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固相萃取裝置地球系統內的物質交換以及生物化學過程

時間:2020-04-18     瀏覽:28

生物地 球化 學循環 后,才 能正確 、深刻 地認識 氣候 的形 成與變 化。固相萃取裝置 森林 砍伐 與 化石燃 料燃 燒使大 氣 CO2 濃 度 增 加;過 度 放 牧 及 開 墾 荒 地 破 壞 了 植 被,從 而 改變了 地表 的 物 理 狀 況 。 工 業 生 產 和 生 活 所 使 用 的 礦 物 燃 料 大 量 釋 放 著 CO2,農業 生產 又大量 產生 了 CH4。 同 時,由 于 工 農 業 生產 和 人 類 的 生活 需 要 而大量 毀林 ,致使吸 收 CO2 的 過程 減弱 。人 類 活 動 的 雙重 作 用 結 果 使得 溫 室 氣體迅 速增 加。 冰 雪覆 蓋改變 了 下 墊 面 的 反 照 率,并 阻 斷 地 氣 與 海 氣 之 間 的 熱 量 交 換。地 球表 層還通 過火 山噴 發 、森 林 火災 、沙 塵 暴、海洋 飛 沫 和 人 類活 動 向 大 氣輸 送 了大 量 化學 物 質和 氣 溶 膠顆 粒 物,從 而 影響 系 統內 的 輻 射平 衡、降水 、 元素循 環。 太 陽短 波輻射 加熱 和地 球長波 輻射 冷卻的 共同 作用 ,以 及海 、陸下 墊面 之 間熱力 性質 的差異 ,使地 球 大 氣 中 形 成 了 水 平 溫 度 梯 度 。緯 度 間 與 海 陸 間 的溫度 梯度 造成了 大



氣 環流 和風系 。海 洋則在 盛行 風、地球 自轉 的影 響、海 岸 和島嶼 的作 用、海水 密度 分 布 不均 等 的 影 響 下形 成 了 海 洋 環流 。大 氣 環 流 和 海洋環 流把 熱量從 常 年 處 于 輻 射 加 熱 的 地 區 輸 送 到 長 年 處 于 輻 射 冷 卻 的 地 區,使各 地區 的熱量 處于 長 期 的 動 態平 衡 狀 態。 通 過大 氣 、海 洋、陸地 、冰 雪 、 生物等 各部 分之間 的能 量輸 送和物 質交 換,整個 氣候 系統的 能量 、水分 和化 學 成分得 以維 持動態 平衡 。如 果一旦 偏離 了平衡 狀態 ,氣候便 將發 生變 化。 氣候系 統是 一個完 整、相 互關聯 、具有 自身調 節機 制的 開放 系 統。 除了 驅 動全球 氣候 系統的 基本 過程 之 外,其 內部 各 組 成 部 分之 間 還 存 在 著大 量 偶 合 或相互 補償 的反饋 過程 。當 地面溫 度升 高時,蒸 發加 速,大氣 中的 水汽 含量 增 大,導致 了溫 室效應 加強 。從 而 使 地 表進 一 步 增 暖,蒸 發 進 一 步 加大 ,形 成 一 種使系 統變 化振幅 加大 的 正 反饋 過 程 。而 當 大 氣中 水 汽 含 量 增多 時 ,云 量 往 往隨之 增多 ,削弱了 到達 地 表 的太 陽 直 接 輻 射強 度 。地 面 吸 收 的太 陽 輻 射 能 減少后 又進 而導致 地表 降溫 ,形 成一 種對 系統變 化起 阻尼作 用的 負反 饋 過程 。 事實上 ,任何 正反饋 作用 必將 由 于 另 一些 調 節 過 程 的介 入 而 穩 定 在某 一 水 平 上,否則 地球氣 候將 失去控 制。 例如 氣溫因 水汽 、CO2 以 及其 他 微量 溫 室氣 體 的增加 而升 高,但是 火山 活動 噴 發 出 的大 量 灰 塵 產 生的 陽 傘 效 應 卻能 有 效 地 162 第 7章 環 境 地 學 削弱到 達 地 表 的 太 陽 輻 射 強 度。 因 此 ,氣 候 自 然 變 化 總 是 趨 于 維 持 在 一 定 “平均 ”狀態 上的 振蕩。 除 了氣 候系統 之外 ,全球變 化的 另一 重要組 成部 分是生 物地 球化 學 循環 , 二者之 間存 在著緊 密的 聯系 。例如 ,C是 生 物 過程 中 的 關鍵 物 質 ,CO2 與 CH4 又在大 氣輻 射傳輸 過程 中 扮 演著 重 要 角 色。 當 氣候 變 化 時,


土 壤和 大 氣 之 間 通過植 被生 長進行 的物 質 交 換過 程 將 隨 之 變化 。同 時 ,物 質 轉 移量 與 生 物 量 也將發 生相 應的變 化。 又如 ,海 洋 浮游 生 物 的 固 碳過 程 以 及 由 生物 活 動 產 生 的 C在 海水表 面與 深層 間的遷 移,對 海 氣 間的 C交換 具有重 要的 調控 作用。 (2)大氣環境與邊界層中的空氣污染 大氣是包圍在地球最外面的圈 層,是由 氣體 和氣溶 膠顆 粒物組 成的 復雜 的 流體系統。作為生命三要素之一 的空 氣,具有 一切自 然資 源所共 有的 特性。 它 對于工農業生產是一種寶貴的可更新資源;大氣中 含量 豐富的 N2,O2 對 生物 的 發育、生長不 可或缺;O3 和 CO2 的 含量雖小,但 若沒有高 空臭氧 層的庇護,下 墊 面上的一切生物均將受到太 陽紫外 輻射 的嚴重 傷害。 此外,CO2 還與 植物 生 長 和氣候變化息息相關。大氣中水汽含量的時空變化很大,它對大氣運動、許多天 氣現象的發生、地球系統內的物質交換以及生物化學過程等均具有重要的意義。 大氣既是地球系統中動量、熱量和物質循環的關鍵部分,又對地 氣系 統的輻 射 平衡起著重要作用。此外,人類活動主要是在包括對流層的地球表層內進行的。 因此,作為人類 地球復合 系統中 子系 統之一 的大 氣圈 是人 類生 存環 境的 重 要 組成部分。 大氣是地球系統中最活躍、變化最大的部分。氣候系統中的天氣、氣候以及 大氣化學過程在大氣中并不是孤立 的,而在 不同 程度上 與其 他圈層 之間 存在 著 相互驅動、制約和反饋的作用。此外,在 生物地 球化 學循 環中,大氣 也起 著至 關 重要的作用。大氣化學成 分的 變化 既 反映 了 地球 系 統中 各 要素 的 協同 演 化 歷 史,記錄著人類活動對大氣的影響,也 決定著 人類 的生 存環境。 事實 上,當前 的 大氣組成,在很大程度上是地球上生命 發展 和進化 的產 物。大氣 中的 O2 含量、 O3 的產生與維持以及 CO2 濃度等,都與生命過程密切相關。自然原因和人為 原 因導致的大氣成分、性狀變 化(如大 氣溫 室氣 體含 量 的變 化),使 得進 入地 球 系 統的太陽輻射在總量和各光波段上的分量都發生了變化。它不僅調控著氣候過 程,而且還調控著生命的生物、化學過程。 ① 大氣演化對地球生命與環境的影響:地球在其形成初 期是沒有 大氣圈 層 (atmosphere)的。后來,火山活動使一些元素從 地球 內部 釋放出 來,并逐 漸形 成 了以 H2、CO、CO2、NO3、CH4 和水汽等為主要成分的原始大氣。在漫長的演化 過 程中 逐 漸 變 成 以 CO、CO2、H2O、CH4 為 主 的 次 生 大 氣,與 當 前 金 星、火 星 上的大氣成分類似。直到 現 代,生 物 過 程 發 揮 了 越 來 越 重 要 的 作 用 后,才 主 7.2 人類 地球環境復合系統 163 要由 N2和 O2 組成,從而完成了從原始大氣、次生大氣轉化為 現代大氣 的質變 過 程。 在各種能量(UV射線、β射線、γ射線、雷電、熱能等)的作用下,一些元素 及 小分子化合物(CH4、CO2、N2、NH3、H2O等)逐漸 合成 了氨 基酸、核 苷酸、蛋 白 質 等生命的基本要素。在距今約 38億年以前,單細胞有機體要求一個無氧的環 境 (即還原性大氣)。到距 今 20~30億 年 時,植物 生命 的 原始 形態 開始 通過 光 合 作用釋放出少量的 O2,漸漸使大氣環境由還原性向氧化性轉化。 當大氣中的 O2 和游離氧逐漸增加并導致高層大氣中臭氧層的形成后,透過 大氣到達地表的紫外輻射愈來愈少。紫外輻射強度不斷減弱又使得


在水環境中 生存的早期植物慢慢移向水面,從而增加了接受可見光輻射、進行光合作用的機 會。直到大約距今 4億年前生命出 現在 陸地上 后,生物 才開 始了由 水生 到陸 生 的飛躍。 地球大氣中適度的 O2 含量是生物機體生長發育所不可或缺的基本條件,一 定量的 CO2 是植物進行光合作用、制造 有機質的 主要物 質保證,而 光、熱、水、風 等氣候資源則為各種動植物的繁衍生息提供了必要的環境。無機界和有機界各 個組成間息息相關,大氣圈與巖石圈、水 圈、土壤 圈、生物 圈、智慧圈 等地 球各 圈 層之間在整個地球演化進程中相 互作 用、相互 制約。巖 石圈 活動所 產生 的氣 體 和粉塵為大氣輸送了多種物質;大氣降水造就了陸地上的河流、湖泊、海洋;大氣 與水對巖石的侵蝕和風化又形成了各種土壤和地貌……各圈層之間生生不息的 能量循環和物質循環維系著地球系統中復雜的物理、化學、生物過程并使之不斷 發展。不同地區的氣候差異孕育著 形形 色色的 生物 群落,并 形成了 千姿 百態 的 地理景觀。 在各種自然驅動力(包括太陽的光 熱、地 球與天 體運 動、大氣環 流以 及下 墊 面等四個因素)的共同作用下,天氣現象和氣 候也處 于不 斷的 演化和 變遷 之中。 在漫長的地質年代中,地球 上的 氣 候一 直 不停 地 呈 波浪 式 地向 前 發展,冷、暖、 干、濕交替出現。事實證明,漫長的大氣和生命演化進程伴隨著氣候的形成及變 化。 ② 大氣環境及空氣污染:大氣是人類賴以生存和發展的 基本物質 條件和 場 所。大氣環境是地球系統中以大氣 為中 心介質 的自 然環 境,通常指 大氣 圈中 與 人類關系密切的臭氧層及其以下 的部 分,尤其 是指邊 界層 內的大 氣狀 態。按 研 究的尺度不同,可分為局地大氣環境、區域大氣環境及全球大氣環境。由地面向 上 85km以內的大氣主要是由 N2、O2、Ar等保持穩定比例的氣體組成的。除此, 還包括少量的可變成分,如水汽、塵埃、CO2、O3 等。生態系統中的萬物生靈經 歷 了幾十億年的進化歷程后,已經適應了現存的大氣環境。因而,某些因強烈干擾 所引起的突變將可能給人類帶來難以逆轉的災難。 164 第 7章 環 境 地 學 近幾十年來,人類活動 排放 了愈 來 愈多 的 C、S、N2 及 鹵素 化合 物(如 CO2、 CH4、NOx、SO2、H2S、CFCs等),對 人 群健 康 乃 至全 球 氣候 變 化造 成 了嚴 重 的 影 響和潛在威脅。大氣圈與水圈、


土壤圈及生物圈之間存在著緊密的有機聯系,彼 此相互影響、相 互 作 用。大 氣、水 體、土 壤、生 物 之 間 存 在 著 元 素 及 水 分 循 環。 SOx 和 NOx 造成的大氣污染??赊D化為水體及土壤酸化,對動植物造成傷 害;全 球增溫導致降水重新分布,從而使水環境、土壤環境、生態系統發生相應的變化。 進而,這些變化又可反饋到大氣系統中,引起大氣環境的變化。 目前,人們對大氣環境質量的認識尚停留在大氣污染物濃度高低的水平上。 長期以來,人們對大氣 環境 的資 源屬 性也 認 識不 足,片面 認 為是 “取 之 不盡、用 之不竭”的,而未警覺到 一 旦有 毒、有害 物 質的 含量 超過 大氣 環 境容 量 的閾 值, 從局地到全球都將給人類帶來嚴重的危害。 按國際 標準 化 組 織 (ISO)所 給 的 定 義 :大 氣 污 染 通 常 是 指 由 于 人 類 活 動 和自然 過程 引起某 種物 質進 入大氣 ,呈現 出足夠 的濃 度,達到 了足 夠的 時間 并 因此危 害了 人體的 舒適 、健康和 福利 或 危害 了 環境 的 現 象。 “定 義 ”指明 造 成 大氣污 染的 原因既 有 人 類 活 動 (工 業 廢 氣 排 放 、燃 燒 、汽 車 尾 氣、生 活 排 放 和 核爆炸 等),又 有自 然 過 程 (包 括 火 山 爆 發、森 林 火 災 、動 物 排 泄 和 尸 體 腐 爛 、 沙塵暴 、海洋 排放、閃 電等 產生的 煙塵 、SOx、NOx 等 )。 還指明 了形 成大氣 污染 的必要 條件 ,即污染 物在 大氣中 要有 足夠 高的濃 度,并 在此濃 度下 對受 體作 用 足夠長 的時 間,并使 受體 及 環 境產 生 了 危 害。 隨 著人 類 活 動 的 規模 和 強 度 迅 速增加 ,大量 的廢氣 、煙塵 被排入 大氣 。估計 全球 每年 人為活 動排 放的 空氣 污 染物總 量達 6×108 t以上 ,嚴重影 響了 空氣 環境的 質量 ,


特別 是 在人 口 稠密 的 城市和 工業 區域。 20世紀 30年代以來 發生 的八 大 公害 事件 中,有 5件 屬大 氣污 染 事件。 其 嚴重性往往表現為:急性發作,短期 內即 可造成 千百 人死 亡;污染物 可被 迅速 輸 送、擴散;受污染的范圍可從局地山谷到區域、甚至全球尺度,從貼地氣層到平流 層;可引起人體的呼吸 道疾 病與 生 理機 能 障礙、破壞 生 態 系統、腐蝕 物 質材 料。 危害較大的大氣污染物通常有含硫化合 物、含氮 化合 物、碳氫化 合物、鹵 素化 合 物、氧化劑以及懸浮顆粒物等。 綠色卡片 空氣污染源的分類 人為排放是造成 空氣 污染、尤其 是 局地 空 氣污 染 的主 要 原 因。它 是人 們研究和控制的重點。 按源 的功能 可分成 工業 源、農業 源、交 通運輸 源和 生活 污染源 等。工 業 7.2 人類 地球環境復合系統 165 污染源包括燃料燃燒排放的污染物以及 工藝生 產過 程中 排放的 有毒 有害廢 氣(如化 工 廠、造 紙廠 排 放 的具 有 刺激 性 或惡 臭 的氣 體;煉焦 廠 排放 的 酚、 苯、烴類;化纖廠排放的 NO3、CS2 、甲醇、丙酮等 )以 及各種 粉塵。 當前,以汽 車尾氣為主的交通污染已日益成為城 市空 氣污染 的重 要污 染源。目 前全球 每年排出 CO近 2×108 t,Pb約 4×105 t。 此 外,汽 車 還

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