高中地球科学/空气污染的影响

发展中国家的人们往往没有法律来保护他们呼吸的空气。世界卫生组织估计，每年有 2200 万人死于空气污染造成的并发症。即使在美国，也有超过 1.2 亿美国人生活在空气被认为不健康的地区。本课探讨了不同类型空气污染对人类健康和环境造成的问题。

课程目标

描述烟雾造成的损害。
讨论酸雨的形成及其造成的损害。
讨论氯氟烃如何破坏臭氧层。

烟雾

所有空气污染物都会对生物和环境造成一定程度的损害。不同类型的污染物会导致不同类型的危害。颗粒物会降低能见度。例如，在美国西部，人们现在通常只能看到大约 100 到 150 公里（60 到 90 英里），这只是晴朗天气下自然（污染前）范围的一半到三分之二。在东部，能见度更差。人们只能看到大约 40 到 60 公里（25-35 英里），这只是没有空气污染的情况下可以看到距离的五分之一。

颗粒物会减少到达地面的阳光量。由于植物也接收到的阳光更少，因此光合作用可能减少。颗粒物也会形成雨滴、雪花或其他降水形式的核。空气中颗粒物增加似乎会增加雨滴的数量，但往往会减少雨滴的大小。通过减少阳光，颗粒物也会改变气温。在 2001 年 9 月 11 日恐怖袭击后的三天里，喷气式飞机没有飞过美国。没有喷气式飞机尾迹排放的气体阻挡阳光，美国各地的气温上升了 1°C (1.8°F)（图 22.6）。想象一下所有颗粒物来源的组合会降低多少温度。

臭氧会损害一些植物。由于臭氧的影响是累积的，寿命长的植物受到的损害最大。一些树木种类似乎是最容易受到影响的。如果森林中包含对臭氧敏感的树木，它们可能会死亡并被不易受损害的树种取代。这会改变整个生态系统，因为动物和植物可能无法在没有原生树木创造的栖息地的情况下生存。

一些作物植物会表现出臭氧损伤。暴露在臭氧中时，菠菜叶会变得有斑点。大豆和其他作物的产量下降。在发展中国家，从农业系统中获得每一点食物能量都至关重要，任何损失都会被强烈地感受到。像中国和印度这样的许多国家也存在严重的空气污染。一些污染物对植物生长有积极影响。二氧化碳 (CO₂) 的增加似乎会减少臭氧对一些植物的损害，并可能促进生长。不幸的是，二氧化碳和其他温室气体会造成其他问题，这些问题会损害生态系统并减少一些植物的生长。

其他空气污染物会损害环境（图 22.7）。二氧化氮 (NO₂) 是一种有毒的橙棕色气体，它会使空气呈现出独特的橙色，并散发出难闻的气味。大气中的氮氧化物和硫氧化物会产生酸，以酸雨的形式降落。空气污染严重的地方，人类健康也会受到损害。铅是人类最常见的毒性物质，会导致铅中毒。一氧化碳是一种有毒气体，会在通风不良的空间（如隧道）中杀死人。氮氧化物和硫氧化物会导致肺病，并增加哮喘、肺气肿和流感等病毒感染的发生率。臭氧也会损害人类呼吸系统，导致肺病。高浓度的臭氧也与心脏病和癌症发病率增加有关。颗粒物会进入肺部，导致心脏病或肺病。当颗粒物水平很高时，哮喘发作更常见。据估计，美国每年有 30,000 人死于细颗粒物污染。

虽然并非所有哮喘病例都与空气污染有关，但许多病例都是。在 1996 年奥运会期间，佐治亚州亚特兰大市封闭了市中心，禁止私人车辆通行。结果，臭氧水平下降了 28%。与此同时，哮喘住院人数减少了 40%。

非吸烟者中肺癌也在增加。一项研究表明，患肺癌的风险与一个人接触空气污染的程度直接相关。该研究得出结论，任何程度的空气污染都不应被认为是安全的。接触烟雾也会增加死于任何原因的风险，包括心脏病。

儿童比成年人更容易受到呼吸脏空气的影响，因为他们的肺部仍在生长和发育。儿童每公斤体重吸入的空气量是成年人的 50%。儿童在户外无过滤的空气中度过的时间更长，而且在玩耍或锻炼时更有可能用力呼吸。一项研究发现，在美国，儿童患哮喘的比率是二十年前的两倍多，是加拿大的四倍。成年人也受与空气污染相关的疾病困扰，包括肺病、心脏病、肺癌和免疫系统减弱。全球哮喘发病率每十年上升 20% 到 50%。

特别危险的是那些在生物体一生中都会保留在生物体内的污染物，称为生物累积。在这个过程中，生物体积累了它一生中消耗的所有有毒化合物的总量。并非所有物质都会生物累积。每天服用阿司匹林的人体内只有当天的阿司匹林，因为阿司匹林不会留在体内。当一种化合物生物累积时，这个人体内就包含她曾经吃过的所有这种化合物。生物累积的化合物通常储存在生物体的脂肪中。

汞是一个生物累积物质的典型例子。细菌和浮游生物会储存它们从所有海水摄入的所有汞。一条吃细菌和浮游生物的小鱼会积累它一生中吃过的所有微小生物的所有汞。一条大鱼会积累它一生中吃过的所有小鱼的所有汞。积累最多汞的生物是食物链顶端的捕食者。金枪鱼对吃它的一切都构成健康威胁，因为它们体内含有大量的汞。这就是为什么政府建议限制人们吃金枪鱼的数量。这些限制对于儿童和孕妇尤为重要，因为汞对年轻人有特别的影响。如果汞只是留在脂肪中，它不会有害，但是当妇女怀孕或哺乳婴儿，或者当她在减肥时燃烧脂肪时，脂肪就会被使用。甲基汞中毒会导致神经系统或脑损伤，尤其是在婴儿和儿童中。儿童可能会出现脑损伤或发育迟缓。与汞一样，其他金属和挥发性有机化合物也会生物累积，对食物链顶端的动物和人类造成危害。

酸雨

酸雨是由硫氧化物和氮氧化物引起的。这些污染物从发电厂或金属冶炼厂排放到大气中。氧化物来自已经建得很高的烟囱，这样污染物就不会停留在城市上空。高耸的烟囱使排放物升高到大气中，并向下风移动多达 1000 公里（600 英里）。当它们移动时，这些污染物与水蒸气结合形成硫酸和硝酸。酸液滴形成酸雾、酸雨、酸雪，或者它们也可能以干沉降的形式沉降。最典型的是酸雨（图 22.8）。

酸雨水比普通雨水更酸性。要被称为酸雨，其 pH 值必须小于 5.0。酸度是在pH值尺度上测量的，该尺度从 1 到 14。7 的值为中性。较低的数字表示更酸性，较高的数字表示酸性较低（也称为更碱性）。最强的酸位于刻度的低端，最强的碱位于刻度的高端。自然降雨略带酸性，pH 值为 5.6。酸来自碳酸，当二氧化碳 (CO₂) 与大气中的水结合时会形成碳酸。pH 值的微小变化代表酸度的巨大变化：pH 值为 4.6 的雨水比普通雨水（pH 值为 5.6）酸性强 10 倍。pH 值为 3.6 的雨水酸性强 100 倍。

燃煤发电厂众多的地区酸雨最为严重。美国东北部平均雨水的酸度已经降至 4.0 到 4.6 之间。酸雾的 pH 值甚至更低，平均约为 3.4。1986 年，南加州发生了一次雾，其 pH 值为 1.7，相当于马桶清洁剂。在干旱的气候中，例如南加州，酸会以干沉降的形式沉积在地面上。酸沉降最终会落到陆地表面和水体中。东北部的一些森林土壤的酸度是二三十年前的 5 到 10 倍。酸液滴从酸性土壤中向下移动，进一步降低河流和湖泊的 pH 值。酸会从土壤中剥离金属和养分，这些金属和养分会积聚在河流和湖泊中。因此，被剥离的土壤可能不再提供本地植物所需的养分。

酸雨会对生态系统造成损害（图 22.9）。暴露在酸性环境中的植物会变得虚弱，更容易受到恶劣天气、昆虫害虫或疾病的伤害。蜗牛会在酸性土壤中死亡，因此鸣禽的食物减少了。幼鸟和哺乳动物的骨骼发育不良，可能不那么强壮。蛋壳也可能很弱，更容易破碎。

酸雨中的硝酸盐会导致某些植物生长得更好。这些喜硝酸盐的植物会排挤其他植物，这会导致生态系统发生变化。硝酸盐还会给海洋施肥，导致藻类大量繁殖。藻类会消耗掉水中的所有氧气，这会导致灾难性的生态变化，包括许多鱼类的死亡。随着湖泊的酸化，生物会死亡。如果 pH 值降至 4.5 以下，所有的鱼都会死亡。有机物无法腐烂，苔藓会覆盖整个湖泊。依赖湖泊饮水的野生动物的数量会减少。酸雨会破坏农作物。在贫穷国家，人们无力用肥料或其他技术来解决这些问题，这种现象最为明显。酸性降水会损坏建筑物和纪念碑（图 22.10）。包括美国国会大厦和欧洲的许多建筑，例如威斯敏斯特教堂。

碳酸盐岩石可以中和酸，因此一些地区几乎没有受到酸雨的影响。美国中西部地区受到该地区遍布的石灰岩保护，石灰岩由碳酸钙组成。美国东北部如此容易受到酸雨破坏的一个原因是岩石不是碳酸盐。

由于污染物可以传播很远，因此许多酸雨会落在污染物排放地以外的州或国家。瑞典的所有降雨都是酸性的，全国各地的湖泊中的鱼类都在死亡。污染物来自英国和西欧，这些地区现在正在努力减少排放。加拿大也受到来自美国的酸雨的困扰，这个问题也在改善。随着东南亚工业化，该地区国家之间的酸雨现象越来越严重。

臭氧层破坏

此时此刻，你可能会问自己，“臭氧是坏的还是好的？”这个问题没有简单的答案：这取决于臭氧的位置。在对流层，臭氧是一种污染物。在更高的地方，在平流层，臭氧会屏蔽高能紫外线辐射，从而使地球适宜居住。这种保护性臭氧存在于臭氧层中。

人类制造的化学物质正在破坏臭氧层，这些化学物质会将平流层中的臭氧分子分解。这些化学物质中最常见的是氯氟烃 (CFC)，但也包括其他化学物质，如卤代烷烃、溴甲烷、四氯化碳和氯仿。CFC 曾经被广泛使用，因为它们便宜、无毒、不可燃且不反应。它们被用作喷雾剂推进剂、制冷剂以及许多其他产品。

一旦被释放到空气中，CFC 会漂浮到平流层。气流将它们带向两极。在冬季，它们会冻结在极地平流层云 (PSC) 中的硝酸分子上。PSC 仅在平流层最冷的地方形成，在冬季南极洲上空最为常见。在春季，太阳的温暖开始使空气流动，紫外线会分解 CFC。氯原子会漂浮起来并附着在臭氧分子上的氧原子之一。氯会将氧原子拉开，留下一个 O₂ 分子，该分子没有紫外线保护作用。然后氯会释放氧原子，继续破坏另一个臭氧分子。一个 CFC 分子可以破坏多达 100,000 个臭氧分子。

臭氧破坏会形成臭氧洞，臭氧层在该区域变得危险地稀薄（图 22.11）。随着空气在春季绕南极洲循环，臭氧洞向北扩展到南半球大陆，包括澳大利亚、新西兰、南美洲南部和非洲南部。在臭氧洞下方，紫外线水平可能会上升 20%。臭氧洞最早是在 1981 年测量的，当时它为 200 万平方公里（900,000 平方英里）。2006 年的臭氧洞是迄今为止观测到的最大臭氧洞，为 2800 万平方公里（1140 万平方英里）。它具有有史以来记录的最低臭氧水平，而且持续时间也最长。每年臭氧洞大小的差异取决于许多因素，包括是否满足形成极地平流层云的条件。

臭氧损失也发生在北极地区，但不足以让科学家将其称为臭氧洞。低臭氧水平区域很小，因为大气不那么冷，PSC 也不容易形成。尽管如此，春季臭氧水平仍然相对较低。这种低水平向南移动，覆盖了欧洲、北美和亚洲的一些人口最稠密的地区。在 40°N，也就是纽约市所在的纬度，自 1978 年以来，UV-B 每年平均增加约 4%。在 55°N，也就是莫斯科和哥本哈根所在的纬度，自 1978 年以来，每年平均增加 6.8%。

人口中心地区的臭氧损失会增加晒伤、白内障（眼球晶状体浑浊）和皮肤癌的发生率。据估计，臭氧损失仅为 1%，就会使皮肤癌病例增加 5% 到 6%。人们的免疫系统抵御传染病的能力也会下降。臭氧损失可能会降低作物产量，因为许多植物对紫外线敏感。过量的紫外线似乎正在降低海洋浮游生物的生产力。在南极洲周围已经测量到 6% 到 12% 的下降，这可能至少部分与臭氧洞有关。过量的紫外线对其他生物的影响尚不清楚。当人们认识到臭氧层破坏问题时，世界各国领导人采取了行动。1978 年，一些国家禁止在喷雾剂中使用 CFC。1986 年是 CFC 的最大生产年份，但此后一直在下降。这将在下一课中进一步讨论。

课程总结

空气污染会损害人类健康和环境。颗粒物会降低能见度，改变天气，并导致肺部问题，如哮喘发作。
臭氧会破坏植物，还会导致肺病。酸雨会破坏森林、农作物、建筑物和雕像。
臭氧洞是由破坏臭氧的化学物质造成的，它会导致更多的紫外线辐射照射地球。
这会导致浮游生物数量下降，人类皮肤癌等其他问题增加。

复习题

为什么美国的可视性如此之低？
为什么健康建议建议人们限制金枪鱼的食用量？
为什么臭氧污染或酸雨可能会改变整个生态系统？
为什么空气污染对发展中国家的影响比发达国家更大？
为什么儿童比成年人更容易受到空气污染的影响？
描述生物累积。
污染如何间接杀死或伤害植物？
你认为喷气式飞机对全球变暖有什么影响？
为什么空气污染是一个地方性、区域性和全球性问题？
CFC 如何破坏臭氧层？

词汇

酸雨: pH 值小于 5.0 的雨水。
碱性: 也称为碱性。pH 值大于 7.0 的物质。
生物累积: 有毒物质在生物体内积累，导致其浓度在食物链中上升。
臭氧洞: 南极洲周围的一个区域，由于破坏臭氧的化学物质的作用，春季臭氧水平会降低。
pH 值: 测量溶液酸度的量表。pH 值为 7 为中性。较小的数字表示更酸性，较大的数字表示更碱性。
极地平流层云 (PSC): 当平流层特别冷时形成的云；PSC 是分解 CFC 的必要条件。

需要考虑的问题

由于汞会生物累积，而燃煤电厂继续向大气排放汞，那么喜欢吃金枪鱼和其他大型掠食性鱼类的人会有什么后果？
儿童哮喘发病率上升的可能原因是什么？
已经对 CFC 和一些其他破坏臭氧层的物质实施了禁令。臭氧洞将如何响应该禁令而改变？

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