死亡雨-酸雨

比柠檬汁还酸


  伦敦和英国历史上最严重的空气污染事件,发生在1952年12月4-9日。这次烟雾事件共死亡了4000多人,因而被称为“杀人烟雾”。9日烟雾散开后,酸雨酸雾开始横行,雨水的pH值低到1.4一1.9,比柠檬汁还酸。事后,民众对伦敦烟气主要来源的发电厂等发起抗议运动。于是1956年开始英国实施了“大气净化法”。其实这个法的主要目标只是控制眼睛看得见的煤烟。为了平息居民的抗议,工厂造了很高的烟囱,利用高空大风把污染物送到遥远的地方。这样,当地的污染确实减轻了,但是却造成了污染物远距离输送,嫁祸他人,造成了英国下风方向北欧的污染,工厂所产生的废气在大气中化合成硫酸和硝酸。这些化合物在云中积聚,由这些云所形成的雨往往降落在离污染源的下风方向,而且雨水中这类酸的含量很高。在那里降下酸雨,后来引起国际争端。树木通过根和叶吸收酸雨。酸雨使树根变形,并阻止树枝和幼芽发育,松树和其他常绿树丧失了针叶。最后,许多树木都死了。德国和斯堪的纳维亚诸国均为西南风盛行的地区,它们的森林、河流和湖泊都受到酸雨的严重损害。 

酸雨毁掉的德国松林 

卫星图片中的红色代表酸雨毁掉的成片森林

  世界上最早接受大气污染洗礼的是英国。因为英国很早就砍伐了森林,燃料依靠煤炭。大城市和工业区中煤烟和二氧化硫的危害,早在17世纪就出现了。1661年作家约翰·伊布森在《驱逐烟气》中描写道:“地狱般似的阴森森的烟气,像西西里岛的火山和巴尔干神殿(火与冶炼之神)似地笼罩着伦敦。”工业革命以后,煤炭的消费量猛增,到了18世纪后半叶危害逐渐严重,1772年博物学家吉尔巴特·怀特在新版《驱逐烟气》序言中写道,“伦敦周围庭院中的水果树不结果子,连树叶也纷纷凋零。生长发育中的孩子大约一半活不到2岁就天折了”。

  大气污染发展到酸雨,是18世纪以英国为中心的烧碱工业蓬勃兴起以后的事情。特别是18世纪末烧碱作为玻璃和肥皂原料,产量爆炸性地扩大以后。生产过程中排放的氯化氢气体在工厂附近造成了酸雨(氯化氢溶液就是盐酸),田地中的农作物和附近的森林全部枯死。1862年5月12日伦敦《时报》曾报道了这一情况。后来,由于燃煤的工厂不断增加,雨水中的硫酸成分也逐渐多了起来。酸雨危害的严重,使英国在各地建立起了世界上第一个大气污染公害监测网。史密斯在1872年发表的长达600页的《大气与雨-化学气象学的开端》一书中,首先使用了“酸雨”这个名称。书中记载到,“严重时,1加伦(约4.5升)雨水中含有2-3格令(1格令等于0.065克的酸)。因此植物和白铁皮全都很快地烂掉了,连石头和砖瓦也变得疏松起来”。现在回过头来说英国制造的二氧化硫气体。它乘西风,越北海,首先来到北欧斯堪的那维亚半岛的挪威。

  1881年,挪威科学家布罗加在《污雪》报告书中指出挪威污雪的原因就是来源于英国的大气污染。30年以后,即1911年挪威南部河中鱼类开始大量死亡,到20世纪80年代,挪威总面积达13000平方公里的1700个湖中实际上已经没有鱼了,通过研究发现,体弱未死的鱼血中钠异常地少,这恰恰是酸雨中毒的典型症状。与挪威相邻瑞典的变化发生得要晚些。约1940一1950年,瑞典南部农村开始发生了许多异常变化。即使不施肥,庄稼也能长得很好;在河里或湖里钓鱼,都有可能钓到大鱼。原来这是因为污染大气中硝酸盐含量在较少情况下,对农作物是一种“氮肥”。“氮肥”也使河湖中水生植物(鱼的食料)增殖,以及酸雨入湖毒死的小鱼小虾成了大鱼的美食的缘故。果然,不久后鱼类就销声匿迹了,科学家在论文中指出这也是酸雨影响的结果。科学家还在论文中警告说,酸雨对今后水质、土壤、森林、建筑物所产生的危害,对人类而言,也许是一场“化学战”。不幸真被他们言中了。

酸雨对陆地生态系统的危害


  酸雨不仅对淡水生态系统造成危害,又使土壤酸化,并危害植物根系和茎叶。植物是陆地生态系统的生产者,动物是消费者,微生物是分解者。植物受到危害,动物和微生物相继受到影响,破坏陆地生态系统的平衡。

  另一方面还要注意到:酸化土壤游离出来的金属离子随水分运动进入湖泊又影响到淡水生态系统,所以需要密切关注酸雨沉降到地面后的影响过程。

  科学家曾经试验给植物浇酸水,只要水的pH值低到3以下,水稻、松树、向日葵等叶子表面就会出现坏死斑点;显微镜下观察叶子表面的毛孔和气孔都受到损害,严重影响光合作用。而且酸水夺去了植物体内的钙镁等物质使植物逐渐衰弱。植物叶子变黄就是因为镁不足,叶绿素难以合成的缘故。松树等针叶树所以对酸雨特别敏感,是因为针叶树全年不落叶,酸雨造成的损害会在针叶中逐年积累起来。酸雨还可使农作物大幅度减产。例如,冬小麦在pH为3.5的酸雨影响下将减产13.7%,pH为2.5时更减产34%。大豆和蔬菜也易受酸雨危害,使产量和质量(蛋白质含量)下降。在欧洲大陆的最北部北极圈附近地区,许多地区的苔藓和地衣因酸雨而消失,所以出现了“地衣沙漠”的名词。可是苔藓地衣是当地驯鹿的冬季主要食物,这就影响到驯鹿的生存、数量、食物链和生态平衡。

  另外一个严重问题是,酸雨还使土壤中的铝、汞等十分有害的金属离子游离出来。这不仅对陆地植物,而且对水生的动植物都是十分有害的。欧洲和北美几千个湖泊鱼类灭绝成为死湖,这是一个重要原因。所以过去加拿大等国家曾试验在湖中和农田中加石灰中和酸性,但是湖中鱼仍不能存活,农田施用石灰有些情况下也不起作用,主要就是因为湖水和土壤中因酸化溶出的金属铝、铜、锌、镍等离子毒性并没有消失的缘故。现今欧洲已有30%的森林因酸雨而退化;酸雨造成美国75%的湖泊和大约一半的河流酸化;加拿大43%的土地已对酸雨高度敏感,有14000个湖泊是酸性的。

酸雨的黑色幽默


泡菜
  酸雨酸化了土壤以后,进一步也酸化了地下水。德国、波兰和前捷克交界的黑三角地区(当地先以森林,后以森林被酸雨破坏而著名)的一位家庭主妇,在接待日本客人奉茶时说:"我们这个地区只有几口井的井水可供饮用。我们自己也常开玩笑说,只要用井水泡蔬菜,就能够做出很好的泡菜(酯腋菜)来。" 

染发
  酸化的地下水还腐蚀自来水管。瑞典南部马克郡的西里那村,有一户人家三个孩子的头发都从金黄色变成了绿色。这就是使马克郡出名的"绿头发"事件。原因是他们把井中的汲水管由锌管换成了铜管,而pH小于5.6的水对铜有较强的腐蚀性,产生铜绿。所以这户人家的浴室和洗漱台都已被染成铜绿色。这种溶有铜或锌离子的水还能使婴幼儿发生原因不明的腹泻。马克郡的幼儿园发生过的集体"食物中毒"也是这个原因(大约半数的瑞典人都是把地下水作为饮用水源的)。英国的兰克夏,水龙头里曾放出含有因水管腐蚀而造成大量铁锈的浊水。酸雨甚至使输水管道因腐蚀而破裂。1985年圣诞节前4天,英国约克夏直径1米的输水管破裂,备用的也都不能使用,使20万人一度处于断水的恐慌之中。

慢车
  波兰的托卡维兹因酸雨腐蚀铁轨,火车每小时开不到40公里,而且还显得相当危险。

泰姬陵变色
  大理石含钙特多,因此最怕酸雨侵蚀。例如,有两座高157米尖塔的著名德国科隆大教堂,石壁表面已腐蚀得凹凸不平,“酸筋”累累。通向人口处的天使和玛丽亚石像剥蚀得已经难以恢复。其中的砂岩(更易腐蚀)石雕近15年间甚至腐蚀掉了10个厘米。已经进入《世界遗产名录》的著名印度泰姬陵,由于大气污染和酸雨的腐蚀,大理石失去光泽,乳白色逐渐泛黄,有的变成了锈色。

国子监遭殃
  我国北京国子监街孔庙内的“进士题名碑林”(共198块)距今已有700年历史,上面共镑刻了元、明、清三代51624名中第进土的姓名、籍贯和名次,是研究中国古代科举考试制度的珍贵实物资料,已被列为国家级文物重点保护单位。近年来,许多石碑表面因大气污染和酸雨出现了严重腐蚀剥落现象,具有珍贵历史价值的石碑已变得面目皆非。据管理人员介绍,这些石碑主要是最近3年中损坏得比较厉害,所以第198块进士题名碑距今虽只有不到百年的时间,但它的毁损程度也丝毫不亚于其他石碑。实际上,北京其他石质文物,例如,大钟寺的钟刻、故宫汉白玉栏杆和石刻,以及卢沟桥的石狮等,也都不同程度存在着腐蚀或剥落现象。

自由女神化妆
  酸雨同样也腐蚀金属文物古迹。例如,著名的美国纽约港自由女神像,钢筋混凝土外包的薄铜片因酸雨而变得疏松,一触即掉(而在1932年检查时还是完好的),因此不得不进行大修(已于1986年女神像建立100周年时修复完毕)。意大利威尼斯圣玛丽教堂正面上部阳台上的四匹青铜马曾被拿破仑掠到过巴黎,后来完壁归赵。近来却因酸雨损坏严重无法很好修复,只得移到室内,在原处用复制品代替。世界上类似情况还有许多。荷兰中部尤特莱希特大寺院中,有一套组合音韵钟,是在17世纪铸造的名钟。300年来人们一直十分喜欢听它的声音。可是近30年来钟的音程出了毛病,音色也逐渐变得不洪亮。因为钟是用80%的铜制的,由于敲钟时反复震动铜锈逐渐剥落,酸雨腐蚀已经进入到钟的内部。

酸雨袭击南极
  令人震惊的是,南极也观测到了酸雨,而且是比较强的酸雨。例如,我国南极长城站1998年4月曾先后8次观测到酸雨,其中最低pH值只有4.45。长城站的铁质房屋和塔台被锈蚀得成层剥落,有的不得不进行更新。为了减缓腐蚀,每年要刷2-3次油漆。

洞穿珍贵彩色玻璃
  在欧洲,镶有中世纪古老彩色玻璃的教堂等建筑超过10万栋。这些彩色玻璃弥足珍贵,在第二次世界大战中曾卸下来疏散开,多数安然无恙。可是却和其他古建筑一样,不能躲过酸雨的侵袭。这些彩色玻璃逐渐失去神秘的光泽,变褐,有的甚至完全褪色。仔细观察玻璃表面,有无数细小的洞。酸雨在小洞中继续和钾、钠、钙发生反应(钙是中世纪生产的玻璃中才有的)。例如和钙发生化学反应后生成石膏。酸雨从内部损害了玻璃。

书画遭劫
  带有酸性的细小粉尘(干沉降)进入室内,在空气相对湿度较大时,开始侵蚀图书馆中的古老藏书。纸张氧化成茶色,纸质变差以至毁损。大英图书馆20-30年代的藏书的皮封面也遭到硫酸侵害,好像浮着红锈似地正在变色。壁画情况也是如此。所幸80年代中后期开始,欧洲治理大气污染加速,所有各种腐蚀和损害的速度又明显缓和下来了。油画腐蚀现象的恐怖症也在收藏家中间扩大开来。白色或透明结晶的粒子,不仅在画的表面,而且在画布的背后,像粉一样的喷出。过一段时间,这些粒子还会深入油彩层,使含化学颜料的油漆全部损坏。而不暴露在空气中的部位则没有这种现象。可见污染大气和干性沉降的危害之大。

酸雨冰溜溜
  建筑物中出现“酸雨冰溜溜”,又是酸雨危害的一件“新事物”。混凝土因酸雨而溶解,然后在下滴过程中水分蒸发而硫酸钙等固体成分留了下来,形成类似石灰岩溶洞中的“石钟乳”。而下滴到地面上的硫酸钙留下来则形成“石笋”。之所以叫“冰溜溜”,是因为这种“石钟乳”很像冬季中从屋檐上流下来的冷水,在流动过程中逐渐结冰,形成下垂的“冰溜溜”。日本许多城市立交桥下和建筑物中都有这种酸雨冰溜溜。它使建筑物松散不牢固,甚至成为危险建筑物。关于酸雨对建筑物造成的损失,美国联邦环保局1985年曾有一个估计,在17个州共造成的损失高达50亿美元。主要原因是大楼损伤加速,涂料装饰很快剥落和窗框腐蚀此外因旅游减收带来的损失也有20亿美元。

我国是全球三大酸雨区之一


  本世纪以来,全世界的酸雨污染范围日益扩大。原只发生在北美和欧洲工业发达国家的酸雨,逐渐向一些发展中国家扩展,如印度、东南亚、中国等。同时酸雨的酸度也在逐渐增加。据欧洲大气化学监测网近20年连续监测的结果表明,欧洲雨水的酸度增加了10%,瑞典、丹麦、波兰、德国、加拿大等国的酸雨pH多为4.0-4.5,美国已有15个州的酸雨pH在4.8以下。

  我国是个燃煤大国,煤炭占能源消费总量的75%。1980年全国煤炭消耗量还不过6亿吨,但随着经济建设的发展,到1995年已达12.8亿吨,15年间增加了一倍还多。随着耗煤量的增加,二氧化硫的排放量也不断增长。80年代,我国酸雨主要还只发生在以重庆、贵阳和柳州为代表的川、黔和两广地区,酸雨面积170万平方公里。到90年代中期,酸雨已发展到长江以南、青藏高原以东的广大地区,酸雨面积扩大了100多万平方公里。以长沙、赣州、南昌、怀化为代表的华中酸雨区现已成为全国酸雨污染最严重的地区,其中心区年降水pH值低于4.0,酸雨频率高达90%,基本上到了逢雨必酸的程度。以南京、上海、杭州、福州、青岛和厦门为代表的华东沿海地区也成为我国主要的酸雨区。华北、东北的局部地区也出现酸性降水。

  1999年6月26日,全国人大副委员长邹家华在作关于检查《中华人民共和国大气污染防治法》实施情况报告中说,我国酸雨正呈蔓延之势,是继欧洲、北美之后的世界第三大酸雨区。我国酸雨区面积扩大之快、降水酸化率之高,在世界上是罕见的。1998年,全国一半以上城市降水年均pH值低于5.6。酸雨在我国几乎呈燎原之势,覆盖面积已占国土面积30%以上。因酸雨造成的年总损失为130亿元。其实,北方城市二氧化硫的排放量并不比南方少,只是因为北方土壤呈碱性,大气中尘沙又多,雨滴在经过大气层时得到了中和。每当降雨时间较长,碱性尘沙被冲刷到地面上以后,雨水也会呈酸性。我国南方酸雨以冬春季节出现频率较高,夏秋季节相对较低。这是因为冬春季常有准静止锋天气,低空锋面是一个稳定层结,锋面以下积聚的大气污染物常不能向上扩散,浓度逐渐增大;而夏秋季节多雷雨台风,空气上下对流十分旺盛,大气污染物易于扩散稀释,因而雨水酸度降低。我国酸雨中的主要成分是硫酸。雨水中硫酸和硝酸的比值很大,是美国和德国的6-7倍。硫酸主要是工业烧煤所造成,硝酸主要是汽车尾气所排出。但随着我国汽车数量的不断增加,大城市酸雨中硫酸和硝酸的比值也在明显下降。有趣的是,在重庆,广州、南京、上海和广东韶关等许多地方百米以上的高塔或几百米高的山顶上,观测到的雨水酸度竟然比当地地面雨水还高(pH值平均偏高0.2)。这说明近地面层中气溶胶(包括大气污染微粒)对下降中的雨滴的酸度总的来说还是起了中和降低的作用。所以,酸雨形成主要不是雨滴在降落过程中溶进了大气污染物而变酸的。而恰恰相反,高空才是酸雨的形成场所。因为地面排放的致酸物质通过近地面层中碱性粒子略为中和以后,扩散到高空,在高空形成了大范围的致酸区。这就是说,我国酸雨的形成机制不是局地性的,而是整个区域性的。这就决定了我国酸雨的治理对策应该是控制整个地区内二氧化硫的排放总量,这称为“总排放量控制原则”。过去常采用的建高烟囱的办法,只能减轻局地少数地点的地面污染强度,而无助于解决区域性的整体污染强度。1998年1月国务院批准国家环保总局制定的我国《酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分方案》就是为了从整体上控制我国的酸雨危害。两控区划分的标准和两控区分阶段达到的目标这些具体内容我们这里就不多介绍了。《划分方案》所划定的我国两控区面积虽只占国土总面积的11.4%,但二氧化硫排放量却占全国的近60%,是全国酸雨和二氧化硫污染最严重、二氧化硫排放量最多的地区。因此如能控制住两控区的二氧化硫排放,基本上就可以扼制住全国酸雨和二氧化硫污染不断恶化的趋势。

  世界上另两个酸雨区是以德、法、英等国为中心,波及大半个欧洲的北欧酸雨区和包括美国和加拿大在内的北美酸雨区。这两个酸雨区的总面积大约1000多万平方公里,降水的pH值小于0.5,有的甚至小于0.4。

如何衡量雨水的酸度


  水的酸碱度科学上用pH来表示。从酸到碱,pH值从0-15,即共分16级。每增减1级,表示酸碱度增减10倍。pH值为7.0时的水是中性的,低于7是酸性,高于7就是碱性。不过,在自然界中,即使不受污染的雨水,pH值也是小于7的,这是因为大气中的二氧化碳很易溶解到雨滴中使雨水呈弱酸性。因此国际上把PH值小于5.6的雨水才称为酸雨。但是,美国和加拿大的酸雨监测网是把pH值5.0以下的降水才算作酸雨的。实际上,根据中美合作项目,在远离人烟的中国内陆云南省丽江地区玉龙雪山海拔3200米的云杉坪,从1986年开始共8年观测的结果,也证明取5.0作为全球内陆降水酸度背境值是合适的。大气酸雨的成分,主要有硫酸、硝酸和盐酸三种。自然界中有时也会降酸雨。例如,火山喷发后会降含硫酸或盐酸的雨,雷电可以使雨水中含硝酸等。但是,自然界造成的酸雨都是暂时的,只有人类活动造成的酸雨才会经常出现,以至酸性越来越强,造成重大灾害。不过,有些读者可能会有疑问,为什么有的酸雨尝起来并不酸呢?原来,人舌头的味觉,在pH值一般要低到4左右时才会有酸的感觉。

酸雨形成原因


  人类活动造成的酸雨成分中,以硫酸为最多,一般约占60%一65%,硝酸次之,约30%,盐酸约5%,此外还有有机酸约2%左右。硫酸主要是因为燃烧矿物燃料释放的二氧化硫,其中最大的排放源是发电厂、钢铁厂、冶炼厂等,还有家家户户的小煤炉。目前全世界人为释放的二氧化硫每年约1.6亿吨。硝酸是由氮氧化物形成的。氮氧化物气体主要是在高温燃烧的情况下产生的。例如,汽车发动机燃烧室中,以及矿物燃料在高温燃烧时都会放出氮氧化物。氯化氢的人工源除了使用氯化氢的工厂以外,焚烧垃圾(塑料制品中有大量的氯)和矿物燃料燃烧时也都会释放这种气体。人类活动造成的二氧化硫和氮氧化物与自然源相比数量上虽然大体相当(即各占约50%左右),但是因为自然界自我清洁能力有限。这好比一个人吃饭,肚量再大,让他多吃一倍的饭,也是会把肚子撑坏的。硫氧化物和氮氧化物在大气中形成酸雨的过程是十分复杂的大气化学和大气物理过程。如果形成酸性物质时没有云雨,则酸性物质会以重力沉降等形式逐渐降落在地面上,这叫做干性沉降,以区别于酸雨、酸雪等湿性沉降。干性沉降物在地面遇水时复合成酸。酸云和酸雾中的酸性,由于没有得到直径大得多的雨滴的稀释,因此它们的酸性要比酸雨强得多。高山区由于经常有云雾缭绕,因此酸雨区高山上森林受害最重,常首先成片死亡。

酸雨的防治


  世界上酸雨最严重的欧洲和北美许多国家在遭受多年的酸雨危害之后,终于都认识到,大气无国界,防治酸雨是一个国际性的环境问题,不能依靠一个国家单独解决,必须共同采取对策,减少硫氧化物和氮氧化物的排放量。经过多次协商,1979年11月在日内瓦举行的联合国欧洲经济委员会的环境部长会议上,通过了《控制长距离越境空气污染公约》,并于1983年生效。《公约》规定,到1993年底,缔约国必须把二氧化硫排放量削减为1980年排放量的70%。欧洲和北美(包括美国和加拿大)等32个国家都在公约上签了字。为了实现许诺,多数国家都已经采取了积极的对策,制订了减少致酸物排放量的法规。例如,美国的《酸雨法》规定,密西西比河以东地区,二氧化硫排放量要由1983年的2000万吨/年,经过10年减少到1000万吨/年;加拿大二氧化硫排放量由1983年的470万吨/年,到1994年减少到230万吨/年,等等。目前世界上减少二氧化硫排放量的主要措施有:

1、原煤脱硫技术,可以除去燃煤中大约40%一60%的无机硫。

2、优先使用低硫燃料,如含硫较低的低硫煤和天然气等。

3、改进燃煤技术,减少燃煤过程中二氧化硫和氮氧化物的排放量。例如,液态化燃煤技术是受到各国欢迎的新技术之一。它主要是利用加进石灰石和白云石,与二氧化硫发生反应,生成硫酸钙随灰渣排出。

4、对煤燃烧后形成的烟气在排放到大气中之前进行烟气脱硫。目前主要用石灰法,可以除去烟气中85%一90%的二氧化硫气体。不过,脱硫效果虽好但十分费钱。例如,在火力发电厂安装烟气脱硫装置的费用,要达电厂总投资的25%之多。这也是治理酸雨的主要困难之一。