酸雨 酸雨正式的名称是为酸性沉降,它可分为“湿沉降”与“干沉降”两大类,前者指的是所有气状污染物或粒状污染物,随着雨、雪、雾或雹等降水型态而落到地面者,后者则是指在不下雨的日子,从空中降下来的落尘所带的酸性物质而言。

一、定义

      酸雨正式的名称是为酸性沉降,它可分为“湿沉降”与“干沉降”两大类,前者指的是所有气状污染物或粒状污染物,随着雨、雪、雾或雹等降水型态而落到地面者,后者则是指在不下雨的日子,从空中降下来的落尘所带的酸性物质而言。

 

二、形成的原因

      酸雨的成因是一种复杂的大气化学和大气物理的现象。酸雨中含有多种无机酸和有机酸,绝大部分是硫酸和硝酸。

      1、天然排放源

      海洋雾沫,它们会夹带一些硫酸到空中;土壤中某些机体,如动物死尸和植物败叶在细菌作用下可分解某些硫化物,继而转化为SO2;火山爆发,也将喷出可观量的SO2气体;雷电和干热引起的森林火灾也是一种天然SOx 排放源,因为树木也含有微量硫。

      闪电,高空雨云闪电,有很强的能量,能使空气中的氮气和氧气部分化合,生成NO,继而在对流层中被氧化为NO2,NOx即为NO和NO2之和;土壤硝酸盐分解,即使是未施过肥的土壤也含有微量的硝酸盐,在土壤细菌的帮助下可分解出NO,NO2和N2O等气体。

 

      2、人工排放源

      煤、石油和天然气等化石燃料燃烧,无论是煤,或石油,或天然气都是在地下埋藏了多少亿年的,由古代的动植物化石转化而来,故称做化石燃料。科学家粗略估计,1990年我国化石燃料约消耗近700百万吨;仅占世界消耗总量的12%,人均相比并不惊人,但是我国近几十年来,化石燃料消耗的增加速度,实在太快,1950年至1990年的四十年间增加了30倍。不能不引起足够重视。

      工业过程,如金属冶炼:某些有色金属的矿石是硫化物、铜、铅、锌便是如此,将铜、铅、锌硫化物矿石还原为金属过程中将逸出大量SO2气体,部分回收为硫酸,部分进入大气。再如化工生产,特别是硫酸生产和硝酸生产可分别跑冒滴漏可观量SO2和NO2,由于NO2带有淡棕的黄色,因此,工厂尾气所排出的带有NO2 的废气象一条“黄龙”,在空中飘荡,控制和消除“黄龙”被称做“灭黄龙工程”。再如石油炼制等,也能产生一定量的SO2和NO2。它们集中在某些工业城市中,也比较容易得到控制。

      交通运输,如汽车尾气。在发动机内,活塞频繁打出火花,象天空中闪电,N2变成NOx。不同的车型,尾气中NOx 的浓度有多有少,机械性能较差的或使用寿命已较长的发动机尾气中的NOx 浓度要高。汽车停在十字路口,不息火等待通过时,要比正常行车尾气中的NOx浓度要高。近年来,我国各种汽车数量猛增,它的尾气对酸雨的贡献正在逐年上升,不能掉以轻心。

      工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫,燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物,经过“云内成雨过程”,即水汽凝结在硫酸根、硝酸根等凝结核上,发生液相氧化反应,形成硫酸雨滴和硝酸雨滴;又经过“云下冲刷过程”,即含酸雨滴在下降过程中不断合并吸附、冲刷其他含酸雨滴和含酸气体,形成较大雨滴,最后降落在地面上,形成了酸雨。由于我国多燃煤,所以的酸雨是硫酸型酸雨。而多燃石油的国家下硝酸雨。

 

三、一般的酸雨区

      某地收集到酸雨样品,还不能算是酸雨区, 因为一年可有数十场雨,某场雨可能是酸雨,某场雨可能不是酸雨, 所以要看年均值。目前我国定义酸雨区的科学标准尚在讨论之中, 但一般认为: 年均降水pH高于5.65, 酸雨率是0-20%,为非酸雨区;pH在5.30--5.60之间, 酸雨率是10--40% , 为轻酸雨区;pH在5.00--5.30之间,酸雨率是30-60%,为中度酸雨区;pH在4.70--5.00之间,酸雨率是50-80%,为较重酸雨区;pH小于4.70, 酸雨率是70-100%,为重酸雨区。这就是所谓的五级标准。其实,北京、西宁、兰州和乌鲁木齐等市也收集到几场酸雨,但年均pH和酸雨率都在非酸雨区标准内,故为非酸雨区。

 

      我国三大酸雨区:

      我国酸雨主要是硫酸型,我国三大酸雨区分别为:

      1、西南酸雨区:是仅次于华中酸雨区的降水污染严重区域。

      2、华中酸雨区:目前它已成为全国酸雨污染范围最大,中心强度最高的酸雨污染区。

      3、华东沿海酸雨区:它的污染强度低于华中、西南酸雨区。

 

四、酸雨的发现

      近代工业革命,从蒸气机开始,锅炉烧煤,产生蒸汽,推动机器;而后火力电厂星罗齐布,燃煤数量日益猛增。遗憾的是,煤含杂质硫,约百分之一,在燃烧中将排放酸性气体SO2;燃烧产生的高温尚能促使助燃的空气发生部分化学变化,氧气与氮气化合,也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷、溶解,雨成为了酸雨;这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子。1872年英国科学家史密斯分析了伦敦市雨水成份,发现它呈酸性,且农村雨水中含碳酸铵,酸性不大;郊区雨水含硫酸铵,略呈酸性,于是史密斯首先在他的著作《空气和降雨:化学气候学的开端》中提出“酸雨”这一专有名词。

      简单地说,酸雨就是酸性的雨。什么是酸? 纯水是中性的,没有味道;柠檬水,橙汁有酸味,醋的酸味较大,它们都是弱酸;小苏打水有略涩的碱性,而苛性钠水就涩涩的,碱味较大,它们是碱。科学家发现酸味大小与水溶液中氢离子浓度有关;而碱味与水溶液中羟基离子浓度有关;然后建立了一个指标:氢离子浓度对数的负值,叫pH值。于是,纯水的pH值为7;酸性越大,pH值越低;碱性越大,pH值越高。未被污染的雨雪是中性的,pH值近于7;当它为大气中二氧化碳饱和时,略呈酸性,pH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5.65的雨叫酸雨;在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH值小于5.65时叫酸雾。

      酸雨使湖泊、河流酸化,水生生物减少或死亡,一些鱼或两栖动物的孵化受到影响,死亡率上升并出现畸形;使树叶变暗、变黄以至脱落,树叶中叶绿素含量降低,光合作用减弱;抑制土壤微生物的生长,影响土壤中有机物的分解,使土壤贫瘠化,影响植物生长发育,出材率降低。

      重庆市在90年代初酸雨出现的频率高达80%,在其南山风景区,马尾松成片死亡。该市街道两旁行道树从60年代至90年代已换过3次树种,仍无法抗御污染和酸雨的危害,许多瓜果蔬菜因酸雨造成土壤肥力退化长势差,常出现死苗、枯叶、落花落果现象,给农业生产带来严重影响。1985~1990年因酸雨酸雾损失达5.4亿元,占同期全市国民总产值3.19%。而其造成的物种退化、对人体和物种生存造成潜在的影响更是无法估计。该市现设计的《控制重庆酸雨系统工程》已开始实施。

 

五、酸雨对水域生物的危害

      江河、湖泊等水域环境,受到酸雨的污染,影响最大的是水生动物,特别是鱼类。其主要危害主要表现在以下方面:

      首先,水域酸化可引起鱼类血液与组织失去营养盐分,导致鱼类烂腮、变形,甚至死亡。首先,水体的酸化抑制细菌的繁殖,使细菌总数减少,降低了对有机物的分解速度,从而使真菌数则迅速增加。这些变化加速了水体的富营养化,导致水体生产力的丧失。在酸化的水体中,浮游动物的种类和数量会减少,多样性降低,生物量下降。这些变化最终将影响鱼类的种群和数量。因为鱼类处于食物链的末端,鱼类食物的短缺,必然造成鱼类种群和数量的减少。

      其次,鱼类本身对酸度的变化特别敏感。一方面,由于水体pH值的突然改变,使鱼类不能很快适应,而造成大批鱼类死亡;另一方面,长期的酸雨使水体的pH值逐渐下降,鱼类虽有一定的适应能力,不至于突然死亡,但经受不住持续的酸性压力,导致功能失常、组织病变、繁殖能力下降,从而鱼群的数量逐渐减少,最后消失。

      据有关报道,如在瑞典的9万多个湖泊中,已有2万多个遭到酸雨危害,4千多个成为无鱼湖。挪威有260多个湖泊鱼虾绝迹。北美的加拿大和美国,已有几万个大小湖泊遭到酸雨的破坏,其中加拿大就有4500多个湖泊无鱼类生存,成为“死湖”。国内报道重庆南山等地水体酸化,PH值小于4.7,鱼类不能生存,农户多次养鱼,均无收获。

      最后,水域酸化还导致水生植物死亡消失,破坏各类生物间的营养结构,造成严重的水域生态系统紊乱。

      水体的酸化影响水生生物的种类。在pH值高于6.0的湖泊中,浮游植物种群正常,随着pH值的降低,种群会发生变化。例如,在pH值大于6. 0时,湖泊中以硅藻为主;而pH值小于6 .0时,则被绿藻所取代;当pH值等于4. 0时,转板藻成为优势种。

 

六、酸雨对陆生生物的破坏

      土壤通常比湖泊、河流以及小溪更能忍受酸化,土壤忍受酸性降水的能力取决于土壤的类型、土壤下面的基岩种类和人们使用土地时投入的肥料等。最不耐酸的是基岩缺乏氧化钙的土地,这种土地上面的土壤层较薄,含保护性物质少。土壤酸化后容易使其中的营养物如钾、镁、钙和其他微量营养物从土壤中迅速溶出来,使土壤的肥力降低。土壤中铝的浓度升高后,会降低植物对磷的利用,影响植物生长。土壤PH值的减小还能影响有毒金属的流动性和植物对它们的吸收性。一般来说,土壤的PH越小,则植物越容易吸收土壤中的有毒金属。植物在土壤中的必要的生长过程也可能受到土壤酸化的影响,包括对固定氮的影响。研究结果认为,酸性降水对谷物的直接效应较小,既可能是正效应也可能是负效应。而酸性降水能直接损伤树木枝叶梢头,也可改变土壤性质从而间接影响树木生长。树木对酸性降水的敏感性随树木种类和土壤的缓冲能力而异。针叶树最容易受到酸性降水的危害,在加拿大、捷克、德国等各国都有相关报道。

 

七、酸雨其他的危害

      酸性降水还可以毁坏建筑、桥梁、堤坝、工业设施、供水管网、地下储水系统、发电站、电讯电缆等设施和材料。酸性降水还能损坏古代文物、历史建筑、雕塑、装饰品和各种重要设施。实验证明,城市和工业区大气中的金属腐蚀速度相当于农村中的2--10倍。碳素钢、锌和镀锌铁、铜、镍和镀镍钠、砂石和石灰石等都随空气中SO2的浓度升高而加快其腐蚀速度。另一方面,有些金属如铝、不锈钢则只会受到酸性降水的轻微腐蚀。许多研究证明,大气中硫化物对经济的破坏是相当严重的。

 

八、形成酸雨的主要空气污染物

      大气是人类生存的重要环境,大气污染最直接地影响人们的生活和工作。进入大气的主要污染物有一氧化碳、烃类、氮氧化物、二氧化硫、悬浮颗粒等,其中二氧化硫和氮氧化物是酸雨的主要来源。 酸雨是指PH值小于5.6的酸性降雨,比较纯净的雨水因溶有二氧化碳(CO2)而其PH值 约为5.6。大多数酸雨中的酸性物质最主要的是硫酸(可占65%-70%),其次是硝酸(可占25%-30%)。

      人们曾经认为,空气中的SO2主要来自铜、铅、锌等有色金属冶炼厂和硫酸厂。事实上空气中二氧化硫(SO2)最主要的来源是燃烧含硫的燃料。据估测,大气中的SO2有70%来源于工业燃煤,12%来源于工业燃油,其余则来源于生活燃煤等。进入大气中的SO2气体在氮氧化物或悬浮颗粒中的某些过渡金属元素的化合的催化下,部分被空气中的氧气等氧化为三氧化硫(SO3),降水时形成硫酸(H2SO4)而降下酸雨。燃料的高温燃烧是大气中氮氧化物的主要来源。主要来自汽车尾气和供热供电用燃料燃烧的产物。在1200℃或更高温度(内燃机内部能达到的温度可超过2000℃),空气中的N2(氮气)和O2(氧气)可生成可检出量的NO(一氧化氮),后者慢慢与氧气反应而生成NO2(二氧化氮),降水时形成硝酸(HNO3)而进入水中形成酸雨。自然界对酸性有一定抵御能力,如土壤中的碳酸钙,大气中的氧化钙、碳酸钙微粒(风沙天气时更多),大气中天然和人为来源的氨等,碱性物质可与酸雨起中和作用,但超过其抵御能力,就会出现种种灾害。酸雨酸化水体可导致水生生物减少甚至绝迹,另一方面,底泥中沉积的某些重金属元素化合物会溶出,进入鱼、贝体中的有毒重金属元素通过食物链而危害人体健康;酸化土壤则使其中钙、镁等元素溶出流失,使土壤的肥力下降,酸雨对某些建筑材料的腐蚀性比海水还强,大理石、汉白玉、砂岩、板岩都能被腐蚀,因此而损失一些建筑物和文物。如古埃及方尖碑在埃及的亚历山大三千多年能保存完好,但移至伦敦只有八十年就面目全非。酸雨还加速金属材料的腐蚀,对暴露的油漆、涂料及橡胶等产生破坏作用,导致使用寿命缩短。
      我国对酸雨研究较晚,1972年开始了对酸雨的监测,1982年进行了酸雨普查,其中重庆、贵阳雨水的PH小于5。现在以重庆、贵阳为中心的酸雨区已在西南地区逐步扩大,并扩展到长江下游。长江以北在青岛已发现过酸雨。
      酸雨的危害如此严重,所以必须采取一定的措施进行防治:一是减少污染,如为减少SO2的排放,可采用低硫的煤、石油、天燃气等燃料,以及加工制成低硫或脱硫的燃料;或开发新能源,如太阳能等。二是进行回收处理,综合利用,如硫酸厂的尾气可采用氨吸收法、石灰乳吸收法等进行回收。硝酸厂尾气可采用碳酸钠溶液吸收法、氢氧化钠溶液吸收法等。

 

九、酸雨的危害

      1、城市大气污染严重程度的季节变化和昼夜变化规律,大体可分为煤炭型和石油型两类。煤炭型是燃煤引起,因此污染强度以对流最强的夏季和白天为最轻,而以逆温最强、对流最弱的冬季和夜间为最重。伦敦烟雾事件就属于这种类型。石油型是石油和石油化学产品和汽车尾气所产生,由于氮氧化物和碳氢化物等生成光化学烟雾时需要较高气温和强烈阳光,因此污染强度变化规律和煤炭型刚刚相反,即以夏季午后发生频率最高,冬季和夜间少或不发生。洛杉肌光化学烟雾就属于这个类型。

      2、此外,城市云量增多的结果,使城区日照时数和太阳辐射量均有减少。城市中烟尘粒子增多的结果,使大气透明度变差,所以有人称城市为“烟霾岛”或“混浊岛”。烟尘大量削弱太阳光中的紫外线部分(在太阳高度较低时甚至可减少30%一50%),这对城市居民的身体健康也是不利的。

      3、酸雨可导致土壤酸化。我国南方土壤本来多呈酸性,再经酸雨冲刷,加速了酸化过程;我国北方土壤呈碱性,对酸雨有较强缓冲能力,一时半时酸化不了。土壤中含有大量铝的氢氧化物,土壤酸化后,可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子,形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝,会中毒,甚至死亡。酸雨尚能加速土壤矿物质营养元素的流失;改变土壤结构,导致土壤贫脊化,影响植物正常发育;酸雨还能诱发植物病虫害,使作物减产。

      4、 酸雨能使非金属建筑材料(混凝土、砂浆和灰砂砖)表面硬化水泥溶解,出现空洞和裂缝,导致强度降低,从而建筑物损坏。建筑材料变脏,变黑,影响城市市容质量和城市景观,被人们称之为“黑壳”效应。

 

十、预防酸雨的措施

      酸性雨水的影响在欧洲和美国东北部最明显,而且被大力宣传,但受威胁的地区还包括加拿大,也许还有加利福尼亚州塞拉地区、洛基山脉和中国。在某些地方,偶尔观察到降下的雨水像醋那样酸。酸雨影响的程度是一个争论不休的主题。对湖泊和河流中水生物的危害是最初人们注意力的焦点,但现在已认识到,对建筑物、桥梁和设备的危害是酸雨的另一些代价高昂的后果。污染空气对人体健康的影响是最难以定量确定的。

      受到最大危害的是那些缓冲能力很差的湖泊。当有天然碱性缓冲剂存在时,酸雨中的酸性化合物(主要是硫酸、硝酸和少量有机酸)就会被中和。然而,处于花岗岩(酸性)地层上的湖泊容易受到直接危害,因为雨水中的酸能溶解铝和锰这些金属离子。这能引起植物和藻类生长量的减少,而且在某些湖泊中,还会引起鱼类种群的衰败或消失。由这种污染形式引起的对植物的危害范围,包括从对叶片的有害影响直到细根系的破坏。

 

案例

      大自然正在惩罚我们

      专家们指出,酸雨是大自然对人类无节制地消耗矿物能源的惩罚。在经济迅速发展中,大量燃煤、燃油产生的二氧化硫、氮氧化物与空气中的水结合,就形成硫酸、硝酸;当雨水中PH值(酸碱度)低于5.6时,就称为酸雨。

      实验证明,若河水PH值为6.0,已不适合鱼类生存;为5.0,已没有鱼类。重庆的土壤呈严重酸值,有的山涧溪水PH值已接近于4.0,难怪大片马尾松会突然死亡。同样的原因也造成峨眉山大片冷杉的死亡。

      酸沉降是当今重大环境问题之一,酸沉降包括干沉降和湿沉降;干沉降中有酸雨和酸雾。

      90年代初,我国酸雨面积达280万平方公里,近年来已发展到占国土面积的40%,成为继欧洲、北美之后的世界第三大酸沉降区。

 

      算经济帐  更要算生态帐

      据1996年到1996年的粗略估算,我国酸雨污染较为严重的江苏、浙江、安徽等11个南方省区,因森林木材蓄积量减少造成的直接经济损失就达40亿元。其中,四川受酸雨危害的森林面积最为严重,占有林地面积近32%,森林死亡面积占5.7%;川贵两省按15年计算损失木材约630万立方米,直接经济损失30亿元。广东、广西森林受到酸雨及二氧化硫复合污染也很普遍。值得注意的是,近年来,我国北方如山西侯马、京津、辽宁丹东、吉林图们等地也出现了酸雨。

      损失木材仅是算经济帐。据日、美所做的测算,森林生态功能的经济价值占总经济价值的90%,云南省林业调查队对全省森林进行的同类测算值为94%。专家们说,由森林破坏导致水土流失、温室效应过快等造成的损失远远大于木材的经济价值,这才是最严重的损失。

      专家还提醒人们,由于酸沉降在土壤中具有积累效应,因此除急性伤害以外,初期往往看不到对森林的损害;相反,在我国北方偏碱性土壤中,适当补充酸份,树木一时更显繁茂。但如不及早防治,酸沉降导致地力衰退,根系受害的过程虽然可以缓减,但却是不可逆的。当树木呈现树冠发黄、脱落等严重受害再来防治则为时已晚。

 

      扼住“酸源”刻不容缓

      长期以来,煤一直占我国能源消费量的70%;西南地区的煤含硫量更高达5%—8%。燃煤排放的大量二氧化硫造成我国的酸沉降以硫酸型降雨为特征。

      煤脱硫代价高昂,而更重要的原因是技术落后。据统计,若我国的能源利用率达到发达国家如日、美的水平,则每年可节省大量的原煤,大气污染物的排放量也将大幅度减少。

      中外专家一致认为,治理酸沉降事不宜迟,任重道远:第一步是加强研究,弄清污染机理;第二步是控制污染源,减少排放量;第三步是施肥补养,恢复地力。

      彼得博士还特别介绍了哥廷大学从1974年以来从未间断研究治理酸雨的经验。目前德国有酸雨观测点800多个,取样地3万多处;有关基金会资助了北京密云水库造林、重庆水土保持等十几个项目。他特别强调,更重要的是提高森林稳定性和有效保护已造林木;根据该国的经验,把有限资金尽早投入这方面的研究,比造成污染后再治理有效得多。

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