大气的污染

大气的污染

一、大气的污染物

人们规定的清洁空气，就是含有固定组分的N₂、O₂和稀有气体，以及不固定组分的CO₂、水蒸气组成的大气。如果大气中有来自天然或人为源的不定组分（CO，SO₂，NOx，以及碳氢化合物和颗粒物等），就被称为污染空气。大气被污染的程度很深，其中的污染物种类也很多，世界卫生组织（WHO）认为那些在大气中的含量和存在的时间达到了一定的程度，并且对人体、动植物和物品的危害达到可测程度的物质称为大气污染物。

大气中的污染物主要有颗粒物（灰尘、烟尘、烟雾等）、硫化物（SO₂和极微量SO₃）、碳氧化物（CO₂、CO）、氮氧化物（N₂O、NO、NO₂、N₂O₅等）及碳氢化合物（烷烃、烯烃、芳烃等）。

如果按这些污染物的化学性质及它们在环境中的存在状况分类的话，可以分为两大类。

1.还原型

这一类主要指SO₂，CO及颗粒物。在低温、高湿的情况下，就容易积聚在低空中，形成具有还原性质的烟雾。我们都知道的全球震惊的“伦敦烟雾”事件就属于这种类型。

2.氧化型

这种类型的主要污染物是燃料燃烧后的CO₂气体，氮氧化物和碳氢化合物，还有这些物质在阳光的照射下发生光化学反应而生成的其他有毒物质，成为二次污染物（臭氧、醛类、过氧化物等）。这些物质都有较强的氧化性，对人的视觉有很强的刺激作用。美国洛杉矶发生过的光化学烟雾事件就是这种类型。

在我国主要的大气污染物是烟尘和二氧化硫。近几年，污染物虽然有所控制，但情况仍比较严重。我国大气污染的分布特点是大中城市重于小城市，北方重于南方，产煤区重于非产煤区，冬季重于夏季，早晚重于中午。目前我国政府正在积极采取各种措施，治理环境，加强各级部门和人民群众的环保意识，以期逐步缓解和控制环境污染。

二、酸雨的形成及危害

大气降水虽然属于气象学的范畴，但因为它也涉及环境化学物质的循环。近年来，特别明显的问题是降雨的水质发生了变化，酸雨现象已经成为了世界上许多地区出现的一个共同的大气污染问题。西欧、北美一带，我国的南方城市都存在。

1.降水的酸度

洁净的雨水中溶入了大气中的二氧化碳，有部分就形成了碳酸，所以天然降雨的pH值为6～7，略偏酸性。在气压为100千帕，气温是25℃时，大气中的CO₂在水滴中所产生的最低的pH为5.6，所以天然降水为偏酸性降水。弱酸性的天然降水可使土壤中的养分溶解，供生物吸收，而pH值小于5.6的酸性降水通常称为酸雨。

酸雨对环境的危害包括很多方面。首先，对农作物与森林严重的毁坏。降落到地面的酸雨会使土壤变酸，从而抑制植物的生长发育，把土壤中的营养元素给淋洗掉了，如钙、镁、钾等，使土壤贫瘠化。例如，重庆曾发生过的酸雨事件，由于连续的几场酸雨，农作物大面积的枯死，某乡由于遭受一场pH值等于3.9的低值酸雨，谷物的产量降低40万公斤。其次，酸雨严重腐蚀建筑物、工业设备、文化古迹、交通设施。据报道，由于酸雨的侵害，重庆嘉陵江大桥的锈蚀速度加快，达到每年0.16毫米，每年为钢结构维护的费用达数10万元。另外，酸雨会使水源变质，对水体有严重的影响，危害到渔业生产。

2.酸雨的形成

酸雨中的无机酸，其中90%以上是H₂SO₄、HNO₃。一般情况，在国外，酸雨中H₂SO₄比HNO₃高1倍，但是在我国，酸雨中H₂SO₄含量更高，这样的酸雨被称为硫酸性酸雨。酸雨中的硫酸和硝酸主要来自人为排放的污染物中的SO₂和NO_x转化而成。反应简化表示为：

在大气中SO₂＋2HO·→H₂SO₄

在水滴中H₂O＋SO₂→H₂SO₃

2H₂SO₃＋O₂（O₃，H₂O₂）→2H₂SO₄

人为的和天然的污染物排入大气中的许多气态、固态物质，对酸雨的性质也产生许多影响，固体颗粒物中Mn^2＋，Fe^2＋离子是上述过程的催化剂，光化学反应生成O₃，H₂O₂，HO₂·，HO·是它们的氧化剂。

酸雨的形成与大气中酸性物质的浓度大小及其转化的条件有关，另外与气象条件和地形都有关系。气温高（SO₂容易转化为硫酸），该地区土壤属酸性和大气中碱性物质含量较少等情况，都是酸雨形成的有利条件。我国的贵州和重庆都属于这种情况。相反，北京地区，气候干燥、土壤呈碱性、大气颗粒物中碱性物质很多，春冬季风大，扬尘多，虽然大气中SO₂和NO_x的浓度也高，仍不会形成酸雨。

酸雨降落的地点一般发生在污染源的发源地境内，另外这些污染源还随风移动，从而降落到几千里以外的地方，造成了大范围的公害。1985年，欧洲的15个国家中大约有700万平方千米的森林，有些来自跨国的酸雨还引起了国际纠纷。

三、光化学烟雾的情况简介

光化学烟雾第一次发生是于1940年在美国洛杉矶市。光化学烟雾发生的现象是大气层中出现白色的烟雾，有的烟雾带紫色或黄褐色，能见度降低，并具有特殊的刺激性气味。这些烟雾会使人的眼睛红肿流泪，刺激粘膜与呼吸道，并且会诱发其他疾病。烟雾具有强氧化性，能使橡胶开裂，植物叶片变黄，金属腐蚀。烟雾一般出现在强日照和低湿度逆温气象条件下，此时大气中的烃类（用HC表示）和氮氧化物（NO_x）在太阳的辐射作用下发生光化学反应会产生二次污染物，它与一次污染物混合，即形成光化学烟雾。其化学过程大体存在如下两个过程：

（1）被污染的空气中的NO₂的光分解会提供自由基或者产生活泼原子氧，从而诱发许多的化学反应，如

NO₂＋hv→NO＋O

O＋O₂→O₃

HONO＋hv→HO·＋NO

产生的O₃可把NO氧化成NO₂：

NO＋O₃→NO₂＋O₂

（2）大气中的碳氢化合物（HC）被HO·自由基、原子氧和臭氧所氧化，产生醛、酮、醇及酸等有机物以及中间产物RO₂·，HO₂·，RCO·等自由基。

四、温室效应

现今社会，随着工业的高速发展，人类对能源的需求量剧增，工业燃料也引起了越来越严重的副作用。燃料中所含有的少量硫、氮杂质经过燃烧后会排放出SO₂、NO_x，从而形成酸雨及光化学烟雾，就是燃料完全燃烧也会产生大量的水蒸气和CO₂，结果人为的CO₂的排放量不断剧增。全世界的森林面积在不断的减少，使得植物光合作用消耗的CO₂量减少，也使大气中CO₂浓度不断上升。

据统计，1880年，CO₂浓度是284μg·g^－1，而1960年便增加到316μg·g^－1，2000年增加到370～379μg·g^－1。科学家们认为，大气中CO₂浓度正在以每年0.2%的平均速率增长。据研究，CO₂分子（水分子也有相同的作用）能吸收地面的长波辐射，对地球起保温作用，因此CO₂的浓度增加将会使地球气温上升。最新研究报告提出，每10年地球表面气温至少要上升0.3K～0.5K，虽然数值不大，但相应全球海平面由于两极积冰的融化，在今后50年内将上升20～150cm，若成为现实的话，世界一些沿海平原、低地将受到严重威胁。

地球气温的影响因素很多，除上述温室效应和浑浊度外，还有黑子活动强度等，所以对气温变化原因的讨论，尚没有科学的定论，需进一步探讨。

五、大气污染物与臭氧层

人为的污染物对平流层中O₃的破坏作用，已经成为了环境科学所关注的热门课题。臭氧是平流层大气的关键组成部分，绝大部分的臭氧都集中在距地面约25千米的地方，其厚度约20千米。臭氧分子强烈吸收200～300纳米波长范围的太阳紫外辐射，阻挡着太阳过量紫外线到达地表层，防止紫外线对地球生物的危害，有效地保护了地面生物的生存。平流层中臭氧主要通过氧分子光化学反应分解出的原子氧与分子氧结合生成。光解产生原子氧，其化学性质活泼，很快与O₂分子结合配成臭氧，故不会影响臭氧的浓度。反应的进行，吸收掉大量的短波紫外辐射，对地球生物起保护作用。

在正常的情况下，平流层中的氧分子参加光化学反应而产生的O₃与消除反应中减少的O₃处于动态的平衡中。但是近几年来，平流层中的活性污染物质（NO、HO·、Cl·等）增加，对O₃分子的消除具有催化作用。

这些活性污染物质有的来自天然，有的来自人为污染，人为污染的源影响较大。如超音速飞机的废气直接排放入平流层，废气中含有大量的NO_x和H₂O，又如制冷剂氟利昂（氟氯甲烷类化合物）化学性质稳定，易挥发。进入大气平流层后，发生光化学反应产生Cl·，使平流层中活性粒子的浓度大大增加，加速了臭氧的消耗。

平流层的O₃含量减少，射入地表的短波辐射剂量就增加，对人类造成的危害是极大的。例如，破坏生物体内的脱氧核糖核酸，使人类皮肤癌发病率增加；还会伤害植物的表皮细胞，抑制植物的光合作用的生长速度，使粮食减产。

现在的科学家提出，臭氧层不光正在变薄，甚至出现了空洞。在1979年，首次发现了南极臭氧空洞，一直到1984年，南极上空的臭氧已经损失了50%。之后，在北极上空也发现了小空洞，臭氧层变薄。1999年2月，有报道说，我国南方臭氧层破坏严重，广东上空臭氧层比北京低20%左右。这一切意味着强烈的紫外线可能对生物生命造成更大的威胁，对全球性的气温带来显著的变化。