Кислотообразующие выбросы мегаполисов

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.

Озоновые дыры

Озон (O₃) – едкий слегка голубоватый газ. Является сильным окислителем и в приземном воздухе неустойчив. Значение озона для биосферы объясняется сильным поглощением опасного для биоты ультрафиолетового излучения (УФИ) Солнца.

Положение озонового слоя в атмосфере и его роль в биосфере.Содержание озона в атмосфере невелико. Если собрать озон, который находится в столбе атмосферы при нормальном давлении (760 мм. рт. ст.) и температуре (0°С), то высота слоя составит от 1 до 6 мм или от 100 до 600 в единицах Добсона – ED.DU. 100 ED.DU соответствуют количеству озона, который в вертикальном столбе атмосферы при нормальном давлении образует слой толщиной 1мм,

Около 90% озона сосредоточено в слое 15-55 км с максимумом на высоте 20—25 км (нижний слой стратосферы) и всего 10% – в тропосфере. Неравномерность распределения объясняется тем, что озон образуется под действием ультрафиолетового излучения (УФИ) Солнца (реакция открыта С. Чепманом в 1930 г.). Все начинается с фотодиссоциации молекулы кислорода на два атома:

O2 + hv ® O + O.

Через hv здесь обозначен источник диссоциации. Чаще всего это ультрафиолетовое излучение Солнца, но могут быть и космические лучи.

Атомы кислорода либо вновь соединяются собой в присутствии третьей молекулы М:

O + O ® O2 + М,

либо взаимодействуют с молекулой O2 (также в присутствии третьего тела), образуя озон:

О2 + О +М ® О3 + М.

Для получения озона благоприятными является невысокие температуры и наличие дополнительного неравновесного количества атомарного кислорода. Вероятность реакции в нижних слоях тропосферы невелика из-за малой интенсивности УФИ, к тому же озон быстро вступает в соединение с другими газами. В верхних слоях атмосферы не только выше интенсивность УФИ, но и меньше вероятность встречи молекул газов, поэтому его там больше.

При небольших концентрациях и отсутствии в газе примесей озон разлагается довольно медленно. Однако при повышении температуры, увеличении добавок некоторых газов (например, NO, Cl2, Br2, I2, и др.), при воздействии излучений и потоков частиц скорость разложения озона увеличивается.

Снижение концентрации озона в атмосфере на 1% ведет к увеличению интенсивности УФИ на 1,5%, что вызывает снижение продуктивности растений и повышение уровня раковых заболеваний кожи у человека.