能源與環(huán)境教育課件目錄1-1空氣污染1-2酸雨1-3臭氧層破裂1-4熱污染1-5溫室效應與全球暖化1-1空氣污染空氣污染空氣污染可說是能源應用首先遭遇到的環(huán)境問題。由于工業(yè)化的演進，隨著化石燃料消耗量的增大及能源消耗密集度的日漸提升，空氣污染已成為現(xiàn)今都會區(qū)與工業(yè)區(qū)的夢魘。事實上，空氣污染不僅是已開發(fā)國家所需解決之問題而已，更是開發(fā)中國家及第三世界所面臨的一大挑戰(zhàn)。1-1空氣污染空氣污染事件地區(qū)日期污染物征兆和影響Meuse

Vally

比利時1930年

12月1~5日SO2

(9.6~38.4ppm)大約63人死亡，肺部疼痛、咳嗽、對眼睛和鼻子有強烈的刺激，所有年齡層的人都受到影響。Donora

美國賓州1948年

10月26~31日SO2，懸浮微粒

(0.5~2ppm)大約20人死亡，肺部疼痛、咳嗽、對眼睛和鼻子有強烈的刺激，大部分的老年人會受到影響。PozaRica

墨西哥1950年

11月24日H2S超過22人死亡，320人被送到醫(yī)院，所有年齡層的人都受到影響。倫敦1952年

12月5~9日SO2懸浮微粒大約4000人死亡。紐約1966年

11月24~30日SO2懸浮微粒大約168人死亡。1-1空氣污染空氣污染物現(xiàn)今能源資源的應用與交易以化石燃料為大宗，化石燃料的利用以燃燒為主要方法與手段，而燃燒則是造成空氣污染最主要的因素。整體而言，空氣污染物(airpollutants)可分成「氣狀污染物(gaseouspollutants)」與「粒狀污染物(particulatematters)」兩大類，而氣狀污染物中的主要成分有一氧化碳(CO)、硫氧化物(SOx)及氮氧化物(NOx)等。1-1空氣污染一氧化碳

一氧化碳是種無色、無臭而不易察覺的氣體，且其具有毒性，因此其造成的傷害往往令人出乎意料。一氧化碳的產生絕大部分是含碳化合物不完全燃燒下的產物，當中都市的一氧化碳則主要來自于機動車內燃機的燃燒，因此都市一氧化碳濃度往往和交通流量、地點及時間等有密切的關系。一氧化碳最為人所矚目乃對人體生理之影響，而人體所受危害的程度則由CO之濃度及人體的暴露時間所決定。當人體吸入一氧化碳后，一氧化碳極容易和血紅素結合形成「羥基血紅素」。一氧化碳和血紅素結合的能力約為氧氣和血紅素結合能力的200到250倍左右，換言之，如果吸入一氧化碳過多時將造成人體血液中輸氧量大減而產生嚴重的危害。一氧化碳對人體健康的影響

CO濃度及暴露時間影響9ppm，8小時暴露空氣質量標準。50ppm，6周暴露使心臟及腦部產生結構性變化。50ppm，50分鐘暴露改變視力敏銳度及亮度的閥值(brightnessthreshold)。50ppm，8~12小時暴露(不吸菸者)影響精神運動(psychomotor)之功能。血液中羥基血紅素(COHb)濃度對健康之危害程度COHb濃度(%)影響<1.0沒有顯著影響。1.0~2.0輕微影響行為。2.0~5.0影響中樞神經系統(tǒng)，傷害時間間隔判斷力、視力及亮度辨認力及其他神經運動功能。>5.0改變心及肺的功能。10.0~80.0出現(xiàn)頭痛、疲倦、暈眩、昏睡、昏厥及呼吸不正常等現(xiàn)象，甚至死亡。1-1空氣污染硫氧化物

俗稱的硫氧化物包含了SO2及SO3二種，硫氧化物的產生主要來自于工業(yè)界的燃燒，尤其是化石燃料(如煤及重油)的燃燒，例如發(fā)電廠、煉鋼廠及精煉廠等皆是硫氧化物的重大來源，此系因化石燃料中含有硫份之故。二氧化硫是種無色、不可燃及不爆炸的氣體，但空氣中的濃度如果達到即可感覺出，而0.5ppm則可明顯嗅出。其在大氣中十分安定，約可停留4天左右，因此可飄至遠處。二氧化硫可和水直接反應成亞硫酸，如果二氧化硫進一步氧化成三氧化硫并和水反應，則形成硫酸，此即為大氣中形成「酸雨

(acidrain)」的部分原因。1-1空氣污染二氧化硫濃度對人體之影響

空氣中的二氧化硫對于眼睛及呼吸道黏膜皆具有刺激性，同時二氧化硫亦會引發(fā)呼吸短促、咳嗽、氣喘、支氣管炎及長期傷風感冒等癥狀。若二氧化硫和空氣中其他空氣污染物共同存在，例如懸浮微粒或臭氧，則形成的協(xié)合效應將具有更大的傷害力。1-1空氣污染氮氧化物NO及NO2二者合稱之氮氧化物(NOx)。燃燒過程可說是產生的最主要來源，而燃燒過程則來自于移動污染源

(如汽機車)及固定污染源

(如發(fā)電廠、煉鋼廠等工業(yè)爐)。氮氧化物生成的來源并不像CO、SOx或碳氫化合物等完全來自于燃料，在高溫時NOx之形成有極大部分來自于空氣中的氮氣及氧氣之反應。因此就形成過程而言，NOx生成的來源并不會受到限制。一般的燃燒設備中所產生的NOx，NO約占90~95%，而后于大氣中進一步氧化成NO2。整體而言，一氧化氮的生成可分成三類，其為「熱式(thermal)」、「瞬式(prompt)」及「燃料一氧化氮(fuel)」。1-1空氣污染二氧化氮濃度對人體之影響

人為產生的氮氧化物中，主要以一氧化氮的形式排出，其為一種無味、無臭的氣體。一氧化氮于大氣中會再經化學反應而形成二次污染物，例如二氧化氮、硝酸鹽類、亞硝酸鹽類或硝化胺類。此外，氮氧化物的排放和光化學反應中臭氧的產生亦有密切的關系。一氧化氮對人體的作用猶如一氧化碳，其會和人體中血紅素快速結合而影響血紅素之輸氧功能。如果吸入的濃度過高，則會造成人體缺氧，進而引發(fā)中樞神經機能減退，甚至中風。二氧化氮則為一種紅棕色的毒性氣體，其具有刺激性臭味，會刺激眼睛、鼻及肺部等，若濃度過高或暴露的時間過長，則可能引發(fā)氣管炎、肺炎、降低抵抗力，進而促使呼吸器官受感染如感冒等。1-1空氣污染二氧化氮濃度對人體之影響

1-1空氣污染粒狀污染物

微粒物質廣泛地存在空氣中，不僅因自然界的生成，在人為工業(yè)的制程中亦會大量的產生。當這些微粒物質在大氣層中的含量超過某一限度時，則將造成光學上所謂的能見度降低而阻礙陽光的照射，進而可能破壞地球的溫度平衡。尤有甚者，這些微粒質常會結合其他氣狀污染而造成更嚴重的危害，此即「協(xié)合效應(synergisticeffects)」。例如微粒物質和酸氣結合而形成酸霧時，將會加速金屬及其他材料的腐蝕，而如果和其他活性較強的碳氫化合物結合而進入人體，則有可能增加致癌的機率。整體而言，大氣中粒狀污染物會影響人體呼吸，惡化既存之心血管疾病，并可能損及身體之免疫系統(tǒng)1-1空氣污染常見之粒狀物質及其尺寸分布范圍

1-1空氣污染空氣污染指標（PollutantStandardIndex,PSI）

針對空氣中常見的五種污染物，測得其濃度之后換算成0到500的指數(shù)以代表空氣的清凈度。這五種污染物分別為一氧化碳、二氧化硫、懸浮微粒(PM10)、光化學氧化物(或臭氧)及二氧化氮。等級PSI范圍意義10-50良好(good)251-100普通(moderate)3101-200不良(unhealthful)4201-300極不良(veryunhealthful)5301-500有害(hazardous)1-1空氣污染空氣質量指標（AirQualityIndex,AQI）

加入PM2.5副指標及8小時平均的臭氧濃度。AQI指標數(shù)值對健康的影響顏色0-50良好綠色51-100普通黃色101-150對敏感族群不良橘色151-200不良紅色201-300非常不良紫色301-500有害栗色1-2酸雨酸雨

一般而言，空氣中含有一些酸性物質，其降落至地面而影響生態(tài)環(huán)境有二種途徑：由干燥顆粒直接落至地面的現(xiàn)象稱為「干沈降(drydeposition)」，而透過雨水、降雪、霧或霜等方式則稱為「溼沈降(wetdeposition)」，其中酸雨即屬于溼沈降。

一般在正常情況下，因為空氣中含有二氧化碳，因此未受污染的雨水下降時之pH值約5.6左右，然而當空氣中含有為數(shù)不少的酸性物質時，其將造成雨水的pH值小于5.6。依據(jù)國內環(huán)保署的定義，當雨水的pH值在5.0以下時，其即稱為酸雨。常見物質之酸鹼值分布情形

酸雨的產生主要來自于工業(yè)上大量的使用化石燃料如石油及煤等，當此等燃料在高溫中經過劇烈的燃燒氧化時，燃料中的硫份即會與氧結合，經過一系列反應之后乃成為硫酸而存在空氣中。除了硫酸外，部分移動性污染源(如汽機車)及固定性污染源(燃煤電廠及鍋爐)燃燒所排放的氮氧化物，其進一步反應為硝酸。1-2酸雨酸雨的特點在于影響緩慢，但卻具有累積性、跨國性與洲際性，因為形成酸雨的前兆物硫氧化物及氮氧化物都能隨風從污染物源頭飄散到5公里甚至1000公里以外的地方。酸雨將造成土壤及水質「酸化(acidification)」，此時土壤中的養(yǎng)份及礦物質等極易被沖走，土壤貧瘠之下進而影響農作物和其他植物的成長及產量等。在水質酸化方面，當pH值改變，首當其沖的便是水中離子型態(tài)的改變，同時沈積于底泥中的金屬元素亦較易釋放出來而造成毒害。水體的酸堿度降低，較敏感浮游生物和水生植物會迅速死亡，造成食物鏈的破壞而導致其它生物的危機。當pH值小于5時，魚類便會死亡，若pH值降至4.5時，魚卵便無法孵化，同時也會影響鰓的作用，此時連生命力較強的魚種都無法存活。1-2酸雨酸雨會加速自然地理景觀的改變，例如石灰?guī)r地形將會因酸雨的出現(xiàn)，經年累月之后而改變景觀?？諝馕廴疚飳Σ牧系母g主要為金屬類，而其他橡塑膠類亦為常見。例如空氣中的硫氧化物及氮氧化物經過一系列化學反應后轉變成硫酸及硝酸等，此類強酸將明顯地促使金屬產生電化學反應而腐蝕。又如光化學反應而產生的臭氧會引起橡膠、輪胎的龜裂而使其使用壽命減短。建筑物中石灰石及大理石等建材極易到受空氣中酸性物質的侵蝕

(如硫酸及亞硫酸)而形成可溶解的硫酸鹽。除此之外，有甚多的藝術品如畫冊經常因暴露于外界而受到空氣污染物的侵襲。1-2酸雨減少酸雨的危害，最直接的方去便是降低對化石燃料的使用與依賴。通常，原油提煉的過程中具有一道脫硫的手續(xù)以減低石油中硫份的含量。此外，亦可嘗試改進脫硫的技術以減少燃料中硫份的含量，或直接使用低硫含量之燃料如環(huán)保煤，以降低酸雨的危害?！竻f(xié)合效應(synergisticeffect)」即當兩種以上物質同時存在而作用時，其效力將大于各別物質存在而作用之和，以數(shù)學表示為1+1>2。例如微粒物質若和酸氣結合，則其破壞力將更大于二者各別危害效果的總和。微粒物質若和酸氣結合，則其破壞力將更大于二者各別危害效果的總和。1-2酸雨1-3臭氧層破裂臭氧層約距地表20至35公里處為臭氧濃度最高之區(qū)域。臭氧層對于地球上的生命非常重要，因為臭氧能吸收外太空傳送到地球的紫外線，將這些短波長且有危險性的輻射線轉換成熱能。換言之，由于臭氧層的存在，使得只有極少量的紫外線能到達地表，因而避免人類本身、動植物乃至海洋生態(tài)遭受到極大傷害。近年來由于工業(yè)的發(fā)達，因而造成臭氧層的破裂。臭氧層的破裂并非指真的破洞，而是指臭氧的濃度變的非常稀薄，結果太陽的紫外線可毫無忌憚地照射地表。臭氧層破裂

臭氣層破洞的發(fā)現(xiàn)首先可回溯公元1985年。英國南極觀測站的科學家法曼等人從1977到1984年在南極郝利灣(HalleyBay)上空之觀測，其發(fā)現(xiàn)春季時的大氣臭氧含量大約減少了40%以上，而其他研究團體也指出南極上空有一塊區(qū)域的臭氧量急遽，其面積甚至大于南極大陸，高度則是介于12~24公里之間的平流層，而此區(qū)域即稱為臭氧洞。1985年以前，南極臭氧洞的大小和深度，大約以2年為消長周期。但從1989到1991年間，卻連續(xù)3年觀測到大規(guī)模的臭氧洞。另外，日本氣象廳發(fā)布的資料亦顯示，從1982到1991的10年間南極臭氧洞的面積擴大了10倍，深度增加了2倍，而被破壞的臭氧量則估計為過去的4.3倍。而且自1990年之后，南極上空臭洞的形成時間也開始提早。1992年，南極臭氧洞最大時范圍曾一度超過2,300萬平方公里，約為南極大陸面積的1.5倍。1-3臭氧層破裂臭氧消耗主因源自于氟氯碳化物(CFCs)

的廣泛使用。氟氯碳化物是一種含有氟(F)、氯(Cl)、碳(C)的人工合成化合物，由于其化學性質非常安定，不可燃且無毒性，因而應用的范圍極為廣泛。過去以來，氟氯碳化物已廣泛應用于汽車和冰箱等冷凍空調的冷媒、電子和光學元件的清洗溶劑、化妝品等噴霧劑，以及PU、PS、PE的發(fā)泡劑等。1-3臭氧層破裂臭氧消耗主因CFCs的性質非常安定，一旦被釋入大氣，除非行光分解反應，否則會不斷地累積在對流層中。在CFCs未受管制之前，過去被排放到大氣中總量約在2,000萬噸，大部分仍留存在對流層中。CFCs非常安定，生命期長達40~150年，因此會在大氣中不斷累積。當CFCs上升至平流層后，其將因受紫外線照射而分解產生氯原子，活潑的氯原子會與臭氧反應，使臭氧分解消失。平流層所能接納的氯相當有限，而且即使大幅降低CFCs的使用量，大氣也需要一段相當長的時間才能減緩臭氧的分解。CFCs所以會對臭氧層造成如此嚴重的傷害，主要關鍵就在其所含的氯原子。據(jù)估計，當CFCs釋出的1個氯原子，只要數(shù)個月的時間，就能使大約10萬個臭氧分子消失。1-3臭氧層破裂CFCs的性質紫外線的增加將會對人體的皮膚、視覺與免疫系統(tǒng)、農作物及地球生態(tài)造成極大威脅。在皮膚方面，以皮膚癌最為人熟知，而且為害最廣，而在皮膚癌中，又以惡性黑色瘤最具危險性。由于紫外線會破壞包括DNA在內的生物分子，因而增加罹患皮膚癌和許多免疫系統(tǒng)的疾病。眼晴在強烈紫外線照射下，會使透明的角膜混濁，引起角膜炎，或是造成結膜充血的結膜炎，最嚴重的則是白內障。白內障的病因是水晶體發(fā)生混濁，使視力逐漸衰退，雖然不會產生疼痛，但嚴重時有失明之虞。紫外線還會破壞免疫系統(tǒng)，減弱人體對病毒和病原菌的抵抗力。紫外線之所以會損害皮膚、眼晴及免疫系統(tǒng)，是因為紫外線能破壞人體內的蛋白質和核酸。臭氧層破裂之危害1-3臭氧層破裂由于國際社會體認到氟氯碳化物等「臭氧層破壞物質(ozone-depletingsubstances,ODSs)」已對臭氧層造成嚴重破壞，以及臭氧層對地球生態(tài)環(huán)境的重要性，聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)遂于1985年召集世界各國共商對策，簽訂保護臭氧層的「維也納協(xié)定(ViennaConvention)」，但該協(xié)定并不具強制性。而后，于1987年9月，共27個國家以維也納協(xié)定為基礎簽署了重要的「蒙特婁議定書(Montrealprotocol)」。該議定書強制規(guī)定締約國至公元1990年時，CFCs的使用量必須降至1986年使用量的50%。之后，蒙特婁議定書的管制措施不斷修訂，管制范圍擴大且削滅時程縮短，同時締約國的數(shù)目也不斷增加。蒙特婁議定書1-3臭氧層破裂1-4熱污染將不想要或無法利用的熱能排放到環(huán)境中，尤指是到大自然的水域中即稱為「熱污染」。熱污染主要的來源是火力(化石燃料)發(fā)電廠與核能發(fā)電廠的冷卻系統(tǒng)排出的熱水，此系因渦輪機完成了蒸汽循環(huán)后，需有冷凝裝置并配合冷卻水以降溫，該裝置也可改善發(fā)電廠的效率。熱污染也包含了鋼鐵廠、石油、化工、造紙等工廠排出的生產性廢水。這些廢熱排入地面水體如湖泊或河流后，將使水體的水溫升高。熱污染溫度改變將對魚類的新陳代謝產生極大影響；當溫度升高時，動物整體的活動力將會升高，其溫度與新陳代謝速率大約呈現(xiàn)指數(shù)變化關系。一般而言，每升高10℃會加倍魚類的新陳代謝速率。新陳代謝速率的增加將導致魚類對氧氣需求的增加。然而，水中溶氧的濃度卻會與溫度成反比關系，例如當水溫從16℃變化到35℃時，水中溶氧的飽和濃度將從10mg/L降至7mg/L。正因為水體溫度的升高會增加魚類的新陳代謝速率，但卻會減少水體的溶氧量或飽和濃度，因而水中溫度高于某一臨界值時，將促使魚類生存上的困難。水中動物的沖擊1-4熱污染電廠出現(xiàn)時，溫廢水的排放將干擾水層混合的自然過程。電廠因自深水層取出冷水提供冷凝器之用，并將熱水排放至表水層，此舉將造成上水層溫度漸增，可能延長形成各水層的時間，因而造成較短的混合時間并減少供應底層生物所需的氧氣。再者，自底層取水同時亦會帶走養(yǎng)分(如氮、磷)隨后又將之排放至表水層，造成水面植物的快速成長，特別是容易適應溫度變化的物種。有一些水藻成長特別快速，形成整片綠藻或藻團覆蓋水面，這些水生植物僅迎合少許的物種而對其他物種有毒，且未提供額外食物給需要的動物。綜而言之，當水體中營養(yǎng)成分過多而引發(fā)大量藻類的成長，其即稱為「優(yōu)養(yǎng)化」。湖泊優(yōu)養(yǎng)化1-4熱污染湖泊優(yōu)養(yǎng)化1-4熱污染湖泊內各水層及湖水溫度分布圖1-4熱污染廢熱利用若能將所排放的廢熱加以回收利用，其不但不會產生熱污染現(xiàn)象，甚至對于水產養(yǎng)殖有極大的幫助1-4熱污染熱島效應當人口逐漸往都市集中，其造成諸多能量的消耗而產生了甚多的熱能排放至空中；此外，高樓與大廈等矗立的建筑物及路上的柏油路也促使地球表面在都市較鄉(xiāng)村為粗糙，且吸收較多的太陽熱能。因而不論白天或晚上都市皆較鄰近的鄉(xiāng)村具有更多的熱量，此即形成所謂的「熱島(heatisland)」。因為溫度較高，因此都市的熱空氣會上升，此時都市周圍的冷空氣則流向都市而造成一特殊的氣流循環(huán)系統(tǒng)。1-4熱污染熱島效應示意圖

1-4熱污染熱島效應若在冬季，熱島效應有助于減少取暖所需之能源，且能使路上的冰雪提早融化；但在夏季，熱島效應將造成人們使用更多的能源如空調，促使熱島效應更加明顯。在炎熱的夏季，都市的溫度有可能較鄰近的鄉(xiāng)村，因此都市的熱空氣會上升，此時都市周圍的冷空氣則流向都市而造成一特殊的氣流循環(huán)系統(tǒng)。近來研究顯示，臺北1960年夏季平均每天雷陣雨雨量為3mm，2005年則變?yōu)?.3mm，約增加80%的雨量，其原因也是熱島效應所致。如要減少熱島效應，可行的作法有廣植樹木與增加綠地面積、使用較不易吸熱的鋪面材料以取代柏油路、及建筑物屋頂裝設綠色建筑材料。1-4熱污染1-5溫室效應與全球暖化溫室效應與全球暖化根據(jù)「聯(lián)合國跨國氣候變遷研究小組(IPCC)」在2001年1月上海的報告中，確認地球氣候變化加劇主要原因在于空氣污染，并警告可能有干旱及其他天災發(fā)生。而該小組在同年2月于日內瓦一份多達千頁，名為「2001年氣候變遷：沖擊、適應與可能傷害」的研究報告結論中則更指出，人為氣候變化主要的影響如下：1.導致出現(xiàn)更多如颶風、洪水及旱災等異常天災。2.受害最嚴重地區(qū)將出現(xiàn)大規(guī)模人口遷徙。3.可能導致大量人口死亡。4.蚊蚋會擴大棲息范圍，使得瘧疾等疾病發(fā)生率大為增加。5.生物棲息地遭到破壞，許多物種將告滅絕。1-5溫室效應與全球暖化溫室效應與全球暖化根據(jù)IPCC在2007年4月的研究報告，則進一步顯示全球暖化可能造成的影響如下：1.亞洲十億人口在2050年時將面臨缺水戚脅。2.東亞與東南亞三角洲河岸地帶水災不斷。3.東南亞地區(qū)發(fā)生霍亂、瘡疾等傳染病的機率大增。4.非洲將發(fā)生嚴重飢荒。5.海島國家國土縮小，將受更多海嘯沖擊。6.格陵蘭島和南極洲冰原融化的機率大增。7.澳洲大堡礁、卡卡都溼地、以及澳洲西南方的自然生態(tài)都將遭破壞。8.高溫也將改變拉丁美洲的大草原風貌。1-5溫室效應與全球暖化溫室效應與全球暖化9.歐洲內陸遭受洪水侵襲的機率大增。10.熱浪愈來愈頻繁，臺風雨量將愈來愈多。11.健康問題讓人類生存環(huán)境更加艱困。12.過去50年全球暖化的元兇，就是人類燃燒化石燃料所產生的溫室氣體，包括二氧化碳、甲院以及氮氧化物等，這三種主要的溫室氣體濃度，在工業(yè)革命后的200年，遠超出過去數(shù)十萬年的自然變化。而且，溫室氣體排放對氣候的影響,可能持續(xù)千年以上。溫室效應說明圖太陽表面溫度為6000K時，其所對應高峰強度波長屬于可見光部分。至于地球表面溫度約295K，其所對應高峰強度波長屬于紅外光區(qū)域。故太陽對地球能量的入射主要以可見光進行，而地球向外太空的能量放射則主要以紅外光輸出。當大氣中CO2、CH4、N2O及H2O等氣體的濃度增加時，其將使得地球外射能量部分被這些氣體截留，能量累積于大氣中而造成地球溫度的攀升，此即「溫室效應」1-5溫室效應與全球暖化溫室氣體之性質目前國際上所認定的溫室氣體主要包括了二氧化碳、氟氯碳化物、甲烷、氧化亞氮、六氟化硫、全氟碳化物(PFCs)及氫氟碳化物(HFCs)

等，其中前四項為聯(lián)合國界定之人為造成的溫室氣體。1-5溫室效應與全球暖化大氣中二氧化碳濃度之變化(1958-2008)1-5溫室效應與全球暖化國際議題聯(lián)合國(UnitedNations,UN)于1992年6月在巴西里約召開「地球高峰會議(TheEarthSummit)」，并簽署了「氣候變化綱要公約(fram