高中地球科學/空氣汙染的影響

發展中國家的人們往往沒有法律來保護他們呼吸的空氣。世界衛生組織估計，每年有 2200 萬人死於空氣汙染造成的併發症。即使在美國，也有超過 1.2 億美國人生活在空氣被認為不健康的地區。本課探討了不同型別空氣汙染對人類健康和環境造成的問題。

課程目標

描述煙霧造成的損害。
討論酸雨的形成及其造成的損害。
討論氯氟烴如何破壞臭氧層。

煙霧

所有空氣汙染物都會對生物和環境造成一定程度的損害。不同型別的汙染物會導致不同型別的危害。顆粒物會降低能見度。例如，在美國西部，人們現在通常只能看到大約 100 到 150 公里（60 到 90 英里），這只是晴朗天氣下自然（汙染前）範圍的一半到三分之二。在東部，能見度更差。人們只能看到大約 40 到 60 公里（25-35 英里），這只是沒有空氣汙染的情況下可以看到距離的五分之一。

顆粒物會減少到達地面的陽光量。由於植物也接收到的陽光更少，因此光合作用可能減少。顆粒物也會形成雨滴、雪花或其他降水形式的核。空氣中顆粒物增加似乎會增加雨滴的數量，但往往會減少雨滴的大小。透過減少陽光，顆粒物也會改變氣溫。在 2001 年 9 月 11 日恐怖襲擊後的三天裡，噴氣式飛機沒有飛過美國。沒有噴氣式飛機尾跡排放的氣體阻擋陽光，美國各地的氣溫上升了 1°C (1.8°F)（圖 22.6）。想象一下所有顆粒物來源的組合會降低多少溫度。

臭氧會損害一些植物。由於臭氧的影響是累積的，壽命長的植物受到的損害最大。一些樹木種類似乎是最容易受到影響的。如果森林中包含對臭氧敏感的樹木，它們可能會死亡並被不易受損害的樹種取代。這會改變整個生態系統，因為動物和植物可能無法在沒有原生樹木創造的棲息地的情況下生存。

一些作物植物會表現出臭氧損傷。暴露在臭氧中時，菠菜葉會變得有斑點。大豆和其他作物的產量下降。在發展中國家，從農業系統中獲得每一點食物能量都至關重要，任何損失都會被強烈地感受到。像中國和印度這樣的許多國家也存在嚴重的空氣汙染。一些汙染物對植物生長有積極影響。二氧化碳 (CO₂) 的增加似乎會減少臭氧對一些植物的損害，並可能促進生長。不幸的是，二氧化碳和其他溫室氣體會造成其他問題，這些問題會損害生態系統並減少一些植物的生長。

其他空氣汙染物會損害環境（圖 22.7）。二氧化氮 (NO₂) 是一種有毒的橙棕色氣體，它會使空氣呈現出獨特的橙色，並散發出難聞的氣味。大氣中的氮氧化物和硫氧化物會產生酸，以酸雨的形式降落。空氣汙染嚴重的地方，人類健康也會受到損害。鉛是人類最常見的毒性物質，會導致鉛中毒。一氧化碳是一種有毒氣體，會在通風不良的空間（如隧道）中殺死人。氮氧化物和硫氧化物會導致肺病，並增加哮喘、肺氣腫和流感等病毒感染的發生率。臭氧也會損害人類呼吸系統，導致肺病。高濃度的臭氧也與心臟病和癌症發病率增加有關。顆粒物會進入肺部，導致心臟病或肺病。當顆粒物水平很高時，哮喘發作更常見。據估計，美國每年有 30,000 人死於細顆粒物汙染。

雖然並非所有哮喘病例都與空氣汙染有關，但許多病例都是。在 1996 年奧運會期間，佐治亞州亞特蘭大市封閉了市中心，禁止私人車輛通行。結果，臭氧水平下降了 28%。與此同時，哮喘住院人數減少了 40%。

非吸菸者中肺癌也在增加。一項研究表明，患肺癌的風險與一個人接觸空氣汙染的程度直接相關。該研究得出結論，任何程度的空氣汙染都不應被認為是安全的。接觸煙霧也會增加死於任何原因的風險，包括心臟病。

兒童比成年人更容易受到呼吸髒空氣的影響，因為他們的肺部仍在生長和發育。兒童每公斤體重吸入的空氣量是成年人的 50%。兒童在戶外無過濾的空氣中度過的時間更長，而且在玩耍或鍛鍊時更有可能用力呼吸。一項研究發現，在美國，兒童患哮喘的比率是二十年前的兩倍多，是加拿大的四倍。成年人也受與空氣汙染相關的疾病困擾，包括肺病、心臟病、肺癌和免疫系統減弱。全球哮喘發病率每十年上升 20% 到 50%。

特別危險的是那些在生物體一生中都會保留在生物體內的汙染物，稱為生物累積。在這個過程中，生物體積累了它一生中消耗的所有有毒化合物的總量。並非所有物質都會生物累積。每天服用阿司匹林的人體內只有當天的阿司匹林，因為阿司匹林不會留在體內。當一種化合物生物累積時，這個人體內就包含她曾經吃過的所有這種化合物。生物累積的化合物通常儲存在生物體的脂肪中。

汞是一個生物累積物質的典型例子。細菌和浮游生物會儲存它們從所有海水攝入的所有汞。一條吃細菌和浮游生物的小魚會積累它一生中吃過的所有微小生物的所有汞。一條大魚會積累它一生中吃過的所有小魚的所有汞。積累最多汞的生物是食物鏈頂端的捕食者。金槍魚對吃它的一切都構成健康威脅，因為它們體內含有大量的汞。這就是為什麼政府建議限制人們吃金槍魚的數量。這些限制對於兒童和孕婦尤為重要，因為汞對年輕人有特別的影響。如果汞只是留在脂肪中，它不會有害，但是當婦女懷孕或哺乳嬰兒，或者當她在減肥時燃燒脂肪時，脂肪就會被使用。甲基汞中毒會導致神經系統或腦損傷，尤其是在嬰兒和兒童中。兒童可能會出現腦損傷或發育遲緩。與汞一樣，其他金屬和揮發性有機化合物也會生物累積，對食物鏈頂端的動物和人類造成危害。

酸雨

酸雨是由硫氧化物和氮氧化物引起的。這些汙染物從發電廠或金屬冶煉廠排放到大氣中。氧化物來自已經建得很高的煙囪，這樣汙染物就不會停留在城市上空。高聳的煙囪使排放物升高到大氣中，並向下風移動多達 1000 公里（600 英里）。當它們移動時，這些汙染物與水蒸氣結合形成硫酸和硝酸。酸液滴形成酸霧、酸雨、酸雪，或者它們也可能以幹沉降的形式沉降。最典型的是酸雨（圖 22.8）。

酸雨水比普通雨水更酸性。要被稱為酸雨，其 pH 值必須小於 5.0。酸度是在pH值尺度上測量的，該尺度從 1 到 14。7 的值為中性。較低的數字表示更酸性，較高的數字表示酸性較低（也稱為更鹼性）。最強的酸位於刻度的低端，最強的鹼位於刻度的高階。自然降雨略帶酸性，pH 值為 5.6。酸來自碳酸，當二氧化碳 (CO₂) 與大氣中的水結合時會形成碳酸。pH 值的微小變化代表酸度的巨大變化：pH 值為 4.6 的雨水比普通雨水（pH 值為 5.6）酸性強 10 倍。pH 值為 3.6 的雨水酸性強 100 倍。

燃煤發電廠眾多的地區酸雨最為嚴重。美國東北部平均雨水的酸度已經降至 4.0 到 4.6 之間。酸霧的 pH 值甚至更低，平均約為 3.4。1986 年，南加州發生了一次霧，其 pH 值為 1.7，相當於馬桶清潔劑。在乾旱的氣候中，例如南加州，酸會以幹沉降的形式沉積在地面上。酸沉降最終會落到陸地表面和水體中。東北部的一些森林土壤的酸度是二三十年前的 5 到 10 倍。酸液滴從酸性土壤中向下移動，進一步降低河流和湖泊的 pH 值。酸會從土壤中剝離金屬和養分，這些金屬和養分會積聚在河流和湖泊中。因此，被剝離的土壤可能不再提供本地植物所需的養分。

酸雨會對生態系統造成損害（圖 22.9）。暴露在酸性環境中的植物會變得虛弱，更容易受到惡劣天氣、昆蟲害蟲或疾病的傷害。蝸牛會在酸性土壤中死亡，因此鳴禽的食物減少了。幼鳥和哺乳動物的骨骼發育不良，可能不那麼強壯。蛋殼也可能很弱，更容易破碎。

酸雨中的硝酸鹽會導致某些植物生長得更好。這些喜硝酸鹽的植物會排擠其他植物，這會導致生態系統發生變化。硝酸鹽還會給海洋施肥，導致藻類大量繁殖。藻類會消耗掉水中的所有氧氣，這會導致災難性的生態變化，包括許多魚類的死亡。隨著湖泊的酸化，生物會死亡。如果 pH 值降至 4.5 以下，所有的魚都會死亡。有機物無法腐爛，苔蘚會覆蓋整個湖泊。依賴湖泊飲水的野生動物的數量會減少。酸雨會破壞農作物。在貧窮國家，人們無力用肥料或其他技術來解決這些問題，這種現象最為明顯。酸性降水會損壞建築物和紀念碑（圖 22.10）。包括美國國會大廈和歐洲的許多建築，例如威斯敏斯特教堂。

碳酸鹽岩石可以中和酸，因此一些地區幾乎沒有受到酸雨的影響。美國中西部地區受到該地區遍佈的石灰岩保護，石灰岩由碳酸鈣組成。美國東北部如此容易受到酸雨破壞的一個原因是岩石不是碳酸鹽。

由於汙染物可以傳播很遠，因此許多酸雨會落在汙染物排放地以外的州或國家。瑞典的所有降雨都是酸性的，全國各地的湖泊中的魚類都在死亡。汙染物來自英國和西歐，這些地區現在正在努力減少排放。加拿大也受到來自美國的酸雨的困擾，這個問題也在改善。隨著東南亞工業化，該地區國家之間的酸雨現象越來越嚴重。

臭氧層破壞

此時此刻，你可能會問自己，“臭氧是壞的還是好的？”這個問題沒有簡單的答案：這取決於臭氧的位置。在對流層，臭氧是一種汙染物。在更高的地方，在平流層，臭氧會遮蔽高能紫外線輻射，從而使地球適宜居住。這種保護性臭氧存在於臭氧層中。

人類製造的化學物質正在破壞臭氧層，這些化學物質會將平流層中的臭氧分子分解。這些化學物質中最常見的是氯氟烴 (CFC)，但也包括其他化學物質，如滷代烷烴、溴甲烷、四氯化碳和氯仿。CFC 曾經被廣泛使用，因為它們便宜、無毒、不可燃且不反應。它們被用作噴霧劑推進劑、製冷劑以及許多其他產品。

一旦被釋放到空氣中，CFC 會漂浮到平流層。氣流將它們帶向兩極。在冬季，它們會凍結在極地平流層雲 (PSC) 中的硝酸分子上。PSC 僅在平流層最冷的地方形成，在冬季南極洲上空最為常見。在春季，太陽的溫暖開始使空氣流動，紫外線會分解 CFC。氯原子會漂浮起來並附著在臭氧分子上的氧原子之一。氯會將氧原子拉開，留下一個 O₂ 分子，該分子沒有紫外線保護作用。然後氯會釋放氧原子，繼續破壞另一個臭氧分子。一個 CFC 分子可以破壞多達 100,000 個臭氧分子。

臭氧破壞會形成臭氧洞，臭氧層在該區域變得危險地稀薄（圖 22.11）。隨著空氣在春季繞南極洲迴圈，臭氧洞向北擴充套件到南半球大陸，包括澳大利亞、紐西蘭、南美洲南部和非洲南部。在臭氧洞下方，紫外線水平可能會上升 20%。臭氧洞最早是在 1981 年測量的，當時它為 200 萬平方公里（900,000 平方英里）。2006 年的臭氧洞是迄今為止觀測到的最大臭氧洞，為 2800 萬平方公里（1140 萬平方英里）。它具有有史以來記錄的最低臭氧水平，而且持續時間也最長。每年臭氧洞大小的差異取決於許多因素，包括是否滿足形成極地平流層雲的條件。

臭氧損失也發生在北極地區，但不足以讓科學家將其稱為臭氧洞。低臭氧水平區域很小，因為大氣不那麼冷，PSC 也不容易形成。儘管如此，春季臭氧水平仍然相對較低。這種低水平向南移動，覆蓋了歐洲、北美和亞洲的一些人口最稠密的地區。在 40°N，也就是紐約市所在的緯度，自 1978 年以來，UV-B 每年平均增加約 4%。在 55°N，也就是莫斯科和哥本哈根所在的緯度，自 1978 年以來，每年平均增加 6.8%。

人口中心地區的臭氧損失會增加曬傷、白內障（眼球晶狀體渾濁）和皮膚癌的發生率。據估計，臭氧損失僅為 1%，就會使皮膚癌病例增加 5% 到 6%。人們的免疫系統抵禦傳染病的能力也會下降。臭氧損失可能會降低作物產量，因為許多植物對紫外線敏感。過量的紫外線似乎正在降低海洋浮游生物的生產力。在南極洲周圍已經測量到 6% 到 12% 的下降，這可能至少部分與臭氧洞有關。過量的紫外線對其他生物的影響尚不清楚。當人們認識到臭氧層破壞問題時，世界各國領導人採取了行動。1978 年，一些國家禁止在噴霧劑中使用 CFC。1986 年是 CFC 的最大生產年份，但此後一直在下降。這將在下一課中進一步討論。

課程總結

空氣汙染會損害人類健康和環境。顆粒物會降低能見度，改變天氣，並導致肺部問題，如哮喘發作。
臭氧會破壞植物，還會導致肺病。酸雨會破壞森林、農作物、建築物和雕像。
臭氧洞是由破壞臭氧的化學物質造成的，它會導致更多的紫外線輻射照射地球。
這會導致浮游生物數量下降，人類皮膚癌等其他問題增加。

複習題

為什麼美國的可視性如此之低？
為什麼健康建議建議人們限制金槍魚的食用量？
為什麼臭氧汙染或酸雨可能會改變整個生態系統？
為什麼空氣汙染對發展中國家的影響比發達國家更大？
為什麼兒童比成年人更容易受到空氣汙染的影響？
描述生物累積。
汙染如何間接殺死或傷害植物？
你認為噴氣式飛機對全球變暖有什麼影響？
為什麼空氣汙染是一個地方性、區域性和全球性問題？
CFC 如何破壞臭氧層？

詞彙

酸雨: pH 值小於 5.0 的雨水。
鹼性: 也稱為鹼性。pH 值大於 7.0 的物質。
生物累積: 有毒物質在生物體內積累，導致其濃度在食物鏈中上升。
臭氧洞: 南極洲周圍的一個區域，由於破壞臭氧的化學物質的作用，春季臭氧水平會降低。
pH 值: 測量溶液酸度的量表。pH 值為 7 為中性。較小的數字表示更酸性，較大的數字表示更鹼性。
極地平流層雲 (PSC): 當平流層特別冷時形成的雲；PSC 是分解 CFC 的必要條件。

需要考慮的問題

由於汞會生物累積，而燃煤電廠繼續向大氣排放汞，那麼喜歡吃金槍魚和其他大型掠食性魚類的人會有什麼後果？
兒童哮喘發病率上升的可能原因是什麼？
已經對 CFC 和一些其他破壞臭氧層的物質實施了禁令。臭氧洞將如何響應該禁令而改變？

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