高中地球科学/减少空气污染
1970 年的《清洁空气法》及其后期的修正案在要求人们清理美国上空的空气方面做得很好。《清洁空气法》规定了六种主要污染物，即一氧化碳、铅、氮氧化物、臭氧、二氧化硫和颗粒物，它们的排放量减少了 50% 以上。汽车、发电厂和工厂的单个污染排放量都比 20 世纪中叶少，但汽车、发电厂和工厂的数量却更多。许多污染物仍在排放，并且一些物质已被发现是过去未知的污染物。为了继续清理空气，还有许多工作要做。
- 描述减少能源消耗的主要方法。
- 讨论正在开发的减少空气污染物（包括温室气体）的新技术。
- 描述对排放量设置上限与减少排放量之间的区别。
减少空气污染的方法有很多。减少化石燃料的使用是减少污染的一种方法。人们通过节约来减少燃料的使用，这意味着不使用资源或减少使用资源。例如，骑自行车或步行而不是开车就不会使用任何化石燃料。乘坐公共汽车比自己开车或乘坐汽车使用更少的燃料，拼车也是如此。如果需要开车，购买燃油效率更高的汽车很重要。
你可以在家里节约用电（从而节约化石燃料），方法是不用时关掉灯泡和电器，使用节能灯泡和电器，甚至少买东西。所有这些行动都减少了发电厂需要产生的能源量。
北美和欧洲的人们有很多理由试图减少他们对化石燃料的使用。正如你已经看到的那样，空气污染对健康和环境造成了巨大的损害。还有其他原因。我们使用的大部分石油来自中东，这是一个世界上政治不稳定的地区。此外，化石燃料正在枯竭，尽管一些燃料会比其他燃料更早枯竭。最容易获得的化石燃料大多已经枯竭，现在正在使用更难使用或回收的燃料。还有其他类型的化石燃料最终可以替代煤炭和石油，例如油砂和油页岩。但这些问题比传统化石燃料更严重：从地下开采它们会导致严重的環境損害，燃烧它们会释放污染物，包括温室气体。
替代能源很重要。它们目前在能源供应中所占比例并不大，但它们将在未来几年和几十年内迅速增长。一些替代能源，包括太阳能和风能，目前使用不多，因为这些技术还没有得到很好的发展。例如，将阳光转化为可用的太阳能仍然比使用化石燃料贵得多。为了更广泛地使用太阳能，需要技术进步，以便价格下降。此外，由于一些地区阳光照射量低，因此并非美国所有地区都采用太阳能。这些地区将需要开发不同的能源。虽然美国西南部沙漠地区需要开发太阳能，但大平原可以使用风能作为能源。也许一些地方会依赖核电站，尽管目前的核电站存在重大问题，例如安全和废物处理。
一些污染物可以在排放到大气中之前从排放流中过滤掉。其他污染物可以在排放到大气中之前分解成无毒化合物。以下部分将介绍其中一些技术。
减少机动车排放的空气污染可以通过多种方式实现。污染物可以在排放到大气中之前被分解。车辆可以更加省油。可以开发新的技术，使它们完全不依赖化石燃料。
由于催化转化器（图 22.12），机动车排放的污染物比过去少。在美国，现代汽车上都安装了催化转化器。这些设备减少了氮氧化物、一氧化碳和 VOC 的排放。催化剂可以加速化学反应，而自身不会在反应中消耗。对于氮氧化物，催化剂会将氮原子和氧原子分离。然后，氮与另一个氮离子结合形成氮气 (N2)，氧则形成 O2。VOC 和 CO 以类似的方式分解成温室气体 H2O 和 CO2。催化转化器只有在高温下才能工作，因此当汽车热车时，会排放大量废气。
有几种简单的方法可以提高车辆的燃油效率。较轻的车辆需要更少的能量才能移动。流线型的车辆受到的风阻更小。因此，小型、轻便、流线型的汽车的燃油效率远高于笨重、沉重的 SUV。混合动力汽车是目前广泛应用的效率最高的汽车之一。混合动力汽车有一个小型内燃机，工作方式与普通汽车相同。它们还配备了电动马达和可充电电池。在刹车过程中，普通汽车会失去其动能。在混合动力汽车中，这种能量会被引导到电池充电。当汽车再次加速时，它会利用电池中储存的能量。只有当电池中的能量耗尽时，内燃机才会接管。混合动力汽车在城市中行驶时燃油效率很高，因为车辆经常启动和停止。混合动力汽车也配备了催化转化器：电池预热转化器，使其在汽车启动后更早开始工作。混合动力汽车可以将汽车尾气排放量减少 90% 或更多。不幸的是，在许多混合动力汽车中，混合动力技术更多地用于提高加速性能，而不是燃油经济性。
正在开发的一项新技术是插电式混合动力汽车。当车辆不用时，可以将其插入电源，例如在车库中。汽车在下次使用时会使用电池中储存的能量。插电式混合动力汽车比普通混合动力汽车污染更少，因为它们可以在电力驱动下行驶更长时间。汽车制造商预计插电式混合动力汽车将在 2010 年左右上市。
燃料电池是另一种正在开发中的技术（图 22.13）。氢燃料电池利用氢气和氧气结合生成水的过程中释放的能量。燃料电池非常高效，并且不产生任何污染物。但开发燃料电池技术也存在问题。燃料电池使用的氧气来自大气，但没有简单的氢气来源。天然气是一种来源，但将其转化为可用的氢气会降低燃料电池的效率并增加污染，包括温室气体。天然气还有其他重要的用途。现在生产的一些燃料电池汽车只是作为模型。目前这些汽车非常昂贵，而且加油站很少。一些汽车制造商表示，为了让燃料电池汽车普及，生产成本必须降至当前价格的 1%。
在污染物进入大气之前，它们会从发电厂和工业厂的排放流中去除。颗粒物可以被过滤掉，而硫和氮氧化物则被催化剂分解。去除这些氧化物可以减少导致酸雨的污染物。
从排放物中去除颗粒物相对容易。布袋除尘器的工作原理就像一个巨大的真空吸尘器袋，在灰尘流过时过滤掉灰尘。布袋除尘器可以收集大约 98% 的干颗粒物。旋风分离器是一种气流，它在形状像圆柱体或圆锥体的容器中快速旋转。大颗粒被强制朝气流边缘移动。当它们撞击容器的外壁时，它们会落到底部，然后被清扫出来。当旋风分离器的半径减小时，可以收集较小的颗粒物。静电可以收集和去除颗粒物。这些静电除尘器对于从高温气体中去除物质非常有用。
洗涤器从排气中去除颗粒物和废气（图 22.14）。湿式洗涤器使用液体溶液来洗涤污染物。干式洗涤器使用碱或其他材料来中和酸性气体污染物。其他技术用于消除其他有毒气体。例如，氮氧化物可以在非常高的温度下被分解。
气化是一项正在发展中的技术。这种方法在污染物排放到大气中之前，会去除煤炭中的一些毒素。在气化过程中，煤炭被加热到极高的温度。产生的气体被过滤，能量用于驱动发电机。与传统的燃煤电厂相比，这种方法释放的污染物减少了约 80%，温室气体排放量也更低。清洁燃煤电厂不需要洗涤器或其他污染控制装置。虽然这项技术已经成熟，但清洁燃煤电厂的建设和运营成本更高，因此很少建造。此外，将煤炭加热到足够高的温度需要大量的能量，因此这项技术效率不高。此外，即使使用清洁燃煤技术，仍会释放大量的温室气体 CO2。
减少对大气有害污染物的一个成功案例与破坏臭氧的化学物质有关。1973年，科学家计算出，氟氯烃可以到达平流层并分解。这将释放出氯原子，然后破坏臭氧。仅仅基于他们的计算，美国和大多数斯堪的纳维亚国家于1978年禁止在喷雾罐中使用氟氯烃。
在采取更多措施减少破坏臭氧的化学物质的生产之前，还需要更多证实氟氯烃会分解臭氧的证据。1985年，英国南极调查局的成员报告说，在过去三个春季，南极洲上空臭氧层减少了50%。两年后，世界各国批准了《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》。
《蒙特利尔议定书》控制着96种破坏臭氧层的化学物质的生产和消费。发达国家首先逐步淘汰危险物质，发展中国家则在十年后逐步淘汰。更危险的物质淘汰速度更快。自1995年以来，氟氯烃已基本被淘汰，尽管一些发展中国家将在2010年之前继续使用。
如果氟氯烃没有被逐步淘汰，到2050年，它们可能比1980年丰富10倍。结果将是美国约2000万例皮肤癌病例和全球1.3亿例皮肤癌病例。尽管政府已经采取行动减少氟氯烃，但它们需要很多年才能到达平流层，并且在分解之前可以在那里存活很长时间。因此，臭氧空洞可能会在开始缩小之前继续扩大一段时间。臭氧层将在2068年左右恢复到1980年之前的水平，并在一个或两个世纪内恢复到1950年的水平。
减少温室气体排放与控制空气污染有关。与许多其他空气污染物不同，气候变化是一个全球性问题。气候学家一致认为，所有国家必须共同努力减少温室气体排放。到目前为止，这种情况还没有发生。
首次尝试限制温室气体排放的是《京都议定书》。《京都议定书》将发达国家的温室气体排放限制在1990年的水平以下。由于多种原因，《京都议定书》没有取得《蒙特利尔议定书》那样的成功。温室气体排放大国美国没有签署《京都议定书》，也没有受到该协议的约束。发展中国家，最显著的是中国，签署了该条约，但没有义务改变其温室气体排放。在同意减少排放的国家中，只有少数国家正按计划实现其目标。更重要的是，自这一过程开始以来已经过去了数年，气候学家一致认为，《京都议定书》并没有将排放量减少到足够的程度。一些人说，为了避免危险的气候变化，需要将《京都议定书》规定的减排量增加40倍。目前正在制定计划，在2012年用一项更有效的条约取代《京都议定书》。
《京都议定书》建立了一个排放权交易制度。每个参与国都被设定了一个温室气体排放上限，不应该超过这个上限。如果一个国家有可能超过其排放上限，它可以从排放量低于上限的国家购买排放权。排放权交易为各国提供了经济上的激励，促使它们开发减少排放和节约能源的技术。美国的一些州和城市已经开始实施自己的排放权交易制度，因为他们认为联邦政府在解决气候变化问题方面做得不够。
无论采取何种方式，气候学家和许多其他人一致认为，必须降低温室气体排放。最简单、最快的途径是提高能源效率。可以对CO2排放征收碳税，以鼓励节约能源。这种税收将征收在汽油、工厂排放的二氧化碳和家庭能源账单上，以鼓励节约能源。例如，当人们购买新车时，他们更有可能购买节能型汽车。碳税的收入可以用于资助替代能源的研究。所有碳税计划都允许对无力支付更多能源费用的个人提供税收抵免，这样他们就不会受到不公平的待遇。
可以开发出更节能的车辆和电器。一些，如混合动力汽车，目前已经上市。可以采用减少甲烷排放量的农业实践。
除了提高效率之外，还可以开发新技术。可以开发和扩大太阳能和风能等替代能源。生物燃料可以替代车辆中的汽油，但必须明智地开发（图22.15）。到目前为止，大多数生物燃料都是用玉米等作物生产的。但当粮食作物被用作燃料时，粮食价格就会上涨。此外，现代农业极度依赖化石燃料来生产杀虫剂、化肥和农业作业。这意味着使用生物燃料与直接使用化石燃料相比，并没有获得多少能量。目前正在研究更具潜力的生物燃料作物。令人惊讶的是，藻类正在被研究作为燃料来源！藻类可以在不适合农业的地区生长，而且它所含的可利用油脂比玉米等作物要多得多。
温室气体也可以在排放到大气后被清除。碳封存是指从大气中清除二氧化碳。碳自然封存在森林中，但不幸的是，目前森林面积的减少速度超过了增加速度。另一个想法是人工封存碳。例如，可以从气化厂的排放中捕获碳。然后，这些碳被储存在地下盐层或煤层中，使其不会排放到大气中。虽然一些小型封存项目正在进行，但还没有尝试过大规模封存。虽然这是一种很有前景的新技术，但碳封存也是未经验证的，可能在应对全球变暖方面不会起到重大作用。
正如个人可以减少其他类型的空气污染一样，人们也可以通过节约能源来应对全球变暖。此外，人们可以参与地方、区域和国家层面的努力，在能源政策方面做出明智的选择。
- 空气污染可以通过多种方式减少。最好的方法是通过节约能源或提高能源效率来不使用产生污染物的能源。
- 替代能源是减少污染的另一种好方法。大多数替代能源技术仍在改进中（太阳能、风能），而一些技术则存在其他问题（核能、生物燃料）。
- 污染物可以通过过滤或分解从废气流中去除。一些污染物最好不要排放，比如氟氯烃。
- 自1970年《清洁空气法》颁布以来，为什么空气仍然没有清洁？
- 有哪些方法可以帮助节约能源？
- 1970年《清洁空气法》中描述的减少空气污染措施如何影响温室气体排放？
- 在替代能源取代化石燃料之前，必须做些什么？
- 什么是催化转化器？
- 为什么混合动力汽车比由内燃机驱动的普通汽车更节能？
- 为什么燃料电池汽车还没有普及？
- 旋风分离器如何减少颗粒物污染？
- 如何使燃煤发电对大气的碳排放几乎为零？
- 为什么臭氧空洞要几十年才能修复？
- 许多人认为生物燃料是解决气候变化问题的答案，但另一些人则不同意。如果生物燃料要真正有效地替代机动车中的汽油，它们必须满足哪些要求？
- 生物燃料
- 由生物材料（通常是农作物）制成的燃料。
- 碳封存
- 从大气中清除二氧化碳，使其不再在大气中发挥温室气体的作用。
- 催化剂
- 一种增加（或减少）化学反应速率但本身在反应中不消耗的物质。
- 催化转化器
- 安装在现代机动车上，这些装置使用催化剂分解污染物。
- 燃料电池
- 一种能量电池，将化学能转化为电能。
- 气化
- 一种在煤炭燃烧之前对其进行清洁的技术，可以提高效率并减少排放。
- 混合动力汽车
- 一种非常高效的汽车，由内燃机、电动机和可充电电池提供动力。
- 为什么减少空气污染很重要？
- 在你的生活中，你可以做些什么来减少你对大气层的影响？
- 为什么需要全球努力来减少全球气候变化的威胁？