Автор: Ольга Альгешкина
Слово редакции
Смог – явление, знакомое большинству жителей крупных городов: в периоды безветрия, тумана или резкого похолодания загрязняющие вещества накапливаются в приземном слое атмосферы, ухудшая качество воздуха и самочувствие людей. За этим эффектом стоят конкретные физико-химические процессы, которые усиливаются при неблагоприятных метеорологических условиях.
Именно в такие периоды в России объявляется режим НМУ – неблагоприятных метеорологических условий, когда предприятия обязаны снижать выбросы, чтобы предотвратить накопление загрязняющих веществ в воздухе. С 1 марта 2026 года вступает в силу новый порядок разработки и согласования планов мероприятий при НМУ (приказ Минприроды России от 28.11.2025 г. № 662), устанавливающий единые требования к расчётам снижения выбросов, форме плана и порядку его согласования с органами исполнительной власти субъектов РФ. Речь идёт о механизме реагирования на погодные ситуации, при которых риск смога возрастает.
При этом смог неоднороден: серный, фотохимический и инверсионный сценарии формируются в различных климатических и градостроительных условиях. Поэтому меры снижения риска должны учитывать специфику конкретного города – его рельеф, плотность застройки, транспортную структуру и энергетическую модель. Понимание физики и химии этих процессов остаётся необходимой основой для эффективных управленческих решений в сфере качества атмосферного воздуха.
Происхождение смога и основные условия его возникновения
Термин «смог» впервые употребил доктор Генри Антуан де Во в 1905 году в статье «Туман и дым», написанной для Конгресса здравоохранения, в отношении дымового тумана над Лондоном.
Первоначально под смогом подразумевался дым, образованный от сжигания угля. Человечество столкнулось с ним еще в средние века. В 1306 году английский король Эдуард I издал указ, запрещающий использовать уголь в Лондоне из-за сильного дыма, создаваемого им при горении. А в XIX веке смог стал неотъемлемой частью Лондона и получил название «горохового супа» из-за жёлто-чёрной окраски воздуха.
Обычно смог образуется в крупных городах с сильным загрязнением воздуха и наиболее опасен в солнечную безветренную погоду, когда формируются температурные инверсии (состояние, при котором холодный воздух располагается у поверхности, а над ним формируется тёплый слой, создающий малоподвижный профиль без перемешивания).
На формирование смога также влияют плохие условия проветривания городов, когда они расположены в котловинах или окружены горами.
Наиболее известные города, подверженные смогу – Лондон, Лос-Анджелес, Мехико, Афины, Гонконг, Пекин, Москва.
Сценарии смогообразования в городской среде
По механизму возникновения выделяют влажный смог (лондонского типа), фотохимический (лос-анджелесский) и ледяной (аляскинский).
Лондонский сценарий: влажный смог и его последствия
Смог лондонского типа – так называемый «серный» смог, исторически характерный для Лондона. Это смесь тумана, дыма, отходов производственных предприятий и отопительных систем, работающих на угле.
Условия формирования
Лондонский смог формируется при влажности воздуха около 100 %, температуре 0 °С, длительной штилевой погоде и высокой концентрации продуктов сгорания твердого и жидкого топлива (диоксид серы, сажа, оксиды азота и угарный газ). Наблюдается чаще в осенне-зимний период, характерен для умеренных широт с влажным морским климатом.
Главными токсичными компонентами являются диоксид серы и продукты его окисления.
Химические процессы
Рассмотрим основные химические реакции, происходящие в атмосфере.
При сжигании угля и нефтепродуктов образуется диоксид серы. Совместное окисление диоксида серы и углеводородов приводит к образованию сульфиновых кислот:
SО2(3В1) + RH → RSO2H
Также возможно окисление диоксида серы озоном:
SО2 + O3 → SO3 + O2
Под воздействием катализаторов (солей марганца, оксидов азота, находящихся в атмосфере), диоксид серы окисляется до серной кислоты:
SO2 + NO2 + H2O → H2SO4 + NO
Таким образом, формируется смог, состоящий из аэрозоля серной кислоты. Кроме диоксида серы в его формирование большой вклад вносят оксиды азота, углекислый газ и углеводороды.
Последствия и институциональные меры
Смог получил своё название после происшедшей в столице Великобритании в декабре 1952 года катастрофы, связанной с высокой загрязненностью воздуха и длительным штилем в течение двух недель. В этот период резко повысилось число легочных и сердечно-сосудистых заболеваний, смертность увеличилась более чем в 10 раз. Подобные ситуации повторялись в декабре 1956 и январе 1957 годов.
От Великого смога 1952 года в Лондоне скончалось более 4 000 человек, ещё 8 000 человек погибли в последующие несколько месяцев.
Сейчас такие смоги для Лондона остались в прошлом из-за активных действий властей в области охраны атмосферного воздуха.
Были приняты закон Лондонского Сити (1954 год) и закон «О чистом воздухе» в редакции 1956 и 1968 годов. Домовладельцев финансово стимулировали к замене отопления углем на альтернативные варианты – на газовое отопление или применение бездымного кокса.
Фотохимический (лос-анджелесский) смог: химия автомобильной урбанизации
В 1950-х годах в Лос-Анджелесе Хаген-Смит впервые описал новый тип смога – фотохимический, который является результатом смешения в воздухе оксидов азота, озона, летучих органических веществ и пероксиацетилнитрата под воздействием солнца.
Общая характеристика и воздействие
Фотохимический смог – самый распространенный на планете. Благоприятные условия для образования данного вида смога созданы в большинстве крупных городов с высоким автомобильным трафиком.
При постоянном воздействии выхлопных газов автотранспорта на организм человека могут развиваться заболевания органов дыхания, сердечно-сосудистой и нервной систем, а формирование смога усиливает данные негативные эффекты.
По мнению К. Н. Зеленина, качество атмосферного воздуха города можно оценивать концентрациями оксида азота и озона.
Качество воздуха Содержание, мкг/м3 оксид азота озон нездоровый 1 130 400 очень нездоровый 2 260 800 опасный 3 000 1 000 очень опасный 3 750 1 200
Озон обладает бактерицидными и дезодорирующими свойствами, однако при повышенной концентрации является одним из сильнейших окислителей с высокой степенью токсичности и способен с легкостью проникать в листья деревьев, нарушая процессы фотосинтеза. В нижних слоях тропосферы его концентрация находится в пределах 0,05–0,4 мг/м3.
Но такая однобокая классификация не учитывает присутствия других токсичных загрязнителей (формальдегида и перекисных соединений), способных длительно сохраняться в атмосфере при 15–30 ºС при относительной влажности 30 %.
В настоящее время сложилось мнение, что главная ответственность за образование фотохимического смога лежит на автомобильном транспорте, в выбросах которого присутствует большое количество оксидов азота и углеводородов, претерпевающих сложную цепь химических превращений с участием кислорода воздуха и солнечной радиации с формированием агрессивной атмосферы.
Некоторые исследователи полагают, что возникновение фотохимического смога можно предотвратить, если понизить содержание указанных веществ. При этом не учитывается, что воздушный бассейн выступает в качестве крупного природного резервуара, в котором исходные загрязнители характеризуются определенным временем жизни, активно участвуют в различных процессах и образуют токсичные продукты.
Вторичные загрязнители
В воздушном бассейне, как в химическом резервуаре, формируются вторичные загрязнители в результате протекания многочисленных фотохимических реакций – озон, альдегиды (формальдегид) и перекисные соединения, в частности пероксиацетилнитрат (ПАН).
Механизм фотохимических реакций
Рассмотрим наиболее важные химические процессы, протекающие под воздействием солнечного света на оксиды азота:
NO2 + hν → NO + O;
O2 + hν → O2* – молекула синглетного кислорода;
NO2 + hν + O2* ↔ NO + O3
Таким образом, в результате фотохимических реакций в тропосфере происходит образование свободно-радикального кислорода O2*, который окисляет диоксид азота NO2, содержащийся в выхлопных газах, до оксида азота NO и озона O3. При этом реакция является обратимой и протекает в обе стороны.
Чем выше содержание радикалов в воздушной среде, тем больше вероятность возникновения смога. Предполагается, что в настоящее время концентрация радикалов увеличилась, и они вовлекают в реакции многие находящиеся в атмосфере вещества, которые ранее считались почти инертными. К ним относится и метан, средняя концентрация которого в атмосфере равна 1,8 млрд-1.
В связи с глобальным потеплением в атмосферу попадает большое количество метана из оттаявших болот и ледников. Под воздействием солнечного света происходит окисление метана до токсичных вторичных загрязнителей – формальдегида и озона:
СН4 + 4 О2 + 2 hν → НСНО + 2 О3 + Н2О
Диоксид азота при наличии этана в воздухе также расходуется на образование более опасного пероксиацетилнитрата (ПАН):
С2H6 + O2 → CH3CHO + H2O
CH3CHO + HO* → CH3CО* + H2O
CH3CО* + O2 → CH3C(О)OO*
CH3C(О)OO* + NO2* → CH3C(О)OONO2
Пероксинитраты группы ПАН обладают высокой токсичностью. Уже при концентрации 0,2 мг/м³ они вызывают слезотечение, кашель и отёк дыхательных путей, способствуют росту заболеваемости гриппом и ОРЗ, а также повреждают зелёные насаждения и разрушают резину.
Коэффициент трансформации
В современных исследованиях вводится понятие «коэффициента трансформации» kтр, который является критерием смогообразования в воздушном бассейне:
kтр = [O3] • [NO] / [NO2],
[O3] = kтр • [NO2] / [NO]
Таким образом, в атмосфере под воздействием солнечных лучей протекают многочисленные химические процессы с участием первичных загрязнителей (оксидов азота), приводящие к образованию высокотоксичной и агрессивной среды. Входящие в её состав формальдегид, озон и оксиды азота способны влиять на концентрации друг друга и участвуют в образовании широкой гаммы термически нестойких перекисных соединений.
Использование классических химических уравнений, связывающих между собой оксид азота, диоксид азота и озон, показало реальность их выполнения в атмосферном воздухе городов. Это создаёт возможности для контроля данных, получаемых на сети станций мониторинга. Максимум концентрации озона возникает при концентрации NO = 12 мкг/м3 и kтр = 0,7. В этом случае концентрация озона достигает 2,6 ПДК.
При kтр = 0,8 концентрация озона могла бы достичь 4 ПДК, но в реальных атмосферных условиях такая ситуация практически не возникает. Это свидетельствует о том, что озон не является приоритетной примесью в городах России, имеются другие вещества, достигающие более высоких уровней.
Российский контекст
В Москве при обычных условиях концентрация тропосферного озона, который является предвестником образования фотохимического смога, относительно низкая. Оценки показывают, что образование озона из оксидов азота и углеводородов происходит за пределами Москвы. Повышение его концентрации и связанное с этим неблагоприятное воздействие фиксируется на расстоянии 300–500 км вследствие переноса воздушных масс (в районе Нижнего Новгорода).
Результаты измерений формальдегида за 1998–2007 годы показывают его увеличение в 66 % городов России, что указывает на рост химической активности атмосферы. Повышенная окислительная активность приводит к увеличению содержания вторичных высокотоксичных загрязнителей и формированию фотохимического смога, оцениваемого коэффициентом трансформации kтр.
Другие вещества, включая диоксид серы и твердые частицы, также могут участвовать в смоге, хотя и не являются основными носителями высокой окислительной активности, характерной для фотохимического смога.
Для предотвращения фотохимического смога необходимо внедрение мероприятий по сокращению выбросов оксидов азота и углеводородов от стационарных и передвижных источников, а также поддержание оптимальной концентрации оксидов азота, обеспечивающих низкую скорость образования озона и невысокое значение коэффициента трансформации.
Однако уровень готовности городов к сокращению выбросов вторичных загрязнителей остаётся ограниченным: модернизация производств и развитие системы мониторинга требуют значительных финансовых затрат, что замедляет внедрение необходимых мер.
Инверсионный смог (аляскинский тип): механизмы формирования в северных городах
Аляскинский смог (или ледяной, инверсионный смог) – это специфический тип загрязнения воздуха, характерный для городов, расположенных в высоких северных широтах на Аляске, в Сибири, Канаде.
Атмосферные условия
Образуется при температурах ниже −30 °С, полном штиле, высокой влажности воздуха и наличии мощных источников загрязнения атмосферы. В этом случае выбросы даже небольшого количества загрязняющих веществ приводят к образованию густого тумана, состоящего из мельчайших кристалликов льда и серной кислоты.
Химические процессы
Рассмотрим ключевые химические процессы, лежащие в основе его образования.
Топливо состоит из углеводородов и обычно процесс его сгорания протекает согласно уравнению:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
Этот процесс не является опасным, так как углекислый газ и вода не являются токсичными веществами. Но при недостатке кислорода могут образоваться токсичные компоненты. Например, сажа:
4 CH4 + 4 O2 → 4 C + 8 H2O
При низких температурах и недостатке кислорода в условиях пиролиза могут образовываться полициклические ароматические углеводороды, например, канцерогенный бенз(а)пирен.
Наиболее распространенной примесью в ископаемом топливе является сера, частично представленная в виде минерала пирита − FeS2. В некоторых углях может содержаться до 6 % серы, которая превращается при сжигании в диоксид серы:
4 FeS2 + 11О2 → 8 SО2 + 2 Fe2O3.
В топливе присутствуют и другие примеси, но сера считается основным промышленным загрязнителем.
Диоксид серы хорошо растворяется во влаге атмосферного воздуха и может конденсироваться вокруг частиц дыма.
Следы металлов, содержащиеся в топливе (железа или марганца), катализируют переход растворенного диоксида серы в серную кислоту:
2 HSO3- + O2 → 2 H+ + 2 SO42-
Серная кислота дополнительно адсорбирует воду. Капельки постоянно растут и образуют влажный смог, который может достигать очень низких значений pH.
Химическая природа аляскинского смога ближе к лондонскому, но с дополнительным вкладом фотохимических процессов и твёрдых частиц.
Возможности снижения
Эффективными методами борьбы с данным видом смога являются переход на более чистые источники энергии (природный газ, солнечная энергия, ветер), установка газоочистного оборудования, создание ветропарков, которые будут способствовать рассеиванию загрязнителей.
Итоги обзора
Смог может рассматриваться как показатель системных особенностей городской модели – энергетической, транспортной и пространственной. Несмотря на различия в механизмах, все типы смога формируются при сочетании антропогенных выбросов и неблагоприятных метеорологических условий. Их систематизация позволяет лучше понимать природу городского атмосферного загрязнения и определять направления снижения риска.
Литература
- Морзак Г. И., Хрипович А. А. Физико-химические процессы в окружающей среде.
- Зеленин К. Н. Оксид азота: новые возможности давно известной молекулы.
- Афанасьев С. В., Шевченко Ю. Н., Мельникова Д. А. Влияние парниковых газов на формирование фотохимического смога.
- Афанасьев С. В., Шевченко Ю. Н., Волков Д. А., Мельникова Д. А. Фотохимический смог в городе с высокой транспортной и промышленной нагрузкой.
- Трифонов К. И., Кузнецова А. И., Афанасьев С. В., Рощенко О. С. Мониторинг формальдегида в атмосферном воздухе городов Российской Федерации.