酸性雨：それがどのように形成されるか、組成、反応および影響 - 環境

酸性雨は、 5.6未満のpHを生成する物質の湿式又は乾式の沈殿です。この降水量は、雨（雨水で希釈）または乾燥（粒子またはエアロゾル沈着）することができます。

「酸性雨」という用語は、産業革命の真っ只中の1850年に、英国の研究者ロバートアンガススミスによって最初に提案されました。大気中に形成される最も豊富な酸は、自然または人工の汚染物質の酸化により、硝酸と硫酸です。

酸性雨マップ。出典：Alfredsito94

最も関連性の高い汚染物質は酸化物です：NO2、NO3、SO2。これらの自然発生源は、火山噴火、森林火災、細菌の分解です。人工的な発生源は、化石燃料の燃焼（産業活動および自動車交通）から生じるガス排出です。

酸性雨は土壌や水の酸性化などの環境に悪影響を与え、人間を含む生物に影響を与えます。また、土壌や水は重金属で汚染されており、水域では富栄養化が起こります。

植生レベルでは、葉への直接的な損傷が発生し、植物の成長が影響を受けます。さらに、土壌の酸性化は栄養素を固定化し、菌根（土壌菌類）に影響を与えます。同様に、建物、機械、記念碑、およびこれらの要素に曝された芸術作品は、沈殿した酸の影響によって深刻に酸化または侵食されます。

酸性雨の影響を緩和するには、記念碑の保護や土壌や水の酸性化の修正など、いくつかの重要な対策を講じることができます。しかし、酸性雨の基本的な解決策は、酸形成の前駆物質である化合物の大気への放出を減らすことです。

どのように酸性雨が形成されますか？

キュラソーのPDVSAの製油所からのSO2排出による酸性霧。出典：HdeK

化学前駆体

酸性雨の現象は、酸の形成の前駆物質である化合物の大気への放出から始まります。これらの化合物は、天然または人工の発生源から放出されます。

自然の発生源には、火山噴火、植生火災、海洋放出などがあります。人工的な排出源が産業排出、燃焼自動車からの排出、または廃棄物の燃焼に影響を及ぼします。

これらの発生源は、大気中で酸を生成する可能性のあるさまざまな化合物を放出します。ただし、最も重要なのは窒素酸化物と硫黄酸化物です。

窒素酸化物はNOxとして知られており、二酸化窒素（NO2）と亜酸化窒素（NO）が含まれます。その一部として、酸化硫黄はSO2または二酸化硫黄です。

対流圏プロセスと生成される酸

酸性雨の現象は、対流圏（地表から高さ16 kmに達する大気圏）で発生します。

対流圏では、気流がこれらの化合物を惑星のどこにでも運ぶことができ、地球規模の問題となっています。このプロセスでは、窒素酸化物と硫黄酸化物が他の化合物と相互作用して、それぞれ硝酸と硫酸を形成します。

反応サポート

化学反応は、懸濁液中の固体粒子または懸濁液中の水滴のいずれかで行うことができます。

硝酸は水への溶解度が低いため、主に気相で形成されます。硫酸は水に溶けやすく、酸性雨の主成分です。

硝酸

硝酸（HNO3）の形成では、窒素酸化物は水、OHなどのラジカル（HO2とCH3O2の場合は少ない）、または対流圏オゾン（O3）と反応します。

硫酸

硫酸（H2SO4）の生産の場合、ラジカルOH、HO2、CH3O2、水、オゾンも関与します。さらに、過酸化水素（H2O2）およびさまざまな金属酸化物と反応させることで形成できます。

炭酸

H2CO3は二酸化炭素と大気中の水との光化学反応によって形成されます。

塩酸

HClは酸性雨の2％にすぎず、その前駆物質は塩化メチル（ClCH3）です。この化合物は海洋に由来し、OHラジカルによって酸化されて塩酸を形成します。

降水量

酸性化合物（硝酸または硫酸、およびより少ない程度に塩酸）が形成されると、それらは沈殿します。

沈殿は、気相中で酸性化反応が起こった懸濁粒子の堆積によるものであり得る。別の方法は、酸が形成された雨の中で凝縮水が沈殿することです。

組成

雨の自然な酸性度はpH 5.6に近いですが、一部の汚染されていない地域の値は5です。これらの低いpH値は、天然由来の酸の存在に関連付けられています。

雨は、pHレベルに応じて、次のように分類できると考えられています。

a）弱酸性（pH 4.7〜5.6）
b）中程度の酸性（pH 4.3〜4.7）
c）強酸性（pH以下4.3）。

雨の濃度が> 1.3 mg / L（硝酸塩）および> 3 mg / L（硫酸塩）の場合、汚染度は高いと考えられます。

酸性雨は、3分の2以上の場合、硫酸の存在によって構成され、その後、硝酸が豊富に含まれます。雨の酸性度に寄与する可能性のある他の成分は、塩酸と炭酸です。

酸性雨の化学反応

硫酸（H2SO4）の生成

硫酸の生成は、気相または液相で起こり得る。

気相

SO2のわずか3〜4％が気相で酸化され、硫酸が生成されます。ガス状の前駆物質から硫酸を生成する方法はたくさんあります。ここでは、SO2と対流圏オゾンとの反応が示されています。

反応は2つの段階で発生します。

1.-二酸化硫黄は対流圏オゾンと反応し、三酸化硫黄を生成して酸素を放出します。

SO2 + O3 = SO3 + O2

2.-次に、三酸化硫黄が水蒸気で酸化し、硫酸を生成します。

SO3 + H2O = H2SO4

液相

雨を形成する水滴の中で、硫酸はいくつかの方法で生成されます：

1.- SO2は水に溶解して亜硫酸を生成し、これは過酸化水素によって酸化されます。

SO2 + H2O = H2SO2

H2SO2 + H2O2 = H2SO4 + H2O

2.-光触媒メカニズム：この場合、金属酸化物粒子（鉄、亜鉛、チタン）は太陽光の作用によって活性化され（光化学的活性化）、SO2を酸化して硫酸を生成します。

硝酸（HNO3）の形成

対流圏オゾンO3は、3段階のプロセスでNO2をHNO3に変換します。

1.- NO2 + O3 = NO3 + O2
2.- NO3 + NO2 = N2O5
3.- N2O5 + H2O = 2HNO3

環境への影響

チェコ共和国のイゼラ山脈の森林における酸性雨の影響。出典：Lovecz

土壌の酸性化とその植生への影響

土壌に対する酸性雨の影響は、その組成によって異なります。たとえば、石灰質、玄武岩質、火成起源の土壌は、酸性度を中和する能力が高いです。

彼らの側では、不活性物質としての石英に富む土壌は、酸含有量を調整することができません。したがって、酸性雨が酸性度を高める土壌では、植物や動物に有毒な金属イオンが放出されて運び去られます。

関連するケースはアルミノケイ酸塩の溶解であり、これは植生に非常に有害なアルミニウムイオンを放出します。

一般に、土壌の酸性度は、植物の栄養素の利用可能性を低下させます。さらに、植物の欠乏を引き起こすカルシウムの放出と洗浄を促進します。

帯水層と人間の健康への影響

ほとんどの場合、酸性雨は通常の雨と見た目や味が違うことはなく、肌に感覚を与えることもありません。人間の健康への影響は間接的であり、極端な酸性度が原因で皮膚が損傷することはほとんどありません。

酸性雨の問題の1つは、pH値を5未満に下げると、重金属が放出されて運び去られることです。アルミニウムやカドミウムなどのこれらの汚染物質は、地下帯水層に入る可能性があります。

これらの汚染された帯水層からの水が人間の消費に使用される井戸に流れ込む場合、それは健康に深刻な損傷を引き起こす可能性があります。

建物、記念碑、材料の劣化

酸性雨により被害を受けたガーゴイル。ソース：ニノバルビエリ

石灰質タイプの石

石灰岩や大理石で作られた建造物、記念碑、彫刻は酸性雨の影響を強く受けます。多くの歴史的建造物や芸術作品がこれらの材料で構築されているため、これは非常に深刻です。

石灰岩の場合、酸性雨により石灰岩が溶解し、方解石が再結晶します。この再結晶により、表面に白っぽい色調が生じます。

硫酸による雨の特定のケースでは、硫酸化の現象が発生します。この過程で、岩石表面が石膏に変化し、CO2が放出されます。

大理石はより耐性がありますが、酸性雨の影響も受けます。この場合、石の剥離が発生します。そのため、表面の層が剥離します。

その他の非腐食性材料

一部の建物では、構造的な劣化はわずかですが、悪影響も伴います。たとえば、乾燥した酸性堆積物は壁を汚し、メンテナンスコストを増加させます。

金属

酸性雨は酸化現象により金属を腐食させます。金属部品を使用した構造物、設備、機械、車両が深刻な影響を受けるため、これは大きな経済的損失を引き起こします。

植物と動物

酸性雨で魚が死んだ。出典：United States Fish and Wildlife Service。

酸性雨は水生および陸上生態系の自然のバランスを変化させます。

静水域の植物と動物

レンズ水域は閉鎖的な生態系であるため、酸性化の影響を受けやすくなります。さらに、水中の酸の蓄積は、それが抱く生命に悪影響を及ぼします。

酸性化のもう1つの結果は、雨による硝酸塩の沈殿であり、水域で富栄養化を引き起こします。過剰な栄養素は利用可能な酸素を減らし、水生動物の生存に悪影響を及ぼします。

もう1つの間接的な悪影響は、陸域環境から水域への重金属イオンの取り込みです。これらのイオンは、酸性度が増加すると、ヒドロニウムイオンの作用によって土壌に放出されます。

植生と栄養素の可用性

土壌の酸性化によって引き起こされる最も深刻な問題は、必須栄養素の不動と有毒金属の増加です。

たとえば、アルミニウムとマグネシウムは、水素に置き換えられて土壌粒子から放出されます。アルミニウムは根の構造と機能に影響を与え、植物に不可欠なカルシウムの吸収を減らします。

一方、土壌の酸性化は菌根（根に関連する菌類）にダメージを与え、それは森林の動態に不可欠です。

植物や動物への直接的な被害

硫酸は、葉緑素を分解し、クロロシス（葉の黄変）を引き起こすことにより、葉に直接的な損傷を引き起こします。種によっては、生育可能な種子の成長と生産が減少します。

両生類（カエルやヒキガエル）は、水中の酸性の影響を特に受けやすくなっています。一部の損傷は、直接的な損傷と病原体（特に皮膚真菌）に対する防御力の低下です。

ソリューション

排出量を削減

酸性雨の要点は、酸性前駆物質の環境への排出を減らすことです。これらの中で最も重要なのは硫黄酸化物と窒素酸化物です。

しかし、これは企業や国の経済と開発の利益に影響を与えることを意味するため、いくつかの困難があります。たとえば、二酸化硫黄の主な供給源の1つは石炭の燃焼であり、中国のエネルギーの70％以上を占めています。

排出量の削減に役立ついくつかの代替技術があります。たとえば、業界では、いわゆる「流動層」にSO2を保持する吸収剤（石灰岩またはドロマイト）が組み込まれています。自動車や燃焼エンジン全般の場合、触媒コンバーターもSO2排出量の削減に役立ちます。

一方、一部の国では酸性雨を減らすための特定のプログラムを実施しています。たとえば、米国はNational Acid Precipitation Assessment Program（NAPAP）を開発しました。NAPAPで検討されている対策の中には、低硫黄燃料の使用の実施があります。

もう一つの可能な対策は、酸性雨と地球温暖化の両方を減らすために車両を電気自動車に置き換えることです。しかし、これを達成するための技術は存在しますが、自動車および石油産業からの圧力により、この点に関する決定は遅れています。影響を与える他の要因は、車両が到達すると予想される速度に関連する文化的要素です。

酸性度補正対策を適用する

場合によっては、土壌や水のpHは、アルカリを追加することによって、たとえば大量の石灰を組み込むことによって増加させることができます。ただし、この方法は非常に広い土地では実行できません。

表面保護

結石

酸性雨の影響下での石の劣化を保護または少なくとも軽減するには、さまざまな方法があります。これらの方法の1つは、蒸気または熱湯でそれを洗浄することです。

フッ化水素酸または重フッ化アンモニウムなどの化学薬品も使用できる。洗浄後は、水酸化バリウムなどの細孔を詰まらせる特殊な製品を使用して石を密封できます。

金属

腐食しやすい金属表面は、亜鉛などの非腐食性金属でコーティングすることにより保護できます。

このために、電着を適用するか、保護する金属構造を液体状態の保護金属に浸すことができます。

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