Городская атмосфера и смог

В городской среде присутствуют загрязнения, непосредственно выброшенные в атмосферу, – так называемые первичные загрязнения (например, дым, SO₂). Многие из них в атмосфере вступают в химические реакции и дают продукты взаимодействия, называемые вторичными загрязнениями. Это различие лежит в основе классификации типов загрязнения воздуха больших городов.

С

условное топливо

мог Лондонского типа – первичное загрязнение воздуха. Классические случаи загрязнения воздуха в Лондоне имели место зимой в условиях сырости и тумана, когда использование топлива было максимальным, а воздух – практически неподвижным. Одновременное присутствие дыма (англ. smoke) и тумана (англ. fog) привело к возникновению слова смог: smog = sm[oke] + [fo]g. Вообще в настоящее время слово «смог» используется для описания загрязнения воздуха. Загрязнение воздуха идет в основном за счет сжигания топлива. Обычный процесс горения 4«CH» + 5O₂ 4CO₂ + 2H₂O

не дает токсичных газов, но ситуация резко меняется, когда горение идет в недостатке кислорода:

4 «CH» + 3O₂ 4 CO + 2 H₂O;

4

сажа

«CH» + O₂ 4C + 2H₂O.

В этом случае образуется ядовитый газ CO и сажа – канцерогенное вещество. Кроме того, при низкой температуре горения и недостатке кислорода возможен процесс пиролиза топлива с образованием полициклических ароматических углеводородов – все они канцерогенные вещества. Загрязнение воздуха вызывают еще и вещества, входящие в состав топлива в виде примесей. Наиболее часто и в большом количестве встречается пирит FeS₂.

Фотохимический смог – вторичное загрязнение атмосферы. 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. Такой 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 повышенной инверсии. Устойчивая безветренная погода, обычно сопровождающаяся инверсиями, – основное условие создания высокой концентрации реагирующих веществ. Такие условия создаются чаще всего в июне-сентябре и реже зимой.

Среди особенностей фотохимического смога можно выделить следующие:

1. фотохимический смог образуется в ясную солнечную погоду при низкой влажности воздуха, причем максимальная концентрация загрязняющих веществ наблюдается во второй половине дня;

2. химически смог действует как окислитель, усиливает коррозию металлов, разрушает органические вещества, вызывает раздражение слизистой оболочки, дыхательных путей и глаз, губит листву деревьев;

3. в атмосфере наблюдается появление голубоватой дымки или беловатого тумана и, как следствие этого, – ухудшение видимости.

Одними из основных химических соединений, ответственных за эти свойства смога, являются озон и периксиацетилнитрат (ПАН).

Как показывают экспериментальные данные, увеличение концентрации озона в пробах воздуха связано с изменением содержания оксидов азота, в частности, при увеличении скорости конверсии NO в NO₂. В атмосфере городов такое ускорение связано с наличием в воздухе органических соединений. Например, суммарная реакция окисления метана в присутствии оксидов азота имеет вид:

CH₄ + 8O₂ + 4M CO₂ +2H₂O + 4M + 4O₃,

где M – любая молекула, выступающая в роли катализатора (O₂, N₂, NO_x).

Таким образом, при полном окислении метана в присутствии оксидов азота на каждую молекулу метана в воздухе может образоваться до четырех молекул озона.

С присутствием органических соединений в воздухе городов связаны и процессы образования высокотоксичных пероксидных соединений

Наиболее распространенным является пероксиацетилнитрат – первый член гомологического ряда, сокращенно называемый ПАН:

Это очень токсичное и очень реакционноспособное вещество, легко вступающее во взаимодействие с органическими веществами и ферментами живого организма. Реакция образования ПАН изучена детально и состоит из следующих основных стадий:

;

СН₃СО + О₂ СН₃СОО₂;

Если в воздухе присутствуют ароматические углеводороды, возможно образование ароматических производных. Так, например, пероксибензоилнитрат – сильный слезоточивый газ, был идентифицирован в атмосфере Лос-Анджелеса наряду с пероксиацетилнитратом и его гомологами.

Таким образом, состав смога зависит от его происхождения.

Города Южной Европы (Афины, Мадрид) и Калифорнии (Лос-Анджелес) в солнечные летние дни страдают от фотохимического смога. Продуктами его являются оксиды азота, озон, ПАН, свободные органические радикалы и другие соединения перекисного типа.

В Средней Европе и Великобритании наблюдается смог Лондонского типа. Продукты этого смога – туман с каплями серной кислоты и сажа.

Кроме этих крайних представителей смога возможно возникновение и образование промежуточных видов различного состава.