Hoe ontstaat smog?

Letterlijk vertaald betekent smog een ‘mengsel van rook (smoke) en mist (fog)’. Het is een vorm van luchtvervuiling die verschillende oorzaken kan hebben. In de natuur zorgen vooral vulkaanuitbarstingen voor smog, door grote hoeveelheden gassen zoals zwaveldioxide en kleine partikels uit te stoten. Ook menselijke activiteiten kunnen smog veroorzaken. Zo veroorzaakt industriële uitstoot industriële smog en kan een combinatie van zomers weer en zwaar verkeer voor fotochemisch smog zorgen.

Figuur: smog boven Parijs (Wikimedia, CC BY-SA 3.0) 

Hier in België hebben we, zeker in de zomer, vooral last van fotochemisch smog. Dat is smog dat ontstaat wanneer intens zonlicht chemische reacties tussen vervuilende stoffen aandrijft. Door de hoge ozonconcentratie die hiermee gepaard gaat, spreken mensen soms ook over een ‘ozonlaag op de verkeerde plaats’. Hoewel het gaat over honderden reacties met tientallen chemische stoffen die zich tegelijk afspelen, kunnen deze allemaal teruggebracht worden tot enkele belangrijke componenten.

Een eerste belangrijke stof is stikstofmonoxide, dat ontstaat bij verbrandingsprocessen zoals die van brandstof in benzinemotoren. Langs de ene kant is dit afkomstig van stikstof uit de brandstof zelf, die reageert met zuurstof en zo stikstofmonoxide vormt. Typische brandstoffen bevatten echter weinig stikstof en het meeste stikstofmonoxide ontstaat dan ook uit verbrandingsreacties met de lucht in de motor, gedreven door de hoge temperaturen daar. Die lucht bestaat namelijk voor 78% uit stikstofgas. Hoewel je zou verwachten dat het proces omkeerbaar is en het stikstofmonoxide dus terug uiteen zou vallen in stikstof en zuurstof wanneer de uitlaatgassen afkoelen, is dit een zeer traag proces. Daardoor blijft dit gas nog zeer lang aanwezig in de omringende lucht. Omdat voor deze reactie zeer veel energie nodig is, speelt ze zich alleen af in verbrandingsmotoren en bij de productie van energie uit fossiele brandstoffen bijvoorbeeld en ontstaat er maar heel weinig stikstofmonoxide bij de verbranding van bijvoorbeeld hout, omdat de temperatuur daarvoor simpelweg niet hoog genoeg is.

Het stikstofmonoxide dat zo in de lucht terecht komt, reageert geleidelijk aan met de omgevende lucht (die voor 21% uit zuurstof bestaat) tot stikstofdioxide. Het mengsel van stikstofcomponenten dat zo ontstaat wordt NOx genoemd.

Figuur: Mens 60

Naast stikstof spelen ook Vluchtige Organische Stoffen (VOS) een zeer belangrijke rol in de vorming van smog. Dit zijn typisch de componenten die verdampen uit brandstoffen en hun kenmerkende geur veroorzaken. Ze komen vrij tijdens het tanken en bij het rijden, voor de katalysator (die deze koolwaterstoffen moet omzetten in koolstofdioxide, stikstof en waterdamp) voldoende opgewarmd is maar ook van vervluchtigde oplosmiddelen (uit verf bijvoorbeeld) en onvolledig afgebroken organische moleculen die aangemaakt worden tijdens de verbranding van fossiele brandstoffen.

Op zichzelf zijn stikstofmonoxide en VOS niet schadelijk, maar in combinatie met lucht en zonlicht kunnen zij een mengsel van ozon en salpeterzuur vormen, dat wel zeer schadelijk is.

Voor de vorming van ozon zijn er vier randvoorwaarden te vervullen; voldoende NOx, voldoende VOS, intense zonnestraling en een temperatuur die hoog genoeg is. Als er dan nog eens weinig wind is, blijven de nodige reactieproducten ter plaatse en is het plaatje compleet.

Onder invloed van ultraviolette (UV) straling, valt stikstofdioxide uit elkaar in stikstofmonoxide en een zuurstofatoom in wat een fotochemische decompositie genoemd wordt.

Dit zuurstofatoom reageert vervolgens met het zuurstofgas in de lucht tot ozon.

Dit volledige proces is relatief traag, omdat ozon pas accumuleert als al het stikstofmonoxide weg gereageerd is tot stikstofdioxide. Als er nog stikstofmonoxide aanwezig is, wordt de gevormde ozon gebruikt om stikstofdioxide en zuurstofgas te vormen.

Figuur: Verloop van de concentratie aan verschillende stoffen die een rol spelen in smogvorming. Hydrocarbon en aldehydes zijn vormen van organische stoffen (Mens 60)

Ondertussen worden de VOS afgebroken onder invloed van het zonlicht, waarbij vrije radicalen gevormd worden. Vrije radicalen zijn atomen, moleculen of ionen die een ongepaard, vrij elektron bevatten en dus zeer reactief zijn. Ze reageren snel met de andere componenten die in de chemische smogsoep aanwezig zijn en vormen zo salpeterzuur en schadelijke organische componenten. Deze filteren bepaalde kleuren uit het inkomende zonlicht, met een bruine, troebele wolk smog tot gevolg.

Als je dus nog eens ziet dat de snelheid op grote wegen gelimiteerd is tot 90 km/h tijdens zonnige, windstille dagen, dan weet je nu dat dat niet is om extra van het zonnetje en de omgeving te kunnen genieten, maar om de vorming van smog te vermijden.

Meer weten? Lees zeker eens Mens 60!

Geplaatst door Marjolein op 24/04/2018 om 18:34