Смог

Эта статья входит в число готовых статей
Эта статья прошла проверку экспертом
Материал из «Знание.Вики»
Смог (снимок со спутника)

Смо́г (англ. smog ← smoke — дым и fog — густой туман) — густой дымный туман, образующийся в воздухе крупных городов (мегаполисов) в результате происходящих химических реакций.

Термин смог широко используется для характеристики различных процессов в атмосфере. Атмосферный воздух благодаря неравномерному нагреванию солнечным излучением в разных широтах интенсивно циркулирует, что благоприятствует перемещению загрязнений на большие расстояния. Кроме перемещения загрязнений происходят их разнообразные химические превращения, поскольку под действием ионизирующих излучений в атмосфере постоянно происходят фотохимические процессы, многочисленные химические реакции фотодиссоциации с образованием свободных радикалов. Наличие в атмосферном воздухе свободных радикалов и приводит к образованию смога[1].

Причины образования смога

Образование фотохимического смога относят к локальным проблемам загрязнения атмосферного воздуха.

С точки зрения защиты объектов окружающей среды от последствий загрязнения воздуха, наибольшую опасность представляет фотохимический смог. Фотохимический смог — это смесь различных химических веществ, которые образуются в результате фотохимических реакций при определённых физико-географических условиях и влиянии антропогенных факторов. К физико-химическим условиям относят отсутствие ветра в приземном слое и интенсивное солнечное излучение.

К антропогенным предпосылкам образования фотохимического смога относят наличие в приземном слое атмосферы значительных количеств диоксида азота, которые попадают в атмосферу преимущественно из антропогенных источников, а также присутствие в атмосферном воздухе углеводородов и продуктов их неполного окисления[2].

При фотохимическом смоге за счёт фотохимических реакций, которые интенсивно проходят в солнечную погоду, образуются высокотоксичные вещества, загрязняющие воздух. Процесс образования фотохимического смога имеет автокаталитический характер, то есть инициирующие фотохимический смог вещества воспроизводятся в процессе свободнорадикальных реакций[3].

Основной инициирующей реакцией образования фотохимического смога является фотохимическое разложение диоксида азота:

NO2 + hv → NO + O●

Образующийся атомарный кислород может взаимодействовать со многими компонентами воздуха (молекулами кислорода, продуктами неполного окисления углеводородов и другими) с образованием разнообразных соединений. Химические реакции, отражающие схему образования фотохимического смога:

O● + O2 → O3;
О● + HC(+) → HCO(+) (радикал);
НСО(+) + O2 → НСО3(+) (радикал);
НСО3(+) + HC(+) → альдегиды, кетоны и другие углеводороды;
НСО3(+) + NO → НСО2(+) + NO3;
НСО3(+) + O2 → НСО2(+) + O3;
НСО(+) + NO2 → пероксиацилнитраты (ПАН)[4].

В результате приведённых фотохимических реакций образуются ряд токсичных веществ. Основным источником возникновения фотохимического смога, кроме физико-географических предпосылок, являются выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, которые содержат и диоксид азота, и продукты неполного окисления углеводородов.

Фотохимический смог над городом Алма-Ата (Казахстан)
Смог над мегаполисом (Корея)

Возможны и другие механизмы образования фотохимического смога, что приводит к образованию смогов разного типа, в частности, «белый смог», «чёрный смог» и тому подобное.

Как видно из уравнений реакций, основным продуктом фотохимического смога являются свободные радикалы и озон. Свободные радикалы характеризуются высокой реакционной способностью и вступают в реакцию с биологически активными молекулами (белками, ферментами, углеводами и другими) с образованием новых соединений, в том числе и токсинов. Вследствие таких преобразований нарушаются обменные процессы в живых организмах, подавляется активность ферментативных систем, замедляется и останавливается рост тканей и тому подобное. Это становится причиной преждевременного старения людей[5].

Виды смога

Смог над городом Ухань (провинция Хубэй, Китай)

Смог бывает нескольких типов[6]:

  • влажный смог,
  • сухой смог,
  • ледяной смог.

Наиболее изучен и известен влажный смог. Он свойственен для стран с морским климатом, где очень часты туманы и высокая относительная влажность воздуха. Это способствует смешиванию загрязняющих веществ и их взаимодействию в химических реакциях. При антициклонах над городами и промышленными центрами отравляющие газы и пыль могут накапливаться в 100—200-метровому слое воздуха. Тогда и возникает густой отравляющий грязно-жёлтый туман — влажный смог.

Видимость в городе при смоге (Варшава, Польша)

Сухой смог, или смог лос-анджелесского типа, отличается от влажного смога своими свойствами. Климат в Лос-Анджелесе (США) сухой, поэтому смог здесь образует не туман, а синеватую дымку. Для его возникновения необходим солнечный свет, который вызывает сложное фотохимическое превращение смеси углеводородов и оксидов азота, которые поступают в воздух от автомобильных выбросов, в вещества более токсичные, чем исходные атмосферные загрязнения. Одним из таких веществ является озон. Он выделяется в результате распада двуокиси азота под действием олефинов от неполностью сгоревшего автомобильного топлива[7].

Смог зимой над городом Кемерово (Россия)

Третий вид смога — ледяной смог, или смог аляскинского типа. Он возникает в Арктике и Субарктике при низких температурах в антициклоне. В этом случае выбросы даже небольшого количества загрязняющих веществ из любой топки приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристаллов льда и серной кислоты[8].

Негативное воздействие смога

Озон, образующийся в результате фотохимического смога (тропосферный!) является достаточно токсичным (ПДКм.р. = 0,01 мг/м3) и представляет определённую опасность. Максимальное содержание озона в образовавшемся воздухе вследствие фотохимических реакций, зафиксировано в Лондоне в 1975 году, его концентрация составляла 0,0018 об.%, тогда как обычное содержание этого газа в воздухе составляет 0,0002 — 0,0004 об.%. По рекомендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) допускается временное повышение концентрации озона в воздухе до 0,0006 об.%, потому что превышение этого предела опасно для здоровья. При взаимодействии с гемоглобином крови, озон образует неустойчивые озониды, а их самопроизвольный распад вызывает разрушение органической основы гемоглобина.

Фотохимический туман резко снижает видимость, сопровождается неприятным запахом, у людей возникает воспаление глаз, слизистых оболочек носа и горла, обостряются лёгочные заболевания. Фотохимический туман повреждает растения, вызывает коррозию металлов, растрескивание синтетических изделий[9].

Продуктами фотохимического смога являются альдегиды и кетоны, которые являются достаточно токсичными веществами, а систематическое их действие на организмы, в том числе и человека, вызывает токсикоманию с отдаленными последствиями, например, воспаление коры головного мозга и тому подобное. Пероксиацилнитраты, которые также являются продуктами фотохимических реакций, состоящих преимущественно из пероксиацетилнитратов и пероксибензоилнитратов. Эти вещества обладают канцерогенным действием и способны вызвать появление злокачественных опухолей[10].

Пекин, Китай. Слева: город после дождя; справа: смог, покрывающий город в солнечный день

Из предпосылок образования фотохимического смога ясно, что это явление присуще, преимущественно, крупным городам со значительным количеством транспорта и высотными сооружениями, которые препятствуют движению ветра. Образование фотохимического смога характерно для большинства крупных городов мира и даже зелёные насаждения этих городов не в состоянии поглотить значительные количества образующихся токсичных веществ. Это является одной из причин повышенной заболеваемости местных жителей и сокращение продолжительности их жизни. Продукты фотохимического смога вызывают раздражение слизистых оболочек и их заболевания, а воздействие их на сосудистую систему является крайне опасным[11].

Продолжительность смога — от одного до нескольких дней, но интенсивность загрязнения может быть настолько большой, что нередко вызывает жертвы среди населения. Так, при одном из наиболее значительных смогов 5—7 декабря 1952 года в Лондоне (Великобритания), когда концентрация сернистого газа резко возросла, достигнув 2—4 мг/м3, количество смертельных случаев увеличилось на 4 тыс. человек по сравнению со средним количеством смертей в городе.

Фотохимический смог негативно влияет и на растительный мир, хотя именно растения являются наиболее эффективным средством защиты от него в городах. Фотохимический смог осаждается на листьях растений в виде клейкой массы, механически препятствующей прохождению солнечного света к листьям. Это причина снижения интенсивности фотосинтеза у растений, что может стать причиной их деградации. Результаты действия фотохимического смога на деревья можно наблюдать осенью, когда на опавших листьях заметны тёмные пятна разных оттенков[12].

Мероприятия по защите от смога

Все методы по защите окружающей среды должны использоваться в комплексе как совокупность технических и организационных мероприятий, позволяющих минимизировать или полностью исключить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу. Все эти методы можно объединить в две группы:

  • пассивные методы — их использование не связано с непосредственным воздействием на источник загрязнения. Это традиционные методы очистки и утилизации. На данном этапе развития технологий применение этих методов — основное средство борьбы с загрязнением окружающей среды;
  • активные методы — усовершенствование имеющихся и разработка новых технологических процессов, оборудования, малоотходных и безотходных технологий с целью максимального снижения массы, концентрации загрязнений.

Важно также проводить и планировочные мероприятия, определяющие целесообразное размещение жилых массивов относительно источников выбросов в атмосферу в соответствии с санитарными нормами проектирования промышленных предприятий, производств, технологические процессы которых сопровождаются вредными выбросами (планирование и обустройство санитарно-защитных зон)[13].

Сегодня существуют два способа уменьшить или избежать выбросов в атмосферу газов, принимающих участие в образовании смога: предварительная обработка топлива для удаления из него вредных оксидов или с помощью улавливания в очистных устройствах уже образованных оксидов из отходящих газов. Однако огромные объёмы выхлопных и дымовых газов с высокой температурой и малой концентрацией усложняют применение каждого из этих способов. Уменьшение выбросов оксида азота можно достичь, например, улучшением процесса сжигания топлива: установлением каталитических сжигателей в автомобилях, каталитическим дожигом продуктов неполного окисления углеводородов[14].

Основными методами защиты окружающей среды и человека от фотохимического смога является уменьшение количества выбросов оксидов азота, продуктов неполного окисления углеводородов, что возможно изменением экологических параметров топлива для двигателей внутреннего сгорания, создания в городах благоприятных условий для рассеивания загрязнения — запрет сплошных застроек, увеличение ширины улиц, их озеленение и тому подобное[15].

Примечания

  1. ↑ Щепетова В. А. Химия окружающей среды: учеб. пособие. — Пенза: ПГУАС, 2013. — С. 94—101. — 136 с.
  2. ↑ Исмаилов Фазиль. Атмосферный аэрозоль. — Маврикий: LAP LAMBERT, 2019. — С. 72—75. — 288 с.
  3. ↑ Соколова С. А. Экологическая химия: Учебное пособие. — Воронеж: ФГОУ ВПО ВГАУ, 2008. — С. 14—16. — 162 с.
  4. ↑ Вернигорова В. Н. и др. Химия загрязняющих веществ и экология : монография. — М.: Издательство «Палеотип», 2005. — С. 143—150. — 240 с.
  5. ↑ Черных Н. А., Баева Ю. И. Краткий курс экологической химии. Учебник. — М.: Мир науки, 2020. — С. 11—16. — 258 с.
  6. ↑ Гришина Е. П. Основы химии окружающей среды : учеб пособие. В 3 ч. Ч. 1. Химические процессы в атмосфере. — Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2006. — С. 35—38. — 68 с.
  7. ↑ Хабутдинов Ю. Г. , Шанталинский К. М., Николаев А. А. Учение об атмосфере. Учебное пособие. — Казань: КГУ, 2010. — С. 131—132. — 257 с.
  8. ↑ Братков В. В., Воронин А. П. Метеорология и климатология: Учебное пособие. — М.: Изд-во МИИГАиК, 2015. — С. 71—74. — 209 с.
  9. ↑ Морозов А. Е., Стародубцева Н. И. Метеорологические условия и загрязнение атмосферы : учебное пособие. — Екатеринбург: УГЛТУ, 2020. — С. 40—46. — 128 с.
  10. ↑ Игнатьева Л. П., Чирцова М. В., Потапова М. О. Гигиена атмосферного воздуха : учебное пособие. — Иркутск: ИГМУ, 2015. — С. 34—42. — 79 с.
  11. ↑ Макоско А. А., Матешева А. В. Загрязнение атмосферы и качество жизни населения в XXI веке: угрозы и перспективы. — М.: Российская академия наук, 2020. — С. 75—87. — 258 с.
  12. ↑ Устойчивость растений к химическому загрязнению. Учебное пособие / сост. Р. В. Кайгородов. — Пермь: Перм. гос. ун-т, 2010. — С. 89—99. — 151 с.
  13. ↑ Комарова Л. Ф., Кормина Л. А. Инженерные методы защиты окружающей среды. Техника защиты атмосферы и гидросферы от промышленных загрязнений. — Барнаул: Изд-во «Алтай», 2000. — С. 26—29. — 395 с.
  14. ↑ Руководящий документ по технологиям регулирования выбросов серы, NOx, летучих органических соединений, пыли из стационарных источников / сост. 45-я сессия Рабочей группы по стратегиям и обзору. — Швейцария: ЭГТЭВ, 2009. — С. 15—21. — 250 с.
  15. ↑ Бердникова Л. Н. Ноксология: курс лекций. — Красноярск, 2019. — С. 182—193. — 321 с.
Источник — https://znanierussia.ru/articles/index.php?title=Смог&oldid=1096291