高中地球科學/空氣汙染

地球的大氣層透過提供光合作用和呼吸作用所需的必要氣體來支援生命。臭氧層保護地球上的生命免受太陽紫外線的輻射。人們還利用大氣層作為廢氣和顆粒物的排放地。

汙染物包括自然存在的物質，但其含量超過正常水平。此外，汙染物還包括以前從未在大氣中發現的人造化合物。汙染物使空氣變髒，改變大氣中的自然過程，並危害生物。過量的溫室氣體導致全球氣溫上升。

課程目標

描述不同型別的空氣汙染物。
討論導致某些城市汙染比其他城市更嚴重的情況。
描述空氣汙染物的來源。

空氣質量

空氣汙染問題始於幾個世紀前，當時化石燃料開始被用於供暖和發電。該問題在 20 世紀中葉發展成為發達國家面臨的危機。煤煙和汽車尾氣相結合，形成了有毒的煙霧，在某些地方導致肺部損傷，有時甚至導致死亡。

1948 年 10 月，賓夕法尼亞州多諾拉鎮發生了一起逆溫現象，導致煤煙被困，造成 20 人死亡，4000 人患病。更糟糕的是，1952 年 12 月，倫敦的“大煙霧”在 5 天內造成 4000 人死亡，而且很可能在接下來的幾個月裡還有數千人死於該事件造成的健康併發症（圖 22.1）。

第二次世界大戰後，一種不同型別的空氣汙染成為南加州面臨的問題。儘管沒有煤煙，但汽車和充足的陽光產生了光化學煙霧。這種煙霧是汽車尾氣或煉油廠排放物中的某些分子與陽光發生化學反應的結果。光化學煙霧包含 100 多種化合物，其中最重要的是臭氧。

在美國，這些事件導致 1970 年通過了《清潔空氣法》。該法案現已對 189 種汙染物進行管制。六種最重要的汙染物是臭氧、顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和重金屬鉛。其他重要的受管制汙染物包括苯、四氯乙烯、二氯甲烷、二噁英、石棉、甲苯和鎘、汞、鉻和鉛化合物等金屬。以下部分將討論其中的一些汙染物。

除了人為排放外，空氣質量還受到環境因素的影響。山脈可以將汙染物困在其背風側。風可以將汙染物吹入或吹出某個區域。汙染物可能被困在氣團中，因為逆溫現象將冷空氣困在暖空氣之下。如果逆溫現象持續時間足夠長，汙染物可能達到危險水平。汙染物會停留在某個區域，直到它們被風吹出該區域，被來自另一個區域的空氣稀釋，轉化為其他化合物，或者與雨雪混合後降落到地面。

由於《清潔空氣法》的實施，美國空氣變得更加清潔。能見度提高了，人們不再因工業煙霧而行動不便。儘管如此，在美國，工業、發電廠和車輛每年仍向空氣中排放 1.6 億噸汙染物。其中一些煙霧是無形的，另一些則會導致影響許多城市的橙色或藍色霧霾（圖 22.2）。

表 22.1：2007 年煙霧最嚴重的城市
排名	城市，州
1	洛杉磯，加利福尼亞州
2	貝克斯菲爾德，加利福尼亞州
3	維薩利亞-波特維爾，加利福尼亞州
4	弗雷斯諾，加利福尼亞州
5	休斯頓，德克薩斯州
6	默塞德，加利福尼亞州
7	達拉斯-沃斯堡，德克薩斯州
8	薩克拉門託，加利福尼亞州
9	紐約，紐約
10	費城，賓夕法尼亞州

表 22.1 列出了 2007 年煙霧最嚴重的城市：10 個城市中有 6 個位於加利福尼亞州。該州具備收集汙染物的有利條件，包括困住煙霧的群山、乾旱且有時無風的條件以及大量的汽車。

空氣汙染型別

大多數空氣汙染物直接進入大氣；這些是一次汙染物。二次汙染物只有在發生化學反應後才會變成汙染物。一次汙染物包括有毒氣體、顆粒物、與水蒸氣反應形成酸的化合物、重金屬、臭氧和溫室氣體。臭氧是主要二次汙染物之一。它是由在排放物中並存在陽光的情況下發生的化學反應產生的。

一次汙染物

一些一次汙染物是自然產生的，例如灰塵和火山灰，但大多數是由人類活動引起的。一次汙染物是來自車輛和煙囪的直接排放。一些最有害的汙染物，例如人類活動直接排放到大氣中的汙染物，包括

碳氧化物包括一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO₂)。兩者都是無色無味的氣體。CO 對植物和動物都有毒。CO 和 CO₂ 都是溫室氣體。
氮氧化物是在高溫下氮和氧氣從大氣中結合時產生的。這種情況發生在車輛、發電廠或工廠的熱排氣中。氮氧化物 (NO) 和二氧化氮 (NO₂) 都是溫室氣體。氮氧化物會導致酸雨。
硫氧化物包括二氧化硫 (SO₂) 和三氧化硫 (SO₃)。這些是在燃燒煤炭時產生的硫到達空氣中時形成的。硫氧化物是酸雨的成分。
顆粒物是固體顆粒，例如灰燼、塵土和糞便。它們通常由化石燃料燃燒形成，並會導致煙霧。此外，顆粒物會導致哮喘、心臟病和某些型別的癌症。
鉛曾經廣泛用於汽車燃料、油漆和管道中。這種重金屬會導致腦損傷或鉛中毒。
揮發性有機化合物 (VOC) 主要由碳氫化合物組成，碳氫化合物是由氫和碳組成的化合物。重要的 VOC 包括甲烷（一種自然產生的溫室氣體，由於人類活動而正在增加）、氯氟烴（由於對臭氧層的影響而逐步淘汰的人造化合物）和二噁英（一種化學生產的副產品，沒有用處，但對人類和其他生物有害）。

光化學煙霧

任何城市都可能出現光化學煙霧，但它在乾旱地區最為常見。世界各地城市車輛數量的增加加劇了光化學煙霧。這種煙霧是在汽車尾氣暴露在陽光下時形成的。汽車燃燒室產生氮氧化物。如果有陽光，NO₂ 會分解並釋放出一個氧原子 (O)。然後，氧離子與氧氣分子 (O₂) 結合形成臭氧 (O₃)。這個反應也可以反向進行：一氧化氮 (NO) 從臭氧中去除一個氧原子，使其變為 O₂。反應進行的方向取決於 NO₂ 和 NO 的含量。如果 NO₂ 的丰度是 NO 的三倍，那麼就會產生臭氧。如果一氧化氮含量高，臭氧就不會生成。

臭氧是一種具有刺鼻氣味的白色氣體。洛杉磯、鳳凰城和丹佛等被山脈包圍的溫暖乾燥的城市特別容易出現光化學煙霧（圖 22.3）。光化學煙霧在夏季最熱的白天中午達到峰值。除了臭氧，光化學煙霧中還含有其他化合物。臭氧也是一種溫室氣體。

空氣汙染的成因

大多數空氣汙染物來自燃燒化石燃料或植物材料。有些是人造材料蒸發造成的。近一半（49%）的空氣汙染來自交通運輸，28% 來自工廠和發電廠，其餘汙染來自各種其他來源。

化石燃料

化石燃料用於大多數機動車和發電廠（圖 22.4）。它們為製造業和其他工業提供燃料。理論上，純煤炭和石油可以乾淨地燃燒，只排放二氧化碳和水，這兩種都是溫室氣體。但大多數情況下，這些化石燃料並未完全燃燒，因此這些不完全的化學反應會產生汙染物。此外，很少有化石燃料是純淨的，因此通常會釋放其他汙染物。這些汙染物包括一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和碳氫化合物。

在洛杉磯和墨西哥城等高度依賴汽車的大城市，80%到85%的空氣汙染來自機動車。汽車排放是臭氧最常見的來源。一氧化碳在封閉空間（如隧道）中是有毒的。氮氧化物來自車輛或工廠的排氣。鉛曾經被新增到汽油中以改善發動機爆震，但現在在美國被禁止。儘管如此，每年仍有大量鉛從其他來源釋放到空氣中。

一些汙染物主要來自發電廠或工業廠。它們從燃燒煤炭或石油的煙囪中排放出來。二氧化硫（SO₂）是工業空氣汙染的主要成分。每當燃燒煤炭和石油時，它就會被釋放出來。SO₂與空氣中的H₂O混合生成硫酸（H₂SO₄）。當燃燒煤炭和某些型別的廢物時，會釋放出重金屬汞。汞以氣體形式排放，但在冷卻後會變成液滴。汞液滴最終會落到地面。如果它們落入沉積物中，細菌會將它們轉化為最危險形式的汞：甲基汞。甲基汞劇毒，是汞的有機形式之一。

生物質燃燒

化石燃料是古代動植物轉化而成的可利用碳氫化合物。直接燃燒動植物材料也會產生汙染物。**生物量**是指環境中發現的所有生物材料的總量。熱帶雨林的生物量是指該熱帶雨林中發現的所有生物材料的總量。

生物質燃燒的主要方式是**刀耕火種農業**（圖 22.5）。熱帶雨林被砍伐，然後將廢棄物焚燒，以便為農業騰出土地。來自其他生物群落（如稀樹草原）的生物量也被焚燒以清除農田。汙染物與燃燒化石燃料產生的汙染物基本相同：CO₂、一氧化碳、甲烷、顆粒物、氧化亞氮、碳氫化合物以及有機和元素碳。森林燃燒透過釋放生物量中儲存的 CO₂ 以及透過移除森林使其在未來無法儲存 CO₂ 來增加大氣中的溫室氣體。與所有形式的空氣汙染一樣，生物質燃燒產生的煙霧通常會傳播很遠，汙染物會困擾鄰近的州或國家。

任何東西燃燒都會產生顆粒物。進入美國上空大氣的顆粒物中約 40% 來自工業，約 17% 來自車輛。顆粒物也會因火山爆發或風沙等自然過程而自然產生。與其他汙染物一樣，它們也會隨著大氣環流傳播到世界各地。

蒸發

揮發性有機化合物 (VOC) 透過蒸發進入大氣。VOC 從人造物質（如油漆稀釋劑、乾洗溶劑、石油、木材防腐劑和其他液體）中蒸發。松樹和柑橘樹會自然釋放 VOC。大氣中含有數萬種不同的 VOC，其中近 100 種被監測。最常見的是甲烷，一種溫室氣體。甲烷自然存在，但人類農業正在增加大氣中的甲烷含量。

課程總結

工業汙染會造成健康問題甚至死亡，儘管《清潔空氣法案》透過迫使工業清潔排放來減少了美國這些健康問題。
乾旱城市機動車的增加加劇了這些地區臭氧和其他次生汙染物的產生。
燃燒化石燃料是空氣汙染的最大來源。
生物質燃燒也是一個主要來源，尤其是在實行刀耕火種農業的地區。

複習問題

美國東部城市和南加州經歷的煙霧型別有什麼不同？
倫敦至少七個世紀以來一直飽受嚴重空氣汙染的困擾。為什麼這座城市如此容易受到其著名的“倫敦霧”的影響？倫敦採取了什麼措施來消除其空氣汙染？
想象兩個規模相同、工業化程度相同、機動車數量相同的城市。城市 A 大部分時間都籠罩在濃重的煙霧中，而城市 B 通常空氣汙染很少。是什麼因素導致了這兩種不同的情況？
為什麼舊金山及其大都市區沒有出現在 2007 年最嚴重煙霧城市名單上？
為什麼自然產生的物質（如顆粒物或二氧化碳）有時會被認為是汙染物？
臭氧是如何從汽車尾氣中形成的？
除了大氣中現成的成分外，臭氧形成還需要哪些必要的成分？為什麼一個汽車很多但臭氧汙染相對較少的城市？
有些人認為我們應該逐步淘汰化石燃料的使用，用清潔能源替代。為什麼化石燃料的使用變得不受歡迎？
汞作為金屬本身毒性並不強，但其有機形式卻非常危險。汞是如何從金屬轉化為有機形式的？
森林砍伐對空氣汙染有哪些貢獻？

詞彙表

鉛: 一種存在於大量產品中的重金屬。接觸過多的鉛會導致鉛中毒，從而損害人們的大腦和血液。
汞: 一種主要來自燃煤發電廠排放到大氣的重金屬。轉化為有機形式的汞（甲基汞）劇毒。
臭氧: 三個氧原子以 O₃ 分子的形式結合在一起。低層大氣的臭氧是一種汙染物，但高層大氣的臭氧可以保護生命免受紫外線輻射。
顆粒物: 空氣中的顆粒物，如灰塵、塵埃和糞便。顆粒物可能由火山爆發或沙塵暴等自然過程造成，也可能由燃燒化石燃料或生物質等人類活動造成。
光化學煙霧: 這種空氣汙染是由汙染物在陽光照射下發生化學反應而產生的。
刀耕火種農業: 在熱帶地區，熱帶雨林植物被砍伐，然後焚燒，以便為農業騰出土地。
揮發性有機化合物 (VOC): 從溶劑和其他合成化合物中蒸發到大氣中的汙染物。一些 VOC 自然產生。

需要考慮的要點

儘管有《清潔空氣法案》，但美國許多地區的空氣仍然不清潔。為什麼？
汙染物如何損害人體健康？
空氣汙染如何損害環境？

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