В мегаполисах выбросы в атмосферу представляют большую проблему из-за их масштабов и высокой плотности населения. Особо опасен смог – видимое загрязнение воздуха любого характера. Для его формирования важна стратификация атмосферы. Обычно температура воздуха понижается с высотой, поэтому загрязняющие вещества поднимаются вверх и рассеиваются. Но, если в атмосфере на некоторой высоте (обычно менее 1,5 км) возникают слои, в которых температура постоянна или даже растет с высотой (изотермия и инверсия), то они задерживают восходящие потоки. Примеси скапливаются в приземном слое, образуя смог.
Выделяют три типа смога:
· влажный (лондонский);
· сухой или фотохимический (лос-анджелесский);
· ледяной (аляскинский).
Лондонский смог обычен для мест с высокой влажностью воздуха и частыми туманами. Он связан с загрязнением копотью или дымами, содержащими двуокись серы. В присутствии водяного пара оксид переходит в сернистую и серную кислоты. Капельки кислоты адсорбирует воду, постепенно растут и «туман-убийца» сгущается, достигая низких значений рН.
Облако тумана часто содержит хлориды металлов, таких как NaCl (поваренная соль). В этом случае серная кислота взаимодействует с NaCl. В результате получается смесь двух солей натрия (сульфата и хлорида) и соляной кислоты (водный раствор HCl).
Смог вызывает удушье, приступы астмы, аллергические реакции, раздражение глаз, повреждение растительности, зданий и сооружении. Печально знаменит смог 1952 г. в Лондоне, который в течение 3-х недель унес более 4 тысяч жизней.
Фотохимический смог. Наблюдается в солнечную погоду и при низкой влажности воздуха. Связан с реакциями, происходящими под воздействием солнечной радиации при температуре 30º С и выше. Максимальная концентрация вызывающих раздражение веществ отмечается вскоре после полудня. Появляется беловатый туман, ухудшается видимость. В воздухе начинает пахнуть асфальтом. Типичен для Лос-Анджелеса. В СНГ часто наблюдается в Алма-Ате и Ереване.
В смеси веществ смога наиболее биологически активными считаются озон, диоксид и оксид азота, диоксид серы и некоторые другие вещества. При концентрациях O3 выше 200 мкг/м3 в продолжение одного часа поражаются слизистые оболочки верхних дыхательных путей и верхняя часть легких. При более высоких концентрациях возможен кашель, головокружение, общая усталость, упадок сердечной деятельности.
В идеале сгорание углеводородного топлива («4СН») выглядит безопасным, так как конечные продукты сгорания: двуокись углерода и вода не токсичны. Но при недостатке кислорода появляется оксид углерода (СО) – ядовитый газ [26]:
«4СН» + 3O2 → 4СО + 2Н2O.
Кроме того, поскольку в камеру сгорания поступает воздушная смесь топлива с воздухом, образуются оксиды азота:
N2 + O2 → 2NO или N2 + 2O2 → NO2.
Диоксид азота – бурый газ, который поглощает свет и претерпевает диссоциацию:
NO2 + hv → O + NO.
Если диссоциация NO2 идет при избытке кислорода, то образуется тропосферный озон
О + О2 → O3.
В дневные часы озон медленно реагирует с NO2, образуя радикал NO3, который в ходе дальнейших реакций дает азотную кислоту.
Рассматривая эти превращения, нужно учесть влияние углеводородов, при разрушении которых образуются вредные вещества (альдегиды, угарный газ, карбоновые кислоты, окислы олефина, парафины и др.). В этих процессах особую роль играет радикал ОН–. Рассмотрим метан (СН4) в качестве простого примера:
ОН– + СН4 → Н2О + СН3; СН3 + О2 → СН3О2; СН3О2 + NO → СН3О + NO2; CH3O + O2 → НСНО + НO2
Эти реакции показывают превращение метана в формальдегид (НСНО). Таким образом, сжигание топлива, которое первоначально кажется безвредным, может приводить к образованию загрязняющих веществ.
Ледяной смогвозникает при температуре ниже –30º С и безветрии. На кристаллах льда, находящихся в воздухе, адсорбируется сажа и газы (сернистый ангидрид и др.). Облако ядовитого тумана висит над городом несколько дней и становится трудно дышать. В СНГ это район Норильска, Якутска и т.д.