ФОТОХИМИЧЕСКИЙ СМОГ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРИЧИНЫ И ПОСЛЕДСТВИЯ - ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА - 2025

Фотохимического смога представляет собой плотный туман образуется в результате химических реакций газов из двигателей внутреннего сгорания автомобилей. Эти реакции опосредуются солнечным светом и происходят в тропосфере, слое атмосферы, которое простирается от 0 до 10 км над землей.

Слово smog происходит от сокращения двух слов в английском языке: «fog», что означает туман или туман, и «smoke», что означает дым. Его начали использовать в 1950-х годах для обозначения тумана, покрывавшего Лондон.

Рисунок 1. Фотохимический смог в Солт-Лейк-Сити, США. Источник: Eltiempo10, Wikimedia Commons

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

Эта дымка очень распространена в больших городах из-за высокой концентрации автомобилей и более интенсивного автомобильного движения, но 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, вызывающих 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 (O ₂ ), который она 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), монооксид углерода (CO), диоксид углерода (CO ₂ ) и летучие органические соединения (VOC).

Эти соединения называются первичными загрязнителями, поскольку посредством химических реакций, опосредованных светом (фотохимические реакции), они производят ряд продуктов, называемых вторичными загрязнителями.

По сути, наиболее важными вторичными загрязнителями являются диоксид азота (NO ₂ ) и озон (O ₃ ), которые в наибольшей степени влияют на образование смога.

Образование озона в тропосфере

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

N ₂ (g) + O ₂ (g) → 2NO (g), где (g) означает в газообразном состоянии.

Оксид азота после попадания в атмосферу окисляется до диоксида азота (NO ₂ ):

2НО (г) + O ₂ (г) → 2НО ₂ (г)

NO ₂ подвергается фотохимическому разложению под действием солнечного света:

NO ₂ (г) + hγ (свет) → NO (г) + O (г)

Кислород O в атомарной форме является чрезвычайно реактивным веществом, которое может инициировать многие реакции, такие как образование озона (O ₃ ):

O (г) + O ₂ (г) → O ₃ (г)

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.

Рисунок 2. Смог в Нью-Йорке. Источник: Wikipedia Commons

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 веществом, которое также вызывает затруднение дыхания.

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 прочего.

Эти летучие органические соединения также подвергаются сложным фотохимическим реакциям, которые являются источником озона, азотной кислоты (HNO ₃ ) и частично окисленных органических соединений.

ЛОС + NO + O ₂ + Солнечный свет → Сложная смесь: HNO _3, O ₃ 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

Образующиеся при сжигании частицы сажи или углерода, серный ангидрид (SO ₂ ) и вторичный загрязнитель - серная кислота (H ₂ SO ₄ ) - также участвуют в образовании смога.

Озон в тропосфере вступает в реакцию с двойными связями C = C в тканях легких, растений и животных, 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, укороченного дыхания, боли в груди, ринита, раздражения глаз, дисфункции легких, снижения устойчивости к 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 В мегаполисах пиковые эпизоды фотохимического смога вызывают тревогу и вызывают особые меры по ограничению циркуляции.

Некоторые исследователи сообщили, что загрязнение, вызванное диоксидом серы (SO ₂ ) и сульфатами, вызывает снижение устойчивости к заболеванию раком груди и толстой кишки у населения, населяющего 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.

Ссылки

1. Ашраф А., Батт А., Халид И., Алам, РУ и Ахмад С.Р. (2018). Анализ смога и его влияние на зарегистрированные заболевания глазной поверхности: тематическое исследование смога в Лахоре в 2016 году. Атмосферная среда. DOI: 10.1016 / j.atmosenv.2018.10.029
2. Банг, HQ, Нгуен, HD, Ву, К. и др. (2018). Моделирование фотохимического смога с использованием модели химического переноса загрязнения воздуха (TAPM-CTM) в Хошимине, Вьетнам. Экологическое моделирование и оценка. 1: 1-16. doi.org/10.1007/s10666-018-9613-7
3. Дикерсон, Р.Р., Кондрагунта, С., Стенчиков, Г., Чивероло, К.Л., Доддридж, Б.Г. и Холбен, Б.Н. (1997). Воздействие аэрозолей на солнечное ультрафиолетовое излучение и фотохимический смог. Наука. 278 (5339): 827-830. DOI: 10.1126 / science.278.5339.827
4. Халлквист, М., Мунте, Дж., Тао, М. Х., Чак, В., Чан, К., Гао, Дж. И др. (2016) Фотохимический смог в Китае: научные проблемы и последствия для политики в области качества воздуха. Национальное научное обозрение. 3 (4): 401–403. Doi: 10.1093 / nsr / nww080
5. Сюэ, Л., Гу, Р., Ван, Т., Ван, X., Сондерс, С., Блейк, Д., Луи, РПК, Лук, CWY, Симпсон, И., Сюй, З., Ван, З., Гао, Ю., Ли, С., Меллуки, А., и Ван, В.: Окислительная способность и радикальная химия в загрязненной атмосфере Гонконга и региона дельты Чжуцзян: анализ эпизода сильного фотохимического смога, Атмос. Chem. Phys., 16, 9891-9903, https://doi.org/10.5194/acp-16-9891-2016, 2016.