Що таке фотохімічний смог і чим він небезпечний

T
23 липня 2019, 13:33

Чому влітку треба тікати з міста?

Що таке фотохімічний смог і чим він небезпечний

Що таке фотохімічний смог

У літню спеку часто чуємо в новинах: «Гранично допустимі концентрації забруднюючих речовин перевищені в кілька разів». У середині червня цього року, наприклад, подібні повідомлення гідрометеослужби засмучували жителів Києва. Чому ж саме влітку жителям міст найбільше дошкуляють повітряні забруднення? Невдовзі після створення парової машини люди зіткнулися з проблемою забруднення повітря. Вже в середині 19-го століття в Англії приймаються перші закони, що обмежують атмосферні викиди забруднювачів , тому що жителі промислових центрів зіткнулися із загрозливим явищем - смогом. Але прийняття законів не вирішило проблему забруднення міст. В середині 20-го століття проблема смогу набула катастрофічних розмірів. При певних метеорологічних умовах, туман і температурна інверсія ( про яку ми докладніше розповімо трохи нижче), продукти згоряння вугілля - в першу чергу, сірка – вступали у реакцію з водою і формували небезпечні для здоров'я кислоти, в т.ч. і сірчану кислоту. Крапельки води мікроскопічного розміру (менше 10 мкм) разом з цими кислотами потрапляли в легені, викликали важкі хвороби у людей, а часом і смерть. Через часті тумани і потужну промисловість такий смог особливо часто траплявся в Лондоні, і тому він отримав назву «лондонського» (інша назва - «промисловий смог»). Самим катастрофічним в історії випадком лондонського смогу був епізод у грудні 1952 року, коли протягом декількох днів через забруднення повітря загинуло близько 4-х тисяч чоловік - число, яке можна порівняти з кількістю жертв Чорнобильської аварії.

фотохімічний смог

Великий лондонський смог 1952 року

Вже наприкінці 20-го століття розвинені країни набагато менше спалювали вугілля і більше використовували інші види палива, які не призводять до таких тяжких наслідків, як лондонський смог. У країнах, що розвиваються, в тому числі і в Україні, випадки промислового смогу досі можуть траплятися, хоча і рідше, ніж в минулому. Теплові електростанції (ТЕЦ), які повсюдно працюють в Україні, спалюють вугілля, і за певних умов промисловий смог у деяких містах України, у т.ч. і в Києві, викликає погане самопочуття, легеневі та серцево-судинні захворювання особливо в людей, які проживають по сусідству з ТЕЦ.

Читайте також: Як ліси впливають на клімат планети

Але влітку найбільшу небезпеку несе не промисловий, а так званий «фотохімічний» смог. У 60-х рр. 20-го століття американський хімік Хаген Сміт відкрив механізми створення особливого типу смогу, який часто спостерігався в Лос-Анджелесі. Виявилося, що під впливом світла продукти вихлопних газів автотранспорту - оксиди азоту та інші, здатні утворювати небезпечні токсичні речовини: озон, азотну кислоту, альдегіди, пероксіацілнітрати (ПАН). Оскільки ключові хімічні реакції в цьому процесі йдуть під впливом світла, то смог, відкритий Хагеном Смітом, отримав назву «фотохімічного». Тож не дивно, що фотохімічний смог найчастіше утворюється у великих південних містах, де яскраво світить сонце. Практично всі великі міста світу влітку страждають саме від фотохімічного смогу.

фотохімічний смог

Механізми утворення фотохімічного смогу

Можливо, хтось здивується, що озон, який є одним з характерних елементів фотохімічного смогу, токсичний, але це саме так. У верхніх шарах атмосфери озон захищає життя на Землі від надлишку ультрафіолетового випромінювання. Але в організмі людини цей газ викликає серйозні захворювання дихальних шляхів. Приземний озон шкодить не тільки людям і тваринам, але також ушкоджує рослини, і навіть картини в музеях. Жалюгідний вигляд дерев на вулицях Києва викликаний в тому числі і дією фотохімічного смогу.

Механізми утворення фотохімічного смогу

Дія приземного озону на звичайні і озоностійкі сорти бобових (зліва) і пошкодження листя гарбуза під впливом озону (праворуч). Фотографії USDA На додачу до шкідливих речовин, при фотохімічному, як і при промисловому смогу, в повітрі накопичується ще й велика кількість частинок мікроскопічних розмірів - аерозолів, що містять такі шкідливі речовини, як сажа і аміак. Найбільш небезпечними є мікрочастинки (менше 2 мкм): вони проникають глибоко в легені і навіть в кров людини. Саме аерозолі дають можливість побачити фотохімічний смог на фотографіях.

Фотохімічний смог

Фотохімічний смог в Парижі

Вихлопні гази утворюються в місті кожен день, але не завжди трапляється сильний смог. Шкідливі речовини накопичуються з більшою або меншою інтенсивністю в залежності від метеорологічних умов. Зрозуміло, що вітер виносить небезпечні речовини за межі міста, а при штильових умовах ці речовини накопичуються в місті. Але самим небезпечним метеорологічним явищем, яке сприяє смогу, є так звана «температурна інверсія». В атмосфері постійно відбувається турбулентне перемішування, яке іноді називають «турбулентної дифузією». Воно виникає завдяки хаотичним пульсаціям всіх характеристик атмосфери – швидкості вітру, концентрацій речовин тощо. Завдяки змішуванню шкідливі речовини не тільки переносяться вітром за межі міста, а й поширюються у верхні шари атмосфери. Інтенсивність турбулентної дифузії залежить від швидкості вітру, величини потоку тепла від поверхні, а також від того, як змінюється з висотою температура. Якщо температура повітря зростає з висотою занадто швидко, то частинка повітря, яка відхилилася вгору від положення рівноваги, виявляється холоднішою, ніж навколишнє повітря, і під впливом сили Архімеда вона прагне повернутися до початкового положення. Це перешкоджає перемішуванню. Навпаки, якщо температура з висотою падає, або ж зростає досить повільно, то відхилена від рівноваги частинка буде легше навколишнього повітря, і сила Архімеда буде продовжувати відхиляти частинку від початкового положення. Для класифікації стійкості атмосфери зручно використовувати так звану «потенційну» температуру, тобто температуру, яку мала б частинка, якби її з вихідного положення опустили до рівня моря без теплообміну з навколишнім повітрям. Якщо потенційна температура з висотою зростає, то турбулентна дифузія пригнічується (стійка атмосфера), а якщо потенційна температура з висотою падає, то турбулентна дифузія посилюється (нестійкість). Розглянемо розподіл потенційної температури з висотою в Києві 17-го червня 2019 року, коли (за даними гідрометеослужби) кількість шкідливих речовин в атмосфері в кілька разів перевищувала допустимі рівні. Вночі поверхня Землі вистигає і стає холодніше, ніж навколишнє повітря. В результаті потенційна температура зростає з висотою в усьому шарі атмосфери. Турбулентна дифузія дуже мала. Вихлопні гази і шкідливі продукти хімічних реакцій, які утворилися вдень, продовжують залишатися коло поверхні Землі. Вдень поверхня нагрівається, відбувається конвекція. В шарі, охопленому конвекцією, потенційна температура з висотою падає, а турбулентна дифузія зростає. У звичайних для Києва умовах верхня межа конвективного шару (тобто шару перемішування) до середини дня повинна була б досягти висоти від 1 до 2 км. Але, як видно з малюнка, потенційна температура починає зростати на висоті вже близько 500 м. Отже, дифузія не може винести шкідливі речовини вище 500 м, і виникає смог.

Фотохімічний смог

Залежність потенційної температури від висоти над рівнем Землі в м. Києві 17 червня 2019 р. , 0 год. (синя лінія) і 15 год. (червона лінія) за даними обчислювальної системи Метеопрог. Що заважає конвекції проникнути на більшу висоту? В даному випадку, швидше за все, це активні низхідні рухи, викликані областю високого тиску, що поширилася над північною частиною України в ці дні. Такі інверсії, які утворюються за рахунок низхідних рухів, називаються «інверсіями опускання».

Як зменшити вплив шкідливого смогу

Влітку поєднання сонячного випромінювання, слабкого вітру і температурної інверсії трапляється часто, тому в містах регулярно виникає фотохімічний смог. І якщо в цю пору року Ви не можете виїхати за місто, на природу, то кілька простих правил допоможуть Вам зменшити вплив шкідливого смогу:

  • На вулиці намагайтеся перебувати подалі від автомагістралей і ближче до тіні та зелених насаджень, де температура і інтенсивність утворення шкідливих речовин нижче;
  • У спекотні сонячні дні водіям варто зменшити користування автомобілем у межах міста, і більше користуватися послугами метро;
  • Слідкуйте за повідомленнями гідрометслужби і при сильному смогу намагайтеся залишатися вдома.

Автор статті: Іван Ковалець - доктор технічних наук, зав. відділом Інформатики навколишнього середовища ІПММС НАН України.

Проголосовало: 13 человек.
Новости партнеров
Загрузка...
Загрузка...