Смог и фотохимический туман кратко

Обновлено: 05.07.2024

В фотохимический смог Это густой туман, который образуется в результате химических реакций газов, выбрасываемых автомобильными двигателями внутреннего сгорания. Эти реакции опосредуются солнечным светом и происходят в тропосфере, слое атмосферы, которое простирается от 0 до 10 км над землей.

Смог проявляется в виде желтовато-коричневато-сероватой дымки, создаваемой небольшими каплями воды, рассеянными в атмосфере, которые содержат химические вещества реакций, происходящих между загрязнителями воздуха.

Эта дымка очень распространена в больших городах из-за высокой концентрации автомобилей и более интенсивного автомобильного движения, но она также распространилась на нетронутые районы, такие как Гранд-Каньон в штате Аризона, США.

Очень часто смог имеет характерный неприятный запах из-за присутствия некоторых типичных газообразных химических компонентов. Промежуточные продукты и конечные соединения реакций, образующих смог, серьезно влияют на здоровье человека, животных, растений и некоторых материалов.

характеристики

Некоторые реакции, происходящие в тропосфере

Одной из отличительных черт атмосферы планеты Земля является ее окислительная способность из-за большого относительного количества двухатомного молекулярного кислорода (O₂), который он содержит (примерно 21% от его состава).

В конечном итоге практически все газы, выбрасываемые в атмосферу, полностью окисляются в воздухе, и конечные продукты этого окисления осаждаются на поверхности Земли. Эти процессы окисления имеют жизненно важное значение для очистки и обеззараживания воздуха.

Механизмы химических реакций, происходящих между загрязнителями воздуха, очень сложны. Ниже приводится их упрощенное изложение:

Первичные и вторичные загрязнители воздуха

Газы, выделяемые при сгорании ископаемого топлива в автомобильных двигателях, в основном содержат оксид азота (NO), оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO).₂) и летучие органические соединения (ЛОС).

Эти соединения называются первичными загрязнителями, так как в результате химических реакций, опосредованных светом (фотохимические реакции), они производят ряд продуктов, называемых вторичными загрязнителями.

В основном, наиболее важными вторичными загрязнителями являются диоксид азота (NO₂) и озон (O₃), которые являются газами, которые больше всего влияют на образование смога.

Образование озона в тропосфере

Оксид азота (NO) образуется в автомобильных двигателях в результате реакции между кислородом и азотом в воздухе при высоких температурах:

N₂ (г) + O₂ (г) → 2NO (г), где (г) означает в газообразном состоянии.

Оксид азота после попадания в атмосферу окисляется до диоксида азота (NO₂):

Он не₂ подвергается фотохимическому разложению под действием солнечного света:

Нет₂ (ж) + hγ (свет) → NO (г) + O (г)

Кислород O в атомарной форме является чрезвычайно реактивным веществом, которое может инициировать многие реакции, такие как образование озона (O₃):

Озон в стратосфере (слой атмосферы на высоте от 10 км до 50 км над поверхностью Земли) работает как защитный компонент жизни на Земле, поскольку он поглощает высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение, исходящее от Солнца; но в земной тропосфере озон оказывает очень разрушительное воздействие.

Причины фотохимического смога

Другими путями образования озона в тропосфере являются сложные реакции с участием оксидов азота, углеводородов и кислорода.

Одним из химических соединений, образующихся в этих реакциях, является пероксиацетилнитрат (ПАН), который является мощным слезоточивым агентом, который также вызывает одышку.

Летучие органические соединения поступают не только из углеводородов, которые не сжигаются в двигателях внутреннего сгорания, но и из различных источников, таких как испарение растворителей и топлива, среди других.

Эти летучие органические соединения также подвергаются сложным фотохимическим реакциям, которые являются источником озона, азотной кислоты (HNO₃) и частично окисленные органические соединения.

ЛОС + NO + O₂ + Солнечный свет → Сложная смесь: HNO_3, ИЛИ₃ и различные органические соединения

Все эти органические соединения, продукты окисления (спирты и карбоновые кислоты) также являются летучими, и их пары могут конденсироваться в крошечные жидкие капли, которые распространяются в воздухе в виде аэрозолей, которые рассеивают солнечный свет, уменьшая видимость. Таким образом, в тропосфере создается своего рода вуаль или туман.

Последствия смога

Частицы сажи или углеродный продукт сгорания, серный ангидрид (SO₂) и вторичный загрязнитель - серная кислота (H₂ЮЗ₄) -, также участвуют в образовании смога.

Озон в тропосфере реагирует с двойными связями C = C в тканях легких, растительных и животных тканях, вызывая серьезные повреждения. Кроме того, озон может повредить такие материалы, как автомобильные шины, вызывая растрескивание по тем же причинам.

Фотохимический смог является причиной серьезных респираторных заболеваний, приступов кашля, раздражения носа и горла, более короткого дыхания, боли в груди, ринита, раздражения глаз, дисфункции легких, снижения сопротивляемости респираторным инфекционным заболеваниям, преждевременного старения легочные ткани, тяжелый бронхит, сердечная недостаточность и смерть.

В таких городах, как Нью-Йорк, Лондон, Мехико, Атланта, Детройт, Солт-Лейк-Сити, Варшава, Прага, Штутгарт, Пекин, Шанхай, Сеул, Бангкок, Бомбей, Калькутта, Дели, Джакарта, Каир, Манила, Карачи, назывались мегаполисы, эпизоды критического пика фотохимического смога вызвали тревогу и стали причиной принятия специальных мер по ограничению циркуляции.

Некоторые исследователи сообщают, что загрязнение, вызванное диоксидом серы (SO₂) и сульфаты вызывают снижение устойчивости к заболеванию раком груди и толстой кишки у популяций, населяющих северные широты.

Предлагаемый механизм для объяснения этих фактов заключается в том, что смог, рассеивая падающий солнечный свет на тропосфере, вызывает уменьшение доступного ультрафиолетового излучения типа B (УФ-B), которое необходимо для биохимического синтеза витамина D. Витамин D действует как защитное средство против обоих типов рака.

Таким образом, мы видим, что избыток высокоэнергетического ультрафиолетового излучения очень вреден для здоровья, но также и недостаток УФ-B-излучения имеет вредные последствия.

Смог — это феномен, вызванный загрязнением воздуха. Он наблюдается в густонаселенных местностях при сильном превышении предельно допустимой концентрации вредных веществ, рассеиванию которых препятствуют определенные метеорологические условия. Видимость снижается, ухудшается качество жизни. Что такое смог, известно жителям многих больших городов.

История возникновения термина

Английский термин smog, образованный путем сложения слов smoke (рус. “дым”) и fog (рус. “туман”), появился в Лондоне в начале XX века. Впервые его применил доктор Генри Антуан де Во, когда описывал густой туман, смешанный с дымом, который часто опускался на британскую столицу.

Причиной возникновения смога было использование серосодержащего ископаемого топлива, в первую очередь каменного угля.

Типы смога

В зависимости от источника загрязняющих веществ различают разные виды смога. Основные — это серный, фотохимический, вулканический.

Влажный серный

Смесь сажи, диоксида серы (SO2), мелкодисперсной пыли и тумана при неблагоприятных погодных условиях может долго “висеть” над городом и наносит вред здоровью. Из диоксида серы и воды образуются вторичные вредные вещества, такие как сернистая и серная кислоты (H2SO3, H2SO4).

Этот городской смог называют влажным серным, зимним или лондонским. Частая его причина — сжигание угля.

Фотохимический сухой

Более распространённый тип смога — фотосмог, известный еще как летний, озоновый или лос-анджелесский. Он возникает в теплые месяцы года, когда под воздействием ультрафиолетового света происходит фотохимическая реакция оксидов азота, пероксида водорода, монооксида углерода и
летучих органических соединений. В результате в воздухе повышается концентрации фотооксидантов: озона, пероксиацетилнитрата, альдегидов, азотной кислоты.

Вулканический

Газы, выбрасываемые вулканами, — важный источник вредных веществ в атмосфере. Основные — это диоксиды углерода и серы. Из магмы высвобождается много благородных газов, таких как радон. Двуокись серы у поверхности земли соединяется с водяным паром, образуя кислый туман — вулканический смог.

Ледяной

Наблюдается в городах, где бывают сильные морозы (больше 30 градусов). В нижнем слое атмосферы скапливаются, образуя туман, микроскопические кристаллы льда с частичками и молекулами загрязняющих веществ.

Условия образования

Смог часто возникает, когда теплый воздух оказывается выше холодного. Вредные вещества в таком случае не рассеиваются.

В основном он наблюдается в безветренную погоду или при слабом ветре. Роль играют интенсивное солнечное излучение и неблагоприятное расположение населенного пункта, например в долине или котловине.

Основные причины появления

Чаще всего причиной появления смога становится человеческая деятельность, реже его возникновение связано с природными явлениями.

Деятельность человека

Источники загрязняющих веществ:

угольные теплоэлектростанции,
дома с дровяным или угольным отоплением,
транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания,
промышленные предприятия,
сельское хозяйство,
мусороперерабатывающие предприятия.

Пример антропогенной причины -выбросы от транспорта

Природные явления

Среди природных явлений, которые приводят к появлению смога, вулканическая активность и горение лесов. Повышению содержания опасных веществ способствуют песчаные бури.

Города, подверженные смогу

Смог — проблема многих крупных городов. Но некоторые страдают от него особенно сильно. Химический состав грязного воздуха разный в разных населенных пунктах.

Горение лесов – масштабная причина образования смога

В мире

Первое место с большим отрывом занимает иранский город Ахваз, где воздух загрязняют предприятия тяжелой промышленности, которые перерабатывают нефть, природный газ, металл. За ним следуют:

Улан-Батор (Монголия),
Лахор (Пакистан),
Нью-Дели (Индия),
Эр-Рияд (Саудовская Аравия),
Каир (Египет),
Дакка (Бангладеш),
Мехико (Мексика),
Пекин (Китай).

В Дакке от смога ежегодно умирает 15 000 человек. Deutsche Welle включила также в этот список Москву, для которой характерна высокая концентрация углеводородов. Однако, согласно российской статистике, она не входит в десяток самых грязных городов страны.

В России

Среди российских городов особенно грязными и подверженными смогу считаются:

Красноярск,
Магнитогорск,
Норильск,
Липецк,
Череповец,
Новокузнецк,
Нижний Тагил,
Омск,
Челябинск.

Возможные последствия

Поскольку феномен возникает в результате смешивания разных опасных веществ, он оказывает разностороннее негативное влияние на здоровье живых существ и окружающую среду. Какое именно, зависит от химического состава.

Воздействие на человека

Смог крайне опасен для человека, на что постоянно обращают внимание ученые. Это одна из главных причин преждевременной смерти.

головные боли и тошнота;
нарушение сна;
снижение физической работоспособности;
болезни органов дыхания (например, астма, бронхит);
сердечно-сосудистые заболевания (вплоть до инфаркта или инсульта);
онкологические заболевания.

При сильном загрязнении воздуха возникает риск удушья. Разъясняя, чем для человека опасен смог, ученые советуют воздержаться от занятий спортом на улице и других видов физической активности.

Влияние на растения

Присутствующие в воздухе вредные вещества вызывают у растений стресс, ослабляют их. Под их воздействием происходят:

снижение фотосинтезирующей способности;
разрушение воскового слоя на поверхности листьев;
нарушение усвоения питательных веществ и воды;
снижение устойчивости к болезням и вредителям.

Кислоты и азот, которые накапливаются в почве в чрезмерном количестве, нарушают естественный биобаланс. Почвы окисляются, из них вымываются жизненно важные вещества и попадают во время дождя в грунтовые воды. Одновременно высвобождаются ранее связанные тяжелые металлы и алюминий, наносящие вред корням.

Плохо растут сельскохозяйственные культуры. Сильное загрязнение воздуха приводит к снижению урожайности на 5-15%. И это еще одна опасность для человека, чья деятельность в основном и является причиной смога.

Загрязнение атмосферы

Меняется естественный состав воздуха. Он становится малопригоден или непригоден для живых организмов.

Другие последствия

Загрязняющие вещества оказывают вредное воздействие не только на живые организмы:

выпадают на землю в виде кислотных дождей, вызывая окисление почв и водоемов, в том числе высоко в горах;
разрушают конструкционные и строительные материалы: камень, стекло, сталь, бронзу, железо. Страдают современные сооружения и памятники культурного наследия;
снижают производительность гелиоустановок, вследствие чего сильно уменьшается количество вырабатываемой энергии.

Меры борьбы со смогом

Для борьбы со смогом на международном и государственном уровне принимается ряд мер, направленных на снижение содержания в воздухе токсичных веществ, которые ветер разносит на далекие расстояния. К ним относятся:

Пару десятилетий назад о городском смоге практически никто не слышал, термин упоминался в научных кругах. Сегодня загрязнение атмосферы над населенными пунктами – серьезная мировая проблема. Смог – туман, образованный не каплями воды, а летучими вредными веществами. Если в городе появился химический туман, говорят о значительном ухудшении экологической обстановки.

Что такое смог и как он образуется?

Смог – это избыточное накопление в воздухе при определенной погоде вредных химических соединений, выделяемых в результате промышленного производства, сгорания транспортного топлива, работы станций, производящих тепло. Следует отличать понятие от мглы – снижения прозрачности воздуха из-за пылевых, дымовых, снеговых частиц.

Причинами возникновения вредного городского тумана являются следующие факторы:

выхлопы автомобильного транспорта;
выбросы действующих предприятий, тепловых станций;
природные и техногенные пожары;
горение топлива;
сигаретный дым;
летучие вещества, выделяемые бытовыми и промышленными химикатами.

Механизм образования смога заключается во взаимодействии солнечного излучения, тепла, присутствующих в атмосфере вредных частиц. Должны установиться погодные условия, способствующие образованию химического тумана.

Явление наблюдается над населенным пунктом, насыщенным транспортом и промышленными предприятиями, при высокой температуре воздуха, солнечной погоде, отсутствии ветра. Когда нет активного переноса воздушных масс, взвесь вредных частиц застаивается. Застой случается и из-за температурной инверсии, когда теплая воздушная масса, насыщенная химическими веществами, держится у земной поверхности, не может сдвинуться, сдерживаемая наседающим сверху холодным воздухом.

Виды смога

Существуют 2 типа смога:

природный, вызванный природными катаклизмами (вулканическим извержением, лесным пожаром);
техногенный, спровоцированный человеческой деятельностью.

Они делятся на 4 разновидности:

Влажный смог, называемый серным. Возникает при повышении концентрации серных оксидов в воздухе из-за серосодержащих выбросов от сгорания топлива. Содержание токсичных частиц опасно высокое, над городом висит плотный, практически непроницаемый туман. Заметный случай, по которому можно сделать характеристику описываемого вида тумана, зафиксирован в Лондоне в 1952 году. Жители столицы Британии активно использовали уголь для отопления жилища, в городе работали угольные электростанции. Возникший смог оказался необычайно плотным, автомобили не могли двигаться, туманная завеса проникала через оконные щели в дома. Отравившись токсичным воздухом, погибли 12 тысяч жителей, у более 100 тысяч диагностировали серьезные респираторные заболевания.
Фотохимический смог, называемый сухим. Сегодня наиболее распространен. Представляет собой аэрозоль коричневатого оттенка.Смог над городом образуется в результате смешения в воздухе следующих вредных веществ:

азотных оксидов, образующихся при работе ТЭЦ и предприятий тяжелой промышленности, испускании автомобилями выхлопных газов;
озона, в стратосферном слое являющегося полезным веществом, защищающим от ультрафиолета, а в нижнем атмосферном слое относящегося к вредным для здоровья человека загрязнителям;
взвесей РМ2.5, состоящих их пылевых, зольных, прочих мельчайших твердых частиц, крайне негативно влияющих на сердце, кровеносные сосуды, органы дыхания, вызывающих легочные онкологические патологии;
летучих органических веществ (к ним относятся испарения бензина, растворителей, лакокрасочных материалов, других бытовых и промышленных химикатов).

Вулканический смог появляется вследствие извержения вулкана.Вредные летучие соединения, вырываясь из жерла, контактируют с солнечным излучением и воздухом, распространяются на значительные расстояния. Повисая над населенным пунктом, приносят существенный вред живым организмам. Явление характерно для стран, на территории которых находятся вулканы.
Ледяной смог – природный тип, наблюдающийся редко при определенных погодных условиях: отрицательной температуре и высокой влажности воздуха, отсутствии ветра. При указанной погоде воздух насыщается мельчайшими ледяными кристалликами, на которые налипают вредные частицы. Загрязненные кристаллики образуют плотный туман, вредный для дыхательной и кровеносной системы человека.

Чем опасен смог?

Фотохимический туман – явление опасное для человеческого здоровья. Наиболее сильное негативное воздействие оказывается на слабый организм стариков и детей. Возникает раздражение слизистых покровов органов дыхания и зрения, человек страдает от кашля, воспаления и боли в дыхательной системе.

Крайне опасно загрязнение воздуха для людей, больных астмой, хроническими легочными и сердечными заболеваниями. У них возникают серьезные проблемы с дыхательной функцией. Астматический приступ, спровоцированный проникновением в легкие токсичных веществ, без своевременной медицинской помощи становится причиной летального исхода.

Для защиты от смога используются кондиционеры, сплит-установки. При сильном загрязнении окна и двери закрываются влажной тканью, дыхательные пути защищаются влажной марлевой повязкой.

Тяжелые последствия смога касаются флоры и фауны. Сельскохозяйственные и дикие животные серьезно заболевают. Токсичный туман, длительно держащийся на территории, способен уничтожить культурные растения в садах, на сельскохозяйственных угодьях, отравить деревья до пожелтения и опадания листвы.

Наиболее показателен пример последствий токсичного воздействия на растительность в промышленном городе Карабаш в Челябинской области. В результате деятельности медеплавильного завода нанесен огромнейший ущерб окружающей среде. Из-за заводских выбросов дымный смог над населенным пунктом висит постоянно, вода в протекающей через город реке рыжего цвета, городские окрестности полностью лишены растительного покрова.

Борьба со смогом

Естественный борец со смогом – ветер. При движении воздушных масс токсичные вещества уносятся за пределы города, рассеиваются в пространстве. Но если долго стоит безветренная погода, то смог постепенно становится плотнее, видимость на улицах падает до критической отметки, становится невозможным движение транспорта.

Население, проживающее в крупном промышленном городе, может сделать многое для снижения вероятности появления смога:

меньше пользоваться автомобильным транспортом (ходить пешком или передвигаться на велосипеде);
приобрести электрические бытовые приборы вместо газовых;
не покупать лакокрасочные материалы, растворители, бытовые химикаты с высокой концентрацией летучих органических веществ;
заправлять автомобиль в прохладный период суток (утром и вечером), чтобы предотвратить испарение нагретых частиц топлива, провоцирующих образование озона в нижнем слое атмосферы.

Образование фотохимического смога – серьезная экологическая проблема, решаемая во многих странах на государственном уровне. Создаются и законодательно закрепляются программы, направленные на мониторинг и сокращение выбросов, провоцирующих появление ядовитого тумана. Промышленные предприятия получают ограничение или запрет на выбросы конкретных химических соединений. В развитых странах значимым путем решения проблемы выбран переход на использование электрического транспорта.

Борьба со смогом непроста, требует усилий и финансовых вложений. Чтобы на предприятиях исключить или снизить объем вредных выбросов, нужно провести обширную модернизацию оборудования, установить современные фильтрационные системы, ввести новые технологии производства. Не всем государствам модернизация по карману, поэтому смог остается актуальной проблемой.

Озон, образуемый близко у поверхности Земли, называют вредным. Он возникает во время грозы, при ударе молнии, работе рентгеновского оборудования, его запах можно ощутить возле работающего копировального оборудования. В загрязненном оксидами озона воздухе под действием солнечных лучей образуется озон, способствующий образованию опасного явления, называемого фотохимическим смогом.

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.

Фотохимический смог возникает в результате фотохимических реакций при определенных условиях: наличии в атмосфере высокой концентрации оксидов азота, углеводородов и других загрязнителей, интенсивной солнечной радиации и безветрия или очень слабого обмена воздуха в приземном слое при мощной и в течение не менее суток повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, необходима для создания высокой концентрации реагирующих веществ.

Такие условия создаются чаще в июне-сентябре и реже зимой. При продолжительной ясной погоде солнечная радиация вызывает расщепление молекул диоксида азота с образованием оксида азота и атомарного кислорода. Атомарный кислород с молекулярным кислородом дают озон. Казалось бы, последний, окисляя оксид азота, должен снова превращаться в молекулярный кислород, а оксид азота - в диоксид. Но этого не происходит. Оксид азота вступает в реакции с олефинами выхлопных газов, которые при этом расщепляются по двойной связи и образуют осколки молекул и избыток озона. В результате продолжающейся диссоциации новые массы диоксида азота расщепляются и дают дополнительные количества озона.

Возникает циклическая реакция, в итоге которой в атмосфере постепенно накапливается озон. Этот процесс в ночное время прекращается. В свою очередь озон вступает в реакцию олефинами. В атмосфере концентрируются различные перекиси, которые в сумме и образуют характерные для фотохимического тумана оксиданты. Последние являются источником так называемых свободных радикалов, отличающихся особой реакционной способностью.

Такие смоги - нередкое явление над Лондоном, Парижем, Лос-Анджелесом, Нью-Йорком и другими городами Европы и Америки. По своему физиологическому воздействию на организм человека они крайне опасны для дыхательной и кровеносной системы и часто бывают причиной преждевременной смерти городских жителей с ослабленным здоровьем.

Читайте также: