Смог и его физические основы

Смог представляет собой устойчивую аэрозольно-газовую систему, образующуюся в атмосфере крупных городов и промышленных зон при сочетании интенсивных источников загрязнения и специфических метеорологических условий. Его химический состав зависит от природы источников выбросов, однако основными компонентами являются оксиды азота, сернистый газ, летучие органические соединения, твердые частицы (сажистые и минеральные аэрозоли), а также вторичные продукты фотохимических реакций — озон, пероксилацетилнитрат и другие окислители.

Выделяют два основных типа смога:

  • Лондонский (серный) — формируется в условиях высокой влажности и низких температур, доминирующим компонентом является диоксид серы, взаимодействующий с каплями воды и аэрозолями.
  • Лос-Анджелесский (фотохимический) — возникает в условиях интенсивной солнечной радиации, главным образом за счет фотохимических реакций между оксидами азота и углеводородами.

Физические механизмы образования смога

Образование смога связано с физико-химическими процессами в тропосфере:

  1. Аэрозольное образование Газообразные примеси конденсируются на ядрах конденсации (пылинках, ионах, сажистых частицах), формируя устойчивую взвесь. Чем меньше размеры частиц, тем выше их способность к длительному удержанию в воздухе и проникновению в дыхательную систему.

  2. Фотохимические реакции Под действием солнечного ультрафиолета оксиды азота распадаются с образованием атомарного кислорода, который вступает в реакцию с молекулярным кислородом, образуя озон. В присутствии углеводородов образуются перекисные соединения, усиливающие токсичность смога.

  3. Оптические эффекты Частицы аэрозолей рассеивают и поглощают солнечное излучение. Это снижает видимость и изменяет радиационный баланс атмосферы. Особенно значима эффективность Ми-рассеяния для частиц с размерами, сопоставимыми с длинами волн видимого света.

  4. Метеорологические условия Ключевым фактором является наличие температурной инверсии, при которой теплый слой воздуха перекрывает холодный приземный, препятствуя вертикальному перемешиванию. В результате загрязнения концентрируются в нижних слоях атмосферы.

Физико-химическая структура смога

Смог — это многофазная система, включающая:

  • Газовую фазу (NO, NO₂, SO₂, CO, углеводороды, озон);
  • Жидкую фазу (капли растворов серной и азотной кислот, органических соединений);
  • Твердую фазу (частицы пыли, сажи, соли металлов).

Между фазами происходят активные процессы массопереноса и гетерогенной катализа: газы растворяются в каплях воды, окислительные реакции ускоряются на поверхности твердых частиц.

Влияние смога на физические процессы в атмосфере

  1. Тепловой баланс Аэрозоли уменьшают количество прямой солнечной радиации и усиливают рассеянное излучение. Это приводит к локальному снижению температуры поверхности и изменению вертикального профиля температуры.

  2. Радиационные эффекты Озон и другие окислители поглощают ультрафиолетовое излучение, что изменяет спектральный состав солнечной радиации у поверхности.

  3. Энергетические потоки Снижение интенсивности фотосинтетически активной радиации (400–700 нм) под действием смога влияет на биосферные процессы, в том числе продуктивность экосистем.

  4. Акустические эффекты Повышенная концентрация аэрозолей может влиять на распространение звука в городских условиях, изменяя коэффициент затухания акустических волн.

Устойчивость и рассеивание смога

Устойчивость смога определяется сочетанием атмосферной динамики и физических свойств аэрозолей:

  • Время жизни аэрозольных частиц зависит от их размера: крупные осаждаются за часы или дни, мелкодисперсные (PM2.5) могут находиться в атмосфере до недели.
  • Роль влажности заключается в том, что при повышенной влажности частицы гигроскопичных солей увеличиваются в размерах, что усиливает светорассеяние и токсичность.
  • Атмосферное перемешивание и конвекция способствуют разбавлению смога, однако при слабом ветре и инверсии загрязнения удерживаются вблизи поверхности.

Экспериментальные и модельные исследования

Для изучения физических основ смога применяются:

  • Лидары и радиометры для регистрации распределения аэрозолей по высоте;
  • Спектрофотометрические методы для определения концентрации озона и оксидов азота;
  • Аэрозольные камеры, позволяющие моделировать процессы образования и эволюции смога;
  • Математические модели атмосферного переноса, учитывающие фотохимию, динамику и радиационные эффекты.

Последствия для здоровья и среды

Физические характеристики смога определяют глубину проникновения частиц в дыхательные пути человека:

  • Крупные частицы задерживаются в носоглотке,
  • Мелкие (PM10, PM2.5) достигают бронхов и альвеол,
  • Наночастицы способны проникать в кровоток.

Таким образом, физические процессы рассеяния, конденсации и химической трансформации напрямую связаны с токсичностью и экологической опасностью смога.

Оглавление