Аерозолі

Аерозолі – це дисперсні системи, що складаються з дрібних твердих або рідких частинок та дисперсійного газового середовища в якому ці частинки завислі.

У забрудненій атмосфері за одночасної наявності SO₃, NO, NO₂ та вуглеводнів, під час опромінення олефінів і ароматичних сполук утворюються значні кількості аерозолів. Аерозолі (пил, дим, тумани) є забрудниками атмосфери.

Аерозольні частки потрапляють в атмосферу або в готовому виді в результаті діяльності вулканів, пожеж, морської солі, пилу або при спалюванні палива і з відхідними газами промислових виробництв, або утворюються безпосередньо в атмосфері в результаті хімічних реакцій між компонентами газових викидів, причому доля антропогенної запиленості складає 10–20% від загального поступання твердих часток в атмосферу. Основна доля світового викиду зважених часток – близько 94% – доводиться на Північну півкулю; максимальна їх кількість поступає з території промислово розвинених країн.

Наявність аерозолів порушує тепловий баланс атмосфери. Поява при смозі блакитного серпанку супроводжується погіршенням видимості, і є наслідком утворення твердих аерозольних часток. Запиленість атмосфери відіграє особливу роль в загальнопланетарних теплових процесах: її зростання веде до збільшення альбедо Землі і, як наслідок, до зменшення поглинання сонячній радіації.

Утворення аерозолів з твердими частками в повітрі міст часто викликається діоксидом сірки SO₂, що перетворюється на сірчану кислоту H₂SO₄, яка у свою чергу вступає в реакцію з аміаком NH₃, утворюючи частки сульфату амонію (NH₄)₂SO₄.

Більша частина аерозолів, що викидаються в атмосферу, залишається в тропосфері, причому до 80% на висотах до 1 км. Час їх перебування в повітрі залежить від розміру часток і на висоті до 1 км не перевищує 3 діб, а у верхніх шарах – 30 діб. Кількість аерозолів зменшується з підвищенням відносної вологості повітря.

Широко відомі випадки масових отруєнь людей внаслідок короткочасного підвищення рівня забруднення атмосферного повітря. У 1930 р. в Бельгії в долині річки Маас внаслідок виникнення токсичного туману захворіли тисячі людей, померло 60 чоловік. У 1948 р. в США в місті Донора захворіло 50% населення (6 тис. чол.), 20 чоловік померли. У 1952 р. внаслідок утворення токсичного туману в Лондоні померло 4 тис. чоловік.

Смог (від англ. smoky fog – «димовий туман») – аерозоль, що складається з диму, туману і пилу, один з видів забруднення повітря у великих містах і промислових центрах.

Спочатку під смогом мали на увазі дим, утворений спалюванням великої кількості вугілля (змішування диму і діоксиду сірки SO₂).

Смог буває наступних типів: крижаний, радіаційний, фотохімічний і вулканічний.

Вулканічний смог. Утворюється при виверженні вулканів, коли в повітрі досягається висока концентрація сірчистого газу.

Крижаний смог або смог аляскинського типу. Утворюється при низьких температурах з пари опалювальних систем і побутових газових викидів. Цей смог складається з величезної кількості найдрібніших крапельок води або кристалів льоду, що знаходяться в зваженому стані в повітрі безпосередньо у поверхні землі. Такі крижані тумани спостерігаються часто в Арктиці, на Алясці і інших північних районах.

Радіаційний туман. З'являється в результаті радіаційного охолодження земної поверхні і маси вологого приземного повітря до утворення найдрібніших крапельок води. Як правило, радіаційний туман виникає вночі в умовах антициклону при безхмарній погоді і слабкому вітрі. Часто радіаційний туман виникає в умовах температурної інверсії, що перешкоджає підйому повітряної маси.

Зазвичай різні забрудники, що потрапили в атмосферу, поступово розсіюються в повітрі. Повітряні потоки, спрямовані від землі, виносять забруднення у верхні шари атмосфери, де дощі і вітри розсіюють їх. Іноді холодні маси повітря безпосередньо біля поверхні землі, що містять забруднюючі речовини, «накриті» згори теплішим повітрям і не можуть піднятися вгору і розсіятися в атмосфері.

У промислових районах може виникнути крайня форма радіаційного туману – смог, який дістав назву «лондонський». Названий на честь міста Лондон, в якому уперше з'явилися такі тумани, через те, що жителі міста топили каміни вугіллям, яке при згоранні виділяло шкідливі речовини. При цьому типі смогу не утворюється нових хімічних шкідливих речовин.

Лондонський (вологий) смог – це поєднання газоподібних і твердих домішок з туманом – результат спалювання великої кількості вугілля (чи мазуту) при високій вологості атмосфери. Згодом в ньому практично не утворюються які-небудь нові речовини. Таким чином, токсичність цілком визначається початковими забрудниками.

При повному згоранні викопного палива (вугілля або вуглеводнів) утворюються досить нешкідливі продукти – діоксид вуглецю і вода, проте в умовах нестачі кисню утворюється отруйний монооксид вуглецю. Якщо кисню ще менше, серед продуктів згорання з'являється вуглець (у вигляді сажі).

Забруднення повітря можуть викликати і домішки, що входять до складу палива, в першу чергу, сполуки сірки. Її вміст в деяких видах вугілля може досягати 6%. При спалюванні такого палива утворюється діоксид сірки. Розчиняючись в крапельках води, які конденсуються навколо часток диму, діоксид сірки істотно знижує її рН.

Сажа і діоксид сірки, що утворюються безпосередньо при спалюванні палива, є первинними забрудниками повітря. В умовах вогкості і туману, характерних для зимового Лондона, вони стали причинами тривалих смогів.

Смог спостерігається зазвичай при слабкій турбулентності повітря, і отже, при стійкому розподілі температури повітря по висоті, особливо при інверсіях температури, при слабкому вітрі або штилі.

Фотохімічний (сухий) смог Лос-Анджелеського типу. Являє собою стійкий блакитний серпанок з їдких газів без туману. Такий смог формується в атмосфері під дією сонячного світла за відсутності вітру і низької вологості з компонентів, характерних для вихлопних газів автомобілів. Вперше такий смог був зафіксований в 1944 р. в Лос-Анджелесі, коли в результаті великого скупчення автомобілів було паралізовано життя одного з найбільших міст США.

Автомобільні вихлопні гази і забруднюючі викиди підприємств в умовах температурної інверсії вступають в хімічну реакцію з сонячним випромінюванням. В результаті фотохімічних реакцій утворюються сполуки, ще більш небезпечні, ніж вихідні (озон, нітрити, органічні перекиси, перекиси нітратів та ін.), що викликають в'янення і загибель рослин, сильно подразнюють слизові оболонки дихальних шляхів і очей.

Смог Лос-Анджелеського типу посилює корозію металів, руйнування будівельних конструкцій, гуми і інших матеріалів. Окислювальний характер такому смогу надають озон і інші речовини, що утворюються в ньому. Дослідження, проведені в 50-х роках в Лос-Анджелесі, показали, що збільшення концентрації озону пов'язане з характерною зміною відносного вмісту NО₂ і NO.

Фотохімічний смог є результатом змішування в повітрі наступних забруднюючих речовин:

• оксиди азоту, наприклад, діоксид азоту (продукти горіння викопного палива);

• тропосферний (приземний) озон;

• леткі органічні речовини (пари бензину, фарб, розчинників і інших хімікатів);

• перекиси нітратів.

Усі перераховані речовини зазвичай мають високу хімічну активність і легко окислюються, тому фотохімічний смог вважається однією з основних проблем сучасної цивілізації.

Отже, фотохімічний туман є багатокомпонентною сумішшю газів і аерозольних часток первинного і вторинного походження. До складу основних компонентів цього смогу входять озон, оксиди азоту і сірки, численні органічні сполуки перекисної природи, які у сукупності називаються фотооксидантами.

Фотохімічний смог виникає в результаті фотохімічних реакцій за певних умов: наявності в атмосфері високої концентрації оксидів азоту, вуглеводнів і інших забрудників, інтенсивній сонячній радіації і безвітря або дуже слабкого обміну повітря в приземному шарі при потужній і тривалістю не менше доби підвищеній температурній інверсії. Стійка безвітряна погода, що зазвичай супроводжується інверсіями, потрібна для створення високої концентрації реагуючих речовин. Такі умови створюються частіше в червні–вересні і рідше взимку.

При тривалій ясній погоді сонячна радіація викликає розщеплювання молекул діоксиду азоту з утворенням оксиду азоту і атомарного кисню. Атомарний кисень з молекулярним киснем дають озон. Здавалося б, останній, окислюючи оксид азоту, повинен знову перетворюватися на молекулярний кисень, а оксид азоту – в діоксид. Але цього не відбувається. Оксид азоту вступає в реакції з олефінами вихлопних газів, які при цьому розщеплюються за подвійним зв'язком і утворюють осколки молекул, і надлишок озону. В результаті тривалої дисоціації нові маси діоксиду азоту розщеплюються і дають додаткові кількості озону. Виникає циклічна реакція, в результаті якої в атмосфері поступово накопичується озон.

Інтенсивне забруднення атмосфери внаслідок антропогенної діяльності призвело до глобальних екологічних криз, пов'язаних з потеплінням планети, появою кислотних дощів та руйнуванням озонового шару.