8.7.1. Смог
Термин "смог" является производным от двух английских слов: дым (smoke) и туман (fog). Смесь дыма и тумана весьма характерна для Лондона, отсюда и английское название для этого явления. Еще в 1273 году с целью уменьшения загрязнения воздуха английский король Эдуард I издал эдикт, запрещающий сжигание каменного угля в Лондоне, за нарушение которого полагалась смертная казнь. За прошедшие 700 с лишним лет ситуация с загрязнением воздуха к лучшему не изменилась. В декабре 1952 года из-за смога, опустившегося на Лондон, погибло непосредственно во время смога и в результате обострения заболеваний, им вызванного, 12000 человек. Эта трагедия дала толчок четырехлетнему исследованию, итогом которого стало "Постановление о чистоте воздуха в Англии". От смога страдают в той или иной степени многие крупные города, в которых существуют подходящие физико-географические условия, особенно города промышленные и с большим количеством автомобилей: Париж, Лос-Анджелес, Нью-Йорк, Денвер, Солт-Лейк-Сити, Чикаго, Питсбург, Буэнос-Айрес (ирония судьбы: в переводе на русский язык название города означает "хороший воздух"), Сидней, Мехико, Токио, Милан, Кемерово, Новокузнецк, Братск, Ереван, Алма-Ата и др.
Смог представляет собой многокомпонентную смесь газов и аэрозольных частиц первичного и вторичного происхождения. Основными компонентами смога являются озон, оксиды азота и серы, многочисленные органические соединения. Возникает смог в результате фотохимических взаимодействий между оксидами азота и летучими углеводородами (поэтому иногда говорят о фотохимическом смоге). Под действием солнечной (световой) энергии диоксид азота распадается на монооксид и атомарный кислород, последний соединяется с кислородом O2, давая озон (O3):
Этот процесс обратим: озон и монооксид азота в отсутствие мешающих факторов вновь реагируют друг с другом с образованием диоксида азота и двухатомного кислорода. В результате не происходит накопления озона в более или менее заметных количествах.
Ситуация изменяется, если в атмосфере присутствуют углеводороды. В результате реакций этих углеводородов с монооксидом азота, во-первых, образуются очень агрессивные и вредные органические соединения, такие, как пероксиацетилнитраты, альдегиды, азотная кислота, во-вторых, связывается монооксид азота, что приводит к накоплению озона.
Смог усиливается и достигает опасного уровня при определенных физико-географических условиях. Во-первых, это так называемая температурная, или термическая инверсия. Обычно с увеличением высоты в тропосфере температура уменьшается. Более теплый воздух поднимается от поверхности земли, унося с собой скапливающиеся внизу загрязнители. Воздух из соседних областей высокого давления опускается вниз в образующиеся области низкого давления, обеспечивая вертикальную циркуляцию воздуха и помогая сохранять загрязнение в приповерхностных областях в допустимых пределах. Однако при определенных погодных условиях (например, при длительных антициклонах) более теплый воздух из соседних областей может "натекать" сверху на более плотный и холодный воздух, препятствуя развитию вертикальных потоков в атмосфере и удалению загрязнений из приповерхностного слоя. Обычно такие инверсии длятся не более нескольких часов, однако в условиях устойчивого антициклона могут сохраняться несколько дней. Во-вторых, частота и плотность смога зависят от климата: большое количество осадков или сильные ветры помогают очищать атмосферу (перенося, правда, при этом загрязнители либо на поверхность земли, либо в другие регионы). В-третьих, смог может усиливаться за счет рельефа местности. Температурные инверсии (а значит и смог) чаще всего наблюдаются в местностях, окруженных горами, на подветренных склонах горных хребтов и побережий, особенно благоприятные условия образуются для смога в безветренных районах с преобладанием солнечных дней, окруженных с трех сторон горами, а с четвертой – морем (например, в Лос-Анджелесе). Смог могут усилить и многочисленные высокие здания в крупных городах, замедляющие скорость ветра, что способствует созданию высоких концентраций загрязнителей.
Выделяют несколько типов смога. Наиболее изучен влажный смог, представляющий собой своеобразный туман и характерный для стран с морским климатом, где часты туманы и высока относительная влажность воздуха, что способствует смешиванию загрязнителей и их химическому взаимодействию. Второй тип смога – сухой смог, или смог лос-анджелесского типа, характерный для сухого воздуха и образующий не туман, а синеватую дымку. Наконец, третий тип смога – ледяной, или смог аляскинского типа – характерен для арктических и субарктических районов и представляет собой густой туман, состоящий из мельчайших кристалликов льда и серной кислоты.
Смог вызывает у людей головные боли, тошноту, раздражает глаза и дыхательные пути, а также ухудшает состояние при хронических респираторных заболеваниях типа астмы и эмфиземы. Весьма пагубно сказывается смог на растениях. В 1969 году произошел исключительный случай, когда облако смога покрыло почти все восточные штаты США от Великих озер до Мексиканского залива. В результате многие фермеры пострадали от поражения или даже полной гибели урожая.
Поскольку образование смога во многом зависит от концентрации в атмосфере оксидов азота и летучих углеводородов, наиболее эффективным методом борьбы со смогом является ограничение их выброса в атмосферу (тем более что на обстоятельства, способствующие образованию смога, такие, как климат или рельеф местности, мы практически не можем влиять). Попадание этих компонентов в атмосферу в основном обусловлено сжиганием ископаемого топлива или его производных, в крупных городах, прежде всего, – в двигателях внутреннего сгорания. Поэтому весьма актуальными являются поиски альтернативных источников энергии, о чем уже говорилось выше. Необходим также строгий контроль над составом выхлопных газов, а также совершенствование конструкции двигателей, т.к. переход на альтернативные источники энергии все еще дело будущего. В этом направлении уже достигнут определенный прогресс. Во-первых, существенно (на 90 %) было снижено испарение бензина из топливных баков с помощью систем с активированным углем, которые улавливают пары бензина и направляют их в двигатель. Во-вторых, были предприняты попытки понизить температуру и давление сжигания, что должно привести к уменьшению образования оксидов азота. Но это привело к снижению коэффициента полезного действия двигателей и увеличило расход топлива, что плохо и с точки зрения экономики, и с точки зрения экологии. Тогда основные усилия были перенесены на снижение выброса углеводородов. В настоящее время автомобили оборудованы множеством приспособлений для борьбы с загрязнениями, включая компьютерный контроль над составом горючего и опережением зажигания для обеспечения более полного сгорания топлива и снижения, тем самым, содержания углеводородов в выхлопных газах. Значительных результатов удалось добиться с помощью каталитических преобразователей (химических катализаторов, представляющих собой платинированные гранулы), которые стимулируют окисление углеводородов до воды и углекислого газа и обеспечивают окисление угарного газа до углекислого. Но, несмотря на все эти достижения, проблема экологически чистого транспорта все еще весьма далека от разрешения. Весьма важна также рациональная организация движения транспорта, исключающая образование "пробок", т.к. наибольшее загрязнение создается при частых изменениях режима работы двигателя, характерных именно для "пробок" (разгоны, движение с малой скоростью, остановки, см. таблицу 8.3).
Таблица 8.3