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この章は、大気汚染の地球規模の問題に着目する。(個人的には、クリスマス時期の大きな百貨店の香水売り場を大気汚染の究極だと考えているが、私はここでは議論しない)。私はあなたに大気汚染に関わる化学的な問題を示し、そして私はどのように大気汚染が現代社会とそのエネルギーと人の輸送に対する要求に関連しているかを説明する。

地球を取り囲む空気、つまり大気は、生命にとって絶対に必要である。大気は、呼吸のための酸素（O₂）と、生物たち（主に植物）が光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である光合成のための二酸化炭素（CO₂）を供給する、それは地球の温度を和らげ、生命を維持する循環の多くでに積極的な役割を果たす。大気は、地球上で起こる、あるいは存在する多くの化学反応による影響を受ける。

地球上に人類がほとんどいなかった時は、大気に対する人類の影響は無視できた。しかし、世界の人口が増加するにつれ、大気に対する文明の影響はますます重要になった。大規模で集中させられた工業用地の建設を引き起こした産業革命は、大気に対する人間の影響を非常に重要なものとした。

人々より多くのが化石燃料（地下の堆積物中に見つかり、そしてエネルギー源として利用される石炭などの有機物）を燃やすにつれて、大気中の二酸化炭素（CO₂）と大気中の微粒子（空気中に浮遊している小さな固体粒子）の量が著しく増加した。

産業革命後、人々はまた、大気中に化学汚染物質を放出し、ヘアスプレーやエアコンなどを含むより多くの道具を使い始めた。

CO₂と微粒子の増加は、汚染物質の増加と結びつけられ、大気中の繊細な均衡を崩した。これらの大気汚染物質の高い濃度は生物、建物、彫像に被害を与える酸性雨である酸性沈着や、よくロサンゼルスやその他の都市で発生する茶色く刺激的なもやである光化学スモッグなど、多くの問題を引き起こしている。

地球の大気はいくつかの層に分けられる、対流圏、成層圏、中間圏そして熱圏。私は地球に最も近い2つの層に注目したい、つまり対流圏と成層圏である。なぜならそれらは、人々によって最も影響を及ぼされた層だからである。また、それらは人々の生活に直接大きな影響を与える層である。

対流圏は地表の隣にあり、あなたが呼吸し、生存のために依存する気体を含んでいる。対流圏は、約78.1パーセントの窒素（N2）、20.9パーセントの酸素（O₂）、0.9パーセントのアルゴン（Ar）、0.03パーセントの二酸化炭素（CO₂）、および、より少量の様々なガスで構成されている。

対流圏にはまた、さまざまな量の水蒸気を含む。これらの気体は、重力によって地球に保持されている。もし気球乗りが対流圏まで高く昇ったならば、彼女は気体に対する重力による引力が減少するため、大気中の気体が非常に薄くなることに気づくだろう。この効果は、地球に強く保持されている気体の密集した層が、より汚染の影響からの危機に瀕していることを示している。

対流圏は天候が発生する層である。それはまた、地球に近接しているため、自然と人工の汚染の両方の影響をもろに受ける層でもある。自然は有る特定の範囲の大気を、火山からの有害な硫化水素（H₂S）や粒子状物質、そして、松などの植物からの有機化合物の放出によって、汚染している。

しかし、これらの汚染物質は対流圏にわずかな影響を有する。人類は一方、対流圏を自動車、発電所、産業から大量の化学物質で汚染している。酸性雨や光化学スモッグは、人工汚染物質の結果の一部である。

対流圏の上は成層圏であり、ジェット機や高高度気球が飛ぶ場所である。この層は重力の引力が小さくなるため、大気はとても薄い。重力が汚染物質をしっかりと地表近くに留めているため、ほんの僅かにより重い汚染物質しか成層圏に到達できない。

保護オゾン層は成層圏中に存在し、この保護障壁は太陽からの有害な紫外線（UV）を大量に吸収し、それを地球に到達することから引き留めている。

より重い汚染物質は成層圏に到達しないとしても、この層は人類の影響を受けないということはない。いくつかの軽い人工の気体は成層圏まで進み、そこでそれらは保護オゾン層を攻撃して破壊する。この破壊は人間に広範囲にわたる影響を与えることがある。なぜなら紫外線は皮膚ガンの主な原因であるからだ。

化学物質は善人にも悪人の両方になることがある。唯一の違いは、それがどこに、どのような濃度で存在するかである。例えば、人はたとえ十分な水を飲んでいても、過剰摂取することがある。成層圏のオゾンも同じ事がいえる。一方では有害な紫外線から私たちを保護する。しかしもう一方では、それは刺激物となり、ゴム製品を破壊することがある（詳細は「褐色の空気を吸う：光化学スモッグ」を見よ）。

オゾン層は、太陽から地球に届く紫外線のほぼ99％を吸収する。オゾン層は、日焼け、皮膚がん、白内障、皮膚の早期老化を含む、過度の紫外線の影響から私たちを保護する。オゾン層があるおかげで、私たちのほとんどは全身の保護なしで野外を楽しむことができる。

オゾン（O3）はどのようにして生成されるのか？成層圏と熱圏（宇宙空間に広がる層）の間の地球の大気圏部分である中間圏の酸素は、紫外線によって、反応性の高い酸素原子に分解される。これらの酸素原子は成層圏の酸素分子と結びついて、オゾンを形成する。

残念ながら、オゾン層は完璧な防御ではない。次の節では、オゾン層がどのように傷つけられているかを説明する。

社会として、人は多くの気体状化学物質を大気中に放出する。気体状化学物質の多くは、互いの反応を経て急速に分解する。あるいは、それらは大気中の水蒸気と反応して地面に降り落ち雨の中にある酸のような化合物を形成する。。酸性雨の形成に加えて、これらの化学物質の一部は光化学スモッグも形成する

しかし、これらの反応は幾分速く起こり、また人々は様々な方法でそれらに対処することができ、その多くは、大気中への危険な化学物質の放出を止めることで、汚染物質を生成する一連の反応をくい止めることと関係している。

ガス状化合物のいくつかの種類は不活性（不活性で反応性がない）であるため、それらは大気中に留まり、かなり長い間悪い影響を及ぼす。

厄介な化合物の種類の一つはクロロフルオロカーボンで、塩素、フッ素、炭素からなる気体化合物である。これらの化合物は一般にフロンと呼ばれている。

フロンらは比較的反応性が低いため、それらは冷蔵庫や自動車のエアコンの冷媒（フロン12）、発泡スチロールのようなプラスチックのための発泡剤、そしてヘアスプレーや脱臭剤のような民需品のエアゾール缶の噴霧剤として以前は広く使われていた。

その結果、フロンは大量に大気中に放出された。その結果、それらは大量に大気中に放出された。長年にわたって、フロンは成層圏まで拡散しており、そしてそれらは今なお成層圏に被害を与えている。

フロンは地球に近いところではあまり反応しない(それらはかなり不活性である)が、ほとんどの科学者らは、フロンが大気中のオゾンと反応し、そしてその後成層圏内のオゾン層に害を及ぼすと確信している。

その反応は次のように起こります： 1.典型的なクロロフルオロカーボンであるCF₂Cl₂は紫外線と反応し、反応性の高い塩素原子が生成される。

反応活性な塩素原子は成層圏のオゾンと反応し、酸素ガス分子と塩素酸化物（CIO）を生成する。 この反応はオゾン層を破壊する。もしここで事態が停止すれば、問題は最小限になるだろう。

3.塩素酸化物（CIO）はその後、成層圏内の別の酸素原子と反応でき、酸素分子と塩素原子を生成する。新しく生成された酸素分子と塩素原子は、直ちにオゾン層を破壊する過程全体を開始するのにもう一度利用可能である。 従って、1つのフロン分子は、多くのオゾン分子を破壊する事が出来る過程を開始できる。

ほとんどの人が大気汚染物質について考えるとき、一酸化炭素、フロン、炭化水素のような化学物質について考える。さらに、動物の呼吸の生成物や植物が光合成の過程で使われる化合物である二酸化炭素も、もし異常なほど多量に存在すると、汚染物質とみなされることがある。

1970年代後半から1980年代初頭に、科学者たちは地球の平均気温が上昇していることに気づいた。彼らは、二酸化炭素（CO₂）と、フロン（CFC）、メタン（CH₄、炭化水素）、水蒸気（H₂O）などの他のいくつかのガスの増加が、温室効果（気体は、温室のガラスの壁や屋根とまさに同じ効果を提供する、そのため、この名前が付けられた：熱を逃がさない）と呼ばれる過程を経た、若干の温度上昇の原因であると決定した。その気体自体は温室効果ガスと呼ばれる。

温室効果がどのように機能するかは次の通りである。太陽からの放射が地球の大気中を通って進むとき、それは地球を照らし、陸地と水を加熱している。この太陽エネルギーの一部は、熱（赤外線）として大気中に送り返され（反射され）、大気中の特定の気体（CO₂、CH₄、H₂O、フロン）に吸収される。

これらの気体は、今度は大気を暖める。この過程は、地球と大気の温度を適度で比較的一定に保つのに役立ち、その結果、私たちは日々の劇的な温度変動を経験しない。したがって、一般的に温室効果は良いことであり、悪いことではない。

しかし、もし二酸化炭素やその他の温室効果ガスの過剰量があたりに漂っていると、過剰な熱が大気中に閉じ込められる。大気は熱くなり、繊細な地球の循環の多くを混乱に導いている。この過程は、一般的に地球温暖化または地球気候変動と呼ばれており、現在地球の大気で起こっている。

現代文明は、エネルギーを得るために化石燃料（石炭、天然ガス、石油）を燃やすことに依存している。人々は電気を作るために石炭や天然ガスを、内燃機関を動かすためにガソリンを、そして家庭を暖めるために天然ガス、石油、薪、石炭を燃やす。加えて、工業工程では熱を生産するために燃料を燃やす。

全てのこの化石燃料の燃焼の結果として、大気中の二酸化炭素濃度は、1960年の百万分の318(ppm)から2010年には388ppmに上昇した。(濃度の単位ppmについては第9章を参照）。過剰な二酸化炭素は、大気の平均温度の約0.5度上昇をもたらした。

大気の平均温度が0.5度上昇するというのは、たいしたことではないように聞こえるかもしれない。しかし、この地球温暖化の傾向は、世界のいくつかの生態系に深刻な影響を与えることがある。

気温の上昇は氷塊を溶かし、世界中の海面を上昇させることがある。e海水面の上昇は、沿岸陸地の損失をもたらすことがあり（ヒューストンはメキシコ湾に沈むかもしれない）、そしてより多くの人々を高潮（とてもひどい嵐の間に発生する、非常に損害を与える海水の突進）にさらされやすくさせることがある。

上昇した気温は、植物の成長模様に影響を与えることがある。 世界の熱帯地域は増加し、熱帯病の蔓延につながることがある。

スモッグは、煙としばしば呼吸を刺激する霧の組み合わせを説明するために人々が使う一般的な単語である。スモッグの2つの主な種類はロンドンスモッグと光化学スモッグです。

ロンドン・スモッグはガス状で大気中の、霧、すす、灰、硫酸（H₂SO電池酸）、そして二酸化硫黄（SO₂）の混合物である。この名前は、20世紀初頭にロンドンを苦しめた大気汚染から由来している。

人口密度の高い都市で暖房のための石炭の燃焼がこのスモッグを引き起こした。石炭ストーブや竃から出るガスとすすの危険な混合物は、1952年にはロンドンで8,000人以上を殺した。

電気集塵装置と排気浄化装置（：電気集塵装置」と「水を洗う：本章で後述する「帯電させて落とす：電気集塵機」と「水を洗う：スクラバー」を参照）は濾過装置と組み合わされ、すす、灰、二酸化硫黄の大気中への放出を減らすことに効果的であり、ロンドン・スモッグの発生を軽減している。

光化学スモッグは、未燃焼炭化水素や窒素酸化物（NOとNO₂の混合物）を含んでいる特定の化学反応を太陽光が開始する後にに発生する。一般的な自動車エンジンは、走行中にこれら両方の化合物を生成する。

光化学スモッグは時々、ロサンゼルス、ソルトレイクシティ、デンバー、フェニックスのような都市で、時々視界を悪くする茶色のもやである。(このスモッグは時としてロサンゼルス・スモッグと呼ばれる。時折、晴天のカリフォルニアでもあまり日が差さない）。これらの都市は光化学スモッグに対して弱く、それらの都市はスモッグを発生させる化学物質を排出する自動車が多く、山脈に囲まれているからだ。

山脈と西向きの風は、汚染物質を都市近くに閉じ込める、気温逆転の理想的な条件を作り出す。(e気温逆転層では、暖かい空気の層が冷たい空気の層の上に移動する。暖かい空気は、冷たい空気とその(空気中の)汚染物質を地表近くに閉じ込める。この過程は、特定の有害な気体をベッドに閉じ込めているシートに例えられる。

そのうちガス状の汚染物質は閉じ込められ、そして大気中をより高く移動することはできない。それらは私たち人間の近くに留まり、さまざまな問題を引き起こしている。）

光化学スモッグの化学はまだ明瞭（しゃれのつもり）、科学者らはスモッグを作るようになる基本原理を知っている。大気中の窒素は内燃機関の中で酸化され、一酸化窒素になり、エンジンの排気装置を通して大気中に放出される

一酸化窒素は大気中の酸素によって二酸化窒素に酸化される： 二酸化窒素は茶色がかった気体で、目や肺を刺激する。それは日光を吸収し、その後一酸化窒素と高い反応性の酸素原子を生成する： これらの反応活性な酸素原子は、空気中の二原子（二原子）酸素気体分子と速やかに反応し、オゾン（O₃）を生成する：

このオゾンは成層圏で紫外線に対する遮蔽物のような役割をする。 しかし、それが地球に近くに下降すると、それは目と肺に強力な刺激物としてふるまう。それはゴムを攻撃し、その硬化を引き起こし、それゆえ自動車のタイヤや目詰め材の寿命を縮める。また、トマトやタバコなどの農作物にも影響を及ぼす。

自動車排気ガス由来の未燃焼炭化水素はまた、酸素原子やオゾンと反応し、刺激性でもあるさまざまな有機アルデヒドを生成する。これらの炭化水素は二原子の酸素や二酸化窒素と反応して硝酸ペルオキシアセチル（PANS）を生成することがある：

これらPANSは、目や肺の刺激物でもあり、それらは非常に反応性が高い傾向にあり、生物に被害を引き起こしている。茶色の二酸化窒素、オゾン、PANSの組み合わせが光化学スモッグである。それは視界を低下させ、そして呼吸器の問題の主な原因である。そして残念なことに、それを制御することは困難であった。

自動車の排気ガスは厳密に監視され、大気中に放出される未燃焼の炭化水素の量を最小限にするために厳格な管理が実行された。1990年の大気浄化法は、自動車からの炭化水素排出の削減を促進するために可決された。触媒変換器は、未燃炭化水素を反応させ、そして危険性の少ない二酸化炭素と水の排出物を生成するのを促進するために開発された。

(副次的な利点として、鉛は触媒を「毒」し、触媒変換器を役に立たなくするので、ガソリンから排除される必要があった）。「鉛を除去する」という大規模な運動は、命に関わる重金属の主な発生源を環境から除去した)

触媒変換器や活性炭容器のような、ガソリンの臭気を減らすのを助けるために使用される対策はある程度効果的だったが、光化学スモッグは依然として問題を引き起こす。人類が内燃機関に対して条件を満たした代替品を開発する、もしくは、公共交通機関を必要とするまで、光化学スモッグは今後何年間も私たちとともに残るだろう。

オズの魔法使いの悪い魔女は水に溶けた。酸性雨の石灰岩や大理石に対する作用によって、時々建物も同様にふるまう。雨水は、大気中の水分に二酸化炭素が溶け、炭酸を作り出す結果として、元々酸性（pH7以下）である。(炭酸とphスケールについては第11章を参照のこと)。

この相互作用は雨水が約5.6.のphを持つこともたらす。酸性雨もしくは酸性降下物という用語は、降雨が二酸化炭素の単純な溶解により説明できるよりもはるかに低い（より酸性度の）phを有する状況を説明するために使われる。以下は、酸性雨を構成するもの及びそれをきれいにする方法など、酸性雨の概要を説明する。

酸性雨は、大気中の特定の汚染物質、主に窒素酸化物や硫黄酸化物が大気の水分中に溶解し、低いpH値の雨として地上に降る時に形成される。

窒素酸化物（NO、NO₂など）は、大気中で雷放電の間に自然に生成される。これは自然が窒素を「固定」する、つまり植物が利用できる形にする方法のひとつである。 しかし人間は、自動車の使用によって大気中の窒素酸化物の量を大幅に増やしている。

内燃エンジンはガソリンの炭化水素を空気中の酸素と反応させ、二酸化炭素（および一酸化炭素）と水を生成する。しかし、空気中に存在する窒素（空気の約78％は窒素）は、機関の中に高温で酸素と反応することがある。

この反応は一酸化窒素（NO）が生成することができ、大気中に放出される： NOは大気中に入ると、さらに酸素ガスと反応して二酸化窒素（NO）を生成する： この二酸化窒素は、その後大気中の水蒸気と反応することがあり硝酸や亜硝酸を生成する： これらの希薄な酸溶液は、一般的に4.0〜4.5の範囲の低いpHの値で雨として地上に降る（ただし、pHが1.5まで低い雨も報告されている）。

アメリカ合衆国の東部ののかなりの酸性雨は窒素酸化物によって引き起こされるが、中西部や西部の酸性雨は、発電所や石炭や石油の燃焼によって主に生み出される硫黄酸化物によって引き起こされる。

硫黄含有化合物は石炭や石油に不純物として見つかり、時には4重量パーセントに達する。それらの化合物は、燃焼すると、二酸化硫黄ガス（SO₂）が生成する。毎年何百万トンものSO₂が発電所から大気中に放出される。

SO₂は大気中の水蒸気と反応して亜硫酸（H₂SO,）を生成し、大気中の酸素と反応して三酸化硫黄（SO₃）を生成する： この三酸化硫黄は、大気中の水分と反応して車のバッテリーで見つかる酸と同じである硫酸（H₂SO₄）を生成する： したがって、雨水に溶けている亜硫酸と硫酸は大地に降り注ぐ酸性雨を形成する。バッテリー酸浴する人なんているのでしょうか？

大気中で形成された酸は、酸性雨として地上に降り注ぎ、やがて非生物や生物にその影響を残すまでに、何百マイルも移動することがある。雨の酸は建物や自動車の鉄と反応して、それらの腐食を引き起こす。それらの酸はまた、大理石の彫像や石灰岩の建物と反応して、洗い流される可溶性の化合物を形成するとき、素晴らしい芸術品の細部を破壊する。

(これを実際に見てみたい？大理石の一部に酢、酸、を一滴垂らし、その後、酸が大理石を溶す時に泡が発生するのを見なさい。しかし、注意してほしい。ガートルードおばさんが去年のクリスマスにプレゼントしてくれた、不格好な大理石のチーズスライサーを使おう)。

あなたは酸性雨は植生に悪影響をもつと聞いても、おそらく驚かないだろう。酸性雨は、多くの樹木や、さらには森林全体の枯死の主な原因として特定されてきた。たとえ酸性雨によって樹木がすぐに枯れなくても、森林はその影響によってよりおそく成長する。

成長は栄養分の吸収を妨げるアルミニウムが土壌から放出されることによって阻害されたり、土壌に見つかったバクテリアの働きで、遅くなる可能性がある。

さらに、酸性雨はカナダやアメリカの多くの湖の生態系を変えてきた。魚の殺害が報告され、特定の湖からは全ての魚の種類が消滅した。実際、湖全体の生態系は酸性雨によって破壊され、湖を生命のないものにしている。

酸性雨とその影響を減らすための対策が講じられている。燃費の向上と自動車の汚染防止装置の使用は、大気中に放出される窒素酸化物の量を減らすのに役立っている。しかし、化石燃料発電所は、酸の原因汚染物質の最大トン数を生産している。

大気中に放出される硫黄含有ガスの量を減らすために、次の2つの節で説明される電気集塵機やガス洗浄機を含む、いくつものの制御が導入されている。しかし、それらは大気中に放出される酸の原因物質の量を減らすのに効果的ではあったが、酸性雨の問題を管理可能な水準まで減らすには、まだ多くのことを行う必要がある。

あなたが子供の頃、あなたは寒い冬の朝に髪にクシを通し、それから小さな紙くずを拾うためにクシを使ったことがあるか。電気集塵装置はこれとほとんど同じことをする。

電気集塵装置は、汚染粒子に負の電荷を与える。集塵装置の側面は正の電荷を有し、したがって負の電荷をもつ粒子はその正に帯電した壁に引き寄せられる。粒子は壁に付着し、そこに蓄積する。その後除去される（ベッドの下からホコリを掃除するようなものだ）。

ある種類の電気集塵装置では、化石燃料の燃焼によって生成されたSO₂は石灰（CaO）と反応して、固体の亜硫酸カルシウム（CaSO₃）を生成する： 細かく分割された亜硫酸カルシウムは静電気的に沈殿され、回収される。その後、化学廃棄埋め立て地で適切に処分される。

洗浄塔は、水の微細な霧を使うことによって汚染ガスから不純物を取り除き、水溶液として気体を捕まえる、あるいはそれらを反応混合物に通すのを強いる物体である。あこのプロセスは、乾燥地帯で粉塵を沈めるために水噴霧を使用するのと似ている。

あなたは、水酸化マグネシウムの懸濁液に二酸化硫黄を強制的に通過させ、亜硫酸マグネシウムに変換することで、二酸化硫黄を除去するための特に効率的なシステムとして洗浄塔を使用することができる：

水は全ての人間が生存に絶対に必要だ。 なにしろ人間の体の約70パーセントは水である。 しかし、地球上の水のほとんどは海で見つかる。 地球上の水の約2％が淡水であり、そしてその4分の3強は氷や氷河の形をしている。 しかし、多くの人々が懸念しているのは、飲料に適したごく少量の淡水（飲料水）である。

あなたは、あなたが飲む水とあなたが入浴や料理、そしてあなたの芝生の水やりに使う水をよく知っていると私は認識している。 しかし、あなたが田舎の農業地帯に住んでいない限り、あなたは食用の植物や動物を育てるために使われる水についてあまり考えないかもしれない。

さらに、家庭からの廃棄物を運ぶため、電気を発生されるため、化学反応や冷却塔にも水が使われている。 そして、ボート、水泳、釣りといったレクリエーションもある。 これらはすべて、良質で純粋な水が十分に供給されているかどうかにかかっている。