Smog d'été

Le smog estival (également smog , ozone smog ou LA -Smog ) est défini comme l'exposition de l'air à de fortes concentrations d' ozone et d'autres oxydants photochimiques . Le smog estival est causé par l' oxydation photochimique du monoxyde de carbone (CO), du méthane (CH 4 ) et des hydrocarbures volatils ( COV ) en présence d' oxydes d'azote et de vapeur d'eau comme catalyseurs , c'est-à-dire pas trop élevée par temps ensoleillé et pas trop frais. Le mécanisme de formation a été identifié comme la cause du prétendu smog de Los Angeles vers 1950, notamment par un groupe de recherche dirigé par Arie Jan Haagen-Smit à Caltech . Le smog de Los Angeles a été reconnu comme un phénomène spécial en 1943. A cette époque, la production industrielle y augmentait particulièrement rapidement en raison de la guerre. En revanche, le simple smog , de la fumée (fumée) et du brouillard (brouillard), un phénomène plus ancien et plutôt hivernal.

La pollution locale par l' ozone est déterminée par des stations de mesure de l'air et régulièrement affichée et publiée sur des cartes de pollution. L'ozone attaque les organes respiratoires et endommage les plantes et les animaux. Étant donné que même de faibles concentrations d'oxydes d'azote sont suffisantes, seules les zones à air extrêmement propre ne sont pas affectées. L'augmentation mondiale de l'ozone troposphérique contribue au changement climatique - directement en tant que gaz à effet de serre et indirectement par le biais de la capacité de photosynthèse réduite des plantes.

caractéristiques

Le principal composant du smog photochimique est l'ozone, l'un des agents oxydants les plus puissants de tous. Il représente jusqu'à 90% des photooxydants. En outre, il est un mélange complexe de divers irritants, y compris peroxiacetyl nitrate , nitrate peroxibenzoyl , l' acroléine et de formaldéhyde . En plus des radicaux à vie courte et hautement réactifs, il existe également des produits stables de la dégradation oxydative des composés organiques. Cependant, ceux-ci sont dans des concentrations nettement inférieures à celles de l'ozone et sont donc moins importants.

Génération d'ozone

Tant dans la couche d' ozone stratosphérique que dans le smog d'été, l'ozone (O 3 ) est créé par l'ajout d'un atome d'oxygène (O) à une molécule d'oxygène (O 2 ), moyennant quoi un troisième partenaire de collision (M) doit être présent pour dissiper l'énergie de liaison:

O + O 2 + M → O 3 + M (1)

Cependant, les atomes O proviennent de différentes sources. Dans la stratosphère, c'est la photolyse de l'O 2 par rayonnement UV-C, mais il n'atteint pas la troposphère . Dans le smog d'été, c'est (2) la photolyse de l'ozone par UV-B ( , au-delà d'environ 308 nm) ou (3) du dioxyde d'azote (NO 2 ) par la lumière violette ( <420 nm):

O 3 + → O 2 + O ( 1 D) (2)
NON 2 + → NON + O (3)

À première vue (2) et (3) ne semblent pas modifier l' équilibre O 3 , car en (2) un O 3 est perdu, tout comme la réaction (4) qui suit habituellement (3):

NON + O 3 → NON 2 + O 2   (4)

Cependant, outre (4), il existe d'autres sources de NO 2 , surtout

ROO + NO → RO + NO 2   (5)

En cela, R représente soit un atome d'hydrogène (H), soit un radical organique, tel que CH 3 .

La formation de ROO commence par la réaction (2). Le produit O ( 1 D), un atome d'oxygène excité électroniquement, est généralement déjà désexcité à l'état fondamental O ( 3 P) lors de la prochaine collision , suivi de (1), mais O ( 1 D) peut être une alternative , en particulier dans l'air humide et chaud rencontrer une molécule d'eau (H 2 O):

O ( 1 D) + H 2 O → 2 OH

Le radical hydroxyle réactif (OH, également noté HO) est considéré comme un détergent dans l'atmosphère, car la réaction avec OH est le puits dominant pour de nombreuses substances traces ( composés organiques volatils principalement ). Ici, par exemple, la chaîne de réaction pour l'oxydation du méthane (CH 4 ) via les produits intermédiaires formaldéhyde (HCHO) et monoxyde de carbone (CO):

OH + CH 4 → CH 3 + H 2 O
CH 3 + O 2 → CH 3 OO
CH 3 OO + NO → CH 3 O + NO 2   (5.1)
CH 3 O + O 2 → HCHO + HO 2 ,
HO 2 + NON → OH + NON 2   (5,2)
OH + HCHO → HCO + H 2 O
HCO + O 2 → HO 2 + CO
HO 2 + NON → OH + NON 2   (5,3)
OH + CO, + O 2 → HO 2 + CO 2
HO 2 + NON → OH + NON 2   (5,4)

Les trois radicaux OH utilisés ont été régénérés (5,2 à 5,4). Au total, quatre NO ont été oxydés. Après photolyse (3), le NO est à nouveau disponible. (3) est suivi par la formation d'ozone (1). L'augmentation de la concentration d'ozone accélère la formation d'autres radicaux OH. La réaction en chaîne ne conduit pas à une explosion, car l'oxydation des COV ne peut pas devenir beaucoup plus rapide que le NO est reproduit par (3), sinon des réactions concurrentes du type qui consomment de l'ozone se produisent avec (5)

ROO + R'OO → ROOR '+ O 2

par dessus. Les oxydes d'azote étant majoritairement d'origine anthropique dans les zones métropolitaines, la concentration d'oxydes d'azote est le levier approprié pour limiter le smog estival - l'une des raisons des valeurs limites d'oxyde d'azote beaucoup plus faibles dans l'environnement que dans les lieux de travail exposés ( MAK ). En conséquence, l'oxydation des COV est retardée, la pollution par l'ozone diminue dans l'agglomération et augmente dans les environs. Pour une distribution horizontale à grande échelle, voir. Ce n'est que dans les zones à air extrêmement propre que la convection de la stratosphère contribue de manière significative à la concentration d'ozone dans la basse troposphère. Pour les profils verticaux, voir.

Potentiel de formation d'ozone

Les principales sources d'oxydes d'azote et d'hydrocarbures formant l'ozone sont le trafic (moteurs à combustion interne), l'industrie (centrales électriques), les ménages (systèmes de chauffage) et les produits contenant des solvants (peintures).

Les gaz d'échappement émis, par exemple, par un véhicule à moteur thermique contribuent à la formation d'ozone dans la troposphère près du sol avec les différentes réactivités de leurs constituants ( COV ). Les hydrocarbures non brûlés en particulier ont une réactivité élevée avec les radicaux HO et ont par conséquent un potentiel de formation d'ozone élevé. La loi fédérale sur le contrôle des immissions qualifie ces substances de "précurseurs de l'ozone" et recommande de surveiller 27 composés chimiques, y compris les alcanes, les alcènes, les composés benzéniques substitués et le formaldéhyde (39e BImschV, partie 8, annexe 10, (B)). Le critère d'évaluation du potentiel de formation d'ozone est une méthode développée aux États-Unis au début des années 1990, dans laquelle les composants des gaz d'échappement sont individuellement enregistrés et évalués dans le cadre du test de cycle de conduite légalement prescrit (par exemple, US FTP). En Californie, cette procédure est désormais utilisée pour la certification des nouveaux véhicules immatriculés sur le marché - en particulier ceux avec des carburants reformulés et alternatifs. Cela se fait à l'aide de l'échelle MIR (réactivité incrémentale maximale), qui permet de prendre en compte les potentiels relatifs de formation d'ozone dans certaines conditions atmosphériques. Les facteurs MIR ont entre-temps été déterminés de manière empirique pour environ 200 composants de gaz d'échappement. Les composants ayant les réactivités les plus élevées sont certaines oléfines (MIR = 8–11 gO 3 / g COV ), certains aromatiques (7–9 gO 3 / g COV ) et certains oxygénats (aldéhydes avec 5–7 gO 3 / g COV ); Le méthane a la plus faible réactivité avec 0,015 gO 3 / g COV .

Les tests de véhicules ont montré ce qui suit:

  • Le potentiel de formation d'ozone est réduit de 80 à 95% par rapport à un véhicule sans catalyseur
  • Le bilan pour un véhicule alimenté au gaz naturel (GNC) est très favorable
  • En revanche, il n'y a que des différences mineures entre les différents carburants (essence, diesel, carburants alcoolisés M85 / E85)
  • En fonctionnement essence, 50% du potentiel de formation d'ozone est créé par seulement quatre composants de gaz d'échappement, tandis qu'un autre 40% est créé par 16 autres composants
  • En fonctionnement au gaz (GNC) et au diesel, 50% du potentiel de formation d'ozone est formé par seulement deux composants
  • De même, en mode alcool (M85 / E85), 50% du potentiel de formation d'ozone est formé par seulement deux composants (formaldéhyde ou acétaldéhyde, alcool non brûlé), tandis qu'un autre 40% est formé par 18 autres composants.

Effets chez l'homme

L'ozone pénètre profondément dans les poumons en tant que gaz irritant et peut provoquer une inflammation . Selon la durée de l'exposition et la concentration, il existe des effets sur la santé tels que toux, irritation des yeux, maux de tête ou dysfonctionnement pulmonaire. Selon les recommandations des médecins, l'effort physique doit être évité lorsque les niveaux d'ozone sont élevés.

Valeurs limites légales

Selon la 3ème directive européenne 2002/3 / CE pour les «valeurs limites pour la protection de la santé» (remplacée par la nouvelle directive 2008/50 / CE sur la qualité de l'air le 11 juin 2010 ):

  • Concentration sur 1 heure> 180 μg / m 3 : Informations pour la population
  • Concentration sur 1 heure> 240 μg / m 3 : avertissement du public
  • Max. Exposition quotidienne (valeur sur 8 heures): 120 μg / m 3

Contre-mesures possibles

L'évitement individuel (à court terme) consiste à se rendre dans des pièces fermées ou à quitter les zones polluées. Une réduction à long terme ne peut être obtenue qu'au niveau collectif. Étant donné que les conditions météorologiques sont considérées comme l'un des déclencheurs qui ne peuvent être influencés dans une large mesure, les mesures visant à réduire le smog estival visent à réduire les oxydes d'azote et les hydrocarbures volatils. Comme ceux-ci sont causés par le trafic, les systèmes de tir privés et l'industrie / le commerce, les arrêts et l'aide à éviter le trafic (à court terme). À long terme, il est nécessaire de moderniser et / ou de remplacer les systèmes et les véhicules.

Après le coucher du soleil, la formation d'un nouvel ozone s'arrête. Dans les régions à fort trafic, l'ozone existant réagit avec le monoxyde d'azote et la concentration d'ozone diminue rapidement. Dans les zones rurales, la teneur en ozone de l'air ne baisse que légèrement la nuit. En général, les concentrations d'ozone sont les plus faibles le matin.

Littérature

  • Ian Barnes, Karl-Heinz Becker, Peter Wiesen: Composés organiques et photosmog . Dans: La chimie à notre époque . ruban 41 , non. 3 , juin 2007, p. 200 , doi : 10.1002 / ciuz.200700415 .
  • Johannes Staehelin, Christoph Hüglin, Stefan Brönnimann, Nino Künzli: Ozon and summer smog , Académies suisses des sciences , 2016.
  • La chimie aujourd'hui - niveau secondaire supérieur, Schrödel Verlag
  • CE Mortimer, U. Müller: Chemie, 8e édition, Thieme, Stuttgart, 2003
  • B. Höhlein, P. Biedermann et al.: Emissions de la circulation et smog d'été , Monographies de Forschungszentrum Jülich, Volume 26/1996, ISBN 3-89336-188-X
  • G. Decker, J. Beyersdorf et al.: Le potentiel de formation d'ozone de différents concepts de véhicules et de carburants , ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 98 (1996) 5

Preuve individuelle

  1. ^ Arie J. Haagen-Smit: Chimie et physiologie du smog de Los Angeles. Industrial and Engineering Chemistry 44, 1952, doi: 10.1021 / ie50510a045 ( texte intégral libre ).
  2. ^ John M. Wallace, Peter V. Hobbs: Science atmosphérique: Une enquête d'introduction. Elsevier, 2006, ISBN 9780080499536 , aperçu limité dans Google Recherche de Livres.
  3. ^ Histoire du smog. LA Weekly, 22 septembre 2005.
  4. ^ Département militaire de Californie: Californie et la Seconde Guerre mondiale - Région métropolitaine de Los Angeles pendant la Seconde Guerre mondiale.Histoire militaire de la Californie en ligne, 2019.
  5. ^ Elizabeth A. Ainsworth et al.: Les effets de l'ozone troposphérique sur la productivité primaire nette et les implications pour le changement climatique. Annual Review of Plant Biology 63, 2012, doi: 10.1146 / annurev-arplant-042110-103829 ( texte intégral gratuit ).
  6. ↑ a b Ozone troposphérique - brochure d'information de l'Agence bavaroise pour l'environnement
  7. ↑ Yutaka Matsumi, Masahiro Kawasaki: photolyse de l'ozone atmosphérique dans la région ultraviolette. Chem.Rev.103 , 2003, doi: 10.1021 / cr0205255 ( texte intégral libre ).
  8. ↑ Cette réaction n'est pas élémentaire, mais se déroule en fonction de la pression via HOCO * ou H, voir David C. McCabe, Tomasz Gierczak, Ranajit K.Talukdar et AR Ravishankara : Kinetics of the Reaction OH + CO Under Atmospheric Conditions. Geophysical Research Letters 28, 2001, doi: 10.1029 / 2000GL012719 (texte intégral gratuit).
  9. ^ KB Moiseenko et al.: Sources photochimiques régionales d'ozone de surface en Europe et en Sibérie occidentale. Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics 54, 2018, doi: 10.1134 / S0001433818060105 ( texte intégral gratuit ).
  10. ↑ LL Pan et al.: Distribution bimodale de l'ozone troposphérique libre sur le Pacifique occidental tropical révélée par des observations aériennes. Geophysical Research Letters 42, 2015, doi: 10.1002 / 2015GL065562 (texte intégral gratuit).
  11. ^ Informations sur l'ozone - brochure d'information de l'Agence bavaroise pour l'environnement
  12. ↑ 39. BImschV, partie 8, annexe 10
  13. ↑ NRW Landtag 1985
  14. ^ Ozone - Mesures contre le smog d'été ( Mémento du 3 novembre 2012 dans les archives Internet )

liens web