酸沉降对于户外的设备、建筑乃至艺术品的腐蚀,是不容置疑的。仅美国每年用于修缮和更换设备的费用即高达数百亿美元。在我国,污染物对建筑、金属材料及油漆外皮等的锈蚀,广东估计每年高达10亿元,广西约2.5亿元,大约占各省年国民生产总值的1%,其中酸雨造成的损失约占一半。川黔两省因金属腐蚀的损失,以1987年估计达3.7亿元。
酸沉降对农作物和森林的损害同样是严重的。据1988—1989年的估算,广东因酸雨和二氧化硫造成的农田减产面积占全省耕地10%,年损失1.3亿元;广西减产面积占耕地12%,年损失09亿元。广东森林受害面积占全省森林面积55%,木材年损失量折算约3.5亿元;广西受害森林面积占47%,年损失达6.5亿元。川黔两省因酸雨危害,估计蔬菜年损失约2.2亿元,木材直接损失量约2.4亿元。目前,淡水养殖的水产量损失尚不明显,若酸雨继续发展下去,当降水pH达到4.5以下,水域将酸化,以两广计年损失可达6.5亿元。尽管因受试验周期短、设备条件的限制、估算方法选择等影响,人们对结果尚有疑义,但是这样大的经济损失已经够触目惊心的了。考虑到我国目前正处于工业化发展的起步阶段,能源使用的人均率远低于发达国家,一旦我们达到发达国家的人均耗能水平,而又未采取相应的治理措施,那损失将是十分严重的。不仅如此,问题还在于,酸雨这种危害是渐变的,在大范围内是分散的,其源又可能是外来的,所以短时间内不易为人察觉。而农、林、渔业的损失常不表现为直接的作物及产品死亡,仅以生长缓慢、发育不良、易受病虫害困扰等为主,这往往与受自然灾害和耕作方式变化引起的减产不易区别,更易为人所忽视。
总之,酸雨对生态环境的影响及其对农、林、渔业生产所造成损失的估计是一个十分复杂的课题。事实上,酸雨降落到地面即开始了新一轮的物理、化学、生物的循环过程。如果是碱性土壤,降水的酸性可被中和,土壤中的钙、镁等离子可被置换出来,随水径流带走。当然,水体(如湖泊、河流)本身可能会有岩石风化的碱离子,可以具有中和酸性的能力,但若酸雨作用持续下去,这种中和能力将减弱,而使水体逐渐酸化。水体的酸性直接影响鱼的生长,尤其是酸雨释放出的土壤中的铝对鱼类更是具有毒性。从目前的研究来看,酸化污染的水体可能会影响鱼卵的孵化和鱼苗的生长发育,抑制鱼对水中氧的吸收,使其食物供应减少,得病的可能性增加。
时至今日,有关酸雨对农作物及森林危害的机理,人们并未完全搞清,但人们已经意识到酸雨是一种不容忽视的区域性环境灾害。随着生产的发展,二氧化硫、氮氧化物的排放将日益增加,其影响势必更加严重,所以弄清其规律、积极防治已刻不容缓。
酸雨对人类健康产生影响主要通过三种方式:一是经皮肤沉积而吸收;二是经呼吸道吸入,主要是硫和氮的氧化物引起急性和慢性呼吸道损害,原先就有肺部疾患,特别是年幼的哮喘病人受酸雨影响最为明显;三是来自地球表面微量金属的毒性作用,这是酸雨对人类健康最具重要性的潜在危害。
酸雨沉降于地球表面后是否会造成对人类健康的潜在危害,主要取决于降水区地质因素的缓冲能力。酸雨的危害不仅仅是由于其酸度所致,同时也与从土壤和岩石迁移来的金属有关。这些溶滤出来的金属至少有三种对人类具有危害性。
首先是铅。一般认为人体摄入的铅多数来源于食物、空气和尘埃,往往忽视水作为铅的重要来源,最近埃尔伍德等证明,水在引起血铅浓度升高的作用中比大气更为重要。酸雨之所以能增加人类对铅的暴露程度,不只是通过土壤溶滤出铅,而且也由于降低了饮用水的pH值所致。在美国的格拉斯哥市。一个有大量酸雨降落的地区,饮用水pH值为6.3,血铅浓度较高;而用碱对水处理后血铅浓度即明显降低。
其次是汞。人类最常暴露的汞是汞蒸气和甲基汞化合物。酸雨通过对地面水的酸化作用,可促进甲基汞在鱼中的蓄积。至于大气中的汞蒸气,一小部分水溶性汞经雨水或干沉积作用回到地球表面,而酸雨可更有效地移除大气中的汞降至地面。无机汞在水沉积物的生化循环中发生细菌的甲基化作用。其速率取决于pH值,pH值低,汞的甲基化作用强。在未受工业废水污染的湖水中,已发现鱼肉甲基汞浓度升高与酸性pH值有相关关系。加拿大魁北克的印第安人中,已发现轻度甲基汞中毒,该地区的工业废水和酸沉降物可能是造成鱼肉汞含量升高的原因。
最后是铝。在酸雨敏感地区,铝的迁移造成了地面水和地下水铝含量升高。关岛的土著居民肌萎缩性硬化症和帕金森氏病发病率高,这被证明是铝引起的。对早老性痴呆病(阿尔茨海默病)也怀疑与铝有关。在这种病人的脑组织中已查出神经元的核心区有铝的积聚。根据最普通的假说,早老性痴呆病是皮质胆碱能神经支配紊乱的一种疾病。有人报告本病病人的大脑胆碱转乙酞酶活性明显降低,而铝被认为对红细胞中的胆碱输送有抑制作用,因而降低了神经组织胆碱转乙酞酶的活性。酸雨引起的饮水含铝量升高可能有不利影响。
酸雨的黑色幽默
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(当地先以森林著名,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来。”
染发
酸化的地下水会腐蚀自来水管。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堂,石壁表面已腐蚀得凹凸不平,“酸筋”累累。通向入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,上面共刻了元、明、清三代51624名中进士的姓名、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,后来完璧归赵。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,好像浮着红锈似的正在变色。壁画情况也是如此。所幸20世纪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。油画腐蚀现象的恐惧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。
燃料电池与化学水
人类自从1957年10月4日(苏联成功地发射第一颗人造卫星)进入太空时代以来,现在已有190多人乘坐宇宙飞船,在太空轨道站,或在航天飞机上,共逗留了7万多个小时。其中,在天上连续生活时间最长的是前苏联宇航员罗曼年科,他从1987年2月6日至门月29日,在“和平”号太空站生活了10个多月(326天后,与美国宇航员迈克尔·柯林斯等12人乘“阿波罗”飞船登上了月球并安全返回。
人们一定会问:这些巡天揽月的英雄们不需要喝水吗?他们喝的是“天上水”,还是从地面上带去的水?都不是,他们喝的是特殊的水——“化学水”。
科学家们怎么想到制造“化学水”?这与美苏两大国在50年代末进行空间竞赛有关。当时,苏联发射卫星的消息传到美国,美国舆论大哗,因为他们在“原子时代”(反应堆、原子弹和氢弹等)一直领先,可万万没有想到在开辟“空间时代”方面却落在前苏联后头。美国总统肯尼迪对此也深感遗憾,于1961年5月25日在国会上断然决定制造阿波罗登月飞船,争取在10年内抢先登上月球。
这就遇到一个问题:飞船内部所用的电能从何而来?宇航员所需要的水怎样解决呢?当时有人建议带蓄电池或高效的银锌干电池;在飞船上放个水箱,从地球上带水上去。可是这样一来,飞船的重量太大了,显然这不是上策。至此,化学家们自然想起了氢氧燃料电池。
关于氢氧燃料电池的原理,早在100多年前就有人提出来了,可是,由于“生不逢时”,没有派上什么用场。如今却时来运转,有幸“补天”了。
这种航天用的氢氧燃料电池主要由燃料电极(阳极)、氧化剂电极(阴极)、电解质等组成。燃料是氢气,氧气是氧化剂。两个电极之间是浸透氢氧化钾溶液的石棉隔膜,隔膜靠阳极的一侧有一层含有金属铂的催化剂。电子从阳板上的氢中逸出流向氧;阴极上的氧得到电子后生成氢氧根,并使阴极带正电。然后,氢氧报通过电解质扩散到阳极,在催化剂的作用下与氢结合生成水,并且放出电子,使阳极带负电。当在两个电极之间接上负载时,电子从负极流向正极,从而产生电流。这样,只要对电池系统维持一定的温度、一定的电解质浓度、不断地供给燃料和氧化剂,并且不让反应产物——水在电池内部储留,那么就可从电池中源源不断地输出电能。同时,从电池中排出来的水经过净化以后就可供宇航员饮用。
为了满足宇宙飞船的实际需要,需将几十个这样的单电池串联起来组成一个电池组。然后,再将几个电池组并联起来为飞船供电。
自从1969年美国的“阿波罗11号”飞船采用这种既可发电又可供水的新型化学电池之后,美国的“天空实验室”、“哥伦比亚号”航天飞机,前苏联的“礼炮6号”轨道站等均采用这种先进技术。
由于这种电池有它突出的优点:能量转换效率高达60%~80%,居现在所有热机之首;寿命长,只要不断地添加活性物质(氢气、氧气等),就可源源不绝地获得电能。所以,美、苏等国除了用于航天事业之外,还着手用于民用发电。美国已在曼哈顿地区建成一座4800千瓦的燃料电池发电站。1978年美国在开展能源替代方案研究中,燃料电池被列为10个先进发电设备之一。