酸雨的形成原因及其影响

1酸雨的形成原因及其影响1、酸雨的形成原因1.1酸雨的发现随着工业革命带来了科技的急速发展，能源的消耗日益增加，这些能源主要来自是煤，进而导致燃煤数量的日益猛增，但煤中含有杂质硫，在燃烧煤的过程中将排放酸性气体2SO；同时燃烧产生的高温还能促使助燃的空气发生部分化学变化，促使氧气与氮气化合，也排放酸性气体xNO。这些酸性氧化物在高空中被雨雪冲刷，溶解从而形成酸雨。1872年英国科学家史密斯分析了伦顿市雨水成份，发现它呈酸性，且农村雨水中含碳酸铵，酸性不大；郊区雨水含硫酸铵，略呈酸性；市区雨水含硫酸或酸性的硫酸盐，呈酸性。于是史密斯首先在他的著作《空气和降雨：化学气候学的开端》中提出“酸雨”的概念。酸雨只是酸沉降中的一种，酸沉降是指大气中的酸性物质通过降水，如雨、雪、雾、冰雹等迁移到地表，或酸性物质在气流的作用下直接迁移到地表的过程，前者为湿沉降，后者为干沉降。1.2酸雨的形成原因酸雨的形成是一种复杂的大气化学和大气物理的现象。酸雨中含有多种无机酸和有机酸，无机酸中绝大部分是硫酸和硝酸，从而形成硫酸型酸雨和硝酸型酸雨两种。工业生产、民用生活燃烧煤炭排放出来的二氧化硫，燃烧石油以及汽车尾气排放出来的氮氧化物，经过“云内成雨过程”，即水气凝结在硫酸根、硝酸根等凝结核上，发生液相氧化反应，形成硫酸雨滴和硝酸雨滴；又经过“云下冲刷过程”，即含酸雨滴在下降过程中不断合并吸附、冲刷其他含酸雨滴和含酸气体，形成较大雨滴，最后降落在地面上，形成了酸雨，我国的酸雨是硫酸型酸雨。酸雨的形成分为以下几个过程：1.由污染源排放的气态2SO、XNO经气相反应生成42SOH、3HNO或硫酸盐、硝酸盐气溶胶；2.云形成时，24SO和3NO的气溶胶粒子以凝结核的形式进入降水；3.云滴吸收了2SO、XNO气体，在水相氧化形成24SO和3NO;4.云滴成为雨滴，降落时吸收了含有24SO和3NO的气溶胶；5.雨滴下降时吸收2SO、XNO，再在水相中转化成24SO和3NO。氮氧化物以及硫氧化物是形成酸雨的主要酸性氧化物，在国外酸雨中硫酸和2硝酸之比约为2∶1，而我国降水中硫酸和硝酸之比约10:1。这说明，我国的酸雨主要是大气中的二氧化硫造成的。这与两区能源结构的差别有关：美国加强风能、太阳能、风能等可再生资源的利用，同时减少煤、石油、天然气的使用，使其大气中含硫的氧化物较少；然而中国的在风能、太阳能、风能等可再生资源的利用上普遍较低，仍然以煤、石油、天然气为主要能源，使我国大气中含硫的氧化物较多。当前世界最严重的三大酸雨区是西北欧、北美和中国。我国酸雨分布：覆盖四川、贵州、广东、广西、湖南、湖北、江西、浙江、江苏和青岛等省市部分地区，面积达200多万平方公里的酸雨区。从化学角度看，大气中的酸性物质增加或碱性物质减少，或两者同时发生都将导致降水酸化。刘帅仁等研究了大气气溶胶在云下雨水酸化过程的作用。结果表明：1.气溶胶对雨水酸度有影响，若气溶胶的pH值低于雨水的pH值，则气溶胶起酸化作用；反之，则起碱化作用；但气溶胶的酸化作用强于碱化作用。2.在一般浓度(每3cm含103个)下，酸性气溶胶是雨水H的重要来源，碱性气溶胶可消耗雨水中的H；气溶胶对雨水24SO的贡献较小。3.酸性气溶胶对雨水的酸化作用随2SO浓度增大而减弱，而碱性气溶胶对雨水的碱化作用随2SO浓度增大而增强；云内清除过程是雨水24SO的重要来源，云下气溶胶清除过程对24SO贡献较小。4.3HNO对雨水H的贡献比同浓度的2SO要大几倍，气溶胶对雨水3NO的贡献相当于1ng/mL3HNO的贡献，随着3HNO浓度的增大，气溶胶的相对贡献迅速减少。1.3酸雨酸性大小的影响因素大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性（二氧化碳在全球大气浓度为330ml/3m），pH值为5.65。pH值小于5.65的雨叫酸雨；pH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾，pH值小于5.65时叫酸雾。影响酸雨酸性的因素有很多，其中主要有三个方面。第一个方面是大气中的氨。大气中的氨（3NH）对酸雨形成是非常重要的。氨是大气中唯一的常见气态碱。由于它的水溶性，能与酸性气溶胶或雨水中的酸反应，起中和作用而降低酸度。大气中氨的来源主要是有机物的分解和农田施用的氮肥的挥发。土壤的氨的挥发量随着土壤pH值的上升而增大。京津地区土壤pH值为7-8以上，而重庆、贵阳地区则一般为5-6，这是大气氨水平北高南低的重要原因之一。土壤偏酸性的地方，风沙扬尘的缓冲能力低。这两个因素合在一起，至少在目前可以解释我3国酸雨多发生在南方的分布状况。第二个方面是颗粒物酸度及其缓冲能力。大气中的污染物除酸性气体2SO和XNO外，还有一个重要成员——颗粒物。颗粒物的来源很复杂。主要有煤尘和风沙扬尘。后者在北方约占一半，在南方估计约占三分之一。颗粒物对酸雨的形成有两方面的作用，一是所含的催化金属促使2SO氧化成酸；二是对酸起中和作用。但如果颗粒物本身是酸性的，就不能起中和作用，而且还会成为酸的来源之一。目前我国大气颗粒物浓度水平普遍很高，为国外的几倍到十几倍，在酸雨研究中自然是不能忽视的。第三个方面是天气形势的影响。如果气象条件和地形有利于污染物的扩散，则大气中污染物浓度降低，酸雨就减弱，反之则加重（如逆温现象）。就北方酸雨区而言，雨水中除含酸性物质外，还含有从空气中洗涤进来的碱性物质，如含碳酸盐的土壤扬尘、工业粉尘和天然来源的氨等。酸碱物质会发生中和反应。雨水酸度实际上是酸碱物质相平衡的结果。我国北方气候干燥，土壤多呈碱性，这些碱性土壤被风扬到空中，对雨水中的酸起中和作用。南方土壤多偏酸性，气候湿润，大气中飘尘较少，对酸的中和能力较低。酸雨发生频率一直维持在较低的水平，但自2003年开始，京津冀地区及河南部分地区的酸雨发生频率增加到20%甚至50%以上，山东省酸雨发生频率大于50%的区域面积也逐渐扩大。尤其值得注意的是，传统上为非酸雨区的北京地区近些年雨水酸化趋势十分明显。我国西南地区酸雨严重的原因，是我国西南地区降水酸度很高，既与该区域所使用的煤中含硫量较高有关，也与该区域的地形、气象和土壤等自然地理条件有关。西南地区煤的含硫量达5%左右，并且未经任何脱硫处理品而直接使用，因此二氧化硫的排放量很高。重庆市全年的耗煤量只及北京的三分之一，但每年排放的二氧化硫量却是北京的2倍。再加上重庆和贵阳的气象条件和地形条件也不利于污染物的扩散，故大气中二氧化硫浓度很高。而且，这个地区气温高、湿度大，有利于二氧化硫转化为三氧化硫，并进一步转化为硫酸。另外，该区域土壤亦呈酸性反应，大气中碱性物质较少。所有这些条件造成了我国西南大面积强酸性降雨区。此外自然界对酸性有一定抵御能力，如土壤中的碳酸钙，大气中的氧化钙、碳酸钙微粒（风沙天气时更多），碱性物质可与酸雨起中和作用，但超过其抵御能力，就会出现酸雨现象。由于不同的地方存在地质条件的不同，导致不同酸度的酸雨对其影响也不同。通过对降水的多年观察，近年来也有人对pH=5.6能否作为酸性降水的界限以及判别人为污染的界限提出了异议。首先除二氧化碳外还存在着各种酸、碱性4气态和气溶胶物质；其次作为对降水pH值有决定影响的强酸，尤其是硫酸和硝酸，并不都来自人为原因。空气中碱性物质的中和作用，使得空气中酸性污染严重的地区并不表现出来酸雨，例如中国北部地区；再次降水pH＞5.6的地区并不都意味着没有人为污染；最后H浓度不是一个守恒量。高清洁大气中，除2CO外还存在各种酸、碱性气态和气溶胶物质，它们通过成云和降水冲刷进入于水中，其pH值不一定是5.6。根据上述情况有人提出：降水的pH背景值。这个事根据世界各地不同的自然地理条件，需要经过长期测定确定其背景值。2、酸雨的影响2.1酸雨对全球影响欧洲大面积酸雨：19世纪60年代，欧洲建立了欧洲大气化学监测网，继而发现pH值低于4.0的酸雨地区，集中于地势较低地区，如荷兰，丹麦，比利时等。瑞典科学家奥登研究了欧洲的气象和降水，湖水，土壤的化学变化，证实欧洲大陆存在大面积酸雨，是洲级区域环境问题。同时世界也意识到了酸雨对全球的影响。1972年，瑞典政府给联合国人类环境会议提出报告《穿过国界的大气污染：大气和降水中硫的影响》，引起各国政府关注，1973至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西北欧。1974年和以后北美证实在美国东北部和与加拿大交界地区亦发现大面积酸雨区域，几乎北美有三分之二陆地面积受到酸雨威胁，甚至在美国夏威夷群岛的迎风一侧，也出现酸雨。再后，东南亚日本、韩国等亦发现大面积酸雨。有位科学家到杳无人烟，且长年冰封雪盖的格陵兰岛，给冰层打钻，取出180年前的冰块，与现在的酸度相比，酸度增长了99倍。至此世人公认酸雨是当前全球性重要区域环境污染问题之一。酸雨现象正在发展：1986年5月，在肯尼亚首都内罗毕召开的第三世界环境保护国际会议上，专家们认为，酸雨现象正在发展，它已成为严重威胁世界环境的十大问题之一。地球的南极和北极终年冰雪，罕见人至，但80年代，挪威科学家在北极圈内大面积地区都测到酸雨或酸雪。这些酸雨或酸雪是哪儿来的？他们认为是前苏联南部工业区排放的大气酸性物质，随气流，几千公里飘移到此地。后来在南极地区也有人曾收集到pH为5.5的酸性降水。这些酸性降水所含的酸性物质，可能来自更远的距离。看来，酸雨不但没有国界，也没有洲界。中国南极长城站测到酸雨：1998年上半年，中国南极长城站八次测得南极5酸性降水，其中一次pH值为5.46。有趣地是，当刮偏南风或偏东风时，南极大陆因为没有人为排放，大气是新鲜的，所以测得降水的都接近于中性；当刮西北风时，来自南美洲和亚太地区的大气污染物将吹到中国南极站所处的南极半岛，遇到降水，形成酸雨。这说明:南极也不是“净土”。从酸雨到毒雪：酸雨给人类敲响了警钟。90年代科学家又在冰雪世界的南极和北极收集到了含有有毒农药成份的“毒雪”。“毒雪”形成与酸雨或酸雪形成过程极为相似。也是人类活动，使用人造的农药到田间，杀虫增产，但农药却进入了环境；也是通过大气远程传输；也是在高空中，污染物被雨雪冲刷；也是最终降落地面，危害人类。由“酸雨”，发展到“毒雪”，如此严重的环境恶化趋势，令人类反省！2.2酸雨对我国的影响1974年我国科学院生态环境研究中心等单位的科学家首先在北京西郊进行酸雨监测；而后70年代末期又奔走于重庆、贵阳、武汉、南京和北京等市，进行监测，并在长江以南，测到酸雨。引起国人重视。在我国，20世纪80年代初，酸雨主要发生在以重庆、贵阳为代表的西南地区。到90年代中期，酸雨迅速发展到长江以南、青藏高原以东及四川盆地的广大地区，形成华中、西南、华东、华南4大酸雨区，年均降水PH5.6的区域面积达全国面积的40%左右，成为继北欧、北美之后的世界第三大酸雨区。1995年，我国2SO排放高达2370万吨，居世界第一位，到目前为止酸雨主要有以下对我国的几点影响。1.酸雨对土壤方面的影响酸雨使土壤中Ca、Mg、K等营养元素溶出，并迅速流失，破坏土壤的营养，使土壤贫瘠化。土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝矿物的风化而释放出大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸雨能加速某些矿物质元素流失，由于营养少了，土壤贫瘠，植物难以正常发育，由于抵抗力差了，植物病虫的虫害出现，使农作物减产。酸雨可使土壤微生物种群变化，细菌个体生长变小，生长繁殖速度降低，如分解有机质及其蛋白质的主要微生物类群牙孢杆菌，极毛杆菌和有关真菌数量降低，影响营养的循环，也是造成农业减产的原因。特别是酸雨可降低土壤中氨化细菌和固氮细菌的数量，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降。2.酸雨对生态系统的影响酸雨中的氢离子，首先中和碳酸氢根离子形成弱酸性的碳酸，碳酸氢根被耗6尽时，新加的氢离子便会将pH值大幅下降了，湖水变成酸性，在pH5.0～6.5之间时；同时，当酸雨降落到河流、湖泊中使水的pH低于5.0时，会妨碍水中鱼、虾的成长，以致鱼虾减少或绝迹同样会导致水中动