高中地球科学/空气污染

地球的大气层通过提供光合作用和呼吸作用所需的必要气体来支持生命。臭氧层保护地球上的生命免受太阳紫外线的辐射。人们还利用大气层作为废气和颗粒物的排放地。

污染物包括自然存在的物质，但其含量超过正常水平。此外，污染物还包括以前从未在大气中发现的人造化合物。污染物使空气变脏，改变大气中的自然过程，并危害生物。过量的温室气体导致全球气温上升。

课程目标

描述不同类型的空气污染物。
讨论导致某些城市污染比其他城市更严重的情况。
描述空气污染物的来源。

空气质量

空气污染问题始于几个世纪前，当时化石燃料开始被用于供暖和发电。该问题在 20 世纪中叶发展成为发达国家面临的危机。煤烟和汽车尾气相结合，形成了有毒的烟雾，在某些地方导致肺部损伤，有时甚至导致死亡。

1948 年 10 月，宾夕法尼亚州多诺拉镇发生了一起逆温现象，导致煤烟被困，造成 20 人死亡，4000 人患病。更糟糕的是，1952 年 12 月，伦敦的“大烟雾”在 5 天内造成 4000 人死亡，而且很可能在接下来的几个月里还有数千人死于该事件造成的健康并发症（图 22.1）。

第二次世界大战后，一种不同类型的空气污染成为南加州面临的问题。尽管没有煤烟，但汽车和充足的阳光产生了光化学烟雾。这种烟雾是汽车尾气或炼油厂排放物中的某些分子与阳光发生化学反应的结果。光化学烟雾包含 100 多种化合物，其中最重要的是臭氧。

在美国，这些事件导致 1970 年通过了《清洁空气法》。该法案现已对 189 种污染物进行管制。六种最重要的污染物是臭氧、颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳和重金属铅。其他重要的受管制污染物包括苯、四氯乙烯、二氯甲烷、二恶英、石棉、甲苯和镉、汞、铬和铅化合物等金属。以下部分将讨论其中的一些污染物。

除了人为排放外，空气质量还受到环境因素的影响。山脉可以将污染物困在其背风侧。风可以将污染物吹入或吹出某个区域。污染物可能被困在气团中，因为逆温现象将冷空气困在暖空气之下。如果逆温现象持续时间足够长，污染物可能达到危险水平。污染物会停留在某个区域，直到它们被风吹出该区域，被来自另一个区域的空气稀释，转化为其他化合物，或者与雨雪混合后降落到地面。

由于《清洁空气法》的实施，美国空气变得更加清洁。能见度提高了，人们不再因工业烟雾而行动不便。尽管如此，在美国，工业、发电厂和车辆每年仍向空气中排放 1.6 亿吨污染物。其中一些烟雾是无形的，另一些则会导致影响许多城市的橙色或蓝色雾霾（图 22.2）。

表 22.1：2007 年烟雾最严重的城市
排名	城市，州
1	洛杉矶，加利福尼亚州
2	贝克斯菲尔德，加利福尼亚州
3	维萨利亚-波特维尔，加利福尼亚州
4	弗雷斯诺，加利福尼亚州
5	休斯顿，德克萨斯州
6	默塞德，加利福尼亚州
7	达拉斯-沃斯堡，德克萨斯州
8	萨克拉门托，加利福尼亚州
9	纽约，纽约
10	费城，宾夕法尼亚州

表 22.1 列出了 2007 年烟雾最严重的城市：10 个城市中有 6 个位于加利福尼亚州。该州具备收集污染物的有利条件，包括困住烟雾的群山、干旱且有时无风的条件以及大量的汽车。

空气污染类型

大多数空气污染物直接进入大气；这些是一次污染物。二次污染物只有在发生化学反应后才会变成污染物。一次污染物包括有毒气体、颗粒物、与水蒸气反应形成酸的化合物、重金属、臭氧和温室气体。臭氧是主要二次污染物之一。它是由在排放物中并存在阳光的情况下发生的化学反应产生的。

一次污染物

一些一次污染物是自然产生的，例如灰尘和火山灰，但大多数是由人类活动引起的。一次污染物是来自车辆和烟囱的直接排放。一些最有害的污染物，例如人类活动直接排放到大气中的污染物，包括

碳氧化物包括一氧化碳 (CO) 和二氧化碳 (CO₂)。两者都是无色无味的气体。CO 对植物和动物都有毒。CO 和 CO₂ 都是温室气体。
氮氧化物是在高温下氮和氧气从大气中结合时产生的。这种情况发生在车辆、发电厂或工厂的热排气中。氮氧化物 (NO) 和二氧化氮 (NO₂) 都是温室气体。氮氧化物会导致酸雨。
硫氧化物包括二氧化硫 (SO₂) 和三氧化硫 (SO₃)。这些是在燃烧煤炭时产生的硫到达空气中时形成的。硫氧化物是酸雨的成分。
颗粒物是固体颗粒，例如灰烬、尘土和粪便。它们通常由化石燃料燃烧形成，并会导致烟雾。此外，颗粒物会导致哮喘、心脏病和某些类型的癌症。
铅曾经广泛用于汽车燃料、油漆和管道中。这种重金属会导致脑损伤或铅中毒。
挥发性有机化合物 (VOC) 主要由碳氢化合物组成，碳氢化合物是由氢和碳组成的化合物。重要的 VOC 包括甲烷（一种自然产生的温室气体，由于人类活动而正在增加）、氯氟烃（由于对臭氧层的影响而逐步淘汰的人造化合物）和二恶英（一种化学生产的副产品，没有用处，但对人类和其他生物有害）。

光化学烟雾

任何城市都可能出现光化学烟雾，但它在干旱地区最为常见。世界各地城市车辆数量的增加加剧了光化学烟雾。这种烟雾是在汽车尾气暴露在阳光下时形成的。汽车燃烧室产生氮氧化物。如果有阳光，NO₂ 会分解并释放出一个氧原子 (O)。然后，氧离子与氧气分子 (O₂) 结合形成臭氧 (O₃)。这个反应也可以反向进行：一氧化氮 (NO) 从臭氧中去除一个氧原子，使其变为 O₂。反应进行的方向取决于 NO₂ 和 NO 的含量。如果 NO₂ 的丰度是 NO 的三倍，那么就会产生臭氧。如果一氧化氮含量高，臭氧就不会生成。

臭氧是一种具有刺鼻气味的白色气体。洛杉矶、凤凰城和丹佛等被山脉包围的温暖干燥的城市特别容易出现光化学烟雾（图 22.3）。光化学烟雾在夏季最热的白天中午达到峰值。除了臭氧，光化学烟雾中还含有其他化合物。臭氧也是一种温室气体。

空气污染的成因

大多数空气污染物来自燃烧化石燃料或植物材料。有些是人造材料蒸发造成的。近一半（49%）的空气污染来自交通运输，28% 来自工厂和发电厂，其余污染来自各种其他来源。

化石燃料

化石燃料用于大多数机动车和发电厂（图 22.4）。它们为制造业和其他工业提供燃料。理论上，纯煤炭和石油可以干净地燃烧，只排放二氧化碳和水，这两种都是温室气体。但大多数情况下，这些化石燃料并未完全燃烧，因此这些不完全的化学反应会产生污染物。此外，很少有化石燃料是纯净的，因此通常会释放其他污染物。这些污染物包括一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和碳氢化合物。

在洛杉矶和墨西哥城等高度依赖汽车的大城市，80%到85%的空气污染来自机动车。汽车排放是臭氧最常见的来源。一氧化碳在封闭空间（如隧道）中是有毒的。氮氧化物来自车辆或工厂的排气。铅曾经被添加到汽油中以改善发动机爆震，但现在在美国被禁止。尽管如此，每年仍有大量铅从其他来源释放到空气中。

一些污染物主要来自发电厂或工业厂。它们从燃烧煤炭或石油的烟囱中排放出来。二氧化硫（SO₂）是工业空气污染的主要成分。每当燃烧煤炭和石油时，它就会被释放出来。SO₂与空气中的H₂O混合生成硫酸（H₂SO₄）。当燃烧煤炭和某些类型的废物时，会释放出重金属汞。汞以气体形式排放，但在冷却后会变成液滴。汞液滴最终会落到地面。如果它们落入沉积物中，细菌会将它们转化为最危险形式的汞：甲基汞。甲基汞剧毒，是汞的有机形式之一。

生物质燃烧

化石燃料是古代动植物转化而成的可利用碳氢化合物。直接燃烧动植物材料也会产生污染物。**生物量**是指环境中发现的所有生物材料的总量。热带雨林的生物量是指该热带雨林中发现的所有生物材料的总量。

生物质燃烧的主要方式是**刀耕火种农业**（图 22.5）。热带雨林被砍伐，然后将废弃物焚烧，以便为农业腾出土地。来自其他生物群落（如稀树草原）的生物量也被焚烧以清除农田。污染物与燃烧化石燃料产生的污染物基本相同：CO₂、一氧化碳、甲烷、颗粒物、氧化亚氮、碳氢化合物以及有机和元素碳。森林燃烧通过释放生物量中储存的 CO₂ 以及通过移除森林使其在未来无法储存 CO₂ 来增加大气中的温室气体。与所有形式的空气污染一样，生物质燃烧产生的烟雾通常会传播很远，污染物会困扰邻近的州或国家。

任何东西燃烧都会产生颗粒物。进入美国上空大气的颗粒物中约 40% 来自工业，约 17% 来自车辆。颗粒物也会因火山爆发或风沙等自然过程而自然产生。与其他污染物一样，它们也会随着大气环流传播到世界各地。

蒸发

挥发性有机化合物 (VOC) 通过蒸发进入大气。VOC 从人造物质（如油漆稀释剂、干洗溶剂、石油、木材防腐剂和其他液体）中蒸发。松树和柑橘树会自然释放 VOC。大气中含有数万种不同的 VOC，其中近 100 种被监测。最常见的是甲烷，一种温室气体。甲烷自然存在，但人类农业正在增加大气中的甲烷含量。

课程总结

工业污染会造成健康问题甚至死亡，尽管《清洁空气法案》通过迫使工业清洁排放来减少了美国这些健康问题。
干旱城市机动车的增加加剧了这些地区臭氧和其他次生污染物的产生。
燃烧化石燃料是空气污染的最大来源。
生物质燃烧也是一个主要来源，尤其是在实行刀耕火种农业的地区。

复习问题

美国东部城市和南加州经历的烟雾类型有什么不同？
伦敦至少七个世纪以来一直饱受严重空气污染的困扰。为什么这座城市如此容易受到其著名的“伦敦雾”的影响？伦敦采取了什么措施来消除其空气污染？
想象两个规模相同、工业化程度相同、机动车数量相同的城市。城市 A 大部分时间都笼罩在浓重的烟雾中，而城市 B 通常空气污染很少。是什么因素导致了这两种不同的情况？
为什么旧金山及其大都市区没有出现在 2007 年最严重烟雾城市名单上？
为什么自然产生的物质（如颗粒物或二氧化碳）有时会被认为是污染物？
臭氧是如何从汽车尾气中形成的？
除了大气中现成的成分外，臭氧形成还需要哪些必要的成分？为什么一个汽车很多但臭氧污染相对较少的城市？
有些人认为我们应该逐步淘汰化石燃料的使用，用清洁能源替代。为什么化石燃料的使用变得不受欢迎？
汞作为金属本身毒性并不强，但其有机形式却非常危险。汞是如何从金属转化为有机形式的？
森林砍伐对空气污染有哪些贡献？

词汇表

铅: 一种存在于大量产品中的重金属。接触过多的铅会导致铅中毒，从而损害人们的大脑和血液。
汞: 一种主要来自燃煤发电厂排放到大气的重金属。转化为有机形式的汞（甲基汞）剧毒。
臭氧: 三个氧原子以 O₃ 分子的形式结合在一起。低层大气的臭氧是一种污染物，但高层大气的臭氧可以保护生命免受紫外线辐射。
颗粒物: 空气中的颗粒物，如灰尘、尘埃和粪便。颗粒物可能由火山爆发或沙尘暴等自然过程造成，也可能由燃烧化石燃料或生物质等人类活动造成。
光化学烟雾: 这种空气污染是由污染物在阳光照射下发生化学反应而产生的。
刀耕火种农业: 在热带地区，热带雨林植物被砍伐，然后焚烧，以便为农业腾出土地。
挥发性有机化合物 (VOC): 从溶剂和其他合成化合物中蒸发到大气中的污染物。一些 VOC 自然产生。

需要考虑的要点

尽管有《清洁空气法案》，但美国许多地区的空气仍然不清洁。为什么？
污染物如何损害人体健康？
空气污染如何损害环境？

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