高中地球科學/減少空氣汙染
1970 年的《清潔空氣法》及其後期的修正案在要求人們清理美國上空的空氣方面做得很好。《清潔空氣法》規定了六種主要汙染物，即一氧化碳、鉛、氮氧化物、臭氧、二氧化硫和顆粒物，它們的排放量減少了 50% 以上。汽車、發電廠和工廠的單個汙染排放量都比 20 世紀中葉少，但汽車、發電廠和工廠的數量卻更多。許多汙染物仍在排放，並且一些物質已被發現是過去未知的汙染物。為了繼續清理空氣，還有許多工作要做。
- 描述減少能源消耗的主要方法。
- 討論正在開發的減少空氣汙染物（包括溫室氣體）的新技術。
- 描述對排放量設定上限與減少排放量之間的區別。
減少空氣汙染的方法有很多。減少化石燃料的使用是減少汙染的一種方法。人們透過節約來減少燃料的使用，這意味著不使用資源或減少使用資源。例如，騎腳踏車或步行而不是開車就不會使用任何化石燃料。乘坐公共汽車比自己開車或乘坐汽車使用更少的燃料，拼車也是如此。如果需要開車，購買燃油效率更高的汽車很重要。
你可以在家裡節約用電（從而節約化石燃料），方法是不用時關掉燈泡和電器，使用節能燈泡和電器，甚至少買東西。所有這些行動都減少了發電廠需要產生的能源量。
北美和歐洲的人們有很多理由試圖減少他們對化石燃料的使用。正如你已經看到的那樣，空氣汙染對健康和環境造成了巨大的損害。還有其他原因。我們使用的大部分石油來自中東，這是一個世界上政治不穩定的地區。此外，化石燃料正在枯竭，儘管一些燃料會比其他燃料更早枯竭。最容易獲得的化石燃料大多已經枯竭，現在正在使用更難使用或回收的燃料。還有其他型別的化石燃料最終可以替代煤炭和石油，例如油砂和油頁岩。但這些問題比傳統化石燃料更嚴重：從地下開採它們會導致嚴重的環境損害，燃燒它們會釋放汙染物，包括溫室氣體。
替代能源很重要。它們目前在能源供應中所佔比例並不大，但它們將在未來幾年和幾十年內迅速增長。一些替代能源，包括太陽能和風能，目前使用不多，因為這些技術還沒有得到很好的發展。例如，將陽光轉化為可用的太陽能仍然比使用化石燃料貴得多。為了更廣泛地使用太陽能，需要技術進步，以便價格下降。此外，由於一些地區陽光照射量低，因此並非美國所有地區都採用太陽能。這些地區將需要開發不同的能源。雖然美國西南部沙漠地區需要開發太陽能，但大平原可以使用風能作為能源。也許一些地方會依賴核電站，儘管目前的核電站存在重大問題，例如安全和廢物處理。
一些汙染物可以在排放到大氣中之前從排放流中過濾掉。其他汙染物可以在排放到大氣中之前分解成無毒化合物。以下部分將介紹其中一些技術。
減少機動車排放的空氣汙染可以透過多種方式實現。汙染物可以在排放到大氣中之前被分解。車輛可以更加省油。可以開發新的技術，使它們完全不依賴化石燃料。
由於催化轉化器（圖 22.12），機動車排放的汙染物比過去少。在美國，現代汽車上都安裝了催化轉化器。這些裝置減少了氮氧化物、一氧化碳和 VOC 的排放。催化劑可以加速化學反應，而自身不會在反應中消耗。對於氮氧化物，催化劑會將氮原子和氧原子分離。然後，氮與另一個氮離子結合形成氮氣 (N2)，氧則形成 O2。VOC 和 CO 以類似的方式分解成溫室氣體 H2O 和 CO2。催化轉化器只有在高溫下才能工作，因此當汽車熱車時，會排放大量廢氣。
有幾種簡單的方法可以提高車輛的燃油效率。較輕的車輛需要更少的能量才能移動。流線型的車輛受到的風阻更小。因此，小型、輕便、流線型的汽車的燃油效率遠高於笨重、沉重的 SUV。混合動力汽車是目前廣泛應用的效率最高的汽車之一。混合動力汽車有一個小型內燃機，工作方式與普通汽車相同。它們還配備了電動馬達和可充電電池。在剎車過程中，普通汽車會失去其動能。在混合動力汽車中，這種能量會被引導到電池充電。當汽車再次加速時，它會利用電池中儲存的能量。只有當電池中的能量耗盡時，內燃機才會接管。混合動力汽車在城市中行駛時燃油效率很高，因為車輛經常啟動和停止。混合動力汽車也配備了催化轉化器：電池預熱轉化器，使其在汽車啟動後更早開始工作。混合動力汽車可以將汽車尾氣排放量減少 90% 或更多。不幸的是，在許多混合動力汽車中，混合動力技術更多地用於提高加速效能，而不是燃油經濟性。
正在開發的一項新技術是插電式混合動力汽車。當車輛不用時，可以將其插入電源，例如在車庫中。汽車在下次使用時會使用電池中儲存的能量。插電式混合動力汽車比普通混合動力汽車汙染更少，因為它們可以在電力驅動下行駛更長時間。汽車製造商預計插電式混合動力汽車將在 2010 年左右上市。
燃料電池是另一種正在開發中的技術（圖 22.13）。氫燃料電池利用氫氣和氧氣結合生成水的過程中釋放的能量。燃料電池非常高效，並且不產生任何汙染物。但開發燃料電池技術也存在問題。燃料電池使用的氧氣來自大氣，但沒有簡單的氫氣來源。天然氣是一種來源，但將其轉化為可用的氫氣會降低燃料電池的效率並增加汙染，包括溫室氣體。天然氣還有其他重要的用途。現在生產的一些燃料電池汽車只是作為模型。目前這些汽車非常昂貴，而且加油站很少。一些汽車製造商表示，為了讓燃料電池汽車普及，生產成本必須降至當前價格的 1%。
在汙染物進入大氣之前，它們會從發電廠和工業廠的排放流中去除。顆粒物可以被過濾掉，而硫和氮氧化物則被催化劑分解。去除這些氧化物可以減少導致酸雨的汙染物。
從排放物中去除顆粒物相對容易。布袋除塵器的工作原理就像一個巨大的真空吸塵器袋，在灰塵流過時過濾掉灰塵。布袋除塵器可以收集大約 98% 的幹顆粒物。旋風分離器是一種氣流，它在形狀像圓柱體或圓錐體的容器中快速旋轉。大顆粒被強制朝氣流邊緣移動。當它們撞擊容器的外壁時，它們會落到底部，然後被清掃出來。當旋風分離器的半徑減小時，可以收集較小的顆粒物。靜電可以收集和去除顆粒物。這些靜電除塵器對於從高溫氣體中去除物質非常有用。
洗滌器從排氣中去除顆粒物和廢氣（圖 22.14）。溼式洗滌器使用液體溶液來洗滌汙染物。乾式洗滌器使用鹼或其他材料來中和酸性氣體汙染物。其他技術用於消除其他有毒氣體。例如，氮氧化物可以在非常高的溫度下被分解。
氣化是一項正在發展中的技術。這種方法在汙染物排放到大氣中之前，會去除煤炭中的一些毒素。在氣化過程中，煤炭被加熱到極高的溫度。產生的氣體被過濾，能量用於驅動發電機。與傳統的燃煤電廠相比，這種方法釋放的汙染物減少了約 80%，溫室氣體排放量也更低。清潔燃煤電廠不需要洗滌器或其他汙染控制裝置。雖然這項技術已經成熟，但清潔燃煤電廠的建設和運營成本更高，因此很少建造。此外，將煤炭加熱到足夠高的溫度需要大量的能量，因此這項技術效率不高。此外，即使使用清潔燃煤技術，仍會釋放大量的溫室氣體 CO2。
減少對大氣有害汙染物的一個成功案例與破壞臭氧的化學物質有關。1973年，科學家計算出，氟氯烴可以到達平流層並分解。這將釋放出氯原子，然後破壞臭氧。僅僅基於他們的計算，美國和大多數斯堪的納維亞國家於1978年禁止在噴霧罐中使用氟氯烴。
在採取更多措施減少破壞臭氧的化學物質的生產之前，還需要更多證實氟氯烴會分解臭氧的證據。1985年，英國南極調查局的成員報告說，在過去三個春季，南極洲上空臭氧層減少了50%。兩年後，世界各國批准了《關於消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》。
《蒙特利爾議定書》控制著96種破壞臭氧層的化學物質的生產和消費。發達國家首先逐步淘汰危險物質，發展中國家則在十年後逐步淘汰。更危險的物質淘汰速度更快。自1995年以來，氟氯烴已基本被淘汰，儘管一些發展中國家將在2010年之前繼續使用。
如果氟氯烴沒有被逐步淘汰，到2050年，它們可能比1980年豐富10倍。結果將是美國約2000萬例皮膚癌病例和全球1.3億例皮膚癌病例。儘管政府已經採取行動減少氟氯烴，但它們需要很多年才能到達平流層，並且在分解之前可以在那裡存活很長時間。因此，臭氧空洞可能會在開始縮小之前繼續擴大一段時間。臭氧層將在2068年左右恢復到1980年之前的水平，並在一個或兩個世紀內恢復到1950年的水平。
減少溫室氣體排放與控制空氣汙染有關。與許多其他空氣汙染物不同，氣候變化是一個全球性問題。氣候學家一致認為，所有國家必須共同努力減少溫室氣體排放。到目前為止，這種情況還沒有發生。
首次嘗試限制溫室氣體排放的是《京都議定書》。《京都議定書》將發達國家的溫室氣體排放限制在1990年的水平以下。由於多種原因，《京都議定書》沒有取得《蒙特利爾議定書》那樣的成功。溫室氣體排放大國美國沒有簽署《京都議定書》，也沒有受到該協議的約束。發展中國家，最顯著的是中國，簽署了該條約，但沒有義務改變其溫室氣體排放。在同意減少排放的國家中，只有少數國家正按計劃實現其目標。更重要的是，自這一過程開始以來已經過去了數年，氣候學家一致認為，《京都議定書》並沒有將排放量減少到足夠的程度。一些人說，為了避免危險的氣候變化，需要將《京都議定書》規定的減排量增加40倍。目前正在制定計劃，在2012年用一項更有效的條約取代《京都議定書》。
《京都議定書》建立了一個排放權交易制度。每個參與國都被設定了一個溫室氣體排放上限，不應該超過這個上限。如果一個國家有可能超過其排放上限，它可以從排放量低於上限的國家購買排放權。排放權交易為各國提供了經濟上的激勵，促使它們開發減少排放和節約能源的技術。美國的一些州和城市已經開始實施自己的排放權交易制度，因為他們認為聯邦政府在解決氣候變化問題方面做得不夠。
無論採取何種方式，氣候學家和許多其他人一致認為，必須降低溫室氣體排放。最簡單、最快的途徑是提高能源效率。可以對CO2排放徵收碳稅，以鼓勵節約能源。這種稅收將徵收在汽油、工廠排放的二氧化碳和家庭能源賬單上，以鼓勵節約能源。例如，當人們購買新車時，他們更有可能購買節能型汽車。碳稅的收入可以用於資助替代能源的研究。所有碳稅計劃都允許對無力支付更多能源費用的個人提供稅收抵免，這樣他們就不會受到不公平的待遇。
可以開發出更節能的車輛和電器。一些，如混合動力汽車，目前已經上市。可以採用減少甲烷排放量的農業實踐。
除了提高效率之外，還可以開發新技術。可以開發和擴大太陽能和風能等替代能源。生物燃料可以替代車輛中的汽油，但必須明智地開發（圖22.15）。到目前為止，大多數生物燃料都是用玉米等作物生產的。但當糧食作物被用作燃料時，糧食價格就會上漲。此外，現代農業極度依賴化石燃料來生產殺蟲劑、化肥和農業作業。這意味著使用生物燃料與直接使用化石燃料相比，並沒有獲得多少能量。目前正在研究更具潛力的生物燃料作物。令人驚訝的是，藻類正在被研究作為燃料來源！藻類可以在不適合農業的地區生長，而且它所含的可利用油脂比玉米等作物要多得多。
溫室氣體也可以在排放到大氣後被清除。碳封存是指從大氣中清除二氧化碳。碳自然封存在森林中，但不幸的是，目前森林面積的減少速度超過了增加速度。另一個想法是人工封存碳。例如，可以從氣化廠的排放中捕獲碳。然後，這些碳被儲存在地下鹽層或煤層中，使其不會排放到大氣中。雖然一些小型封存專案正在進行，但還沒有嘗試過大規模封存。雖然這是一種很有前景的新技術，但碳封存也是未經驗證的，可能在應對全球變暖方面不會起到重大作用。
正如個人可以減少其他型別的空氣汙染一樣，人們也可以透過節約能源來應對全球變暖。此外，人們可以參與地方、區域和國家層面的努力，在能源政策方面做出明智的選擇。
- 空氣汙染可以透過多種方式減少。最好的方法是透過節約能源或提高能源效率來不使用產生汙染物的能源。
- 替代能源是減少汙染的另一種好方法。大多數替代能源技術仍在改進中（太陽能、風能），而一些技術則存在其他問題（核能、生物燃料）。
- 汙染物可以透過過濾或分解從廢氣流中去除。一些汙染物最好不要排放，比如氟氯烴。
- 自1970年《清潔空氣法》頒佈以來，為什麼空氣仍然沒有清潔？
- 有哪些方法可以幫助節約能源？
- 1970年《清潔空氣法》中描述的減少空氣汙染措施如何影響溫室氣體排放？
- 在替代能源取代化石燃料之前，必須做些什麼？
- 什麼是催化轉化器？
- 為什麼混合動力汽車比由內燃機驅動的普通汽車更節能？
- 為什麼燃料電池汽車還沒有普及？
- 旋風分離器如何減少顆粒物汙染？
- 如何使燃煤發電對大氣的碳排放幾乎為零？
- 為什麼臭氧空洞要幾十年才能修復？
- 許多人認為生物燃料是解決氣候變化問題的答案，但另一些人則不同意。如果生物燃料要真正有效地替代機動車中的汽油，它們必須滿足哪些要求？
- 生物燃料
- 由生物材料（通常是農作物）製成的燃料。
- 碳封存
- 從大氣中清除二氧化碳，使其不再在大氣中發揮溫室氣體的作用。
- 催化劑
- 一種增加（或減少）化學反應速率但本身在反應中不消耗的物質。
- 催化轉化器
- 安裝在現代機動車上，這些裝置使用催化劑分解汙染物。
- 燃料電池
- 一種能量電池，將化學能轉化為電能。
- 氣化
- 一種在煤炭燃燒之前對其進行清潔的技術，可以提高效率並減少排放。
- 混合動力汽車
- 一種非常高效的汽車，由內燃機、電動機和可充電電池提供動力。
- 為什麼減少空氣汙染很重要？
- 在你的生活中，你可以做些什麼來減少你對大氣層的影響？
- 為什麼需要全球努力來減少全球氣候變化的威脅？