環境科學通識課程 CH12 雨水酸化現象及影響 袁中新 教授 國立中山大學環境工程研究所 袁中新 教授 國立中山大學環境工程研究所 【本著作除另有註明外，採取創用CC「姓名標示－非商業性－相同方式分享」台灣3.0版授權釋出】

歷史沿革 西元1872 年，英國化學家R.A. Smith，首次使用了「酸雨」一詞；但並未受到重視；而在百年後，瑞典政府提出了空氣污染及酸性降水對森林生態環境有嚴重影響之後，於1975 年在美國舉行第一次國際性降水和森林生態系統討論會，酸雨問題才逐漸為人們所認識及重視。 2

何謂酸雨? 所謂酸雨，正確的名稱應為「酸性沉降」，又可分為「濕沈降」與「乾沈降」兩大類，前者指的是所有氣狀污染物或粒狀污染物，隨著雨、雪、霧或雹等降水型態而落到地面者，後者則是指在不下雨的日子，從空中降下來的落塵所帶來的酸性物質 。 Wikimedia commons Grandwulf, based on the work of David Vignoni Wikimedia commons Igor07 濕沉降 乾沉降 3

酸雨的定義 大氣中含有大量的CO2，故正常雨水本身略帶酸性，pH值約為 5.6，因此一般 以雨水pH值小於 5.6 稱為「酸雨」。 此外，雨水除受CO2影響外，自然界許多自然現象對於雨水pH值亦有影響，可使pH值的變化介於 4.9～6.5 之間，因此以雨水pH值小於 5.0 作為「酸雨」的定義較為保守。 4

酸雨的成因- (1) 當酸性污染物自污染排放源釋放至大氣環境後，可能會經由輸送、擴散、轉化，而形成酸性沉降。 輸送(Transport): 排放至大氣中的酸性污染物，被風吹到下風處，而被周圍空氣所混合及稀釋，其程度視風向及風速而有所不同。

酸雨的成因- (2) 擴散(Diffusion) : 主要是指大氣的垂直擴散能力，酸性污染物不僅隨盛行風作水平方向的輸送，同時也在垂直方向擴散。 轉化(Transformation) : 酸性污染物滯留於大氣中時，常發生物理、化學或生物反應，而轉化為其他致酸物質(如:二氧化碳、 二氧化硫、 氮氧化物等)。

酸雨的轉化機制 來源一：二氧化碳(CO2) CO2 + H2O → CO2H2O CO2H2O → H+ + HCO3- HCO3- → H+ + CO32- 產生碳酸鹽成份 無污染的雨水呈弱酸反應，pH值= 5.6

酸雨的轉化機制 來源二：二氧化硫(SO2) SO2 + H2O → H+ + HSO3- HSO3- + H2O2 → HSO4- + H2O HSO3- + O3 → HSO4- + O2 HSO4- → H+ + SO42- 產生硫酸鹽成份

酸雨的轉化機制 來源三：氮氧化物(NOx) NO2 + HO + M → HNO3 + M NO + NO2 + O2 → N2O5 N2O5 + H2O → 2HNO3 HNO3 → H+ + NO3- 產生硝酸鹽成份

酸雨的傳送 硫氧化物及氮氧化物等酸性氣體，由污染源排放至大氣環境後，隨著大氣流動與擴散而進入雲層中，因陽光、氧氣及水份等相互作用，生成硫酸根離子及硝酸根離子等酸性物種，隨著雲層飄移並經長距離之傳送，最後降落地面。

酸雨的傳送 雨水自雲層降落至地面之過程，其主要機構包括雨除作用（Rainout）及洗除作用（Washout） 。 雨除作用主要發生在高空之雲層內，酸性污染物在雨滴凝核過程中即已被雨水吸著，降雨時直接伴隨著雨滴降落至地面，此類型降雨之酸性污染物，多半經由長距離傳送而來。 洗除作用則為雨滴在降落過程中，將雲層下方大氣中酸性污染物，藉由吸收、衝擊、截取及擴散等機制加以去除，並沖刷至地面之現象。

酸雨的傳送 中山大學 袁中新 酸雨傳送之機構

酸雨的組成 酸雨化學組成中，較重要的物種包括 H+、Cl-、NO3-、SO42-、NH4+、K+、Na+、Ca2+及 Mg2+ 等九種。其來源包括自然來源及人為來源，一般而言，NO3-及 SO42- 為主要致酸物質，由硫氧化物與氮氧化物轉化而來。Ca2+ 及 NH4+ 為主要的致鹼物質，可中和致酸物質而提高雨水pH值。

酸雨的組成 大氣環境中形成酸雨之過程

酸雨的來源 - 自然來源 大自然環境中，除了二氧化碳外，仍存在其他致酸物質，例如 :火山爆發所噴出的二氧化硫及硫化氫，森林火災的煙塵，海洋所釋放出的二甲基硫，高空閃電所導致之氮氧化物，植物釋放的有機酸(如:甲酸、乙酸、丙酸等)，均會使雨水進一步酸化。 15

酸雨的來源–自然來源 森林火災的煙塵 火山爆發噴出的二氧化硫、硫化氫 16

酸雨的來源–人為來源 自從工業革命後，以機器代替人工，而電力由燃燒媒產生，許多火力發電廠每日燃燒數百萬公噸的煤，大量的燃煤使得空氣品質相當差，而所排放的致酸物質又會造成酸雨。 如今，雖然部分電力供應改為核能發電，但石化工業燃燒化石燃料排放的酸性污染物及交通污染源，則是現今造成酸雨的主因。

酸雨的來源–人為來源 Wikipedia commons John 汽機車排放廢氣 Flickr LINGARAJ G J 燃燒化石燃料

酸雨的危害 – 前言 酸性沈降為一種慢性的危害，正點點滴滴的吞噬我們的環境，酸雨對環境的影響主要取決於降水離子的成份及濃度，並與受體的中和能力有密切的關係，因此，即使酸雨的酸度很低仍可能對環境造成傷害。

酸雨的危害 – 人類 酸雨對人類最嚴重的副作用是呼吸病變的問題。二氧化硫和二氧化氮的排放會引起呼吸方面的問題，例如:哮喘、乾咳、頭痛、和眼睛、鼻子、喉嚨的過敏。 酸雨的另一項間接影響則是溶解在水中的有毒金屬被水果、蔬菜和動物的組織所吸收。雖然這些有毒金屬不直接影響這些動物，但是吸收這些的動植物卻對人類產生嚴重的影響。

酸雨的危害 – 人類 二氧化硫又稱亞硫酸，無色、有強烈辛辣刺激味。是常見工業廢棄及大氣汙染的成分。當空氣中二氧化硫濃度拿到一定濃度時即出現以下反應。 酸雨對人體之危害 急性症狀 頭痛、頭暈 流淚、畏光 視物不清 鼻、咽、喉 燒灼感及疼痛 重度症狀 喉部水腫、聲帶水腫 肺水腫

酸雨的危害 – 湖泊和水生生態系統 酸雨的直接影響之一是湖泊和它的水生生態系統上。酸雨降到地面會沖刷走土壤中的營養成份，並挾帶著土壤中的有毒物質，一起流入湖泊中，造成水中生物畸形、死亡。 科學家監控湖的酸鹼值和水生生態系統，發現湖裡的酸鹼值逐年降低，顯示酸雨對湖泊和它的水生態系統有著重要影響。

酸雨的危害 – 湖泊和水生生態系統 pH值對於湖泊中生物的影響 pH值 影響 <6 食物的基本種類陸續減少，例如蜉蝣和石蠅是魚重要的食物來源,他們無法在這樣的酸鹼值下存活。 <5.5 魚類無法繁殖。 幼魚很難存活。 因為缺少營養而畸形的成魚。 魚類因無法呼吸而死。 <5.0 魚群會陸續死亡。 <4.0 假設有生物存活，那將會是不同於以往的生物種類。 中山大學 袁中新

酸雨的危害 – 湖泊和水生生態系統 宜蘭雙連埤嚴重酸化 魚群大量死亡 Flickr Flora Tang Flickr Joshua Stearns / Zero Style 魚群大量死亡

酸雨的危害 –高山湖泊 酸化之雨水降落或流入湖泊中會降低湖水之酸鹼值，並將湖底之有害重金屬溶出，導致水生生態系統之嚴重破壞。 因酸雨而引起湖泊酸化之情況已十分嚴重，在台灣高山湖泊中亦有湖水酸化之現象，例如：宜蘭太平山的翠峰湖已是酸化湖沼，而陽明山國家公園的夢幻湖及墾丁國家公園的南仁湖等，均以達酸化邊緣。

酸雨的危害 –高山湖泊 宜蘭太平山翠峰湖 墾丁國家公園南仁湖 Flickr justissam Flickr Simon Chen / 幸福之嘉~Simon~ 墾丁國家公園南仁湖

酸雨的危害 –高山湖泊 美國加州西北部及洛磯山脈地區的一萬零四百多個湖泊中，約有三分之二以上的湖泊有酸化之危機。 此外，歐洲及加拿大等地，因酸雨而引起湖泊酸化的情況亦十分嚴重，例如：瑞典境內總共有八萬多個湖泊，其中就有一萬多個湖泊已酸化，四千多個湖泊中的魚蝦生物，因酸雨而死亡；另加拿大更有四千多個聊無生機的「死湖」。

酸雨的危害 –高山湖泊 加拿大湖泊酸化 Flickr clipvain Filckr Picklefish 紐西蘭湖泊酸化

酸雨的危害 – 建築雕像 酸性微粒會沈積在建築物和雕像表面，造成腐蝕或侵蝕，橋樑以更快的速度被銹蝕，鐵路工業和飛機工業必須花費更多經費修補酸雨造成的損害。例如:渥太華的國會大廈被大氣中過量的二氧化硫瓦解。 酸雨對大眾的安全產生危險。1967年俄亥俄河上的橋樑倒塌，造成46人死亡。 酸雨使得暴露在外的雕像及古蹟受到侵蝕，造成文化資產的加速破壞。

酸雨的危害 – 建築雕像 Flickr Jonathan Ehrich / Mal Cubed Filckr Ben Sutherland

酸雨的危害 – 大氣能見度 酸性沉降是由硫酸鹽、硝酸鹽、碳氫化合物和臭氧所組成的。有些會以乾性微粒的型態存在於大氣中，因此產生了煙霧並影響能見度，這使得飛機的航行受到影響。 酸煙霧也妨礙了太陽和地球間的能量傳送，在北極圈因為日光減少，影響了地衣的生長，間接也影響了以地衣為食的北美馴鹿。

酸雨的危害 – 大氣能見度 Wikipedia commons Bobak

酸雨的危害 – 森林與土壤 酸雨造成最嚴重的影響是森林和土壤。致酸物質隨著降雨落到地表而造成嚴重損害，土壤中的養分也會流失，因此樹木會因為維持生命所必須鈣和鎂的流失而枯死。 並非所有的二氧化硫都會轉變成硫酸，有一相當的量會漂浮在大氣中， 當沈降到地表時，會阻礙葉子的氣孔進行光合作用。 在酸性高度集中區域的針葉樹林，生長速度較為緩慢，因為在此區針葉樹林凋零的速率大於再生的速率，光合作用也大受影響，導致大片森林的壞死(如：德國巴伐利亞黑森林的大面積壞死) 。

酸雨的危害 – 森林與土壤 大片森林壞死 Flickr numb - Where do we go now? Wikimedia commons dk 大片森林壞死

酸雨的危害 – 農作物 酸雨也會影響農作物的生長，同時土壤中的重金屬元素因被酸雨溶解，造成礦物質大量流失，植物無法獲得充足的養分，導致植物的枯萎、死亡抑或造成果實形狀改變而降低售價。 土壤中因酸雨釋出的重金屬也可能為植物吸收造成不良影響，間接導致植物的死亡;但某些金屬元素( 如:鐵 )的釋出亦可能有助於植物的生長。因此，酸雨對植物、農作物的影響仍有待進一步確認。

酸雨的危害 – 農作物 行政院農業委員會農業試驗所 http://amis.tari.gov.tw/MapManager/PageContent.aspx?type=C&id=19 HubPages Inc syzygyastro http://syzygyastro.hubpages.com/ 本作品由William J. Prest授權本資料庫專屬使用，本資料庫無再授權他人使用之權利，如需使用，請另行向權利人取得授權。

酸雨防治的國際合作 1970年美國環保總署訂定「清潔空氣法案(Clean Air Act)」 1979年聯合國歐洲經濟委員會簽定了「長距離越境大氣污染條約」，共有九個國家簽署。 1980年美國與加拿大也締結「越境大氣污染同意書」，共同合作防制酸雨。 1985年在國際間又締結了「赫爾辛基條約」，共有18 國同意在 1993年前硫化物排放量必須較 1980 年減少 30%。 1988年締結「索非亞協定」，有12國宣布自1989 年起 10 年間，各國應削減氮氧化物排放量 30%。 1990年台灣與世界銀行、亞洲銀行成立之「亞洲酸雨計畫」合作 ，希望各國推動除硫或降低二氧化硫排放。

清潔空氣法案 清潔空氣法案(Clean Air Act)是美國聯邦法律中，規範空間的、固定的、移動的污染源之氣體排放。此法案授權美國環境保護總署，建立國家環境空氣品質標準(NAAQS)，來維護民眾健康和環境品質。 1990年「清潔空氣法案修正案」，大部分是企圖符合未被提出或不足以提出的問題，例如：酸雨、地面臭氧污染、平流層臭氧層破壞和有毒氣體。

亞洲酸雨計畫 亞洲酸雨計畫(RAINS．ASIA)之成員國包括美國、印度、中國大陸、泰國、荷蘭、英國、瑞典、澳洲等國，並自1990年起此研究計劃既已開始運作，希望建構出足以說服各國政府推動除硫或降低二氧化硫排放的藍圖，並提出可行執行方案。 預期我國的加入將可共同解決酸雨跨國性污染問題。根據上述情形可知，以歐洲、北美為中心的解決酸雨問題之對策已逐漸形成，而亞洲地區則尚在進行中。有鑒於酸雨已成為全球性重要環境議題之一，因此，對酸雨問題必須要有更具體的解決方案。

1990年亞洲硫酸沈降量分佈圖(mg/m2/year) 亞洲酸雨計畫 行政院環境保護署 (關心我們的地球) http://home.so-net.net.tw/gaia_hwang/air/care/air3-6.htm 1990年亞洲硫酸沈降量分佈圖(mg/m2/year)

2010年亞洲硫酸沈降量分佈圖(mg/m2/year) 亞洲酸雨計畫 行政院環境保護署 (關心我們的地球) http://home.so-net.net.tw/gaia_hwang/air/care/air3-6.htm 2010年亞洲硫酸沈降量分佈圖(mg/m2/year)

台灣雨水酸化現況 民國97年台灣地區酸雨監測資料，pH值最低為陽明山鞍部站僅為4.50，且整體來看北部雨水酸化程度較南部顯著。 過去十年，環保署推動很多的空氣污染管制策略，如最直接有效的管制油品中的硫含量 ，雖然大氣中二氧化硫濃度有降低趨勢，但是酸雨的情況還是沒有很明顯改善，尤其是北台灣地區。

台灣雨水酸化現況 根據民國七十五年之酸雨調查結果，顯示台灣地區降雨中約有56%之機率為酸雨，而台北市酸雨發生機率則更高達85%左右。 根據民國八十五年至八十六年之調查結果得知，高雄市酸雨發生機率為74.4% ，發生酸雨頻率最高之pH值介於4.4~4.8之間。 高雄市雨水酸化現象呈明顯季節變化趨勢，雨季期間(4月~9月)之酸雨發生機率為85.8% ，雨水平均pH值4.57 ；乾季期間(10月~次年3月)之酸雨發生機率為28.2% ，雨水平均pH值5.68 。

台灣雨水酸化現況 中山大學 袁中新 高雄市雨水pH值逐月變化趨勢圖 中山大學 袁中新 高雄市雨水pH值頻率分佈圖

台灣雨水酸化現況 分析污染源的分佈情形，許多重工業大多集中於南部高雄地區，但南部地區歷年酸雨的監測結果，雨水酸化情形卻較北部地區輕微，因此北台灣地區的酸雨問題，除了該地區當地污染源排放污染所造成之外，可能受境外污染物傳輸所影響。 陽明山於秋冬季節，因台灣北部東北季風迎風面之關係，受境外傳輸影響更為顯著。此外，冬季盛行東北季風期間，新北市鹽寮區雨水pH值明顯偏低，亦證實係來自日本、韓國或中國大陸的境外傳輸所致。

台灣雨水酸化現況 根據研究指出，當台灣是東北季風天氣型態，中國沿岸污染物僅需一天即可到達台灣；韓國所釋放的硫化物，約48小時便可傳送至台灣，並形成台灣的硫酸沈降；中國東北地區所釋放的硫化物，約72小時後逐漸傳送至台灣。 東北季風盛行時，對台灣具有高污染潛勢的地區包括韓國、中國東北、華北及中國沿海之大都會及工業區，尤以長江下游的高污染區對台灣的污染潛勢最大。

台灣雨水酸化現況 2000~2008年台灣雨水pH值變化趨勢 中山大學 袁中新

2009年高雄雨水pH值逐月變化趨勢 中山大學 袁中新

環保署的短期政策 持續推動低硫燃油政策，目前已將燃料油含硫量降至0.5%以下，高級柴油含硫量則降至0.05%，未來燃料油含硫量將朝向0.2~0.3%。 落實污染者付費精神，對工廠依污染物種類及其實際排放量，按季徵收硫氧化物及氮氧化物之空氣污染防制費。 實施空氣污染物總量管制制度。 民國100年達成硫氧化物及氮氧化物將分別削減470及725千公噸之目標，兩者累積削減率均達60%。

環保署的長期目標 委託學術單位進行長期酸雨調查及研究。 委託學術單位積極參與東亞及海峽兩岸酸雨前趨物之長程傳輸研究，共同探討越境傳輸議題。 積極參與國際合作，共同解決境外污染傳輸所造成之酸雨問題。

結語 酸雨的形成乃是尋求高品質的生活所造成，由於人類的需索無度，使得工廠生產及能源消耗遽增。而生產過程中所消耗之能源也大幅增加，導致酸性污染物之大量排放，終致形成雨水酸化現象之日益嚴重。 防治酸雨最有效的方法便是抑制硫氧化物及氮氧化物的排放，減少燃料之大量使用及提高污染防治設備之去除效率，才能改善雨水之持續酸化現象。

Flickr stuart anthony / stuant63 謝謝聆聽!!

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