Что такое фотохимический смог и чем он опасен

T
23 июля 2019, 12:58

Почему летом надо бежать из города?

Что такое фотохимический смог и чем он опасен

Что такое фотохимический смог

В летнюю жару городские жители часто слышат в новостях: «Предельно допустимые концентрации загрязняющих веществ превышены в несколько раз». В середине июня этого года, например, подобные сообщения гидрометеослужбы огорчали жителей Киева. Почему же именно летом жителей городов больше всего донимают воздушные загрязнения?

Вскоре после изобретения паровой машины люди столкнулись с проблемой загрязнения воздуха. Уже в середине 19-го века в Англии принимаются первые законы, ограничивающие атмосферные выбросы загрязнителей , потому что жители промышленных центров сталкивались с угрожающим явлением – смогом. Но принятие законов не решило проблему загрязнения городов. К середине 20-го века проблема смога приобрела катастрофические размеры.

При определенных метеорологических условиях, туман и температурная инверсия ( о которой мы подробнее расскажем ниже), продукты сгорания угля – в первую очередь, сера - вступали в реакцию с водой и формировали опасные для здоровья кислоты, в т.ч. и серную кислоту. Капельки воды микроскопического размера (меньше 10 мкм) вместе с этими кислотами попадали в легкие, вызывали тяжелые болезни и даже смерть. Из-за частых туманов и мощной промышленности такой смог особенно часто случался в Лондоне, и поэтому он получил название «лондонского» (другое название – «промышленный смог»). Самым катастрофическим в истории случаем лондонского смога был эпизод в декабре 1952 года, когда в течение нескольких дней из-за загрязнения воздуха погибло около 4-х тыс. человек – число, сопоставимое с количеством жертв Чернобыльской аварии.

фотохимический смог

Большой лондонский смог 1952 года

К концу 20-го века развитые страны гораздо меньше сжигают уголь и больше используют другие виды топлива, которые не приводят к таким тяжелым последствиям, как лондонский смог. В развивающихся странах, в том числе и в Украине, случаи промышленного смога до сих пор могут случаться, хотя и реже, чем в прошлом. Тепловые электростанции (ТЭЦ), которые повсеместно работают в Украине, сжигают уголь, и при определенных условиях промышленный смог в некоторых городах Украины, в т.ч. и в Киеве, вызывает плохое самочувствие, легочные и сердечно-сосудистые заболевания особенно у людей, проживающих по соседству с ТЭЦ.

Читайте также: Как леса влияют на климат планеты

Но летом наибольшую опасность несет не промышленный, а так называемый «фотохимический» смог. В 60-х гг 20-го века американский химик Хаген Смит открыл механизмы образования особого типа смога, который часто наблюдался в Лос-Анжелесе. Оказалось, что под воздействием света продукты выхлопных газов автотранспорта - окислы азота и другие, способны образовывавать опасные токсические вещества: озон, азотную кислоту, альдегиды, пероксиацилнитраты (ПАН). Поскольку ключевые химические реакции в этом процессе идут под воздействием света, то смог, открытый Хагеном Смитом, получил название «фотохимического». Не удивительно, что фотохимический смог чаще всего образовывается в крупных южных городах, где ярко светит солнце. Практически все крупные города мира летом страдают именно от фотохимического смога.

фотохимический смог

Механизмы образования фотохимического смога

Возможно, кто-то удивится, что озон, который является одним из характерных продуктов фотохимического смога, токсичен, но это именно так. В верхних слоях атмосферы озон защищает жизнь на Земле от избытка ультрафиолетового излучения. Но в организме человека этот газ вызывает серьезные заболевания дыхательных путей. Приземный озон вредит не только людям и животным, но также повреждает растения, и даже картины в музеях. Печальный вид больных деревьев на улицах Киева вызван в том числе и действием фотохимического смога.

фотохимический смог

Воздействие приземного озона на обычные и озоноустойчивые сорта бобовых (слева) и повреждение листа тыквы под влиянием озона (справа). Фотографии USDA.

Вдобавок к вредным веществам, при фотохимическом, как и при промышленном смоге, в воздухе накапливается большое количество частиц микроскопических размеров – аэрозолей, содержащих такие вредные вещества, как сажа и аммиак. Самыми опасными являются микрочастички (меньше 2 мкм): они проникают глубоко в легкие и даже в кровь человека. Именно аэрозоли делают фотохимический смог видимым на фотографиях.

Фотохимический смог

Фотохимический смог в Париже

Выхлопные газы образуются в городе каждый день, но не всегда случается сильный смог. Вредные вещества накапливаются с большей или меньшей интенсивностью в зависимости от метеорологических условий. Понятно, что ветер выносит опасные вещества за черту города, а при штилевых условиях эти вещества накапливаются в городе. Но самым опасным метеорологическим явлением, которое способствует смогу, является так называемая температурная инверсия.

В атмосфере постоянно происходит турбулентное перемешивание, которое иногда называют «турбулентной диффузией». Оно возникает благодаря хаотичным пульсациям всех характеристик атмосферы - скорости ветра, концентраций веществ и т.д. За счет перемешивания вредные вещества распространяются в верхние слои атмосферы. Интенсивность турбулентной диффузии зависит от скорости ветра, величины потока тепла от поверхности, а также от того, как изменяется с высотой температура. Если температура воздуха растет с высотой слишком быстро, то частичка воздуха, отклонившаяся вверх от положения равновесия, оказывается холоднее окружающего воздуха, и под воздействием силы Архимеда стремится вернуться к исходному положению. Это препятствует перемешиванию. Наоборот, если температура с высотой падает, или же растет достаточно медленно, то отклонившаяся от равновесия частичка будет легче окружающего воздуха, и сила Архимеда будет продолжать отклонять частичку от исходного положения.

Для классификации устойчивости атмосферы удобно использовать так называемую «потенциальную» температуру, т.е. температуру, которую имела бы частичка, если бы ее из исходного положения опустили к уровню моря без теплообмена с окружающим воздухом. Если потенциальная температура с высотой растет, то турбулентной диффузия подавляется (устойчивая атмосфера), а если потенциальная температура с высотой падает, то турбулентная диффузия усиливается (неустойчивость).

Рассмотрим распределение потенциальной температуры с высотой в Киеве 17-го июня 2019 года, когда (по данным гидрометеослужбы) количество вредных веществ в атмосфере в несколько раз превышало допустимые уровни.

Ночью поверхность Земли остывает и становится холоднее окружающего воздуха. В результате потенциальная температура возрастает с высотой во всей толще атмосферы. Турбулентная диффузия очень мала. Выхлопные газы и вредные продукты химических реакций, которые образовались днем, продолжают оставаться у поверхности Земли. Днем поверхность нагревается, происходит конвекция. В слое, охваченном конвекцией, потенциальная температура с высотой падает, а турбулентная диффузия возрастает. В обычных для Киева условиях верхняя граница конвективного слоя (т.е. слоя перемешивания) к середине дня должна была бы достичь высоты от 1 до 2 км. Но, как видно из рисунка, потенциальная температура начинает возрастать на высоте уже около 500 м. Следовательно, диффузия не может вынести вредные вещества выше 500 м и возникает смог.

фотохимический смог

Зависимость потенциальной температуры от высоты над уровнем Земли в г.Киеве, 17 июня 2019 г., 0ч (синяя линия) и 15 ч ( красная линия) по данным вычислительной системы Метеопрог.

Что мешает конвекции распространиться на большую высоту? В данном случае, скорее всего, это активные нисходящие движения, вызванные областью высокого давления, распространившейся над северной частью Украины в эти дни. Такие инверсии, которые образуются за счет нисходящих движений, называются «инверсиями опускания».

Как уменьшить воздействие вредного смога

Летом сочетание солнечного излучения, слабого ветра и температурной инверсии случается часто, поэтому в городах регулярно возникает фотохимический смог. И если в этом время года Вы не можете сбежать за город, на природу, то несколько простых правил помогут Вам уменьшить воздействие вредного смога.

  • На улице старайтесь находиться подальше от автомагистралей и ближе к тени и зеленым насаждениям, где температура и интенсивность образования вредных веществ ниже;
  • В жаркие солнечные дни сократите вождение автомобиля в черте города, больше пользуйтесь услугами метро;
  • Следите за сообщениями гидрометслужбы и при сильном смоге старайтесь оставаться дома.

Автор статьи: Иван Ковалец - доктор технических наук, зав. отделом Информатики окружающей среды ИПММС НАН Украины.

Проголосовало: 64 человек.
Новости партнеров
Загрузка...
Загрузка...