酸雨漫话

一、有关酸雨知识的几个定义：
①、酸雨，简单地说，就是酸性的雨。什么是酸? 纯水是中性的，没有味道；柠檬水，橙汁有酸味，醋的酸味较大，它们都是弱酸；小苏打水有略涩的碱性，而苛性钠水就涩涩的，碱味较大，它们是碱。科学家发现酸味大小与水溶液中氢离子浓度有关；而碱味与水溶液中羟基离子浓度有关；然后建立了一个指标：氢离子浓度对数的负值,叫pH值。于是，纯水的pH值为7；酸性越大，pH值越低；碱性越大,pH值越高。未被污染的雨雪是中性的，pH值近于7；当它为大气中二氧化碳饱和时，略呈酸性，pH值为5.65。被大气中存在的酸性气体污染,pH值小于5.65的雨叫酸雨；pH值小于5.65的雪叫酸雪；在高空或高山(如峨眉山)上弥漫的雾,pH值小于5.65时叫酸雾。
②、酸雨率：一年之内可降若干次雨, 有的是酸雨, 有的不是酸雨, 因此一般称某地区的酸雨率为该地区酸雨次数除以降雨的总次数。其最低值为0%; 最高值为100%。如果有降雪, 当以降雨视之。
有时, 一个降雨过程可能持续几天, 所以酸雨率应以一个降水全过程为单位, 即酸雨率为一年出现酸雨的降水过程次数除以全年降水过程的总次数。　除了年均降水pH值之外, 酸雨率是判别某地区是否为酸雨区的又一重要指标。
③、酸雨区：某地收集到酸雨样品, 还不能算是酸雨区, 因为一年可有数十场雨, 某场雨可能是酸雨, 某场雨可能不是酸雨, 所以要看年均值。目前我国定义酸雨区的科学标准尚在讨论之中, 但一般认为: 年均降水pH值高于5.65, 酸雨率是0-20% , 为非酸雨区; pH值在5.30--5.60之间, 酸雨率是10--40% , 为轻酸雨区; pH值在5.00--5.30之间, 酸雨率是30-60%, 为中度酸雨区; pH值在4.70--5.00之间, 酸雨率是50-80%, 为较重酸雨区; pH值小于4.70, 酸雨率是70-100%, 为重酸雨区。这就是所谓的五级标准。其实, 北京, 西宁, 兰州, 乌鲁木齐等市也收集到几场酸雨, 但年均pH值和酸雨率都在非酸雨区标准内, 故为非酸雨区。
二、影响酸雨分布的物质因素和动力因素：
①、空中的酸碱物质与酸雨 ：现代工业、农业和交通排放更大量，种类更多的污染物(包括酸碱性物质),且与尘埃一起升到高空,通过扩散、迁移、转化而后重力沉降到地面，或经雨雪冲刷到达地面。酸性物质可破坏植被,酸化土壤,酸化水域，造成水生和陆地生态失衡，加速岩石风化和金属腐蚀。
自然活动和人类活动向大气排放若干物质形成酸雨；其中有的物质是中性的,如风吹浪沫漂向空中的海盐,NaCl,KCl 等；有的物质是酸性的，如SOx 和NOx 及酸性尘埃(火山灰)等；有的是碱性的，如 NH3及来自风扫沙漠和碱性土壤扬起的颗粒；有的本身并无酸碱性,但在酸碱物质的的迁移转化中可起催化作用，如CO和臭氧；降水的pH值是它们在雨水冲刷过程中相互作用和彼此中和的结果。自然活动和人类活动的排放规律完全不同：在较长时间内,如一个世纪以至几个世纪，前者的排放量大致不变；而后者,在某些经济正在腾飞地区几十年甚至十年内就有明显增加。因此，应该分开认识,使问题变得清晰化并便于提出针性的污染控制方案。
②、制约酸雨地区分布的物质因素 ：酸雨地区分布为复杂因素所制约。从宏观来看，中国大陆的酸雨分布取决于中国各地酸、碱性物质的排放量，促成大气中酸碱物质转化的物质，如CO2和SO2的当地排放量；再加上当地的气象条件,如中国各地年均温度,中国各地年均雨量,中国各地年均大气湿度,中国各地年日照时数和中国各地土壤的酸碱性等。
③、酸雨的动力因素：高空酸碱性物质大气输送 ： 大气环流是形成酸雨的动力因素。高空中酸性物质可经大气输送，也可形成酸雾，在风的推动下飘浮到数百以至数千公里以外，变为当地的酸雨。例如，舟山群岛和南海诸岛居民不多，经济不发达，但仍处于酸雨区域之中，就是酸性物质就是从我国东南沿海省份吹过来的。再例如，我国甘肃省东南部武都地区，经济也欠发达，也处于酸雨区域之内，当地大气中酸性物质系由四川盆地吹过来的。陕南汉中盆地和商洛地区也存在类似情况，有幸地是，高高的秦岭挡住了南来的酸雾，形成了陕南酸雨地区与非酸雨地区的天然屏障。
三、酸雨的危害：
（一）、“干沉降”与“湿沉降”：不下雨时，大气中酸性物质可被植被吸附或重力沉降到地面叫干沉降；下雨时，高空雨滴吸收包含酸性物质继而降下时再冲刷酸性物质降到地面叫湿沉降。
"湿沉降" 取决于酸雨中致酸碱性物质浓度, 如果我们讨论硫的 "湿沉降" , 那么, 将取决于降水中的硫的浓度, 如此类推; 也取决于降雨量。 "干沉降" 则不同, 除了取决于大气中酸碱性物质浓度, 如果我们讨论硫的 "干沉降" , 那么, 将取决于大气中SO2的浓度和总悬浮颗粒物的浓度, 后者在空中已吸附了少量硫, 并以硫酸根的形式存在; 还取决于它们沉降到哪类地面上, 即土地利用格局。利用格局不同, 吸附和吸收酸性物质能力不同。一般分为四类, 森林的SO2 的沉降能力最强, 约为 8毫米/ 秒; 林地, 约为5 毫米/ 秒; 庄稼地和草地, 约为4 毫米/ 秒; 水面, 居民区等, 约为2 毫米/ 秒。土壤的酸碱性也有一些影响, pH值大于7 的碱性土壤, 约为 8毫米/ 秒; pH值近于 4的酸性土壤, 约为4-6 毫米/ 秒。
城市和农村, 谁的干沉降大, 谁的湿沉降大, 谁的干湿沉降总合大? 我国城市, 特别是工业城市, SO2 排放量较大, 该城市地面测得的SO2 浓度也较高, 例如我国有24所城市SO2 年均浓度超过了0.100 毫克/ 立方米, 其中有10座城市在长江以南, 这些市皆处于酸雨区中; 但是长江以南广大农村地区, SO2 年均浓度约为0.010 毫克/ 立方米, 甚至低于此值, 也属于酸雨区。这是因为我们测得的SO2 浓度是地面浓度; 而决定酸雨的是高空雨云酸化的程度, 并且这种酸化了的雨云可以长距离传输; 决不能因为农村没有酸物质排放而忽视了酸雨存在与危害。由于乡村面积远远大于城市面积, 因此城市的干沉降大于湿沉降; 乡村湿沉降大于干沉降。若讨论国土面积, 乡村的干湿沉降的总和将远大于城市的干湿沉降的总合;若讨论单位面积, 城市的干湿沉降总和将远大于乡村干湿沉降之总合。
酸性物质的干湿沉降酸雨危害环境。这种危害包括森林退化，湖泊酸化，鱼类死亡，水生生物种群减少，农田土壤酸化、贫脊，有毒重金属污染增强，粮食、蔬菜、瓜果大面积减产，使建筑物和桥梁损坏，文物面目皆非。
（二）、酸湖及湖泊酸化 ：干湿酸沉降可直接降入湖水内；也可降入河内再流入湖内；也可落到植被上，雨水冲刷形成径流，注入河湖；也可渗入土壤，进入地下水，流入湖内；最终导致湖泊酸化。有人估计，在中国南方酸雨地区有近一半湖泊，受到不同程度的酸化污染。当然，不同湖泊酸化的敏感性还有所不同，它取决于影响降水的气象条件，湖泊水文，流域特征和湖区土壤和基岩状况。
重庆南山和缙云山各发现一个水塘, 其水体pH值为4.7 , 属于已酸化了的小水体, 这是一个警告。幸运地是, 到目前为止我国尚未发现大面积水域酸化现象。
①、何谓湖泊酸化?天然水体中含有碳酸氢根离子; 有的水质发浑, 含有某些有机碱; 因此它们有中和酸的能力。碱度就是酸中和能力。碳酸氢盐水体中的碱性主要来自于含钙和镁的矿物质的风化。因此水体碱度为碳酸氢根离子浓度, 加上两倍的碳酸根离子的浓度(因为每个碳酸根离子可中和两个氢离子) , 再加上氢氧根离子浓度, 即: 碱度 = [HCO3] + 2[CO3] + [OH] - [H]。
当酸性物质进入碳酸氢盐水体, 首先中和氢氧根离子, 然后中和碳酸根离子形成碳酸根离子, 最后中和碳酸氢根离子形成碳酸,再增加氢离子, 水体将明显酸性提高。因此, 水体碱度大, 酸中和能力大, 其对酸性的缓冲能力大, 可容纳更多额外增加的酸。据碱度定义, 湖泊完全失去碱性叫酸化。当某水体接受氢离子量超过其本身中和离子量 (通常是碳酸氢盐) , 便发生了酸化。
②、酸湖是怎样形成的呢?湖底基岩一般为碳酸盐, 不断以碳酸氢盐形态慢慢溶入湖水中, 故一般湖水为弱碱性或中性。酸雨引入湖中的氢离子, 首先中和碳酸氢根离子形成弱酸性的碳酸, 这时湖水的pH值下降很慢, 有时需要数年时间; 一但该过程中和完毕, 碳酸氢根被耗尽时, 再引入新的氢离子, pH值就下降很快了, 可能一年之内便可酸化。
③、水体酸化敏感性指标：虽然目前我国水体, 包括湖泊酸化并不严重, 例如我国重酸雨地区四川和贵州省水体大致pH值在6.5-8.5 之间, 没有发现大面积已酸化水体, 且近期也不会被酸化。要防患于未然。因此首先要着眼于找出那些对酸化敏感的水体, 先行防范。要评价某水体对酸化的敏感性, 就要订出一项水体酸化敏感性指标。
参照国外和前人经验, 我国学者提出一种 "抗酸化容量" 指标来评价天然水体的酸化敏感性。经过他们的研究, 我国天然水体的pH值一般在6.5-8.5 之间。此时, 水体中碳酸氢根占碳酸溶解量的60-95% ,成为水体中的主要缓冲因素。首先, 假定水体酸化临界值为pH=6.5, 测出水体实际pH值后, 可得pH增加值△pH, 即　△pH= pH - 6.5;既而, 测得水体的碱度 [Alk];最后, 由水体碳酸平衡公式, 算出水体可承受的总酸量△A。 据此指标, △A < 0.5 毫克当量/升 , 是敏感水体; △A=0.5-1.0 毫克当量/升 , 为中等敏感水体; △A > 1.0 毫克当量/升 , 为不敏感水体。
（三）、土壤酸化 ：酸雨可导致土壤酸化。我国南方土壤本来多呈酸性，再经酸雨冲刷，加速了酸化过程；我国北方土壤呈碱性，对酸雨有较强缓冲能力，一时半时酸化不了。土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸雨尚能加速土壤矿物质营养元素的流失；改变土壤结构，导致土壤贫脊化，影响植物正常发育；酸雨还能诱发植物病虫害，使作物减产。 酸雨可使土壤微生物种群变化，细菌个体生长变小，生长繁殖速度降低，如分解有机质及其蛋白质的主要微生物类群牙孢杆菌，极毛杆菌和有关真菌数量降低，影响营养元 素的良性循环，造成农业减产。特别是酸雨可降低土壤中氨化细菌和固氮细菌的数量，使土壤微生物的氨化作用和硝化作用能力下降，对农作物大为不利。
科学家试验后估计我国南方七省大豆因酸雨受灾面积达2380万亩，减产达20万吨，减产幅度约6%，每年经济损失1400万元。
火力发电厂周围的粮地稻、麦等禾本科作物叶面积小，蜡质层厚，可湿性差，对酸雨敏感性弱，但强酸雨仍将导致叶面扭曲，褐黄或褐红伤班，大麦减产。重庆电厂附近酸雨区域受害粮地4.1% 。
（四）、酸雨与森林衰退 ：比较不同年代树木年轮，可知产生酸雨前后对林木生长的影响。在我国南方森林地区，50年前树木生长较为粗壮，近年来状况不佳。酸雨可造成叶面损伤和坏死，早落叶，林木生长不良，以致单株死亡。土壤肥力降低，产量下降，造成大面积森林衰退。 我国重酸雨地区四川盆地受酸雨危害的森林面积达28万公顷，占林地总面积的三分之一，死亡面积1.5万公顷，占林地面积6%。同样受酸雨侵袭的贵州省，受危害的森林面积达14万公顷，为四川盆地的二分之一。
①、酸雨中的马尾松：我国马尾松和华山松对酸雨十分敏感，重庆南山风景区约三万亩马尾松发育不良，虫害频繁；80年代约有一万公顷马尾松枯死，几经防治，毫无效果。
②、峨眉山冷杉林成片死亡：四川名胜峨眉山, 风景旖丽, 全靠山深林秀。但近十年来, 酸雨象空中死神缠住了此佛教胜地, 冷杉林成片死亡。金顶海拔3077米, 降水pH值平均为4.34; 酸雨率达到85.7% , 硫酸根占阳离子总量的60% 。其它风景区千佛顶, 太子坪, 七里坡, 雷洞坪也处于酸雨严重污染区。峨眉主要风景林是冷杉, 死亡率超过30% 的中度受害面积达到7.00平方公里; 死亡率超过50% 严重受害面积达到2.28平方公里。七里坡接引殿一带, 有4%的树木枯死; 金顶附近 600余亩, 几乎全部死绝, 秃秃光光, 景观全非。猴子也跑到其它山沟里去了。
③、酸雨中的竹林与大熊猫：我国南方盛产竹林，个别地区竹林茂盛，绵延数百公里，成为竹海，雨中竹叶清翠欲滴，成为盛景。但酸雨使竹林泛黄，竹叶稀稀落落。以竹叶为食物的大熊猫会因此忍肌挨饿。如果不保护好熊猫所赖以生存的生态环境，国宝大雄猫将在我们这一代濒临灭绝。
（五）、酸雨与建筑 ：酸雨能使非金属建筑材料（混凝土、砂浆和灰砂砖）表面硬化水泥溶解，出现空洞和裂缝，导致强度降低，从而建筑物损坏。 科学家曾收集许多被酸雨毁害的石灰石和大理石建筑材料, 分析发现该样品的碳酸盐的颗粒中总是嵌入硫酸钙晶体, 硫从哪里来? 认定与酸雨有关。 沙浆混凝土墙面经酸雨侵蚀后, 出现 "白霜" ; 经分析此种白霜就是石膏 (硫酸钙) 。
重庆市1956年建成的重庆体育馆水泥栏杆, 由于酸雨腐蚀, 石子外露, 深达1 厘米之多, 按时间估计, 平均每年浸蚀0.4 毫米, 十分惊人。这种水泥栏柱石子外露现象, 在路旁电线杆上也每每发生。除了影响材料强度之外, 尚影响市容观瞻。
雾都建筑的 "黑壳" 效应 ：建筑材料变脏, 变黑, 影响城市市容质量和城市景观, 被人们称之为 "黑壳" 效应。我国雾都重庆 "黑壳" 效应相当明显。天然大理石, 俗称汉白玉, 三年之后, 经酸雨淋洗, 完全变色; 失去光泽的时间为 3至 8年。
（六）、酸雨与文物 ：酸雨能使文物面目皆非。碑林文字模糊；著名的杭州灵隐寺的“摩崖石刻”近年经酸雨侵蚀，佛像眼睛、鼻子、耳朵等剥蚀严重，面目皆非，修补后，古迹不“古”。碑林、石刻大都由石灰岩雕成，遇到酸雨立即起化学反应，酸碱中和，即被腐蚀。 南方某地属于酸雨区, 有一块五百年历史的大理石碑, 50年前字迹尚清晰, 现在已一片模糊, 这说明此事与近40至50年间的酸雨现象有关。上海市嘉定城中明代万历年间古建金沙塔, 在酸雨产生的 "水滴石穿" 的腐蚀作用下, 表面层日益灰暗, 更显颓废。酸雨尚可使油漆泛白，褪色。给古建筑和仿古建筑带来许多麻烦，缩短粉刷装修的时间周期。 受酸雨淋的酚醛磁漆及醇醛磁漆, 大约两个月开始变色, 失去光泽, 部分涂膜脱落锈蚀。嘉定名园秋霞圃, 江龙潭, 古建筑十年内粉刷油漆多次, 不久又暗淡无光, 使游人摇头而去。
四、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。
五、 有关酸雨分布的几个问题
①、我国酸雨前体物会长程输送到邻国韩国和日本吗? ：我国春季北方经常产生沙尘暴, 它形成于西伯利亚的西南部, 蒙古和我国西北的沙漠地带; 在冷高压控制东亚大陆的天气系统下, 风速很大, 从地面起到两叁公里的高度, 风速还有增加, 但风向基本一致, 即主风向保持西北风, 没有切变, 且天气干燥, 没有湿沉降, 这有利于黄沙的长距离输送, 因此, 韩国, 日本, 以至离中国大陆达数千公里的美国夏威夷群岛也观测到来自北亚的黄沙是毫不奇怪的。但是, 这不等于酸雨的前体物的输送和黄沙的输送情况完全相同, 即看到来自亚洲大陆的黄沙, 就等于看到来自同一地方的酸性污染物。
酸雨是酸性污染物的湿沉降, 其输送过程主要和降水的天气系统有关, 与春季的的沙尘暴的天气系统差别很大。我国降水中的水分有三种来源: 其一, 西南暖湿气流; 其二, 来自东南海面; 其三, 来自其附近地面的湿空气。云和降水主要是由比重较小的暖湿空气, 被抬升到高空冷却所形成的, 这种冷空气和暖湿空气的相对运动, 产生风切变, 使风向和风速都会有较大变化。在江南黄梅季节, 阴雨连绵, 地面呈偏北风, 云雨形成的高空是偏南风。因此, 这种风切变使得高空的酸性污染物难以迁移到很长的距离。
我国酸雨是硫酸型的, 全国雨水样本中硫酸根的含量比硝酸根的含量要大得多, 这起因于我国燃料主要是煤, 主要酸雨前体物是二氧化硫及其次级污染物。但是, 日本的酸雨是硝酸型的, 这与日本是用油大国有关。如果我国的酸性污染物 (主要是二氧化硫) 经过长距离输送之后, 对日本酸雨贡献大于其本国的贡献的话, 则日本的酸雨也应该被改变为硫酸型的, 事实并非如此。目前, 一般认为, 我国酸雨前体物长程输送到邻国韩国和日本的数量是有限度的, 特别是经过了长距离和伴随的湿沉降和海上的降水过程之后, 它将不会是形成这些国家酸雨的主要责任者。
②、庐山, 黄山, 衡山和峨嵋山的酸雨从哪里来?：庐山, 黄山, 衡山和峨嵋山都是风景胜地, 其方圆百里之内没有重大污染源, 但在约2000米的高山上也收集到酸雨和酸雾, 有的酸性还很强。我们可以看到, 在它们所处的几百公里之内, 的确存在强污染源, 如: 庐山附近有南昌工业区; 黄山附近有南京, 景德镇工业区; 衡山附近有湘中工业区; 峨嵋山附近有川中平原工业区。这可以解释为工业区排放的酸性污染物在高空有中等距离传输, 即它们酸雨的形成与输送有关。为了证明此点, 几年来, 在四川, 贵州, 广东, 广西和上海进行了飞机航测, 的确在1500米或更高高度, 云水呈强酸性。经过中尺度距离的传输, 其影响范围可达几百公里之内。
③、四川, 贵州的酸雨互相有影响吗?：四川盆地是我国重酸雨区; 其相邻的贵州盆地是我国另一个重酸雨区, 它们之间有影响吗? 经研究, 二氧化硫的地面浓度的高值中心, 基本上与强污染源区吻合; 降水pH值的低值区也基本上与二氧化硫浓度高值区相符合。这说明: 四川和贵州, 它们的酸雨形成基本上是彼此独立的, 所存在的污染物的高空传输过程, 其范围当在省级大小范围之内。
④、两广地区的酸性污染物传输：两广地区与川贵盆地地理条件不同。科学家研究结果表明: 两广地区酸雨的形成, 输送的效应强于川贵地区; 但是影响距离仅约200 公里左右, 形成酸雨的污染物主要是由两广的当地污染源提供的。过去, 有人设想: 广东省韶关地区酸雨形成来自北方邻省江西和湖南, 后经研究与北方较远的工业区