大气污染发展至今已超越国界,其危害遍及全球。对全球大气的影响明显表现为三个方面:一是臭氧层破坏;二是全球气候变暖;三是酸雨腐蚀。
1.臭氧层遭到破坏
在离地面10~55km的平流层里,大气中的臭氧相对集中,形成了臭氧层。大气中有了臭氧层,起着净化大气和杀菌的作用,可以把大部分有害的紫外线都过滤掉,减少了对人体的伤害。臭氧浓度过高会使人体中毒,而臭氧含量减少,紫外线就长驱直人,使人体皮肤癌发病率增加,并且易导致农作物减产。科学家已经发现,在南北两极上空的臭氧减少,如同天空坍塌了一个空洞,因此叫做“臭氧洞”。紫外线就通过“臭氧洞”进入大气,危害人类和自然界的其他生物。“臭氧洞”的出现,同广泛使用氟利昂(电冰箱、空调等的制冷材料)有密切关系。现在,美国和欧洲诸国决定,自2000年起,停止生产氟利昂。但是,工业生产中释放的氯氟烃气体强烈地破坏臭氧层,使之减少变薄,甚至出现南极臭氧空洞。
2.全球气候变暖
我们居住的地球周围,包裹着一层厚厚的大气,形成了一座无形的“玻璃房”,在地球上产生了类似玻璃暖房的效应。本来,这种“温室效应”是正常的。但是,进入工业革命以来,由于人类大量燃烧煤、石油和天然气等燃料,使大气中二氧化碳的含量骤增,“玻璃房”的吸收太阳能量也随之增加。于是,在地球上产生了干旱、热浪、热带风暴和海平面上升等一系列严重的自然灾害,对人类造成了巨大的威胁。21世纪以来全球平均气温升高了0.5℃,如果温室气体按目前的速度增加,到2030年,全球平均气温将再提高2-3℃,灾害性天气和异常天气将更加频繁。
3.酸雨腐蚀
酸雨的危害在全世界蔓延,遍及欧洲和北美,我国酸雨面积已占国土面积的40%,成为继欧洲和北美之后的第3大酸雨区。我国酸雨主要分布在贵阳、重庆和柳州等地。
酸雨是指pH<5.6的大气降水,是由于人类活动排放的大量酸性物质,主要是含硫化合物和含氮化合物,在大气中被氧化成不易挥发的硫酸和硝酸,并溶于雨水降落到地面所形
成的。酸雨降到地面后,导致水质恶化,各种水生动物和植物都会受到死亡的威胁。植物叶片和根部吸收了大量酸性物质后,引起枯萎死亡。酸雨进入土壤后,使土壤肥力减弱。人类长期生活在酸雨中,饮用酸性水质,会造成呼吸器官、肾病和癌症等一系列疾病。据估计,酸雨每年要夺走7500~12000人的生命。
①酸雨形成的原因。人类活动造成的酸雨成分中,以硫酸为最多,一般占60%-65%;硝酸次之,约30%;盐酸约5%,此外还有有机酸约2%左右。硫酸主要是因为燃烧矿物燃料释放的二氧化硫,其中最大的排放源是发电厂、钢铁厂、冶炼厂等,还有家家户户的小煤炉。目前全世界人为释放的二氧化硫每年约1.6亿吨。硝酸是由氮氧化物形成的。氮氧化物
气体主要是在高温燃烧的情况下产生的。例如汽车发动机燃烧室以及矿物燃料在高温燃烧时都会放出氮氧化物。氯化氢的人工源除了使用氯化氢的工厂以外,焚烧垃圾(塑料制品中有大量的氯)和矿物燃料燃烧时也都会释放这种气体。人类活动造成的二氧化硫和氮氧化物与自然源相比数量上虽然大体相当(即各占50%左右),但是因为自然界自我清洁能力有限,难以单纯地以自我清洁能力去除过量的此类污染物质。硫氧化物和氮氧化物在大气中形成酸雨的过程是十分复杂的大气化学和大气物理过程。如果形成酸性物质时没有云雨,则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上,这叫做干性沉降,以区别于酸雨、酸雪等湿性沉降。干性沉降物在地面遇水时复合成酸。酸云和酸雾中的酸性,由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释,因此它们的酸性要比酸雨强得多。高山区由于经常有云雾缭绕,因此酸雨区高山上森林受害最重,常导致成片死亡。
SO2和NOx是酸雨发生的主要前体物,两者在大气中经过均相氧化和非均相氧化转变为HZ2SO4和HNO3进入降水中而形成酸雨。我国的酸性降水不光出现在城市和污染地区,还出现在乡村和清洁地区,主要是因为污染物的中长距离传输造成的。能够致酸的物质在一定的气象条件下,可传输几百公里或者更远。
土壤中碱金属离子含量及其pH值是酸雨形成的重要因素之一。我国降水中的主要碱性离子Ca2+、Mg2+、NH+4主要来自土壤之中。北方的土壤偏碱性,pH值为7-8;南方偏酸性,pH值为5-6。土壤中碱金属Na、Ca的含量由南至北逐渐递增,尤其是过淮河、秦岭之后其含量迅速增加。由于空气中的颗粒物有一半左右来自土壤,同时碱性土壤的氨挥发量大于酸性土壤,因此北方地区大气中的碱性物质远高于南方,从而导致我国酸雨主要发生在土壤碱性物质含量低、pH值低的南方地区。
NH3为大气中常见的气态碱,易溶于水,能与大气或雨水中酸性物质起中和作用,从而降低了雨水的酸度。如NH3与SO2可在有水分的条件下反应生成硫酸按和亚硫酸按,从而对酸性物质起到中和作用。一般酸雨区NH3的含量比非酸雨区普遍低一个数量级,说明氨在酸雨形成中的重要作用。大气中氨主要来自有机物分解及农田施用氮肥的挥发。土壤中氨的挥发量随土壤pH的上升而增加,我国北方土质偏碱性,南方偏酸性,氨含量北高南低,这也是中国酸雨主要分布在南方的一个重要原因。
降水中的碱金属和碱土金属主要来自大气中的颗粒物,大气颗粒物主要来自扬尘。与国外相比,我国的大气颗粒物浓度大,特别是粗颗粒物多,并且南北地区存在着显著差异。不仅北方颗粒物浓度高于南方,北方大气颗粒物中的碱性物质和酸性物质浓度之比也高于南方。对同样的降水,北方大气颗粒物对降水酸性的缓冲能力要比南方大得多。这主要是因为大气颗粒物主要来自土地飞起扬尘,其组成与土壤组成基本相同,颗粒物酸碱性主要取决于土壤性质。由于北方土壤的碱性物质含量高,因此北方大气颗粒物中的碱性物质浓度也高于酸性物质,在降雨中这些大气颗粒物对酸性降水具有较大的中和缓冲能力;与之相反,南方大气颗粒物中碱性物质浓度低,其缓冲能力低于北方(如北京春季大气颗粒物中和能力是南方柳州颗粒物的3倍)。基于此,北方大部分地区未发生酸雨,而南方地区出现大面积酸雨。
②衡量雨水的酸度。水的酸碱度科学上用pH来表示。从酸到碱,pH值从0-15,即共分16级。每增减1级,表示酸碱度增减10倍。pH值为7.0时的水是中性的,低于7是酸性,高于7就是碱性。不过,在自然界中,即使不受污染的雨水,pH值也是小于7的,这是因为大气中的二氧化碳很容易溶解到雨滴中使雨水呈弱酸性。因此国际上把pH值小于5.6的雨水才称为酸雨。但是,美国和加拿大的酸雨监测网是把pH值5.0以下的降水才算作酸雨。实际上,根据中美合作项目,在远离人烟的中国内陆云南省丽江地区玉龙雪山海拔3200m的云杉坪,从1986年开始共8年观测的结果,也证明取5.0作为全球内陆降水酸度衡量值是合适的。
大气酸雨的成分,主要有硫酸、硝酸和盐酸三种。自然界中有时也会降酸雨。例如,火山喷发后会降含硫酸或盐酸的雨,雷电可以使雨水中含硝酸等。但是,自然界造成的酸雨都是暂时的,只有人类活动造成的酸雨才会经常出现,以至酸性越来越强,造成重大灾害。不过,有些读者可能会有疑问,为什么有的酸雨尝起来并不酸呢?这是因为人舌头的味觉,一般要在pH值低到4左右时才会有酸的感觉。
③酸雨的危害性。酸雨不仅对淡水生态系统造成危害,也会使土壤酸化,危害植物根系和茎叶。植物是陆地生态系统的生产者,动物是消费者,微生物是分解者。植物受到危
害,动物和微生物相继受到影响,就会破坏陆地生态系统的平衡。另外,酸化土壤游离出来的金属离子随水分运动进人湖泊又影响到淡水生态系统,所以需要密切关注酸雨沉降到地面后的影响过程。
酸雨能与金属、石料、混凝土等材料发生化学反应或电化学反应,从而加快楼房、桥梁、历史文物、珍贵艺术品、雕像的腐蚀。酸雨还直接危害电线、铁轨、桥梁和房屋等。并且酸雨可以对人体产生直接影响,刺激皮肤,还会引起哮喘等多种呼吸道疾病。另外,酸雨还对人体等健康产生间接影响。酸雨使土壤中的有害金属被冲刷带入河流、湖泊,一方面使饮用水水源被污染;另一方面,这些有毒的重金属会在粮食和鱼类机体中沉积,人类因食用而受害。据报道,很多国家由于酸雨影响,地下水中铝、铜、锌、镉的浓度已上升到正常值的10一100倍。
1881年,挪威科学家布罗加在《污雪》报告书中指出挪威污雪的原因就是来源于英国的大气污染。30年以后,即1911年挪威南部河中鱼类开始大量死亡,到20世纪80年代,
挪威总面积达13000km2的1700个湖中实际上已经没有鱼了。通过研究发现,体弱未死的鱼血中钠异常得少,这恰恰是酸雨中毒的典型症状。
科学家曾经试验给植物浇酸水,只要水的pH值低到3以下,水稻、松树、向日葵等叶子表面就会出现坏死斑点。显微镜下观察叶子表面的毛孔和气孔都受到损害,严重影响光合
作用。并且酸水夺去了植物体内的钙镁等物质,使植物逐渐衰弱。植物叶子变黄就是因为镁不足,叶绿素难以合成的缘故。松树等针叶树之所以对酸雨特别敏感,是因为针叶树全年不落叶,酸雨造成的损害会在针叶中逐年积累起来,对松树等造成严重危害。酸雨还可使农作物大幅度减产,例如,冬小麦在pH为3.5的酸雨影响下将减产13.7%;pH为2.5时减产34%。大豆和蔬菜也易受酸雨危害,使得产量和质量(蛋白质含量)下降。在欧洲大陆的最北部北极圈附近地区,许多地区的苔鲜和地衣因酸雨而消失,所以出现了“地衣沙漠”的名词。但是苔鲜和地衣是当地驯鹿的冬季主要食物,因此这就影响到驯鹿的生存和数量,影响到食物链和生态平衡。
另一个严重问题是,酸雨还使土壤中的铝、汞等有害的金属离子游离出来。这不仅对陆地植物,并且对水生的动植物都是十分有害的。欧洲和北美几千个湖泊鱼类灭绝成为死湖,酸雨就是一个重要原因。现今欧洲已有30%的森林因酸雨而退化;美国.75%的湖泊和大约一半的河流被酸化;加拿大43%的土地已对酸雨高度敏感,有14000个湖泊是酸性的。
目前,保护大气已成为各国政府和人民的共同心愿。为了减少大气污染,应限制温室气体的排放量,尽量少用矿物燃料,提倡使用太阳能、风能、核能,同时禁止滥伐森林,提倡植树造林。