环境杀手之光化学烟雾-AP环境科学你不得不看 - 向楠
歌者与猫 2018-08-31     17:27 来源: 原创
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  AP环境科学知识点详解之一——光化学烟雾的成因及治理策略

环境杀手之光化学烟雾-AP环境科学你不得不看 - 向楠

  让我们先来看一篇卫报上的新闻:“Pollution watch: let's rate exhaust fumes as also a lethal road risk”
  在这篇新闻中,记者引用了来自瑞典的多名科学家的实验数据,证实了汽车尾气(traffic exhaust)导致的死亡人数比交通事故多出7~11倍,正可谓是马路上的“无形杀手”。鉴于此,瑞典和英国的科学家在推动一个名为“Vision Zero”的计划,致力于将交通污染控制在一个可以接受的水平,最终大幅降低城市居民暴露于汽车尾气下的各类呼吸道疾病的发病率。数据表明,仅仅在瑞典的一个城市,马尔默(Malm?),“Vision Zero”计划就能每年减少55~93例因呼吸道感染而过早死亡的病例。
  所以,在世界范围内,交通污染所带来的人体健康暴露风险都已经成为人们所关注的焦点。在中国的一些大型城市中,居民的机动车持有数量持续攀升,上下班高峰期拥堵严重,所以有些城市不得不采用单双号现行政策,这也从侧面说明了城市中汽车数量之多。这就带给我们一个不得不慎重考虑的环境问题:汽车尾气所造成的城市光化学烟雾(photochemical smog)污染。

  提起光化学烟雾,人类首次认识到它的存在是发生于1943年的洛杉矶,这也是现代环境运动的标示性事件之一。这种烟雾的特征是呈现出浅蓝色,具有强烈的刺激性,甚至能导致橡胶开裂,人类在接触到这些烟雾之后,眼睛会感到刺痛,伴随着肺部强烈的不适感。另外,由于烟雾多存在于地表附近,所以对于婴幼儿的健康效应更加明显,当污染物累积到一定程度,甚至会损害婴幼儿的肺部发育。

环境杀手之光化学烟雾-AP环境科学你不得不看 - 向楠

  作为存在较久且仍然在对人类健康造成不良效应的环境问题之一,光化学烟雾一致都是AP环境科学课程中的一个考试重点。首先,我们必须要清楚它的成因和发展过程。光化学烟雾并不是单一的某一种污染物,它往往是多种大气污染物和活性自由基的混合物。汽车尾气中的氮氧化物(NOX),包括NO和NO2,是其主要的原生污染物(primary pollutants)。在夏季阳光照射较为充足的上午,NO2发生光解,生成氧自由基(O·),氧自由基与氧气(O2)作用生成臭氧(O3),这也是光化学烟雾表现出强烈刺激性的重要原因。伴随着臭氧的产生,光化学烟雾的第一阶段初步完成。之后经过一系列更为复杂的自由基传递反应,碳氢化合物生成一系列的烷基自由基、过氧烷基自由基和醛类化合物,进一步增加了光化学烟雾的氧化性和刺激性。最终,伴随着次生污染物(secondary pollutants)硝酸、硝酸酯和过氧乙酰基硝酸酯(PAN)的生成,链反应终止,光化学烟雾的浓度达到峰值。
  在理解了光化学烟雾的产生和发展过程之后,我们可以做出判断,在上午早高峰时,大量汽车尾气的排放是其根本原因,此时碳氢化合物和一氧化氮的浓度达到峰值,而随着自由基反应的进行,臭氧、甲醛和过氧乙酰基硝酸酯的浓度逐渐升高,一般会在午后达到峰值。虽然傍晚的下班高峰期仍然会有大量汽车尾气的产生,但是阳光的照射较弱,已经达不到形成光化学烟雾的基本要求。

  接下来就是应对光化学烟雾的一些策略,其实AP环境科学中经常会考察同学们对于某一环境问题的治理策略,对于这一类问题我们可以形成一个较为系统性的应对技巧。首先是在人类行为的改变方面,例如我们可以采用更加环保的出行方式,减少私家车的持有量和使用频率,这也就要求政府做出配合,为市民提供更加便捷的公共交通服务系统。其次是在污染的源头控制方面,我们可以对于汽车的尾气排放系统提出要求,安装相应的氮氧化物去除装置,减少污染物的排放,从而降低光化学烟雾的发生频率。最终是污染物的去除和环境系统的修复策略,因为光化学烟雾是一类气态污染物,在产生之后非常难于对其进行控制,仅能依靠大气的自净能力对其进行去除,但是如果是遇到其它环境问题的话,同学们可以尝试从这一角度提出治理策略。

环境杀手之光化学烟雾-AP环境科学你不得不看 - 向楠

  下面是一道来自于AP环境科学在2009年的真题,题目要求大家写出一个导致了光化学烟雾产生的含氮原生污染物,并且简单描述它的产生过程。那通过前面的介绍,这道题目的答案应该是非常清楚的,关于含氮化合物,大家可以使用NO(nitrogen monoxide)、NO2(nitrogen dioxide)或者NOX(nitrogen oxides)来进行作答,至于如何产生,大家可以举一个汽车引擎中的燃烧过程的例子,然后提供下氮氧化物的发生反应即可,例如氮气与氧气生产NO2,NO与NO2生产NO2,或者N2与O2生产NO。AP环境科学的备考重点还是在于大家对于环境领域众多知识点的全面掌握程度,不太会针对某一知识点进行特别深入的考察,Free Response Questions (FRQs)往往也会有多种答案的组合,大家只要提供一到两点即可得分。
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