第1章 绪论
1.1 基本概念
1.1.1 空气污染
空气是由一定比例的氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气和固体杂质微粒组成的混合物。标准状态下干燥空气的成分（按体积计算）：氮气占78.08％，氧气占20.94％，稀有气体占0.93％，二氧化碳占0.03％，其他气体及杂质约占0.02％。
引起大气成分变化的因素有自然因素和人为因素。火山爆发时有大量的粉尘和二氧化碳等气体喷射到大气中，造成该地区烟雾弥漫，毒气熏人；雷电等自然原因引起的森林大面积火灾也会增加二氧化碳和烟粒的含量等。一般来说，这些自然因素是局部的，短时间的。人为因素（工业废气、生活燃煤、汽车尾气、核爆炸等）被认为是导致大气成分变化的主要因素，尤其是工业生产和交通运输。
空气污染过程由污染源排放、大气传播、人与物受害这三个环节所构成。影响空气污染范围和强度的因素有污染物的性质（物理的和化学的），污染源的性质（源强、源高、源内温度、排气速率等），气象条件（风向、风速、温度层结等）和地表性质（地形起伏、粗糙度、地面覆盖物等）。随着现代工业和交通运输的发展，向大气中持续排放的物质数量越来越多，种类越来越复杂，引起大气成分发生急剧的变化。当大气正常成分之外的物质达到对人类健康、动植物生长以及气象气候产生危害的时候，就说明大气受到了污染。
按照国际标准化组织（ISO）的定义，空气污染（又称为大气污染）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，并因此危害了人类的舒适、健康和福利或环境的现象。换言之，只要是某一种物质其存在的量、性质及时间足够对人类或其他生物、财物产生影响，我们就可以称其为空气污染物；而其存在造成之现象，就是空气污染。
1.1.2 空气污染源
如前文所述，导致空气污染的源有自然源和人为源。火山爆发、雷电等自然源往往局部的、短时间的，而且是难以人为控制的。人为源被认为是导致空气污染的主要因素，也是空气污染治理的重点。
人为空气污染源主要有以下几个方面。
（1）工业
工业生产是空气污染的一个重要来源。工业生产排放到大气中的污染物种类繁多，有烟尘、硫氧化物、氮氧化物、有机化合物、卤化物、碳化合物等。
（2）生活炉灶与采暖锅炉
大量民用生活炉灶和采暖锅炉需要消耗大量煤炭，煤炭在燃烧过程中会释放大量的灰尘、二氧化硫、一氧化碳等有害物质污染大气。特别是在冬季采暖季，生活炉灶与采暖锅炉是最主要的空气污染源。
（3）交通运输
汽车、火车、飞机、轮船是当代的主要运输工具，它们以煤或石油为燃料，产生的废气也是重要的污染物。特别是城市中的机动车，量大而集中，是大城市空气的主要污染源之一。机动车排放的尾气主要有一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和碳氢化合物等。
1.1.3 空气污染评价指标
到目前为止，已知的空气污染物约有100多种。基于对人体健康的关注，世界卫生组织（WHO）1987年首次提出了针对欧洲的《空气质量准则》，随后经过修订，于2005年发布了全球适用的《世界卫生组织空气质量准则》。根据目前可以获得的有关这些污染物影响健康的新证据以及他们在WHO各个区域目前和今后空气污染对健康的影响方面的相对重要性，《世界卫生组织空气质量准则》对空气污染评价的主要污染物包括颗粒物（PM）、臭氧（O3）、二氧化氮（NO2）和二氧化硫（SO2）四项主要指标。本书中对世界城市空气质量现状及发展演变的调研也围绕这四项指标展开。
颗粒物（PM）：颗粒物是悬浮在空气中，以凝聚相（液体或固体）形式存在的离散粒子。颗粒物的粒径分布跨越5个数量级，其范围从0.001μm（微米）到100μm，即从1nm到0.1mm。世界卫生组织的研究结果表明：颗粒物健康危害效应主要是由于可吸入颗粒物（PM10）引起。因此，许多流行病学研究采用PM10作为人群暴露的指示性颗粒物。PM10代表了可进入人体呼吸道的颗粒物，包括两种粒径，即粗颗粒物（粒径在2.5～10μm）和细颗粒物（粒径小于2.5μm，PM2.5）。前者主要产生于机械过程，如建筑活动，道路扬尘和风；后者主要来源于燃料燃烧。
世界卫生组织的研究结果表明：颗粒物对健康的影响是多方面的，但主要影响呼吸系统和心血管系统。
臭氧（O3）：臭氧是氧的同素异形体，在常温下，是一种有特殊臭味的蓝色气体，微溶于水，易溶于四氯化碳或碳氟化合物。与高层大气臭氧层不同的是，地面的臭氧是光化学烟雾的一个主要组成部分，是由诸如车辆和工业释放出的氮氧化物（NOx）等污染物以及由机动车、溶剂和工业释放的挥发性有机化合物（VOCs）与阳光反应而形成。
世界卫生组织的研究报告表明：高浓度的臭氧暴露可导致呼吸系统问题引发哮喘、降低肺功能引起肺部疾病。
二氧化氮（NO2）：二氧化氮是一种棕红色、高度活性的气态物质，密度1.491kg/m3，溶点-9.3℃，能溶于水，是一种强氧化剂。二氧化氮在臭氧的形成过程中起着重要作用。人为释放二氧化氮的主要来源是燃烧过程（供热、发电以及机动车和船舶的发动机），大气核试验也是二氧化氮的一个来源。
二氧化氮的危害主要是损害呼吸系统。世界卫生组织的研究报告表明：动物和人体短期暴露在NO2浓度超过200ug/m3时，会产生急性健康效应（哮喘患者支气管反应性增加）；长期暴露高于室外浓度的NO2时也会引起健康危害（支气管相关症状及影响肺功能）。
二氧化硫（SO2）：二氧化硫是一种无色气体，带有刺鼻的气味。它源自矿物燃料（煤和石油）的燃烧以及对含硫黄矿物的冶炼。人为释放二氧化硫的主要来源为家庭取暖、发电和机动车燃烧含有硫黄的矿物燃料。
二氧化硫易溶于人体的体液和其他黏液中，长期作用会导致多种疾病，如上呼吸道感染、慢性支气管炎、肺气肿等，危害人体健康。世界卫生组织的研究报告表明：SO2短期暴露会诱发一定程度的肺功能和呼吸道症状的改变。长期暴露（大于24小时）会导致死亡率、发病率升高以及肺功能改变。
1.1.4 空气污染的危害
空气污染的危害主要有以下几个方面。
（1）危害人体健康
人需要呼吸空气以维持生命。一个成年人每天呼吸大约2万次，吸入空气达15～20m3。因此，被污染了的空气对人体健康有直接的影响。空气污染物对人体的危害是多方面的，主要表现是造成呼吸道疾病与生理机能障碍，以及使眼鼻等黏膜组织受到刺激而患病。
空气中污染物的浓度很高时，会造成急性污染中毒，或使病状恶化，甚至在几天内夺去几千人的生命。即使大气中污染物浓度不高，但人体成年累月呼吸污染了的空气，也会引起慢性支气管炎、支气管哮喘、肺气肿及肺癌等疾病。
（2）危害植物生长
空气中的污染物，尤其是二氧化硫、氟化物等污染物浓度很高时，会对植物产生急性危害，使植物叶表面产生伤斑，或者直接使叶枯萎脱落；当污染物浓度不高时，会对植物产生慢性危害，使植物叶片褪绿，或者表面上看不见什么危害症状，但植物的生理机能已受到了影响，造成植物产量下降，品质变坏。
（3）影响天气和气候
空气污染物对天气和气候的影响也是十分显著。
①减少到达地面的太阳辐射量：工厂、发电站、汽车、家庭取暖设备向大气中排放的大量烟尘微粒，使空气变得非常浑浊，从而遮挡了阳光，使得到达地面的太阳辐射量减少。据观测统计，在大工业城市烟雾不散的日子里，太阳光直接照射到地面的量比没有烟雾的日子减少近40％。
②增加大气降水量：从大工业城市排出来的微粒，其中有很多具有水气凝结核的作用。因此，当大气中有其他一些降水条件与之配合的时候，就会出现降水天气。在大工业城市的下风地区，降水量更多。
③形成酸雨：大气中的污染物二氧化硫经过氧化形成三氧化硫，随自然界的降水下落形成硫酸雨。硫酸雨能使大片森林和农作物毁坏，能使纸品、纺织品、皮革制品等腐蚀破碎，能使金属的防锈涂料变质而降低保护作用，还会腐蚀、污染建筑物。
④增高大气温度：在大工业城市，由于有大量废热排放到空中，因此，近地面空气的温度比四周郊区要高一些，这种现象在气象学中称作“热岛效应”。
⑤对全球气候的影响：研究表明，在有可能引起气候变化的各种大气污染物质中，二氧化碳具有重大的作用。从地球上无数烟囱和其他种种废气管道排放到大气中的大量二氧化碳，约有50％留在大气里。二氧化碳能吸收来自地面的长波辐射，使近地面层空气温度增高，这种现象被称为“温室效应”。经粗略估算，如果大气中二氧化碳含量增加25％，近地面气温可以增加0.5～2℃；如果增加100％，近地面温度可以增高1.5～6℃。有专家研究表明，如果大气中的二氧化碳含量照现在的速度增加下去，会使南北极的冰融化，导致全球的气候异常。