環保成功案例 科學家消滅酸雨的故事

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在加拿大的基拉尼省公園(Killarney Provincial Park),一群孩子在寧靜但顏色綠的很不自然的湖面上劃獨木舟。這天陽光明媚,天氣炎熱,一個口渴的男孩用鋁鍋舀水,凖備加滿他同伴的水壺。稍不留神,鍋從手中滑落,沉入深不可及的水下。令人難以置信的是,它在深達50英尺(15.2米)的湖底仍然可見。

那是1980年代中期,我也在這群孩子當中。水之所以清澈,原因很不幸。這個湖靠近安大略省薩德伯裏鎮(Sudbury)冶煉鎳和銅的工廠,湖水已被酸雨徹底改變。水裏幾乎所有的生物都消失了,包括那些通常會阻礙光線到達深處的微小藻類。這個湖乃至整個地區的湖,都變成了美麗卻死氣沉沉的「綠寶石」。

將近2019年時,在安大略西北部偏遠地區的一些湖泊,國際可持續發展研究所(International Institute for Sustainable Development's Experimental Lakes Area)的生物學家德斯賈丁斯(Cyndy Desjardins)在夜間乘船進行過實驗後,喝著早餐咖啡。她面帶微笑,滿臉倦容。昨晚大部分時間她都在漆黑的環境下工作,尋找一些小怪獸般的生物,比如淡水負鼠蝦(Mysis relicta)。德斯賈丁斯和她的團隊,正努力結束始於20世紀70年代的酸雨實驗。

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Image caption 淡水負鼠蝦在已經酸化的湖泊中受到不良影響(Credit: Andrew Milling)

激烈的爭議

最糟糕的是,酸雨使歐洲的森林變得光禿禿的;造成加拿大和美國部分湖泊中的生物滅絶;在問題依然嚴重的中國,酸雨損害了人民健康,造成農作物損失。回顧過去,幾乎所有人都認為酸雨成因是汽車尾氣、冶煉廠和燃煤設施等化石燃料燃燒所排放的二氧化硫和氮氧化物。當與大氣中的水和氧結合時,這些空氣污染物會化學轉化為硫酸和硝酸。雲中的酸性水滴會以雨、雪或冰雹的形式落下。

我們現在知道原因了。但之前很久,酸雨成因一直是個謎。1963年,作為長期生態系統研究的一部分,利肯斯(Gene Likens)在新罕布什爾州懷特山(White Mountains)的哈伯德溪實驗森林(Hubbard Brook Experimental Forest)中收集了雨水樣本,這項研究至今仍在進行。利肯斯現在是位於紐約州米爾布魯克(Millbrook)的卡裏生態系統科學研究所(Cary Institute of Ecosystem Sciences)的榮休生態學教授。利肯斯的研究資料可追溯至1872年甚至更早,1963年他的成果喚起公眾關注,提高人們對酸雨成因的認識,並採取消減措施。行動不僅在北美,而且在所有工業化國家展開。

加拿大和美國邊境兩側為緩解酸雨採取行動,關鍵原因也包括安大略省西北部實驗湖區(Ontario's Experimental Lakes Area)所獲得實驗結果。它的軟水湖(水中鈣鎂離子含量低)距離污染源足夠遠,可避免酸雨的影響,起到控製作用。

與許多湖泊不同,實驗湖區中健康生態系統的成份被很好的記錄下來。這使得辛德勒(David Schindler)等科學家能夠在湖泊中添加酸性物質,並觀察生態系統的反應。辛德勒當時是實驗湖區的資深科學家,現在是加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)的榮休教授。實驗湖區的科學家們會像電影星球大戰中的達斯·維達(Darth Vader)一樣穿上防護服,製造硫酸溶液,然後用船的螺旋槳推進器在湖中混合「雞尾酒」。

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Image caption 工業排放是20世紀下半葉酸雨污染的元兇,但直到幾十年後政府才採取措施(Credit: Getty Images)

1976年後的7年間,科學家們將一個編號為223的湖泊的pH值從6.8(接近中性)降低到5.0(微酸性)。實驗室內的研究表明,pH值5.0不會對魚類造成傷害。但在對223號湖的實驗中,在酸性達到5.0之前,魚類就受到了影響。當pH值降到5.6時,大多數淡水鱒魚喜歡的食物已經死亡,因為這些微小生物需要鈣來形成外骨骼,而酸化的湖水溶解了它們的保護層。

辛德勒說:「鱒魚停止繁殖,不是因為被酸毒死了,而是因為快餓死了。」

淡水微生物學家凱利(Carol Kelly)於1978年到達實驗湖區,當時酸雨實驗剛剛開始。在湖泊酸化實驗中,她偶然發現的一個特別的難題,感到很好奇。她的同事們仔細計算了將223號湖的pH值降至5.0所需要的酸的量,高中生就可以做這個簡單計算。但凱利團隊的計算結果顯然是不正常的。

辛德勒說:「我已經給工作人員下了命令,要把湖水的pH值降到一定的水平,然後再加入足夠的酸,使湖水保持在一定的pH值。」而實驗進行到一半時,工作人員報告說酸快用完了。「湖泊酸化的過程比想像的要複雜得多。問題是,加進湖水的酸去了哪裏,為什麼比計算值要消耗的更多?」凱利說。

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Image caption 安大略的湖泊幾十年來一直受到酸雨的影響,上世紀80年代,人們的擔憂不斷加劇(Credit: Getty Images)

凱利和同事們開始研究這個問題,他們發現微生物產生的鹼能夠中和一些酸性物質,幫助湖泊恢復化學平衡。這些酸可以被湖中的細菌中和,這個發現在當時頗有爭議。

「人們不相信,」凱利說。但她繼續研究到底有多少酸可以被中和,於是她前往加拿大、美國的其它地方,以及挪威,到大氣已經酸化地區的湖泊,去測試這種自然恢復能力。不僅在實驗湖區,許多湖泊的沉積物中都存在可以中和酸性物質的細菌,這一發現表明,如果停止酸雨污染,湖泊即可恢復。

懷疑和否定

223號湖中饑餓魚類的照片令人震驚,加之加拿大酸雨聯盟(Canadian Coalition on Acid Rain)等環保組織的努力,說服了決策者,最終制定出更嚴格的空氣質量標凖。

但是對實驗湖區的酸雨研究幾乎沒有展開。加拿大聯邦政府成立實驗湖區研究站的初衷是為了解決過量營養物質污染湖泊的問題,這項工作在20世紀70年代早期就已有定論,所以政府凖備終止這個研究站。辛德勒告訴聯邦漁業官員酸雨研究計劃,而且有來自美國的大量證據,但官員指責他製造出酸雨研究計劃只是為了拯救實驗湖區研究站。

20世紀70年代和80年代,科學家們開始尋找製造酸雨的罪魁禍首,記者們也對這個問題進行了報道,但一些企業界人士卻竭力混淆視聽,散播懷疑言論,拖延行動。

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Image caption 在工業污染嚴重的歐洲地區,酸雨使樹葉脫落,變的光禿禿的(Credit: Getty Images)

利肯斯說:「很多人否認酸雨」。利肯斯記得曾就這個話題做過演講。有時會有人站起來,粗魯地打斷他,說不相信有酸雨。「我經常會這樣回答,『嗯,你沒有收集和分析過雨水樣本吧?』他們說『沒有』,而我則說,『我們什麼時候試試吧。』」

利肯斯說,就像氣候變化一樣,防治酸雨會遭到許多有錢有權的大人物或既得利益集團的反對。從1963年發現酸雨,到1990年通過《清潔空氣法案》(Clean Air Act),防治酸雨的立法歷時27年。

在此期間,爆發了許多跨境爭論。辛德勒說:「關於酸雨的第一場國際爭端,是美國指責加拿大造成了邊境湖泊酸化。」爭端焦點是安大略阿提科克(Atikokan)的一座小型燃煤電廠,美方稱該電廠造成邊境以南的酸雨。辛德勒等加拿大科學家和美國同行一起參加了在明尼蘇達州明尼阿波利斯市(Minneapolis)舉行的會議。

辛德勒表示:「當所有數據都擺在桌面上時,很明顯,來自阿提科克的少量硫化物對邊界水域沒有影響。」在那次會議上,科學家們研究了國際排放淨額。辛德勒說,很明顯,美國,尤其是俄亥俄河谷、賓夕法尼亞和新英格蘭的工業區,產生了落入加拿大湖泊中一半以上的酸雨。

這場相互指責仍在繼續,赫爾利(Adele Hurley)在一次演講中表示:「酸雨一度是加拿大與美國雙邊關係中的頭號問題。」1981年赫爾利創建了加拿大酸雨聯盟,她在演講中回顧了自己在 數十年間通過這家機構為防治酸雨所做的努力。1990年11月,加拿大酸雨聯盟成功阻止了一些修改美國《清潔空氣法案》的企圖,並啟動了酸雨防治計劃(Acid Rain Program),加拿大方面也有類似行動。

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Image caption 向湖泊中添加大量鹼性物質,有助於中和酸雨影響(Credit: Getty Images)

關於湖泊的教訓

早期實驗之後又過了半個世紀,實驗湖區中的223號湖不再是酸性的了,嗜酸微生物完成了工作。湖泊的化學平衡已恢復到實驗前的狀態。然而,生物復蘇卻滯後了。淡水負鼠蝦在未受污染的湖泊中數量可觀。但在223號湖,仍然不見他們蹤影。因此,德斯賈丁斯等人正在研究,重新引入負鼠蝦是否可能啟動生態系統的恢復。

早期跡象看上去是積極的。遙控潛水器在這些小生物存在的水深處搜索,已經發現兩隻蝦在遊弋。這表明,半夜在黑暗湖中的搜索和計數並非徒勞無功。在被酸雨侵蝕過的生態系統中,這些小生物又回來了。

由於從源頭上解決了酸雨問題,北美的湖泊得到了更廣泛的恢復。

與1990年的水平相比,大氣中的硫酸鹽離子已大幅下降,在曾經的重污染地區已降至幾乎可以忽略不計的水平。但這個問題並沒有完全消失。農業排放的硝酸鹽(化肥和牲畜飼料釋放的氨)仍然是造成硝酸沉澱的原因之一。人們還擔心,在亞洲,由硫和氮形成的酸雨正成為一個日益嚴重的問題。

解決複雜的環境問題沒有簡單的辦法。但是,控制酸雨的努力與應對氣候變化的策略是否有相似之處?辛德勒的確看到了業界拖延戰術的相似之處。他說:「傳播足夠多的懷疑,為足夠多的政治宣傳買單,你就可以推遲行動。這聽起來很粗俗,但如果你仔細觀察,大多數環境問題都有這樣的困境,氣候問題也不例外。」

儘管如此,利肯斯說,在應對酸雨方面,減排已經取得了巨大的成功。但還需要進一步減排,尤其是氮氧化物。美國現任總統提議削弱減排法規。利肯斯說,如果發生這種情況,像紐約東北部阿迪朗達克山脈(Adirondack Mountains)等處的湖泊恢復將特別困難,它們中和酸的能力已經減弱。

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Image caption 美國和加拿大減少酸雨的政策在很大程度上是有效的,湖泊開始恢復(Credit: Getty Images)

應對北美酸雨需要兩個鄰國採取行動。但對於氣候變化,挑戰更為廣泛,解決方案必須是全球性的。然而,這兩個問題確實有相似之處。赫爾利說,兩者都需要尖端科技支持、媒體報道,以及找到共同利益,能建立跨越對立黨派的聯盟。

在這場對抗酸雨的戰鬥中,赫爾利起到了帶頭作用,這意味著她要在體育表演中找機會向煤炭工人演講,讓他們參與到有乾淨水域才能釣到鮭魚這樣的對話中,還要走訪戰爭烈士墓地,去查看被酸雨破壞了的石灰石墓碑。

儘管仍遺留一些問題,但至少在北美,酸雨的解決方案向前推進了,因為它成為了一個跨越黨派問題。赫爾利認為:「人們開始廣泛相信,保護我們的森林、北方的湖泊以及湖中的魚類——這些人們共有的資源,是重要的。」

如果我們能從治理酸雨中學到什麼,那就是對於保護地球氣候而言,廣泛的支持和消除黨派偏見是必要的。

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