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人类影响与全球变化：空气污染与全球变暖

大气圈 (Atmosphere)​

  • 大气层分层 (Atmosphere Layers)：
    • 对流层 (Troposphere)：我们最关心的层，高度约 12 公里。
    • 平流层 (Stratosphere)
    • 中间层 (Mesosphere)
    • 热层 (Thermosphere)
  • 大气成分 (Atmosphere components)：主要由氮气和氧气组成，含有少量其他气体。

空气污染 (Air Pollution)​

  • 定义 (Pollution)：任何对人类健康、福祉或自然生态系统产生有害影响的物质进入环境。
  • 空气污染物 (Air pollutants)：
    • 气体 (Gases)：一氧化碳 (CO)、二氧化硫 (SO₂)、氮氧化物 (NOₓ = NO + NO₂)、臭氧 (O₃)、挥发性有机化合物 (VOCs) 等。
    • 颗粒物 (Particulate Matter, PM)：总悬浮颗粒物 (TSP)、PM₁₀、PM₂.₅。
    • 微量金属 (Trace metals)：铅 (Pb)、镉 (Cd)、六价铬 (Cr (VI))、砷 (As) 等。
  • 污染物来源 (Pollutant sources)：
    • 人为排放 (Anthropogenic emissions)：主要与化石燃料燃烧有关（CO₂、SO₂、不完全燃烧产物如 CO 和多环芳烃、PM、NOₓ）。
    • 自然排放 (Natural emissions)。
  • 一次污染物 (Primary pollutants)：直接从污染源排放的污染物（如 NO, NO₂, CO, SO₂, VOCs, 一次 PM）。
  • 二次污染物 (Secondary pollutants)：由一次污染物在大气中经过物理化学过程转化形成的污染物（如 O₃, H₂SO₄, HNO₃, 氧化 VOCs, 二次 PM）。
  • 空气污染问题 (Air pollution problems)：区域性空气污染（如雾霾）。
  • 颗粒物 (PM)：
    • 健康影响 (Health Effects)：对人体健康有显著影响。
    • 气候效应 (Climate Effect)：
      • 直接效应 (Direct Effects)：散射和吸收太阳辐射。
      • 间接效应 (Indirect Effects)：云反照率效应 (cloud-albedo effect)，影响云的形成和性质。
  • 臭氧 (O₃)：
    • 平流层臭氧 (Stratospheric Ozone)：好臭氧，形成臭氧层，吸收紫外线 (UV shield)。
      • 紫外线分类：UVC（大部分被 O₃ 吸收）、UVB（部分吸收，导致晒伤、皮肤癌）、UVA（可被云阻挡）。
    • 对流层臭氧 (Tropospheric Ozone)：坏臭氧，是光化学烟雾的主要成分，也是温室气体 (smog, greenhouse gas)。由 VOCs 和 NOₓ 在光照下反应生成。
  • 空气质量指数 (Air Quality Index, AQI)：衡量空气质量的指标。
  • WHO 全球空气质量指南 (WHO Global Air Quality Guidelines, AQGs) 2021：适用于全球室内外环境。

空气污染测量与模拟 (Air Measurements and Modeling)​

  • 测量方法 (Measurements)：
    • 地基监测 (Ground based measurements)：固定站点观测。
    • 室内和个体暴露监测 (Indoor and personal measurements)。
    • 移动立体监测 (Mobile measurements)：走航车、无人机等。
    • 遥感测量 (Remote sensing)：卫星、飞机等。
  • 大气化学模式 (Atmospheric Chemistry Modeling)：利用数值方法描述大气污染物的物理化学过程，模拟计算大气化学组分的时空分布（如 GEOS Chem, WRF-GC, CMAQ）。

室内空气污染 (Indoor Air Pollution)​

  • 重要性 (Importance)：大部分时间在室内度过，室内空气污染对人体暴露影响显著。
  • 来源 (Sources)：室内燃烧（吸烟、生物质、天然气、煤炭等）、清洁、烹饪、人员活动、通风、表面、家具、建筑材料、电器等。

全球变暖 (Global Warming)​

  • 大气 CO₂ 浓度 (Atmospheric CO₂)：目前约 417 ppm，比工业化前增加 49%，主要由于人为排放增加。
  • 温室气体 (Greenhouse Gas)：吸收和再发射地球表面放出的长波辐射，导致地球表面温度升高。CO₂ 是主要的温室气体。

海洋变暖 (Ocean Warming)​

  • 观测 (Observations)：
    • 海洋变暖主要集中在表层。
    • 气候系统净能量增加的 60% 以上储存在海洋上层 (0-700 米)，约 30% 储存在 700 米以下。
    • 海洋水体分层加剧，阻碍热量从上层向下层输送。
    • 人为强迫对海洋热含量增加有实质性贡献。
  • 影响 (Impacts)：
    • 改变洋流 (Changes in ocean currents)。
    • 为风暴提供更多能量 (More energy for storms)。
    • 生态系统变化 (Ecosystem changes)。
    • 溶解氧减少 (Reduced oxygen)。
    • 物种迁移 (Species migration)。
    • 珊瑚白化 (Coral bleaching)。
    • 海平面上升 (Sea level rise)。

海洋酸化 (Ocean Acidification)​

  • 原因 (Cause)：海洋吸收大气中过量的 CO₂，导致海水 pH 值下降。
  • 影响 (Impacts)：
    • 威胁珊瑚礁系统 (threatens coral reef systems)。
    • 限制珊瑚构建碳酸钙骨骼所需的碳酸盐量 (limits the amount of carbonate available for corals to build calcium carbonate skeletons)。

海平面上升 (Sea Level Rise)​

  • 原因 (Multiple causes)：
    • 冰川和冰盖融化 (Ice Melt)：由于大气和海洋变暖，冰川和冰盖融化，淡水注入海洋。
    • 热膨胀 (Thermal Expansion)：海水吸收热量膨胀。
    • 陆地水储存变化 (Land Water Storage)：陆地水量的净变化（如地下水抽取、水坝蓄水）。
  • 非均匀性 (Non-Uniform Sea Level Rise)：海平面上升在全球并非均匀一致，受洋流和地球引力场及质量分布不均影响。
  • 北极海冰减少 (Decline in Arctic Ice Cover)：全球变暖导致北极海冰面积和厚度减少。
  • 影响 (Impacts)：
    • 沿海基础设施暴露风险 (Properties and infrastructure exposed)。
    • 影响电力供应、淡水供应、污水处理设施。
    • 土壤盐碱化 (Salination of soils)。
    • 咸水入侵河口和淡水栖息地 (Saltwater intrusion)。
    • 沿海淹没 (Coastal Inundation)：正常干燥陆地被水覆盖，包括长期海平面上升和短期高潮、风暴潮洪水。
    • 海岸侵蚀 (Coastal Erosion)。
    • 波浪气候变化 (Changes in wave climate)：风场变化导致波高增加、波向改变，影响全球约 50% 的海岸线。

气候变化对健康的影响 (Climate Change Impacts on Health)​

  • 暴露途径 (Exposure Pathways)：
    • 直接影响 (Direct Impacts)：高温、洪水和风暴。
    • 间接影响/生态系统介导的影响 (Indirect impacts/ecosystem-mediated impacts)：
      • 病媒传播和其他传染病 (Vector-Borne and Other Infectious Diseases)：疟疾、登革热、蜱传疾病等。
      • 食源性和水源性感染 (Food- and Water-Borne Infections)：弧菌、寄生虫、细菌、病毒等。
      • 空气质量 (Air Quality)：臭氧、颗粒物、气传过敏原（如花粉）。
  • 结论 (Summary)：气候变化与人类健康和疾病密切相关，影响已观测到并将持续，影响普遍存在但脆弱人群和地区受影响更大，多数影响是有害的。