• 人為排放主要來自不完全燃燒、製程排放、油品揮發、溶
劑使用及生物作用等。
• 可分為 :
– 飽和 (單鍵, C-C)
– 不飽和 (雙鍵/三鍵, C = C)
• 不飽和碳氫化合物反應較快。
• 是都市光化學煙霧的前趨物。
• 揮發性的NMHC其碳原子數通常小於12 。
Methane (CH4)
• 大氣中含量最多的碳氫化合物
• 與OH的反應性低,性質穩定。
• 對都市或區域性的光化學煙霧
影響較小。
• 可影響全球大氣化學過程。
• 是重要的溫室氣體。
• 大氣平均濃度約1.75 ppmv 。
• 工業革命以來大氣中濃度逐漸
增加。
Sources:
天然排放源:濕地、湖泊、下水道的厭氣分解,稻田,動物
腸胃發酵等。
人為排放源: 煤、石油、天然氣開採,天然氣輸送,汽車
排氣等。
含氧碳氫化合物(Oxyhydrocarbons)
• 包含:
– Aldehydes (C=O)
– Acids (-COOH)
– Alcohols (-OH)
– Ketones (CO)
– Ethers (C-O-C)
– Esters (R-CO-OR’)
• 來源:
– 工商業使用: 黏著劑溶劑等
– 燃燒的副產品
– 大氣光化學反應產物
Chlorofluoro HCs (CFCs)
•
•
•
•
Trichlorofluoromethane (CFCl3): CFC-11
Dichlorodifluoromethane (CF2Cl2): CFC-12
Trichlorotrifluoroethane (C2Cl3F3): CFC-13
Characterized by
– Low reactivity
– Low mammalian toxicity
– Strong thermal absorption properties
– Good solvent properties
Halogenated HCs
• Most halogenated HCs have tropospheric sinks
• CFCs have no tropospheric sinks.
• Atmospheric Lifetimes
CH3Cl, CH3Br
CH3CCl3
CCl4
CFCl3
CF2Cl2
~ 1 year
~ 6.3 years
~ 40 years
~ 75 years
~ 111-170 years
• Concentrations vary spatially, with highest in source regions
over the northern hemisphere.
• Concentrations in both the troposphere and stratosphere
have been increasing until the early 1990s.
Ozone in the Stratosphere
平流層的臭氧 (O3)
阻檔有害的紫外線
(UV)保護地球上的生
物是好的臭氧
對流層(地面附近)的
臭氧是光化學煙霧的
重要成份是壞的臭氧
Figure source: Synthesis and Assessment Product 2.4, Report by the U.S. Climate Change Science Program and the
Subcommittee on Global Change Research
臭氧(Ozone)
• 臭氧是一種無色、氧化性很強的氣體,當其濃度
超過0.02ppm會有可嗅出的臭味,是大氣煙霧的主
要組成成份。對流層(地面附近)臭氧是由碳氫化
合物和氮氧化物在陽光照射下產生光化學反應而
形成的,會對人體健康、動植物及財物產生危害,
因此是壞的臭氧。在平流層(高空)的臭氧會吸收
紫外線,是好的臭氧。
對流層臭氧
來源:
主要由VOC和NOx 產生
光化學反應而形成。
由於平流層中臭氧濃
度較高,當平流層氣
流下沉,侵入對流層
也會帶入臭氧,一般
發生在緯度較高處。
對流層臭氧的背景濃度在海面附近為20~40ppb,在高空為3070ppb,在光化學煙霧污染的地區臭氧濃度日夜變化很大,通常
下午地面臭氧的濃度達到峰值,嚴重污染的地區小時尖峰濃度
可能超過300ppb,但晚上沒有太陽輻射,臭氧會和NO反應而消
耗,所以晚上都市地區的臭氧濃度常低到只有幾ppb。在夏季一
般平均濃度最高。
臭氧對健康及環境的影響
• 接觸環境中地面臭氧對健康主要影響是呼吸系統,特
別是肺功能。臨床研究顯示,短時間接觸濃度為
200~500μg/m3 的地面臭氧,會引起暫時輕微的眼睛
與呼吸的過敏反應,例如:咳嗽、喉嚨乾燥、眼睛和
肺部不適、胸疼和頭痛等(WHO 1979,1987)。長
時間重複接觸會對肺造成的不可逆的損傷,長期過度
接觸濃度在240~360μg/m3 的地面臭氧導致在呼吸功
能方面產生大的變化。
• 臭氧傷害敏感性植物的葉和針形葉,引起脫葉和葉的
顏色的變化,造成生長緩慢及產量下降。除了生理損
傷外,地面臭氧可能引起對真菌、細菌、病毒和害蟲
抵抗力的下降,降低生長,抑制產量和再生產。
• 造成橡膠、塑膠、紙張等脆化
Atmospheric Particles (aerosol)
• Armospheric particles come in many sizes and
shapes and can be made up of hundreds of
different chemicals.
• Some particles, known as primary particles are
emitted directly from a source, such as
construction sites, unpaved roads, fields,
smokestacks or fires.
• Others form in complicated reactions in the
atmosphere of chemicals such as sulfur dioxides
and nitrogen oxides that are emitted from power
plants, industries and automobiles. These particles,
known as secondary particles, make up most of
the fine particle pollution in the country.
Particulate Matter (Aerosol)
• TSP (Total suspended particulate): 包括不同粒徑的懸浮粒狀
物。部份TSP 因為顆粒太大而不能進入人類的呼吸系統的顆
粒組成;因此,TSP 不是一個好的與健康有關的指標。
• PM10: PM10 代表了可進入肺部深處(如細支氣管bronchioles
, 肺胞alveoli的粒狀物
• PM2.5: 可以穿透進入肺的氣體交換區
• Ultrafine particle: 可以透過血管進入身體其他器官
Aerosol properties
• Chemical composition
– chemical reactions
– refractive index (i.e., optics)
• Shape
– light scattering
– efficiency for condensational growth
• Concentration
– efficiency of transformations (e.g., coagulation goes as the
number concentration2)
dN/dt = -kN2
• Size
– lifetime
– optical properties
– mobility
Sizes and sources of particles
Aitken mode
• smallest particles (d < 0.1
m)
• formed by gas to particle
conversion (homogeneous
nucleation) or condensation
Accumulation mode
• 0.1 < d < 2.5 m
• Direct emissions (e.g.,
biomass burning),
condensation on existing
particles, or growth from
Aitken mode by coagulation
Coarse mode
• d > 2.5 m
• mechanically generated
(e.g., dust blown up by
winds)
TYPICAL AEROSOL SIZE DISTRIBUTION
ultrafine
fine
accumulation PM
2.5
coarse
PM10
Optical Properties & Visibility
Change in intensity of light reflecting off an object
where:
I0
I
bext
X
I / I0 = exp(-bext X)
= incident intensity of light
= intensity of light at X
= extinction coefficient (m-1)
= distance (m)
Extinction Coefficient, bext
Sum of scattering and absorption coefficients:
bext = bscat + babs
Decomposed further from gases and particles:
babs = bag + bap
bscat = bsg + bsp
Where:
bag = absorption coefficient due to gases (Beer's law)
bap = absorption coefficient due to particles
bsg = scattering coefficient due to gases (Rayleigh scattering)
bsp = scattering coefficient due to particles (Mie scattering)
Visual Range
 Visual Range
• How far one can see in a given direction
• Distance at which the object is barely discernible
For a dark object viewed against the horizon during daylight, the visual
range Lv can be obtained as a simple inverse function of extinction
coefficient (assuming the threshold of brightness contrast is ε = 0.02):
Lv 
 ln( 0 . 02 )
b ext

3 . 91
b ext

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