酸性雨の仕組み

重要なポイント

アパラチア山脈をハイキングすると、枯れ木や弱った木が立ち並んでいるのを目にするでしょう。都市に住んでいる場合は、磨耗した石造りの建物、車の屋根の縞模様、腐食した金属製の手すりや彫像に気づくかもしれません。どこに行っても酸性雨の影響を見ることができますが、メディアや世間の注目が地球温暖化というより不気味な見通しに向けられる中、酸性雨は道端で降っています。空からの災難は、ほとんど 20 世紀の問題のように思えます。この問題は 1980 年代と 1990 年代に法律によって対処されました。

酸性雨は主に北半球、つまり地球のより工業化が進んで汚れた半分で発生します。風は高い煙突から排出物を巻き上げ、汚染物質を元の発生源から遠くまで運び、その過程で州境や国境を越える可能性があります。酸性雨には地球規模の温室効果ガスが完全には含まれていないかもしれませんが、これは国境を越えた、したがって国際的な問題です。

酸性雨は酸性雨とも呼ばれ、発電所、自動車、工場からの二酸化硫黄(SO2) と窒素酸化物(NOx) の排出によって引き起こされます。火山、森林火災、落雷などの自然発生源も人為的汚染に拍車をかけます。 SO2 と NOx は、大気中に入り水蒸気と反応すると酸になります。結果として生じる硫酸と硝酸は、湿った堆積物または乾いた堆積物として落下する可能性があります。湿った堆積とは、酸性雨、雪、みぞれ、霧などの降水のことです。乾燥した堆積物は、酸性の粒子またはガスとして落下します。

酸性雨のpH

科学者は、酸性雨の酸性度をpH スケールを使用して表現します。このスケールは、水素イオンの濃度に基づいて溶液の酸性、中性、またはアルカリ性を定義します。酸は水素イオン濃度が高く、pH が低くなります。スケールの範囲は 0 ～ 14 で、純水は中性 7.0 です。しかし、ほとんどの水は完全に純粋ではありません。きれいな通常の雨でも pH は約 5.6 です。雨が降る前に大気中の二酸化炭素と反応して弱酸性の炭酸を生成するためです。

酸性雨はpH5.0以下です。酸性物質のほとんどは、pH 4.3 ～ 5.0 の範囲にあり、オレンジ ジュースとブラックコーヒーの酸性度の中間にあたります。しかし、酸性雨と安全な天然の酸を比較するのは誤解を招く可能性があります。酸性雨は、最も弱い場合でも、敏感な植物の発育を阻害し、デリケートな水生卵を死なせることで生態系を破壊します。

酸性雨を監視するプログラムは、水素含有量を分析して pH を決定します。また、大気中の硝酸、硝酸塩、二酸化硫黄、硫酸塩、アンモニウムの濃度も測定します。米国では、国家大気堆積プログラム (NADP) が湿性堆積を監督し、Clean Air Status and Trends Network (CASTNET) が乾式堆積を監視しています。酸性雨のモニタリングは、重大な負荷、つまり生態系が被害を受ける前にサポートできる汚染物質の量を決定するのに役立ちます。正確な臨界荷重は、SO2 および NOx 削減の効果的な目標を設定するのに役立ちます。

ここでは、酸性雨が水生環境、森林、仕上げ材、建材、人間の健康に及ぼす悪影響について学びます。

地表水

地表水とその脆弱な生態系は、おそらく酸性雨の最も有名な被害者です。湖、川、小川、沼地に入る降水量のほとんどは、まず土壌を通過して土壌に浸透します。すべての土壌には緩衝能力、つまり酸性やアルカリ性の変化に抵抗する能力があります。土壌の緩衝能力が水域の酸性度を決定します。能力が低いか限界に達している場合、酸性雨が中和されずに通過する可能性があります。

ほとんどの生命は中性付近の pH で快適に過ごせます。pH 7.0 から外れすぎると、繊細な生物は死に始めます。プランクトンと無脊椎動物は酸性度の変化に敏感で、最初に死んでしまいます。 pH 5.0 では、魚卵は分解され、稚魚が発育できなくなります。成体の魚やカエルは、pH 4.0 のような低い酸性にも耐えられることがありますが、弱い食料源がなくなると飢えてしまいます。酸性雨が食物連鎖を破壊すると、生物多様性が減少します。

酸性雨による窒素の沈着も、沿岸水域や河口に被害を与えます。窒素が豊富な水は、大量の藻類の成長と藻類の発生をサポートします。バクテリアは死んだ藻類を分解し、自ら増殖し、水中の利用可能な酸素を吸収します。魚、貝類、海草床、サンゴ礁は、藻類で窒息し、酸素が枯渇した海では死んでしまいます。科学者らは、沿岸海域に漂着する人間が生成した窒素の 10 パーセントから 45 パーセントは大気の堆積に由来すると推定しています 。

ほとんどの酸性水域は汚染されていないように見えます。腐敗した有機物が沈殿すると、酸性化した水は透明で青く見えることがあります。イグサやコケなどのいくつかの種は、酸性条件下でも生育します。しかし、緑と澄んだ水は不健全な環境を信じさせません。多様性は減少し、捕食者がいなくなった種はしばしば不穏なほど大きく成長します。

次のセクションで説明するように、酸性雨は森林にもダメージを与えます。

酸性雨の影響

森林は土壌の緩衝能力に依存して酸性雨から身を守っています。酸性水はアルミニウムなどの土壌毒素を引き出します。樹木は有毒物質を取り込み、流出水として湖、川、小川に捨てます。酸性雨はまた、カルシウム、マグネシウム、カリウムなどの有用なミネラルや栄養素を、木々が吸収する前に溶解します。酸性雨が森林を完全に枯らすことはほとんどありませんが、代わりに長年にわたる土壌劣化によって森林の成長を阻害します。栄養の欠乏と毒素への曝露により、木は嵐で倒れたり、寒さで枯れたりする可能性が高くなります。

十分に緩衝された土壌にある木であっても、厳しい酸性霧の中では弱ってしまう可能性があります。標高の高い森林は酸性の雲に浸り、葉から栄養分を奪い、木の耐寒性を破壊します。アパラチア山脈の禿げた峰は、標高の高い森林に対する酸性雨の有毒な影響を物語っています。

材質と仕上げ

酸性雨には、最も耐久性のある材料である石や金属を消したり消滅させたりする不安な力があります。古い建物、記念碑、墓石には、酸による腐食と劣化の痕跡が滑らかに残っています。酸の堆積は、雨、太陽、雪、風によって引き起こされる自然の風化を促進します。

酸性雨は自動車の塗装にもダメージを与えます。自動車業界は、樹液、花粉、鳥の糞と同様に、酸性沈着を腐食性環境降下物の一種であると考えています。酸性のマーキングは、水平面に不規則なエッチングされた形状を残します。酸性雨によって傷ついた車の仕上げを修復するには再塗装が唯一の方法です。

健康

酸性雨は水生動物を殺し、木を弱らせ、石を溶かす可能性があるため、人間の火傷や火傷の可能性もあるようです。しかし、魚や植物と同じように人間に影響を与えるわけではありません。酸性雨は通常の雨と同じように感じられます。酸性の湖で泳いでも安全です。しかし、乾燥して堆積した硫酸塩や硝酸塩の微粒子は、喘息、気管支炎、心臓の問題を引き起こす可能性があります。酸性堆積物中の NOx は揮発性有機化合物(VOC) とも反応して、地上レベルのオゾンを形成します。オゾン、またはスモッグは呼吸器系を悪化させ、弱らせます。

酸性雨の削減

酸性雨は、産業革命の最初の工場が有毒物質を排出し始めて以来存在しています。英国の科学者ロバート・アンガス・スミスは、1872 年に建物を腐食させ、植物に致命的な影響を与える酸性雨について書き、「酸性雨」という用語を作りました。しかし、酸性雨が政府の監視対象となる環境問題となったのは、それから 1 世紀以上も経ってからでした。その時までに科学者たちは、酸性雨は局地的なものではなく、国境を越えたものであると判断していた。 1980 年、酸性雨法により、国家酸性降水量評価プログラム (NAPAP)の指導の下、全国の現場を監視する酸性雨に関する 10 年間の調査が開始されました。

1990 年、NAPAP の研究を武器に、議会は既存の大気浄化法を変更し、酸性雨を含めました。大気浄化法の新しいタイトル IV 改正では、SO2 と NOx の削減が求められました。酸性雨プログラム (ARP) は、タイトル IV を発効させるために 1995 年に設立されました。

ARP は、SO2 と NOx の年間排出量を削減するために電力業界に制限を設けています。 ARP はキャップ アンド トレード プログラムを利用して SO2 排出量を削減します。これは、米国本土の発電所が生産できるSO2の総量に上限を設定するものである。上限を設定した後、ARP は発電所ユニットに割り当てを分配します。ユニットはクレジットされている量の SO2 のみを生成できます。 ARPが要求するよりも早く排出量を削減できれば、将来の使用に備えて手当を蓄えたり、他の工場に売却したりすることができる。 2010 年の最終的な上限は年間 895 万トンとなり、これは 1980 年の発電所の排出量よりも驚くべき 50% 減少します 。

ARP は、より従来のレートベースの規制システムを使用して NOx 削減を規制します。このプログラムは、すべての発電所のボイラーに対して、100 万英国熱量単位あたりの NOx の許容ポンド数 (lb/mmBtu) に制限を設定しています。所有者は、個々のボイラーの削減目標を達成するか、所有するすべてのユニットの排出量を平均して複合目標を達成します。 ARP は、タイトル IV が存在しなかった場合の 2000 年の予測レベルよりも NOx を 200 万トン下回るまで削減することを目指しています 。

発電所は、低硫黄炭、「湿式スクラバー」または排ガス脱硫システム、低 NOx バーナー、その他のクリーンコールテクノロジーを使用して、ARP 目標を達成しています。彼らはまた、SO2 クレジットを彼らの間で交換することもできます。

エネルギー需要が増加しても、ARP は SO2 と NOx の排出量を削減することに成功しました。しかし、NAPAPは、生態系が完全に回復するには、削減量を2010年の全力制限よりさらに40パーセントから80パーセント下回る必要があると示唆している。

車もNOxを排出します。新しい設計の触媒コンバーターは、排気を処理し、NOx や、スモッグの原因となる一酸化炭素や VOC などの他の汚染物質を除去するのに役立ちます。

注目に値するクリーンな石炭技術、触媒コンバーター、強力な上限と規制があっても、化石燃料は依然として汚れた電源です。原子力、太陽光、水力などの代替エネルギーは、生態系をひっくり返し、建物や記念碑を荒らし、人々の健康を弱める何百万トンものSO2やNOxを排出しません。