5.3 酸雨 [5.3.1][5.3.2][5.3.3]

5.3.1 酸雨的化學

圖5-12酸度( acidity )是以氫離子( H+ )的濃度為指標,亦即所謂的pH值。代表酸度的 pH值由0到14,值越小酸度越高,值越大酸度越低( 或鹼度,alkalinity,越高 )。 pH 值是對數,因此pH 5 溶液的酸度是pH 6 溶液的酸度的10倍,是pH 8 溶液的酸度的1000倍。純水的酸度為7,代表中性,亦即水中的H+ 及OH- 濃度一樣。圖5-12是不同流體的pH值: 牛奶為7,番茄汁略大於4,檸檬汁為2,電池溶液則為1。

一般雨水的酸度是pH5.6。這是因為空氣中的二氧化碳溶於水,分離出氫原子H+ :


CO2(氣體) + H2O=CO2. H2O (水溶液) ( 5.16 )


CO2.H2O (水溶液)=H+ + HCO3-( 5.17 )


HCO3-= H+ + CO32- ( 5.18 )

人類燃燒化石燃料產生的SO2及NO2,經過化學反應後也將水中的H+釋出,提高雨水的酸度。以二氧化硫而言,它先溶於水,再引發一系列反應:

SO2 + H2 O → H+ + HSO3-( 5.19 )


HSO3- + H2O2 → HSO4- + H2O ( 5.20 )


HSO3- + O3 → HSO4- + O2 ( 5.21 )


HSO4- → H+ + SO42- ( 5.22 )

二氧化氮的溶解性較低,必須先與HO作用,轉換成HNO3,再將H+ 釋出:

NO2 + HO + M → HNO3 + M ( 5.23 )


HNO3(氣體) 水滴→ HNO3(水溶液) ( 5.24 )


HNO3(水溶液) → H+ + NO3- ( 5.25 )


由於SO2及NO2,受污染的雨水、雲滴、霧的pH值,大都低於5.6。洛杉磯的霧的酸度曾經高達pH1.7。

5.3.2 酸雨的分布

圖5-13空氣污染物( 如,NOx,SO2 )排入大氣後,有一部份受重力牽引在源頭附近就已掉落地面,但有一部份則進入較高處被大氣環流帶走,傳送至其他地區,形成酸雨,對生態、環境造成影響(圖5-13 )。早期的影響大多發生在源頭附近,但是在1960,1970年代為了解決當地的空氣污染問題,許多國家採取高煙囪政策,將煙囪加高(曾有煙囪高達400公尺)在較高處排放污染物。這個方法解決了當地的空氣污染問題,但是排入高處的污染物並未就此散去,只是被較大尺度的大氣環流傳送到比較遠的地方,污染其他國家或地區。

圖5-14

污染物的長程傳送( long range transport )可達數百公里之遠。比如,造成美國東岸及加拿大酸雨的污染物,有一大部份來自Ohio river valley的重工業區; 北歐的酸雨則多是由來自英、德、法等國的污染物造成的(圖5-14)。又如,北極地區的霾,在冬季時常因由美洲及歐洲傳送來的污染物而酸化。加上極地地表溫度很低,逆溫(溫度隨高度增加)情況很普遍。在此種大氣極端穩定的情況下,空氣污染及連帶的影響相當嚴重。夏季的情況則好了許多。圖5-15依據估計,冬季北極圈內空氣的硫酸鹽含量是夏季的20至30倍。降水及雪的酸度在夏季約為5.6,但冬季則在4.9-5.2之間。

表5-1a

即使如此,酸雨問題與二氧化碳的影響相比,仍是一局部區域問題,大多仍是發生在源頭附近(以全球尺度而言)。圖5-15顯示低pH值地區多在工業發達的國家附近,如北美東岸、西歐及東北亞。其分布與硫酸鹽懸浮微粒含量的分布大致類似,因為它們的來源是一樣的。表5-1b圖5-16

台灣的酸雨問題也相當嚴重。以台北而言,在1986-1988之間,年平均pH值為4.45(表5.1a),其中又以夏季的pH值最低(4.32)。三年平均而言,pH值低於5.0的發生頻率則高達56.6% (表5.1b)。北桃地區由於工廠及發電廠的影響問題更加嚴重,大部份地區的pH值也都低於4.5,比如,大園3.98,觀音 4.24,龜山3.99 (圖5-16)。部份研究指出,造成台灣酸雨的污染物,有些是來自中國大陸。

5.3.3 酸雨的影響

酸雨所造成的環境影響,眾說紛云,許多說法都尚未有定論,比如對農作物、人體健康的影響。但是,比較確定的是,它對生態系統比較脆弱的地區影響較大,譬如,北歐及北美。因為這些地區的土壤及水體處理酸性物質的能力較低。上述地區的湖泊自從工業革命以來都有明顯酸化的情形。除了酸化之外,這些湖泊中的鈣、鎂含量明顯降低,硫酸鹽含量則上昇。酸雨進入土壤之後,經過化學作用,將土壤中的金屬釋出,隨著河水流入湖泊,使湖水的金屬含量上昇。這些作用都可能殘害水中生物,改變生態系統。研究指出在歐洲及北美湖水pH值小於5的湖泊中有50%沒有任何魚類,這些湖泊被形容為死湖( dead 或 dying )。

土壤中因酸雨釋出的金屬也可能為植物吸收造成影響。土壤中植物生長所需的養份,如鈣、鎂,也可能因酸雨而減少,影響植物的生長。這些可能性雖然存在,但是問題極其複雜,譬如,某些金屬( 如,鐵 )的釋出反而有助於植物的生長。因此,酸雨對植物、農作物、森林的確實影響仍不清楚。

我們可以相當確定的是酸雨對建築及汽車的損害,尤其是對利用大理石、石灰岩建成的歷史建築及雕像。比如,石灰岩中含鈣及鎂的碳化物,與雨水中的硫酸作用形成硫酸鹽溶於水,而漸漸從石灰岩中被「洗」出來。當水分蒸發之後,含鈣或鎂的硫酸鹽在建築物或雕像表面結晶,最後造成龜裂,表面斑駁,使下層的石灰岩暴露出來,受酸雨的侵襲。世界上許多歷史古蹟因此受到極快速的破壞。

由於長程傳送的特性,酸雨已成為國際問題,必須經由國際合作、協商才能解決問題。有些國家(如,荷蘭),已開始進行觀測實驗,利用飛機、汽球等觀測方法,估計穿過國家邊境的污染物通量。經過精細計算,每一個國家就可知道有多少污染物是由其他國家傳入,有多少是自己製造的,可以據之釐清彼此的責任。


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