光化学スモッグは、自動車の内燃機関からのガスの化学反応による形成濃霧です。これらの反応は太陽光によって媒介され、対流圏、つまり地上0〜10 kmに広がる大気の層で発生します。
スモッグという言葉は、英語の2つの単語の短縮形に由来します。«fog»は霧または霧を意味し、«smoke»は煙を意味します。その使用は1950年代にロンドンの都市を覆う霞を指定するために始まりました。
図1.米国ソルトレイクシティの光化学スモッグ。出典：Eltiempo10、Wikimedia Commons
スモッグは、大気中に分散した小さな水滴によって引き起こされ、空気汚染物質間で発生する反応の化学生成物を含む、黄色がかった茶色がかった灰色のかすみとして現れます。
このヘイズは、車の密度が高く、車両の通行量が多いため、大都市では非常によく見られますが、米国アリゾナ州のグランドキャニオンなどの自然のままのエリアにも広がっています。
非常に多くの場合、スモッグは、いくつかの典型的なガス状化学成分の存在のために、特徴的な不快な臭いを持っています。スモッグを引き起こす反応の中間生成物および最終化合物は、人間の健康、動物、植物、および一部の物質に深刻な影響を与えます。
特徴
対流圏で発生するいくつかの反応
惑星地球の大気の特徴的な特徴の1つは、それが含む二原子分子酸素（O 2）の相対的な量が多いため（その組成の約21％）、その酸化能力です。
最終的に、大気中に放出された事実上すべてのガスは空気中で完全に酸化され、これらの酸化の最終生成物は地球の表面に堆積します。これらの酸化プロセスは、空気をきれいにして除染するために非常に重要です。
大気汚染物質間で発生する化学反応のメカニズムは非常に複雑です。以下はそれらの簡単な説明です。
一次および二次大気汚染物質
自動車エンジンの化石燃料の燃焼によって排出されるガスは、主に一酸化窒素（NO）、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（CO 2）および揮発性有機化合物（VOC）を含んでいます。
これらの化合物は、光によって媒介される化学反応（光化学反応）により、二次汚染物質と呼ばれる一連の生成物を生成するため、一次汚染物質と呼ばれます。
基本的に、最も重要な二次汚染物質は二酸化窒素（NO 2） とオゾン（O 3）です。これらはスモッグの形成に最も影響を与えるガスです。
対流圏でのオゾン形成
一酸化窒素（NO）は、高温で空気中の酸素と窒素が反応することにより、自動車のエンジンで生成されます。
N 2（g）+ O 2（g）→ 2NO（g）、ここで（g）は気体状態を意味します。
大気中に放出された一酸化窒素は、二酸化窒素（NO 2）に酸化されます。
2NO（g）+ O 2（g）→2NO 2（g）
NO 2は日光によって媒介される光化学分解を受けます：
NO 2（g）+hγ（明るい）→NO（g）+ O（g）
原子状の酸素Oは、オゾン（O 3）の形成などの多くの反応を開始できる非常に反応性の高い化学種です。
O（g）+ O 2（g）→O 3（g）
成層圏（地表から10 km〜50 kmの大気の層）内のオゾンは、太陽からの高エネルギーの紫外線を吸収するため、地球上の生命の保護要素として機能します。しかし、地上の対流圏では、オゾンが非常に有害な影響を及ぼします。
図2.ニューヨークのスモッグ。ソース：ウィキペディアコモンズ
光化学スモッグの原因
対流圏でのオゾン形成の他の経路は、窒素酸化物、炭化水素、酸素が関与する複雑な反応です。
これらの反応で生成される化合物の1つは、ペルオキシアセチルニトレート（PAN）です。これは、呼吸困難も引き起こす強力な涙剤です。
揮発性有機化合物は、内燃機関で燃焼しない炭化水素だけでなく、溶媒や燃料の蒸発など、さまざまな発生源から発生します。
これらのVOCは、オゾン、硝酸（HNO 3）、および部分的に酸化された有機化合物の発生源である複雑な光化学反応も受けます。
VOC + NO + O 2 +日光→複雑な混合物：HNO 3、 O 3およびさまざまな有機化合物
これらすべての有機化合物、酸化生成物（アルコールとカルボン酸）も揮発性であり、それらの蒸気はエアロゾルの形で空気中に分布する小さな液滴に凝縮し、日光を散乱させて視認性を低下させます。このようにして、対流圏で一種のベールまたは霧が生成されます。
スモッグの影響
燃焼によって生成されるすすまたは炭素粒子、無水硫酸（SO 2）および二次汚染物質-硫酸（H 2 SO 4）-もスモッグの生成に関与しています。
対流圏のオゾンは、肺組織、植物および動物組織のC = C二重結合と反応して、深刻な損傷を引き起こします。さらに、オゾンは自動車のタイヤなどの材料を損傷し、同じ理由で亀裂を引き起こす可能性があります。
光化学スモッグは、重度の呼吸器系の問題、咳の発作、鼻と喉の炎症、短い呼吸、胸の痛み、鼻炎、目の炎症、肺機能障害、呼吸器感染症に対する耐性の低下、早期老化の原因です肺組織、重度の気管支炎、心不全および死。
ニューヨーク、ロンドン、メキシコシティ、アトランタ、デトロイト、ソルトレイクシティ、ワルシャワ、プラハ、シュトゥットガルト、北京、上海、ソウル、バンコク、ボンベイ、カルカッタ、デリー、ジャカルタ、カイロ、マニラ、カラチなどの都市では、巨大都市では、光化学スモッグのピーククリティカルエピソードが警報と循環を制限する特別な対策の原因となっています。
一部の研究者は、二酸化硫黄（SO 2）と硫酸塩によって引き起こされる汚染が、北半球に生息する集団で、乳がんと結腸がんの収縮に対する抵抗力を低下させると報告しています。
これらの事実を説明するために提案されたメカニズムは、スモッグが対流圏に入射太陽光を散乱させることにより、ビタミンDの生化学的合成に必要な利用可能な紫外線タイプB（UV-B）放射の減少を引き起こすことですビタミンDは両方のタイプの癌に対する保護剤として機能します。
このように、高エネルギー紫外線の過剰は健康に非常に有害であることがわかりますが、UV-B放射線の不足も有害な影響を及ぼします。
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