北大环境生态学课件10酸雨及对环境生态的影响

第10章酸雨及对环境生态的影响目录第1节酸雨的研究历史及现状第2节酸雨的概念第3节酸雨的形成机理第4节酸雨对人类健康的危害第5节酸雨对环境生态的危害第6节酸雨对建筑古迹的危害第7节防治酸雨的综合对策1648年大气压力BPascal(1623-1662)1735年信风GHadley(1685-1768)1863年温室效应JTyndall(1820-1893)1903年混沌理论JHPoincare(1854-1912)1963ENLorenz1912年大陆漂移ALWegenner(1880-1930)1914年气候周期MMilankovich(1879-1958)1920年气象预报VBjerknes(1862-1951);JBjerknes(1897-1975)1974年臭氧洞MMolina(1943-);SRowland(1927-)科学之书---影响人类历史的250项科学大发现ByPeterTaylor第1节酸雨的研究历史及现状随着现代工业的发展，人口剧增和城市化的趋向，化石燃料能源---煤和石油等的消耗量日益增加，燃烧过程中排放的硫氧化物和氮氧化物愈来愈多，导致这些气态化合物在大气中反应生成硫酸和硝酸，这些酸性物质排放到大气中使大气水汽酸化，随雨雪等从大气层降落到地球表面形成酸性降水。对人类和生物圈陆生态系统造成危害，已成为举世瞩目的重大环境生态问题。酸雨（AcidRain)这一术语最早是由英国化学家史密斯（R.A.Smith)提出的。他在1852年分析曼彻斯特地区的降雨时，发现城区雨水成分中含有硫酸或酸性硫酸盐，并在1872年出版的《空气和降雨：化学气候学的开端》一书中，首次使用“酸雨”一词。在五十年代初期，北欧国家瑞典和挪威的渔业无故减产，经研究之后，发现与酸雨有关。原因是欧洲的工业排放大量酸性气体，通过空气飘流至北欧，雨水溶解了那些气体，形成酸雨，使湖泊酸化，导致渔业减产。在50年代后期，酸雨在比利时、荷兰和卢森堡被发现，10年后，酸雨在德国、法国、英国等地区相继出现。60年代初，瑞典土壤学家奥顿（S.Oden)通过对湖泊学、农学和大气化学的综合研究，发现了一些带普遍性的趋向和关系，他指出：酸雨是欧洲的一种大范围现象，降水和地面水的酸度越来越高，含硫、氧的大气污染物可迁移100—2000km。他的这些发现在1967、1968年发表后，立即引起了轰动。到六十年代，欧洲开始关注酸雨问题，设立了大气化学监测网，发现欧洲大陆存在大面积的酸雨，并证实酸雨问题是洲际的环境问题。1967年，美国俄亥俄河上的跨河大桥跨塌，死亡人数四十六人，研究发现与酸雨侵蚀大桥，导致大桥桥体承压能力减弱有直接关系。20世纪70年代末到80年代酸雨从北欧扩大到中欧，同时北美也形成大面积酸雨。美国排放的酸性污染物顺风输送至下风向几百公里远的加拿大境内，造成加拿大的安达略省湖泊酸化，鱼类死亡。由此产生了美国和加拿大政府间的争端。1975年欧洲经济合作与发展组织开展了专项研究，证实酸雨地区几乎覆盖了整个北欧，北美有三分之二陆地面积受到酸雨危害，甚至在美国夏威夷群岛上也出现了酸性降雨。从19世纪80年代到本世纪中期，北欧地区先后发现降水化学组成的变化。科学家们发现降水中的硫酸和硝酸是污染源排放到大气中的SO2和氮氧化物（NOx）所形成的，并且还发现酸化的水体中鱼类种群在急剧减少。在1972年于斯德哥尔摩召开的第一次人类环境会议上，瑞典人Bertbolin等向大会做了题为“跨越国境的空气污染，空气和降水中的硫对环境的影响”的报告，提出了湖泊受到酸雨污染，严重威胁着环境生态，如不采取措施，将会对人类的生存环境造成灾难性的危害的论断。从此，酸雨便成为世人皆知的污染现象。于是，酸雨的研究在世界范围内迅速扩展开来。1975年5月12至15日，在美国俄亥俄州州立大学召开了《第一次酸性降水和森林生态系统国际研讨会》，会议由12个国家约300位学者参加，会议认为地球大气的酸度正在不断上升，酸雨的危害已扩大到发展中国家，其中一些地区的土壤酸化程度已经使森林和草原遭到破坏，甚至开始退化，这种现象可能是目前面临的最严重的国际性的环境生态危机之一。我国从1979年开始，对一些城市进行酸雨监测。1981年气象系统在全国有关气象台站开始了降水酸度的观测，同年12月22—26日，在北京召开了《第一次降水污染物和酸雨学术交流讨论会》。会议提出了在全国范围进行降水酸度的普查，并开展相应的研究工作。1982年国家环保局系统组织了全国性的酸雨普查工作，发现我国降水酸度有逐渐加重的趋势。1983年5月12—17日，在重庆举行了《第二次降水污染和酸雨学术交流讨论会》，会议上交流了第一次会议以来的研究成果。我国的酸雨监测结果表明，全国有20个省、市、自治区发现了酸雨，其面积之广，酸度之大，不亚于欧美各国，具体地讲，PH值低于5.6的监测站，约有90%位于秦岭、淮河一线以南，只有10%分布于该线以北的个别城市。在秦岭和淮河一线以南，酸雨正在从点（城市）到面（区域）迅速扩展。降水酸度年平均PH值小于5.0的地区有四川、贵州、湖南、广西等一大片，皖东南至赣东北、沪杭、沪宁以及浙、闽、奥沿海等一线。部分地点如重庆、贵阳市的相应PH值分别达到3.55和3.44，这与欧美洲的重酸雨区的酸度相当或接近。我国的酸雨具有明显的季节变化，总趋势是冬季酸度高，夏季酸度低，且以硫酸型酸雨为主，由此说明我国的能源结构以燃煤为主。我国城市局地酸雨灾害严重，是由于烟尘废气排放以低架源为主，从而不利于污染物质的长距离扩散造成的。本世纪以来，全世界酸雨污染范围日益扩大。目前，全球已形成三大酸雨区，主要分布在欧洲、北美和亚洲的中国长江以南地区。全球酸雨区的分布第2节酸雨的概念酸雨的定义：酸雨就是具有酸性的降雨，用pH值表示。pH值是液体中氢离子浓度对数的负值。纯水的pH值为7；酸性越大，pH值越低；碱性越大,pH值越高。未被污染的雨雪是中性的，pH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，pH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5.65的雨叫酸雨；pH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或城市中弥漫的雾,pH值小于5.65时叫酸雾。什么是酸雨率?一年之内可降若干次雨,有的是酸雨,有的不是酸雨,因此一般称某地区的酸雨率为该地区酸雨次数除以降雨的总次数。如果降雪为酸性,当以酸雨视之。酸雨率是判别某地区是否为酸雨区的一重要指标。什么是酸雨区？某地收集到酸雨样品,还不能算是酸雨区,因为一年可有数十场雨,某场雨可能是酸雨,某场雨可能不是酸雨,所以要看年均值。年均降水pH值高于5.65,酸雨率是0-20%,为非酸雨区;pH值在5.30--5.60之间,酸雨率是10--40%,为轻酸雨区;pH值在5.00--5.30之间,酸雨率是30-60%,为中度酸雨区;pH值在4.70--5.00之间,酸雨率是50-80%,为较重酸雨区;pH值小于4.70,酸雨率是70-100%,为重酸雨区。这就是所谓的酸雨五级标准。第3节酸雨的形成机理（1）雨水的酸化机制酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理现象，目前各国尚无较为成熟的理论。一般可以把酸雨的形成过程大致分为对污染物的云内成雨清除过程和云下冲刷清除过程。前一过程为水蒸汽凝结在由硫酸盐、硝酸盐等微粒组成的凝结核上形成液滴，液滴吸收二氧化硫、氮氧化物、气溶胶粒子，并互相碰撞，合并、絮凝而结合在一起形成云和雨滴，后一过程是云下微量物质（包括各种气体和各种组成的微粒物质）被雨滴从大气中捕获、吸收、冲刷带走。这两个过程中包括着极其复杂的云雾物理、云水、含水气溶胶和雨滴中的化学问题。(2)降水中酸的来源降水在形成和降落的过程中，会吸收大气中的各种物质。如果酸性物质多于碱性物质，就会形成酸雨。因此，为了解酸雨，必须同时弄清降水中酸和碱的来源和形成。硫酸根和硝酸根是酸雨的主要成分。硫酸和硝酸分别由二氧化硫和氮氧化物转化而成。二氧化硫转化为硫酸有两条途径：一为触媒氧化作用，即由Fe、Mn等作为触媒剂，二氧化硫和氧化合，形成三氧化硫，再与水结合，成为硫酸气溶胶；另一途径为光氧化作用，二氧化硫经光量子激化后与氧结合成为三氧化硫。另外也可与光化作用形成的自由基化合，形成三氧化硫。如光化作用形成的HO.和HO2.与二氧化硫发生下列反应：硫酸与水结合形成气溶胶、硫酸或硫酸盐气溶胶，直径为0.02—0.3mm。二氧化硫和硫酸盐气溶胶浓度在时间上的变化是相反的，二氧化硫浓度一般冬季高，而硫酸盐气溶胶则是夏季高；一天中，二氧化硫早晨高，而硫酸盐气溶胶常在正午前后出现高峰。氮氧化物转化为硝酸也有两条途径：HOSOHOSOHOSOHOHSO·+®+·®22224HOSOHOSOSOHOHSO2233224·+®·++®NOHOHNO25232+®HONOHNO·+®23据有关资料表明，国外降水的化学组成成分中，硫酸根与硝酸根的比值逐年下降，目前约为2：1。中国酸雨中的硫酸根占决对优势，与硝酸根的比值一般在10：1—10：2。这与我国的大气污染主要是二氧化硫污染相一致。因此，我国当前的酸雨是硫酸型的。目前人们普遍认为，酸雨是区域性的环境问题。由于气流的运动，各种污染物排放后不仅造成本地局部的空气污染，而且会随气流输送到很远，仅加拿大东部，每年即从美国输送约600万吨SO2。这种跨国转移已成为国际争端。图片均来自网站第四节温室效应及对人类生存的影响•Theformationanddepositionofacidrain二氧化硫是形成酸雨的主要原素二氧化硫是形成酸雨的主要原素,,燃烧煤炭是二氧化硫的主要发生源燃烧煤炭是二氧化硫的主要发生源..第4节酸雨对人类健康的危害酸雨对人体健康产生间接的影响。酸雨使地面水变成酸性，地下水中金属量也增高，饮用这种水或食用酸性河水中鱼类会对人类健康产生危害。据报道，有些国家由于酸雨的影响，地下水中铝、铜、锌、镉的浓度已上升到正常值的10—100倍。对人类的生存构成直接的威胁。据一些遭受酸雨危害严重的国家和地区的科研机构的报告：目前每年因酸雨污染致死的儿童和老人，前西德有2000—4000人；英国有1500—5000人；美国有1500—2500人。情况严重的1980年，仅美国和加拿大就有51000人遭酸雨污染致死。最近的研究表明，酸雾对人类健康的危害比酸雨更为严重，但至今尚未引起人们的重视。酸雨一般通过饮水和食用受酸雨污染的食物对人类遭成危害。而酸雾则随着人们的呼吸直接进入肺中，对人们健康的危害更为严重。酸雨对人类健康产生影响主要通过三种方式：一是经皮肤沉积而吸收；二是经呼吸道吸入，主要是硫和氮的氧化物引起急性和慢性呼吸道损害，原先就有肺部疾患，特别是年幼的哮喘病人受酸雨影响最为明显；三是来自地球表面微量金属的毒性作用，这是酸雨对人类健康最具重要性的潜在危害。第5节酸雨对环境生态的危害1.酸雨对水生生态系统的影响酸雨会使湖泊水生生态系统变成酸性，导致水生生物死亡。在瑞典有9万个湖泊，其中2万个已遭到不同程度的酸雨的侵害而酸化，4000个生态系统已被完全破坏。挪威南部5000个湖泊中有1750个已经鱼虾绝迹。加拿大安大略省已有2000—4000个湖泊变成酸性，鳟鱼和鲈鱼已几乎不能生存。美国对纽约东北部地区进行的调查结果表明，该地区214个湖泊中，PH值在5.0以下的已达半数之多，82个湖泊已无鱼类生存。研究表明，酸雨危害水生生态系统，一方面是通过湖水PH值降低导致鱼类死亡，另一方面是由酸雨侵渍了土壤，侵蚀了矿物，使Al元素和重金属元素沿着基石裂缝流入附近水体，影响水生生物的生存。当水中铝含量达到0.2毫克/升时，就会杀死鱼类。同时，对浮游植物和其它水生植物起营养作用的磷酸盐，由于附着在铝上，难于被生物吸收，其营养价值就会降低，并使赖以生存的水生生物的初级生产力降低。另外，瑞典、加那大和美国的一些研究揭示，在酸性水域，鱼体内汞的浓度很高。若这些含有高水平汞的水生生物进入人体，势必会对人类健康带来潜在的危害。2.酸雨对陆生生态系统的影响酸雨可对植物直接