Английское слово «smog» – производное от «smoke» – дым и «fog» – туман. Именно жители английской столицы первыми столкнулись с проблемами, связанными с загрязнением городского воздуха. Впервые замеченный в 1940 г. в Лос-Анджелесе, фотохимический смог теперь возникает в промышленных городах всего мира. Всемирная организация здравоохранения при ООН (ВОЗ) установила предельно допустимую концентрацию — 120 частей на 1 млрд, хотя эта цифра часто превышается, а в Калифорнии достигает пиковых значений — 600 частей на 1 млрд. Содержания 300 частей на 1 млрд достаточно,чтобы вызвать раздражение глаз и слизистых оболочек гортани и носоглотки.
Смог снижает видимость, усиливает коррозию металлов и сооружений, оказывает отрицательное воздействие на здоровье человека. Интенсивный и длительный смог может явиться причиной повышения заболеваемости и смертности. Он может вызвать поражение дыхательных путей, рвоту и общую вялость. В ряде случаев в фотохимическом смоге могут присутствовать соединения азота, которые повышают вероятность возникновения раковых заболеваний.
Фотохимический туман представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. В состав основных компонентов смога входят озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения перекисной природы, называемые в совокупности фотооксидантами. Основной причиной возникновения смога считаются автомобильные выхлопы.
В условиях высокой температуры, при которой происходит сжигание топлива в двигателе автомобиля, начинается взаимодействие между кислородом и азотом, входящими в состав атмосферного воздуха. Образующийся при диссоциации молекул кислорода атомарный кислород способен расщепить молекулу сравнительно инертного азота, инициируя цепную реакцию:
O + N2
= NO + N
N + O2
= NO + O
В результате в выхлопных газах появляется монооксид азота, который, попав в атмосферу, окисляется кислородом воздуха, превращаясь в диоксид азота. Бурый диоксид азота фотохимически активен. Поглощая свет, он диссоциирует:
Таким образом, в воздухе появляется реакционноспособный атом кислорода, который может вступать в реакции с образованием озона:
O + O2
= O3
Присутствие озона – наиболее характерный признак фотохимического смога. Он не образуется при сгорании топлива, а является вторичным загрязнителем. Обладая сильнейшими окислительными свойствами, озон оказывает вредное действие на здоровье людей и разрушает многие материалы, в первую очередь, резину.
Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород. Но этого не происходит. Озон вступает в реакцию с олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Они вступают во взаимодействие с диоксидом азота с образованием основных вредных компонентов фотохимического смога: ПАН (пероксиацетилнитрат) и ПБН(пероксибензоилнитрат):
O+RH-R+RO
|
O3+R1-CH=CH-R2-R1-COH+R2+HCO
R+O2-R-O-O
R-O-O+NO2- CH3
– C – O – O – NO2
|
-C6
H5
– C – O – O – NO2
.
ПАН при конденсации выпадает на землю в виде клейкой жидкости, губительно действующей на растительный покров.
ПАН и ПБН сильно раздражают слизистую оболочку, в том числе, и глаз, в комбинации с озоном вызывает раздражение носоглотки, приводит к спазмам грудной клетки, а при концентрации более 3-4мг/м3
вызывает сильный кашель и ослабляет возможность сосредоточиться.
Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос - Анжелесом, Нью - Йорком и другими.
Рис. 4. Средние концентрации загрязняющих веществ в деловой части Лос-Анджелеса в дни, когда наблюдалось сильное раздражение глаз. Данные за 1953 – 1958 гг.
Из графика суточного хода загрязняющих веществ, представленного на рис
(через 4 - 5 часов). Отсюда можно сделать вывод, что увеличение выбросов в атмосферу несгоревшего топлива ведет к ухудшению экологической ситуации и тем самым является причиной дополнительного накапливания тропосферного озона.
Можно выделить два типа смога: связанный с загрязнением воздуха выхлопными газами транспорта, содержащими окислы азота, и связанный с загрязнением атмосферы копотью или дымами, содержащими двуокись серы. Необходимой составной частью процесса образования смога первого типа (лос-анджелесского смога) являются фотохимические реакции; во втором случае (лондонский смог) фотохимические реакции могут участвовать в образовании смога, но их участие не является обязательным.
| СРАВНЕНИЕ СМОГОВ ЛОС-АНДЖЕЛЕСА И ЛОНДОНА
|
||
| Характеристика | Лос-Анджелес | Лондон |
| Температура воздуха | От 24 до 32° С | От –1 до 4° С |
| Относительная влажность | <70% | 85% (+ туман) |
| Инверсия температуры | На высоте 1000 м | На высоте нескольких сотен метров |
| Скорость ветра | < 3м/с | Безветренно |
| Видимость | <0,8–1,6 км | <30 м |
| Месяцы наиболее частого появления | Август – сентябрь | Декабрь – январь |
| Основные топлива | Бензин | Уголь (и бензин) |
| Основные составляющие | O3
, NO, NO2 , CO, органические вещества |
Мелкие частицы, СО, соединения серы |
| Тип химических реакций | Окисление | Восстановление |
| Время максимального сгущения | Полдень | Раннее утро |
| Основное воздействие на здоровье | Раздражение глаз, нарушение дыхание | Раздражение дыхательных путей |
| Наиболее повреждаемые материалы | Резина | Железо, бетон |
Как видно из таблицы, лос-анджелесский смог появляется при более высокой температуре и меньшей влажности, чем лондонский. Основные особенности фотохимического смога, наблюдаемого в Лос-Анджелесе, следующие:
1. смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ наблюдается вскоре после полудня;
2. химически он действует как окислитель и вызывает растрескивание резины;
3. смог наблюдается в виде беловатого тумана, однако ухудшение видимости – наименее серьезный эффект по сравнению с другими;
4. смог вызывает у людей раздражение глаз и губит листву у растений;
5. исходные вещества, из которых формируется фотохимический смог, входят в состав автомобильных выхлопных газов, присутствующих в воздухе в больших количествах, но поставщиком исходных веществ может служить и биосфера. Так, например, в результате жизнедеятельности нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий из почвы, из сточных вод, из открытых водоемов в атмосферу поступает большое количество закиси азота N2
O (10÷50×106
т/год). В атмосфере N2
O подвержен окислению нечетным кислородом (озоном или атомарным кислородом), в результате чего происходит образование NO.
Для предотвращения смога необходимо совершенствовать двигатели автомобилей и эффективно очищать выхлопные газы
К сожалению, успехи в борьбе с отдельными видами загрязнения воздуха пока не привели к исчезновению смогов. Так, снижение вредных выбросов в выхлопных газах автомобилей на единицу пробега компенсируется быстрым ростом количества автотранспорта, поэтому общий уровень загрязнения не уменьшается. По-видимому, смог еще долгое время будет оставаться серьезной проблемой для жителей многих крупных городов.