Смог и его влияние на окружающую среду

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+RHR+RO



   O

    ||

O3+R1-CH=CH-R2R1-COH+R2+HCO

R+O2R-O-O

                      

 R-O-O+NO2 CH3 – C – O – O – NO2



   O

    ||

                                                   

                                         

                         C6H5 – 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. 4, видно, что максимум концентрации альдегидов и озона приходится сразу же после максимума концентрации углеводородов и NO2 (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:

смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ наблюдается вскоре после полудня; 

химически он действует как окислитель и вызывает растрескивание резины; 

смог наблюдается в виде беловатого тумана, однако ухудшение видимости – наименее серьезный эффект по сравнению с другими; 

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 N2O (10÷50×106 т/год). В атмосфере N2O 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.