Городской смог

Атмосфера городов подвержена наибольшему загрязнению. В ней присутствуют вещества, непосредственно выброшенные из источников загрязнения (первичные загрязнители), и продукты их химических преобразований (вторичные загрязнители).

Загрязнение воздуха городов происходит в основном в результате протекания процессов горения. Топливо состоит из углеводородов (условно обозначим как СН), и обычный процесс его горения может быть представлен уравнением:

4СН + 5О₂ = 4СО₂ + 2Н₂О

При недостатке кислорода из горящего топлива образуется значительное количество ядовитого газа - монооксида углерода:

4СН + 3О₂ = 4СО + 2Н₂О

Если кислорода еще меньше, то при горении образуется углерод в виде сажи:

4СН + О₂ = 4С + 2Н₂О

При низких температурах и при небольшом содержании О₂ реакции пиролиза (разрушения в результате нагревания) топлива могут привести к образованию полициклических ароматических углеводородов, например, печально известного канцерогена — бенз(а)пирена. Горение ископаемого топлива, содержащего соедине­ния серы, приводит к загрязнению атмосферного воздуха сернистым газом.

Смог (от англ. smоке — дым, fog — густой туман) — видимое загряз­нение воздуха любого характера. Смог возникает при длительном существовании антициклональных условий погоды, когда загрязняющие вещества в относительно больших концентрациях скапливаются в приземном слое атмосферы. Выделяют три типа смога: влажный (лондонского типа), сухой, или фотохимический, (лос-анджелеского типа) и ледяной (аляскинского типа).

В наше время смог лондонского типа можно наблюдать в столице Турции Анкаре, где воздух зимой, видимо, самый грязный в мире. Анкара с трех сторон окружена горами и с раннего утра в это время года покрыта «одеялом» из густого черного дыма, смешанного с туманом. Основным источником смога в Анкаре является дым отопительных печей, которыми пользуются жильцы многоквартирных частных домов.

В смоге лондонского типа помимо SO₂, Н₂SO₃, Н₂SO₄ и сажи может присутствовать ряд других загрязняющих веществ, содержащихся, например, в выхлопных газах автотранспорта — это СО, NО_х, углеводороды и др.

Выхлопные газы автотранспорта, содержащие оксиды азота, могут стать причиной образования второго вида смога — смога лос-анджелеского типа, отрицательное действие которого на окружающую среду обусловлено, главным образом, вторичным загрязнением. На каждом километре пути легковой автомобиль выделяет в среднем 10 г NО. В Лос-Анджелесе еще в 1970-е гг. было более 4 млн автомобилей и в воздух ежесуточно поступало около 1000 т NО. Явно выраженный фотохимический смог наблюдается в этом городе более 70 дней в году

Для этого типа смога характерно протекание фотохимических реакций между продуктами автомобильных выхлопов на солнечном свету, поэтому его часто называют фотохимическим смогом. Многие вещества, образующиеся в результате протекания фотохимических реакций, являются более токсичными, чем первичные загрязняющие вещества.

Особенностями фотохимического смога являются следующие:

1. Процесс образования смога имеет место днем в сухую ясную солнечную погоду, достигая максимума после полудня.

2. Оказываемое смогом действие на окружающую среду — окислительное (кор­розия металла, растрескивание резины и т.п.).

3. Отрицательное биологическое действие: сильное раздражение слизистых оболочек дыхательных путей и глаз у людей и животных, увядание растительности в воздушном бассейне.

4. Ухудшение видимости за счет образования голубоватой дымки или белесого тумана.

В качестве одного из главных вторичных загрязнителей атмосферы при фотохимическом смоге выступает озон. Его образование связано с одновременным присутствием в воздухе значительных количеств оксидов азота и органических веществ. Реакции превращения оксидов азота, обуславливающие образование О₃ следующие:

NO_х + hν = NО + O, λ < 310 (нм)

О₂ + О + М = О₃ + М*

О₃ + NO = NО₂ + О₂

Органические вещества, присутствующие в выхлопных газах автотранспорта, играют при этом роль своеобразных катализаторов этих превращений. Кроме того, озон может вступать в реакции с олефинами, образуя другие вредные вещества — альдегиды, напри­мер, формальдегид СН₂О. В фотохимическом смоге присутствует также СО — продукт неполного сгорания автомобильного топлива.

Фотохимические реакции, протекающие при одновременном при­сутствии в воздухе оксидов азота и органических веществ, приводят также к образованию высокотоксичных соединений с общей формулой R-СО-OO-NО₂ (пероксиацилнитраты). Первый член гомологического ряда пероксиацетилнитрат СН₃СО-OO-NО₂ часто сокращенно называют ПАН. В случае присутствия в воздухе ароматических углеводородов возможно образование ароматических производных, например, пероксибензоилнитрата С₆Н₅СО-OO-NО₂ являющегося сильным слезоточивым газом.

Реакции О₃ с олефинами могут быть рассмотрены на примере его взаимодействия с пропеном с образованием этаналя:

СН₃СНСН₂ + О₃ = СН₃СНО + НСО + ОН

Образующиеся в результате взаимодействия олефинов с озоном, а также содержащиеся в выхлопных газах альдегиды далее реагируют с озоном и диоксидом азота с образованием ПАН:

СН₃СНО + О₃ + NO₂ = CH₃C(O)OONO₂ + H₂O

ПАН легко вступает в химические реакции с различными органическими веществами, например, с ферментами, и поэтому чрезвычайно токсичен для живых организмов.

Из вторичных загрязняющих веществ, образующихся при фотохимическом смоге, наибольшее количество составляет озон. Скорость образования озона зависит от освещенности и содержания оксидов азота в воздухе, и поэтому изменяется как в течение суток, так и в течение года.

Сравнительная характеристика типичных случаев первичного и вторичного загрязнения воздуха дана в табл. 13.

Таблица 13

Сравнение смогов Лос-Анджелеса и Лондона (Андруз, 1999)

Ледяной смог возникает при очень низких температурах и антициклональной погоде. Выбросы в атмосферу даже небольшого количества загрязняющих веществ в этом случае приводят к возникновению густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и загрязняющих веществ.