Кратко — что такое фотохимический смог и почему он возникает

Фотохимический смог — это смесь приземного озона $O3$, высоких концентраций окислов азота $NOx$, летучих органических соединений $ЛОС,VOCs$, радикалов и вторичных аэрозолей, образующихся в солнечный дневной период в условиях высокой инсоляции и слабой вентиляции. Он типичен для мегаполисов с большими эмиссиями транспорта, энергетики и промышленных источников.

Основные химические этапы $упрощённо$

Инициирование фотохимии

NO2 + hv (λ < ~420 нм) → NO + O$3P$O$3P$ + O2 + M → O3 + M
Таким образом фотолиз NO2 при солнечном свете дает атомы кислорода, которые быстро превращаются в озон.

Формирование радикалов $важнодляцепнойокислительнойхимии$

O3 + hv $ультрафиолет$ → O$1D$ + O2O$1D$ + H2O → 2 OH
OH — главный дневной окислитель, инициирующий окисление VOCs; HO2 и RO2 — пероксильные радикалы, поддерживающие цепные реакции.

Окисление VOCs и роль RO2/NOx в производстве O3

VOC + OH → R· → RO2 $включаяHO2$RO2 + NO → RO + NO2NO2 при фотолизе снова даёт O и затем O3 → это даёт «чистый» прирост озона.
В сумме: окисление VOCs превращает NO → NO2 без непосредственного расхода озона, что повышает концентрацию NO2 и, следовательно, образование озона при фотолизе — это ключевой путь образования приземного озона.

Тормозящие реакции и хемиотитрация

NO + O3 → NO2 + O2 $титрацияозонаблизкокисточникуNO$RO2 + HO2 → пероксиды $пример:H2O2$ — утрата радикалов
Эти реакции регулируют, где и когда появляется максимум озона: близко к источнику с большим NO часто наблюдается низкий O3 из‑за титрации, а дальше по ветру $гдеNOснизился,аRO2/NOxсоотношениеизменилось$ образуется O3 максимум.

Специальные продукты и перенос

Пероксилацетилнитрат $PAN$ образуется при высокой температуре/солнечном свете из VOC-оксидантов и NOx; служит «резервуаром» NOx, может переносить его на большие расстояния и разлагаться в холодных регионах, высвобождая NOx и способствуя образованию озона вдали от источников.Вторичные органические аэрозоли $SOA$ формируются в результате окисления VOCs $включаябиогенные,напримеризопрен$ и увеличивают PM2.5 и смазывают видимость.

Роль NOx vs VOC: режимы чувствительности

NOx‑лимитированный режим $низкийNOx,избыточныеVOC$: сокращение NOx ведёт к уменьшению образования озона.VOC‑лимитированный режим $высокийNOx,сравнительномалоVOC$: сокращение VOC эффективнее для снижения озона; сокращение NOx при таком режиме может неожиданно повысить озон вблизи источников $из‑зауменьшениятитрацииO3реакциейNO+O3$, поэтому политика, ориентированная только на NOx, может быть контрпродуктивной.Многие городские территории имеют смешанные/пространственно изменяющиеся режимы — требуется модельная оценка $химическаятранспортнаямодель$, чтобы выбрать оптимальную стратегию.

Факторы метео и сезонности

Инсоляция, высокая температура, слабая турбулентность, инверсии и устойчивые антициклоны усиливают смог. Летом и в солнечные дни пик озона — выше.Биогенные VOCs $изопрен,терпены$ увеличиваются с температурой и могут существенно усилить образование озона и SOA.

Эффекты на здоровье и среду

Приземный озон раздражает дыхательные пути, снижает функцию лёгких, увеличивает госпитализации; SOA и NO2 вредят сердечно‑сосудистой системе, уменьшают видимость и повреждают растительность/культуры.

Практические меры снижения $чтоработаетлучшевсего$

Комплексный подход: ко‑сокращение NOx и VOCs

Важно оценить локальную чувствительность $NOx-илиVOC‑лимитированность$ и проводить координированные сокращения, а не только однотипные меры.

Транспорт

Электрификация транспорта $легковые,общественныйтранспорт$ — наиболее долгосрочно эффективная мера для снижения NOx, CO, неизгоревших углеводородов и PM.Строгие стандарты на выхлопы $Euro6/VI,выхлопныекаталитические/селективныенейтрализации—SCRдлядизелей$.Контроль испарений топлива: герметизация топливных систем, адсорберы паров, реформулированное низко-ЛОС топливо.Меры управления трафиком: низкоэмиссионные зоны, стимулирование общественного транспорта, парки и поездки по требованию, карпулинг.

Промышленность и энергетика

Снижение NOx на ТЭС/ПГЭС: низко‑NOx горелки, селективная каталитическая нейтрализация $SCR$, селективное некаталитическое восстановление $SNCR$.Улавливание и очистка выбросов ЛОС $конденсация,адсорбция,термическоеокисление$.Переход на более чистые виды топлива, энергосбережение, декарбонизация индустрии.

Управление летучими органическими соединениями $VOC$

Контроль растворителей, лакокрасочных материалов, производственных летучих выбросов $LDAR—поискиремонтутечек$.Регламентирование использования и маркировки бытовых и промышленных продуктов с высокой эмиссией ЛОС.Ограничение летних выбросов и профилактика в эпизоды высокого озона $временныезапретынаФОМ‑работы$.

Тактические меры при эпизодах

Дни предупреждений об озоне: ограничение дорожного движения, снижение производства, работа общественного транспорта.Информирование населения $ограничениефизнагрузокнаулице,уязвимыегруппы$.

Мониторинг, моделирование и политика

Точные эмиссионные инвентаризации, сеть наземных и спутниковых наблюдений, химико‑транспортные модели $CMAQ,CHIMERE$ для оценки чувствительности и прогнозирования.Экономические инструменты: налоги/платежи за выбросы, субсидии на чистую технику, рынки квот, программы обновления автопарка.

Практический приоритет для мегаполиса

Срочно: контроль эмиссий транспорта $электрификацияавтобусов,строгаятехинспекция,LDAR$, временные меры в пиковые периоды.Среднесрочно: модернизация ТЭК $SCR,переходнагаз/возобновляемые$, контроль промышленных VOC.Долгосрочно: структурные изменения — уменьшение автомобильной зависимости, сокращение потребления энергии и переход на чистую энергетику.

Ключевая мысль

Фотохимический смог — результат сложной нелинейной химии NOx–VOC–радикалов под действием солнца; односторонние меры $напримертолькосокращениеNOx$ могут в некоторых условиях усугублять проблему. Поэтому необходима локальная оценка химической чувствительности и скоординированные меры по сокращению и NOx, и VOCs, а также структурные изменения в транспортной и энергетической политике города.

Если хотите, могу:

Построить упрощённую схемы реакций или показать баланс реакций для конкретного примера.Оценить, в каком «режиме» $NOx‑илиVOC‑лимитированности$, вероятно, находится конкретный мегаполис по данным наблюдений $нужныданныеоNOx,O3,VOC,метерео$.