Каков процент содержания кислорода в атмосфере. Состав воздуха — какие вещества входят и их концентрация

Воздух — естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии. В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха методом сжижения получают благородные газы. В соответствии с Федеральным Законом «Об охране атмосферного воздуха» под атмосферным воздухом понимается "жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений".

Важнейшими факторами, определяющими пригодность для проживания человека, воздушной среды являются химический состав, степень ионизации, относительная влажность, давление, температура и скорость движения. Рассмотрим каждый из этих факторов по-отдельности.

В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.

Нормальный состав воздуха

Лёгкие аэроионы

Каждый житель Санкт-Петербурга чувствует, что воздух сильно загрязнен. Постоянно возрастающее количество автомобилей, фабрики и заводы выбрасывают в атмосферу тонны отходов своей деятельности. В загрязнённом воздухе присутствуют нехарактерные физические, химические и биологические вещества. Основными загрязнителями атмосферного воздуха мегаполиса являются: альдегиды, аммиак, атмосферная пыль, оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, кадмий, хром).

Наиболее опасными составляющими смога являются микроскопические частицы вредных веществ. Приблизительно 60% - это продукты сгорания автомобильных двигателей. Именно эти частицы мы вдыхаем гуляя по улицам наших городов и накапливаем в наших лёгких. Как утверждают медики, лёгкие жителя мегаполиса очень напоминают по степени загрязнённости лёгкие заядлого курильщика.

На первом месте по вкладу в загрязнение воздуха стоят выхлопные газы автомобилей, выбросы ТЭС – на втором месте, химическая промышленность – на третьем.

Степень ионизации воздуха

Высокая степень ионизации

Атмосферный воздух всегда ионизирован и содержит большее или меньшее количество аэроионов. Процесс ионизации природного воздуха происходит под действием целого ряда факторов, из которых главными являются радиоактивность почвы, горных пород, морских и подземных вод, космические лучи, молнии, разбрызгивание воды (эффект Ленарда) в водопадах, в барашках волн и т.п., ультрафиолетовое излучение Солнца, пламя лесных пожаров, некоторые ароматические вещества и т.п. Под влиянием этих факторов формируются как положительные, так и отрицательные аэроионы. На образовавшиеся ионы мгновенно оседают нейтральные молекулы воздуха, рождая так называемые нормальные и легкие атмосферные ионы. Встречая на своем пути взвешенные в воздухе пылинки, дымовые частицы, мельчайшие капельки воды, легкие ионы на них оседают и превращаются в тяжелые. В среднем над поверхностью земли в 1 см 3 содержится до 1500 ионов, среди которых преобладают положительно заряженные, что является, как будет показано далее, не совсем желательным для здоровья человека.

В некоторых регионах ионизация воздуха характеризуется более благоприятными показателями. К числу местностей, где воздух особенно ионизирован, принадлежат склоны высоких гор, горные долины, водопады, берега морей и океанов. Их часто используют для организации мест отдыха и санаторно-курортного лечения.

Таким образом, ионы воздуха — постоянно действующий фактор внешней среды, такой, как температура, относительная влажность и скорость движения воздуха.

Изменение степени ионизации вдыхаемого воздуха неизбежно влечет за собой сдвиги в различных органах и системах. Отсюда естественно стремление использовать ионизированный воздух в , с одной стороны, и потребность в разработке аппаратов и устройств для искусственного изменения концентрации и соотношения ионов в атмосферном воздухе, с другой. Сегодня, пользуясь специальной аппаратурой, можно усилить степень ионизации воздуха, увеличивая в тысячи раз количество ионов в 1 см 3 .

В санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.2.4.1294-03 приведены гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений. Заметьте, что важно не только количество отрицательно и положительно заряженных аэроионов, но и отношение концентрации положительных к концентрации отрицательных, которое называется коэффициентом униполярности (см. таблицу ниже).

В соответствии с гигиеническими требованиями количество отрицательно заряженных аэроионов должно быть больше либо, в крайнем случае, равно количеству положительно заряженных аэроионов. В условиях проживания в городах и работы в офисных помещениях следует пользоваться аэроионизаторами воздуха, чтобы не терять концентрацию внимания и медленнее уставать во время рабочего дня.

Микроклимат: отн. влажность, температура, скорость движения, давление

Под микроклиматом подразумевают комплекс физичесих параметров окружающей среды, влияющих на теплообмен человека и его здоровье. Основными параметрами микроклимата являются относительная влажность, температура, давление и скорость движения воздуха. Поддержание всех этих параметров в норме внутри помещения является ключевым фактором, определяющим комфортность пребывания в нём человека.

Нормальное значение параметров микроклимата даёт возможность организму человека тратить минимум энергии: на поддержание необходимого уровня теплообмена, на получение необходимого количества кислорода; при этом человек не чувствует ни жары, ни холода, ни духоты. По статистике нарушения микроклимата являются самыми частыми среди всех нарушений санитарно-гигиенических норм.

Микроклимат определяется воздействием внешней среды, особенностями постройки здания и систем отопления, вентиляции и кондиционирования.

В многоэтажных домах существует сильный перепад давления воздуха снаружи здания и внутри. Это приводит к накоплению различных загрязнений в здании, причём их концентрация будет различной на верхних и на нижних этажах, что пагубно сказывается на .

Особенности микроклимата каждой конкретной квартиры формируются под влиянием потоков воздуха, влаги и тепла. Воздух в помещении постоянно находится в движении. Поэтому одним из ключевых параметров воздуха является скорость его движения.

Ниже приведена таблица, в которой указаны оптимальные и допустимые значения температуры, влажности и скорости движения воздуха в различных помещениях в соответствии с действующими СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».

Параметров воздуха у себя дома, в офисе или загородном коттедже, Вы сможете принять соответствующие меры по нормализации выявленных отклонений.

Действующие сантитарные правила и нормативы по воздуху

Воздух - неотъемлемое условие жизни подавляющего числа организмов на нашей планете.

Без еды человек может прожить месяц. Без воды - три дня. Без воздуха - всего несколько минут.

История исследования

Не все знают, что главный компонент нашей жизнедеятельности - крайне неоднородное вещество. Воздух - это смесь газов. Каких именно?

Долгое время считалось, что воздух представляет собой единую субстанцию, а не смесь газов. Гипотеза неоднородности появлялась в научных трудах многих ученых в разное время. Но дальше теоретических догадок никто не продвигался. Только в восемнадцатом веке шотландский химик Джозеф Блэк экспериментально доказал, что газовый состав воздуха неоднороден. Открытие было произведено в ходе очередных опытов.

Современные ученые доказали, что воздух - это смесь газов, состоящая из десяти основных элементов.

Состав отличается в зависимости от места концентрации. Определение состава воздуха происходит постоянно. От этого зависит здоровье людей. Воздух - смесь каких газов?

На возвышенностях (особенно в горах) малое содержание кислорода. Такая концентрация называется «разреженный воздух». В лесах, наоборот, содержание кислорода максимальное. В мегаполисах повышено содержание углекислого газа. Определение состава воздуха - одна из важнейших обязанностей экологических служб.

Где можно использовать воздух

• Сжатую массу используют при закачивании воздуха под давлением. Установка до десяти бар установлена на любой станции шиномонтажа. Воздухом накачивают шины.
• Рабочие используют отбойные молотки, пневматические пистолеты для быстрого съема/монтажа гаек и болтов. Для такого оборудования характерен малый вес и высокий коэффициент полезного действия.
• На производствах, использующих лаки и краски, применяется для ускорения процесса сушки.
• На автомойках сжатая воздушная масса помогает в быстрой просушке автомобилей;
• Производственные предприятия пользуются сжатым воздухом при очистке инструментов от любых видов загрязнений. В таким образом можно очистить от стружки и опилок целые ангары.
• Нефтехимическая промышленность уже не представляется без оборудования для продувания трубопроводов перед первым пуском.
• При производстве оксидов и кислот.
• Для повышения температуры технологических процессов;
• Из воздуха добывают ;

Зачем нужен воздух живым существам

Основная задача воздуха, а точнее, одного из основных компонентов - кислорода - проникать в клетки, вследствие чего способствовать процессам окисления. Благодаря этому организм получает важнейшую для жизнедеятельности энергию.

Воздух попадает в тело через легкие, после чего распределяется по организму при помощи кровеносной системы.

Воздух - смесь каких газов?. Рассмотрим их подробнее.

Азот

Воздух - смесь газов, первым из которых является азот. Седьмой элемент периодической системы Дмитрия Менделеева. Первооткрывателем считается шотландский химик Даниил Резерфорд в 1772 г.

Входит в состав белков и нуклеиновых кислот человеческого организма. Хоть его доля в клетках невелика - не более трех процентов, газ имеет важнейшее значение для нормальной жизнедеятельности.

В составе воздуха его содержание - более семидесяти восьми процентов.

В нормальных условиях не имеет цвета и запаха. Не вступает в соединения с другими химическими элементами.

Наибольшее количество азота используют в химической промышленности, в первую очередь при изготовлении удобрений.

Используется азот в медицинской промышленности, при производстве красителей,

В косметологии при помощи газа лечат угри, рубцы, бородавки, систему терморегуляции организма.

С применением азота синтезируют аммиак, изготовляют азотную кислоту.

В химической промышленности кислород используется для окисления углеводородов в спиртах, кислотах, альдегидах, производства азотной кислоты.

Рыбная промышленность - насыщение кислородом водоемов.

Но наибольшее значение газ имеет для живых существ. При помощи кислорода организм может утилизировать (окислять) нужные белки, жиры и углеводы, превращая их в необходимую энергию.

Аргон

Газ, входящий в состав воздуха, находится на третьем месте по важности - аргон. Содержание не превышает одного процента. Является инертным газом без цвета, вкуса и запаха. Восемнадцатый элемент периодической системы.

Первое упоминание приписывается английскому химику в 1785 году. А лорд Лэрей и Уильям Рамзай получили Нобелевские премии за доказательство существования газа и опыты с ним.

Области применения аргона:

• лампы накаливания;
• заполнение пространства между стекол в пластиковых окнах;
• защитная среда при сварке;
• средство пожаротушения;
• для очистки воздуха;
• химический синтез.

Человеческому организму особой пользы не приносит. При высокой концентрации газа приводит к удушению.

Баллоны с аргоном серого или черного цвета.

Остальные семь элементов составляют 0,03% в воздухе.

Углекислый газ

Углекислый газ в составе воздуха не имеет цвета и запаха.

Образуется вследствие гниения или горения органических материалов, выделяется при дыхании и работе автомобилей и другого транспорта.

В теле человека образуется в тканях вследствие процессов жизнедеятельности и переносится по венозной системе в легкие.

Имеет положительное значение, т.к. при нагрузках расширяет капилляры, что обеспечивает возможность большей транспортировки веществ. Положительно влияет на миокард. Способствует увеличению частоты и силы нагрузки. Используется при коррекции гипоксии. Участвует в регуляции дыхания.

В промышленности углекислый газ получают из продуктов горения, как побочный газ химических процессов или при разделении воздуха.

Применение крайне широко:

• консервант в пищевой промышленности;
• сатурация напитков;
• огнетушители и системы пожаротушения;
• подкормка аквариумных растений;
• защитная среда при сварке;
• применение в баллончиках для газового оружия;
• хладагент.

Неон

Воздух - смесь газов, пятым из которых является неон. Был открыт значительно позже - в 1898 году. Название переводится с греческого как «новый».

Одноатомный газ, который не имеет цвета и запаха.

Обладает высокой электропроводностью. Имеет завершенную электронную оболочку. Инертен.

Получают газ при помощи разделения воздуха.

Применение:

• Инертная среда в промышленности;
• Хладагент в криогенных установках;
• Наполнитель газоразрядных ламп. Нашел широкое применение благодаря рекламе. Большинство цветных вывесок сделано при помощи неона. При пропускании электрического разряда лампы дают яркое цветное свечение.
• Сигнальные огни на маяках и аэродромах. Хорошо себя зарекомендовали при сильных туманах.
• Элемент воздушной смеси для людей при работе с высоким давлением.

Гелий

Гелий - одноатомный газ без цвета и запаха.

Применение:

• Подобно неону, при пропускании электрического разряда дает яркий свет.
• В промышленности - для удаления примесей из стали при выплавке;
• Хладагент.
• Наполнение дирижаблей и аэростатов;
• Частично в смесях для дыхания при глубоких погружениях.
• Теплоноситель в ядерных реакторах.
• Главная детская радость - летающие воздушные шарики.

Для живых организмов особой пользы не представляет. В высокой концентрации может вызвать отравление.

Метан

Воздух - смесь газов, седьмым из которых является метан. Газ без цвета и запаха. В больших концентрациях взрывоопасен. Поэтому для индикации в него добавляют одоранты.

Используется чаще всего как топливо и сырье в органическом синтезе.

Домашние печи, котлы, газовые колонки работают преимущественно на метане.

Продукт жизнедеятельности микроорганизмов.

Криптон

Криптон - инертный одноатомный газ без цвета и запаха.

Применение:

• при производстве лазеров;
• окислитель ракетного топлива;
• заполнение ламп накаливания.

Влияние на организм человека исследовано мало. Изучается применение при глубоководных погружениях.

Водород

Водород - бесцветный горючий газ.

Применение:

• Химическая промышленность - изготовление аммиака, мыла, пластмасс.
• Заполнение шаровых оболочек в метеорологии.
• Ракетное топливо.
• Охлаждение электрических генераторов.

Ксенон

Ксенон - одноатомный бесцветный газ.

Применение:

• наполнение ламп накаливания;
• в двигателях космических аппаратов;
• в качестве наркоза.

Для человеческого организма безвреден. Особой пользы не представляет.

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. В его составе имеются постоянные компоненты атмосферы (кислород, азот, углекислый газ), инертные газы (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон), небольшие количества озона, закиси азота, метана, йода, водяных паров, а также в переменных количествах различные примеси природного происхождения и загрязнения, образующиеся в результате производственной деятельности человека.

Кислород (О2) самая важная для человека часть воздуха. Он необходим для осуществления окислительных процессов в организме. В атмосферном воздухе содержание кислорода равно 20,95 %, в выдыхаемом человеком воздухе - 15,4-16 %. Снижение его в атмосферном воздухе до 13-15 % приводит к нарушению физиологических функций, а до 7-8 % - к смертельному исходу.

Азот (N) - является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота - 78,97-79,2 %. Биологическая роль азота заключается, главным образом, в том, что он является разбавителем кислорода, поскольку в чистом кислороде жизнь невозможна. При увеличении содержания азота до 93 % наступает смерть.

Диоксид углерода (углекислый газ), СО2 - является физиологическим регулятором дыхания. Содержание в чистом воздухе составляет 0,03 %, в выдыхаемом человеком - 3 %.

Снижение концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе не представляет опасности, т.к. необходимый уровень его в крови поддерживается регуляторными механизмами за счет выделения при обменных процессах.

Повышение содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 0,2 % вызывает у человека нарушение самочувствия, при 3-4 % наблюдается возбужденное состояние, головная боль, шум в ушах, сердцебиение, замедление пульса, а при 8 % возникает тяжелое отравление, потеря сознания и наступает смерть.

За последнее время концентрация диоксида углерода в воздухе промышленных городов увеличивается в результате интенсивного загрязнения воздуха продуктами сгорания топлива. Повышение в атмосферном воздухе СО2 приводит к появлению в городах токсических туманов и «парниковому эффекту», связанному с задержкой углекислотой теплового излучения земли.

Повышение содержания СО2 сверх установленной нормы свидетельствует об общем ухудшении санитарного состояния воздуха, т.к наряду с диоксидом углерода могут накапливаются другие токсические вещества, может ухудшается ионизационный режим, возрастать запыленность и микробная загрязненность.

Озон (О3). Основное его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности Земли. В приземных слоях атмосферы содержится ничтожно малое количество озона - не более 0,000001 мг/л. Озон защищает живые организмы земли от губительного действия коротковолновой ультрафиолетовой радиации и одновременно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, исходящую от Земли, предохраняя ее от чрезмерного охлаждения. Озон обладает окислительными способностями, поэтому в загрязненном воздухе городов его концентрация ниже, чем в сельской местности. В связи с этим озон считался показателем чистоты воздуха. Однако в последнее время установлено, что озон образуется в результате фотохимических реакций при формировании смога, поэтому обнаружение озона в атмосферном воздухе крупных городов считают показателем его загрязнения.

Инертные газы - не имеют выраженного гигиенического и физиологического значения.

Хозяйственно-производственная деятельность человека является источником загрязнения воздуха различными газообразными примесями и взвешенными частицами. Повышенное содержание вредных веществ в атмосфере и в воздухе помещений неблагоприятно сказывается на организме человека. В связи с этим важнейшей гигиенической задачей является нормирование их допустимого содержания в воздухе.

Санитарно-гигиеническое состояние воздуха принято оценивать по предельно допустимым концентрациям (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны - это концентрация, которая при ежедневной 8-часовой работе, но не более 41 час в неделю, в продолжение всего рабочего стажа не вызывает заболеваний или отклонений в состоянии здоровья настоящего и последующих поколений. Устанавливают ПДК среднесуточную и максимально разовую (действие до 30 мин в воздухе рабочей зоны). ПДК для одного и того же вещества может быть различной в зависимости от длительности его воздействия на человека.

На пищевых предприятиях основными причинами загрязнение воздуха вредными веществами являются нарушения технологического процесса и аварийные ситуации (канализации, вентиляции и др.).

Гигиеническую опасность в воздухе помещений представляют оксид углерода, аммиак, сероводород, сернистый газ, пыль и др., а также загрязнение воздуха микроорганизмами.

Оксид углерода (СО) - газ без запаха и цвета, попадает в воздух как продукт неполного сгорания жидкого и твердого топлива. Он вызывает острое отравление при концентрации в воздухе 220-500 мг/м3 и хроническое отравление - при постоянном вдыхании концентрации 20-30 мг/м3. Среднесуточная ПДК оксида углерода в атмосферном воздухе - 1 мг/м3, в воздухе рабочей зоны - от 20 до 200 мг/м3 (в зависимости от длительности работы).

Диоксид серы (S02) - наиболее часто встречающаяся примесь атмосферного воздуха, поскольку сера содержится в различных видах топлива. Этот газ обладает общетоксическим действием и вызывает заболевания дыхательных путей. Раздражающее действие газа обнаруживается при концентрации его в воздухе свыше 20 мг/м3. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК диоксида серы - 0,05 мг/м3, в воздухе рабочей зоны - 10 мг/м3.

Сероводород (H2S) - обычно попадает в атмосферный воздух с отходами химических, нефтеперерабатывающих и металлургических заводов, а также образуется и может загрязнять воздух помещений в результате гниения пищевых отходов и белковых продуктов. Сероводород обладает общетоксическим действием и вызывает неприятные ощущения у человека при концентрации 0,04-0,12 мг/м3, а концентрация более 1000 мг/м3 может стать смертельной. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК сероводорода - 0,008 мг/м3, в воздухе рабочей зоны - до 10 мг/м3.

Аммиак (NH3) - накапливается в воздухе закрытых помещений при гниении белковых продуктов, неисправности холодильных установок с аммиачным охлаждением, при авариях канализационных сооружений и др. Токсичен для организма.

Акролеин - продукт разложения жира при тепловой обработке, способен вызывать в производственных условиях аллергические заболевания. ПДК в рабочей зоне - 0,2 мг/м3.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) - отмечена их связь с развитием злокачественных новообразований. Наиболее распространенным и наиболее активным из них является 3-4-бенз(а)пирен, который выделяется при сжигании топлива: каменного угля, нефти, бензина, газа. Максимальное количество 3-4-бенз(а)пирена выделяется при сжигании каменного угля, минимальное - при сжигании газа. На пищевых предприятиях источником загрязнения воздуха ПАУ может являться длительное использование перегретого жира. Среднесуточная ПДК циклических ароматических углеводородов в атмосферном воздухе не должна превышать 0,001 мг/м3.

Механические примеси - пыль, частицы почвы, дыма, золы, сажи. Запыленность возрастает при недостаточном озеленении территории, неблагоустроенных подъездных путях, нарушении сбора и вывоза отходов производства, а также при нарушении санитарного режима уборки помещений (сухая или нерегулярная влажная уборка и др.). Кроме того, запыленность помещений увеличивается при нарушениях в устройстве и эксплуатации вентиляции, планировочных решениях (например, при недостаточной изоляции кладовой овощей от производственных цехов и др.).

Воздействие пыли на человека зависит от размеров пылевых частиц и их удельного веса. Наиболее опасны для человека пылинки размером менее 1 мкм в диаметре, т.к. они легко проникают в легкие и могут стать причиной их хронического заболевания (пневмокониоз). Пыль, содержащая примеси ядовитых химических соединений, оказывает на организм токсическое действие.

ПДК сажи и копоти жестко нормируется, ввиду содержания канцерогенных углеводородов (ПАУ): среднесуточная ПДК сажи - 0,05 мг/м3.

В кондитерских цехах большой мощности возможна запыленность воздуха сахарной и мучной пылью. Пыль мучная в виде аэрозолей способна вызывать раздражение дыхательных путей, а также аллергические заболевания. ПДК мучной пыли в рабочей зоне не должна превышать 6 мг/м3. В этих пределах (2-6 мг/м3) регламентируются предельно допустимые концентрации и других видов растительной пыли, содержащей не более 0,2 % соединений кремния.

Строение и состав атмосферы Земли, нужно сказать, не всегда были постоянными величинами в тот или иной период развития нашей планеты. Сегодня вертикальное строение этого элемента, имеющего общую «толщину» 1,5-2,0 тыс. км, представлено несколькими основными слоями, в том числе:

1. Тропосферой.
2. Тропопаузой.
3. Стратосферой.
4. Стратопаузой.
5. Мезосферой и мезопаузой.
6. Термосферой.
7. Экзосферой.

Основные элементы атмосферы

Тропосфера представляет собой слой, в котором наблюдаются сильные вертикальные и горизонтальные движения, именно здесь формируется погода, осадочные явления, климатические условия. Она простирается на 7-8 километров от поверхности планеты почти повсеместно, за исключением полярных регионов (там - до 15 км). В тропосфере наблюдается постепенное понижение температуры, приблизительно на 6,4°С с каждым километром высоты. Этот показатель может отличаться для разных широт и времен года.

Состав атмосферы Земли в этой части представлен следующими элементами и их процентными долями:

Азот - около 78 процентов;

Кислород - почти 21 процент;

Аргон - около одного процента;

Углекислый газ - менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

Кроме того, здесь можно найти пыль, капельки воды, водяной пар, продукты горения, кристаллики льда, морские соли, множество аэрозольных частиц и др. Такой состав атмосферы Земли наблюдается приблизительно до девяноста километров высоты, поэтому воздух примерно одинаков по химическому составу, не только в тропосфере, но и в вышележащих слоях. Но там атмосфера имеет принципиально другие физические свойства. Слой же, который имеет общий химический состав, называют гомосферой.

Какие элементы еще входят в состав атмосферы Земли? В процентах (по объему, в сухом воздухе) здесь представлены такие газы как криптон (около 1.14 х 10 -4), ксенон (8.7 х 10 -7), водород (5.0 х 10 -5), метан (около 1.7 х 10 -4), закись азота (5.0 х 10 -5) и др. В процентах по массе из перечисленных компонентов больше всего закиси азота и водорода, далее следует гелий, криптон и пр.

Физические свойства разных атмосферных слоев

Физические свойства тропосферы тесно связаны с ее прилеганием к поверхности планеты. Отсюда отраженное солнечное тепло в форме инфракрасных лучей направляется обратно вверх, включая процессы теплопроводности и конвекции. Именно поэтому с удалением от земной поверхности падает температура. Такое явление наблюдается до высоты стратосферы (11-17 километров), потом температура становится практически неизменной до отметки 34-35 км, и далее идет опять рост температур до высот в 50 километров (верхняя граница стратосферы). Между стратосферой и тропосферой есть тонкий промежуточный слой тропопаузы (до 1-2 км), где наблюдаются постоянные температуры над экватором - около минус 70°С и ниже. Над полюсами же тропопауза «прогревается» летом до минус 45°С, зимой температуры здесь колеблются около отметки -65°С.

Газовый состав атмосферы Земли включает в себя такой важный элемент, как озон. Его относительно немного у поверхности (десять в минус шестой степени от процента), так как газ образуется под воздействием солнечных лучей из атомарного кислорода в верхних частях атмосферы. В частности, больше всего озона на высоте около 25 км, а весь «озоновый экран» расположен в областях от 7-8 км в области полюсов, от 18 км на экваторе и до пятидесяти километров в общем над поверхностью планеты.

Атмосфера защищает от солнечной радиации

Состав воздуха атмосферы Земли играет очень важную роль в сохранении жизни, так как отдельные химические элементы и композиции удачно ограничивают доступ солнечной радиации к земной поверхности и живущим на ней людям, животным, растениям. Например, молекулы водяного пара эффективно поглощают почти все диапазоны инфракрасного излучения, за исключением длин в интервале от 8 до 13 мкм. Озон же поглощает ультрафиолет вплоть до длины волн в 3100 А. Без его тонкого слоя (составит всего в среднем 3 мм, если его расположить на поверхности планеты) обитаемы могут быть только воды на глубине более 10 метров и подземные пещеры, куда не доходит солнечная радиация.

Ноль по Цельсию в стратопаузе

Между двумя следующими уровнями атмосферы, стратосферой и мезосферой, существует примечательный слой - стратопауза. Он приблизительно соответствует высоте озонных максимумов и здесь наблюдается относительно комфортная для человека температура - около 0°С. Выше стратопаузы, в мезосфере (начинается где-то на высоте 50 км и заканчивается на высоте 80-90 км), наблюдается опять же падение температур с увеличением расстояния от поверхности Земли (до минус 70-80°С). В мезосфере обычно полностью сгорают метеоры.

В термосфере - плюс 2000 К!

Химический состав атмосферы Земли в термосфере (начинается после мезопаузы с высот около 85-90 до 800 км) определяет возможность такого явления, как постепенный нагрев слоев весьма разреженного «воздуха» под воздействием солнечного излучения. В этой части «воздушного покрывала» планеты встречаются температуры от 200 до 2000 К, которые получаются в связи с ионизацией кислорода (выше 300 км находится атомарный кислород), а также рекомбинацией атомов кислорода в молекулы, сопровождающейся выделением большого количества тепла. Термосфера - это место возникновения полярных сияний.

Выше термосферы находится экзосфера - внешний слой атмосферы, из которого легкие и быстро перемещающиеся атомы водорода могут уходить в космическое пространство. Химический состав атмосферы Земли здесь представлен больше отдельными атомами кислорода в нижних слоях, атомами гелия в средних, и почти исключительно атомами водорода - в верхних. Здесь господствуют высокие температуры - около 3000 К и отсутствует атмосферное давление.

Как образовалась земная атмосфера?

Но, как уже упоминалось выше, такой состав атмосферы планета имела не всегда. Всего существует три концепции происхождения этого элемента. Первая гипотеза предполагает, что атмосфера была взята в процессе аккреции из протопланетного облака. Однако сегодня эта теория подвергается существенной критике, так как такая первичная атмосфера должна была быть разрушена солнечным «ветром» от светила в нашей планетной системе. Кроме того, предполагается, что летучие элементы не могли удержаться в зоне образования планет по типу земной группы из-за слишком высоких температур.

Состав первичной атмосферы Земли, как предполагает вторая гипотеза, мог быть сформирован за счет активной бомбардировки поверхности астероидами и кометами, которые прибыли из окрестностей Солнечной системы на ранних этапах развития. Подтвердить или опровергнуть эту концепцию достаточно сложно.

Эксперимент в ИДГ РАН

Самой правдоподобной представляется третья гипотеза, которая считает, что атмосфера появилась в результате выделения газов из мантии земной коры приблизительно 4 млрд. лет назад. Эту концепцию удалось проверить в ИДГ РАН в ходе эксперимента под названием «Царев 2», когда в вакууме был разогрет образец вещества метеорного происхождения. Тогда было зафиксировано выделение таких газов как Н 2 , СН 4 , СО, Н 2 О, N 2 и др. Поэтому ученые справедливо предположили, что химический состав первичной атмосферы Земли включал в себя водяной и углекислый газ, пары фтороводорода (HF), угарного газа (CO), сероводорода (H 2 S), соединений азота, водород, метан (СН 4), пары аммиака (NH 3), аргон и др. Водный пар из первичной атмосферы участвовал в образовании гидросферы, углекислый газ оказался в большей мере в связанном состоянии в органических веществах и горных породах, азот перешел в состав современного воздуха, а также опять в осадочные породы и органические вещества.

Состав первичной атмосферы Земли не позволил бы современным людям находиться в ней без дыхательных аппаратов, так как кислорода в требуемых количествах тогда не было. Этот элемент в значительных объемах появился полтора миллиарда лет назад, как полагают, в связи с развитием процесса фотосинтеза у сине-зеленых и других водорослей, которые являются древнейшими обитателями нашей планеты.

Минимум кислорода

На то, что состав атмосферы Земли изначально был почти бескислородным, указывает то, что в древнейших (катархейских) породах находят легкоокисляемый, но не окисленный графит (углерод). Впоследствии появились так называемые полосчатые железные руды, которые включали в себя прослойки обогащенных окислов железа, что означает появление на планете мощного источника кислорода в молекулярной форме. Но эти элементы попадались только периодически (возможно, те же водоросли или другие продуценты кислорода появились небольшими островками в бескислородной пустыне), в то время как остальной мир был анаэробным. В пользу последнего говорит то, что легко окисляемый пирит находили в виде гальки, обработанной течением без следов химических реакций. Так как текучие воды не могут быть плохо аэрированными, выработалась точка зрения, что атмосфера до начала кембрия содержала менее одного процента кислорода от сегодняшнего состава.

Революционное изменение состава воздуха

Приблизительно в середине протерозоя (1,8 млрд. лет назад) произошла «кислородная революция», когда мир перешел к аэробному дыханию, в ходе которого из одной молекулы питательного вещества (глюкоза) можно получать 38, а не две (как при анаэробном дыхании) единицы энергии. Состав атмосферы Земли, в части кислорода, стал превышать один процент от современного, стал возникать озоновый слой, защищающий организмы от радиации. Именно от нее «скрывались» под толстыми панцирями, к примеру, такие древние животные, как трилобиты. С тех пор и до нашего времени содержание основного «дыхательного» элемента постепенно и медленно возрастало, обеспечивая многообразие развития форм жизни на планете.

ЛЕКЦИЯ № 3. Атмосферный воздух.

Тема: Атмосферный воздух, его химический состав и физиологическое

значение составных частей.

Атмосферные загрязнения; их влияние на здоровье населения.

План лекции:

Химический состав атмосферного воздуха.

Биологическая роль и физиологическое значение его составных частей: азота, кислорода, углекислого газа, озона, инертных газов.

Понятие об атмосферных загрязнениях и их источниках.

Влияние атмосферных загрязнений на здоровье (прямое воздействие).

Влияние атмосферных загрязнений на условия жизни населения (косвенное воздействие на здоровье).

Вопросы охраны атмосферного воздуха от загрязнения.

Газовая оболочка земли называется атмосферой. Общий вес земной атмосферы составляет 5,13  10 15 тонн.

Воздух, образующий атмосферу, представляет собой смесь различных газов. Состав сухого воздуха на уровне моря будет следующий:

Таблица № 1

Состав сухого воздуха при температуре 0 0 С и

давлении 760 мм рт. ст.

Состав земной атмосферы остается постоянным над сушей, над морем, в городах и сельской местности. Не изменяется он также с высотой. При этом следует помнить, что речь идет о процентном содержании составных частей воздуха на разных высотах. Однако этого нельзя сказать о весовой концентрации газов. По мере подъема вверх плотность воздуха падает и количество молекул, содержащихся в единице пространства, тоже снижается. Вследствие этого падает весовая концентрация газа и его парциальное давление.

Остановимся на характеристике отдельных составных частей воздуха.

Главной составной частью атмосферы является азот. Азот является инертным газом. Он не поддерживает дыхания и горения. В атмосфере азота жизнь невозможна.

Азот играет важную биологическую роль. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий и водорослями, которые образуют из него органические соединения.

Под влиянием атмосферного электричества образуется небольшое количество ионов азота, которые вымываются из атмосферы осадками и обогащают почву солями азотистой и азотной кислоты. Соли азотистой кислоты под влиянием почвенных бактерий превращаются в нитриты. Нитриты и соли аммиака усваиваются растениями и служат для синтеза белков.

Таким образом, осуществляется превращение инертного азота атмосферы в живую материю органического мира.

Ввиду недостатка азотистых удобрений природного происхождения, человечество научилось получать их искусственным путем. Создана и развивается азотно-туковая промышленность, которая перерабатывает атмосферный азот в аммиак и азотистые удобрения.

Биологическое значение азота не ограничивается его участием в круговороте азотистых веществ. Он играет важную роль как разбавитель кислорода атмосферы, так как в чистом кислороде жизнь невозможна.

Увеличение содержания азота в воздухе вызывает гипоксию и асфиксию вследствие снижения парциального давления кислорода.

При повышении парциального давления азот проявляет наркотические свойства. Однако, в условиях открытой атмосферы наркотическое действие азота не проявляется, так как колебания его концентрации незначительны.

Наиболее важным из компонентов атмосферы является газообразный кислород (О 2 ) .

Кислород в нашей Солнечной системе в свободном состоянии встречается только на Земле.

Много предположений выдвинуто относительно эволюции (развития) земного кислорода. Наиболее признанное объяснение заключается в том, что подавляющая часть кислорода в современной атмосфере образовалась в процессе фотосинтеза в биосфере; и только начальное, малое количество кислорода образовалось в результате фотосинтеза воды.

Биологическая роль кислорода чрезвычайно велика. Без кислорода невозможна жизнь. Земная атмосфера содержит 1,18  10 15 тонн кислорода.

В природе непрерывно идут процессы потребления кислорода: дыхание человека и животных, процессы горения, окисления. В то же время непрерывно идут процессы восстановления содержания кислорода в воздухе (фотосинтез). Растения поглощают углекислый газ, расщепляют его, усваивают углерод, а кислород выделяют в атмосферу. Растения выбрасывают в атмосферу 0,5  10 5 миллионов тонн кислорода. Этого достаточно чтобы покрыть естественную убыль кислорода. Поэтому содержание его в воздухе постоянно и составляет 20, 95%.

Непрерывное течение воздушных масс перемешивают тропосферу, вот почему не наблюдается разницы в содержании кислорода в городах и сельской местности. Концентрация кислорода колеблется в пределах нескольких десятых процентов. Это не имеет значения. Однако, в глубоких ямах, колодцах, пещерах содержание кислорода может падать, поэтому спуск в них опасен.

При падении парциального давления кислорода у человека и животных наблюдаются явления кислородного голодания. Значительные изменения парциального давления кислорода наступают при подъеме вверх над уровнем моря. Явления кислородной недостаточности могут наблюдаться при подъемах в горы (альпинизм, туризм), при авиаперелетах. Подъем на высоту 3000м может вызвать высотную или горную болезнь.

При длительном проживании в высокогорной местности у людей развивается привыкание к недостатку кислорода и наступает акклиматизация.

Высокое парциальное давление кислорода неблагоприятно для человека. При парциальном давлении более 600 мм уменьшается жизненная емкость легких. Вдыхание чистого кислорода (парциальное давление 760 мм) вызывает отек легких, пневмонию, судороги.

В естественных условиях в воздухе не наблюдается повышенное содержание кислорода.

Озон является составной частью атмосферы. Масса его составляет 3,5 миллиарда тонн. Содержание озона в атмосфере меняется по сезонам года: весной оно высокое, осенью низкое. Содержание озона зависит от широты местности: чем ближе к экватору, тем оно ниже. Концентрация озона имеет суточный ход: максимума оно достигает к полудню.

Концентрация озона неравномерно распределяется по высоте. Наиболее высокое его содержание наблюдается на высоте 20-30 км.

Озон непрерывно образуется в стратосфере. Под влиянием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода диссоциируют (распадаются) с образованием атомарного кислорода. Атомы кислорода рекомбинируются (соединяются) с молекулами кислорода и образуют озон (О 3). На высоте выше и ниже 20-30 км процессы фотосинтеза (образования) озона замедляются.

Наличие слоя озона в атмосфере имеет большое значение для существования жизни на Земле.

Озон задерживает коротковолновую часть спектра солнечной радиации, не пропускает волны короче 290 нм (нанометров). При отсутствии озона жизнь на земле была бы невозможна, вследствие губительного действия короткой ультрафиолетовой радиации на все живое.

Озон поглощает также инфракрасную радиацию с длиной волны 9,5 мкм (микрон). Благодаря этому, озон задерживает около 20 процентов теплового излучения земли, уменьшая потерю ее тепла. В отсутствие озона абсолютная температура Земли была бы ниже на 7 0 .

В нижний слой атмосферы – тропосферу озон заносится из стратосферы в результате перемешивания воздушных масс. При слабом перемешивании концентрация озона у поверхности земли падает. Увеличение озона в воздухе наблюдается при грозе в результате разрядов атмосферного электричества и увеличения турбулентности (перемешивания) атмосферы.

Вместе с тем, значительное повышение концентрации озона в воздухе является результатом фотохимического окисления органических веществ, которые поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей и выбросами промышленности. Озон относится к числу токсических веществ. Озон оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз, носа, горла в концентрации 0,2-1 мг/м 3 .

Углекислый газ (СО 2 ) находится в атмосфере в концентрации 0,03%. Общее количество его равно 2330 миллиардов тонн. Большое количество углекислого газа содержится в растворенном виде в воде морей и океанов. В связанном виде он входит в состав доломитов и известняков.

Атмосфера постоянно пополняется углекислым газом в результате процессов жизнедеятельности живых организмов, процессов горения, гниения, брожения. Человек выделяет в день 580 л углекислого газа. Большое количество углекислого газа выделяется при разложении известняков.

Несмотря на наличие многочисленных источников образования, существенного накопления углекислого газа в воздухе не происходит. Углекислый газ постоянно ассимилируется (усваивается) растениями в процессе фотосинтеза.

Кроме растений регулятором содержания углекислого газа в атмосфере являются моря и океаны. При повышении парциального давления углекислого газа в воздухе, он растворяется в воде, а при снижении выделяется в атмосферу.

В приземной атмосфере наблюдаются небольшие колебания концентрации углекислого газа: над океаном она ниже, чем над сушей; в лесу выше, чем в поле; в городах выше, чем за городом.

Углекислый газ играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека. Он является побудителем дыхательного центра.

В атмосферном воздухе присутствует некоторое количество инертных газов : аргона, неона, гелия, криптона и ксенона. Эти газы относятся к нулевой группе таблицы Менделеева, не вступают в реакции с другими элементами, являются инертными в химическом смысле.

Инертные газы являются наркотическими. Их наркотические свойства проявляются при высоком барометрическом давлении. В открытой атмосфере наркотические свойства инертных газов не могут проявиться.

Кроме составных частей атмосферы, в ней содержатся различные примеси природного происхождения и загрязнения, вносимые в результате деятельности человека.

Примеси, которые присутствуют в воздухе помимо его естественного химического состава, называются атмосферными загрязнениями .

Атмосферные загрязнения подразделяются на естественные и искусственные.

К естественным загрязнениям относят примеси, поступающие в воздух в результате стихийных природных процессов (растительная, почвенная пыль, извержение вулканов, космическая пыль).

Искусственные атмосферные загрязнения образуются в результате производственной деятельности человека.

Искусственные источники атмосферных загрязнений делят на 4 группы:

транспорт;

промышленность;

теплоэнергетика;

сжигание мусора.

Остановимся на их краткой характеристике.

Современная ситуация характеризуется тем, что объем выбросов автомобильного транспорта превышает объем выбросов промышленных предприятий.

Один автомобиль выбрасывает в воздушный бассейн более 200 химических соединений. Каждый автомобиль потребляет в год в среднем 2 тонны топлива и 30 тонн воздуха, а выбрасывает в атмосферу 700 кг оксида углерода (СО), 230 кг несгоревших углеводородов, 40 кг окислов азота (NО 2) и 2-5 кг твердых веществ.

Современный город насыщен и другими видами транспорта: железнодорожным, водным и воздушным. Общее количество выбросов в окружающую среду от всех видов транспорта имеет тенденцию к непрерывному росту.

Промышленные предприятия по степени наносимого вреда окружающей среде занимают второе место после транспорта.

Наиболее интенсивно загрязняют атмосферный воздух предприятия черной и цветной металлургии, нефтехимической и коксохимической промышленности, а также предприятия по производству строительных материалов. Они выбрасывают в атмосферу десятки тонн сажи, пыли, металлов и их соединений (меди, цинка, свинца, никеля, олова и др.).

Поступая в атмосферу, металлы загрязняют почву, накапливаются в ней, проникают в воду водоемов.

В районах расположения промышленных предприятий, население подвергается риску неблагоприятного воздействия атмосферных загрязнений.

Помимо твердых частиц промышленность выбрасывает в воздух различные газы: серный ангидрид, окись углерода, окислы азота, сероводород, углеводороды, радиоактивные газы.

Загрязняющие вещества могут длительно находиться в окружающей среде и оказывать вредное влияние на организм человека.

Например, углеводороды сохраняются в окружающей среде до 16 лет, принимают активное участие в фотохимических процессах в атмосферном воздухе с образованием токсических туманов.

Массивное загрязнение атмосферы наблюдается при сжигании твердого и жидкого топлива на теплоэлектростанциях. Они являются основными источниками загрязнения атмосферы окислами серы и азота, окисью углерода, сажей и пылью. Для этих источников характерна массивность загрязнения атмосферного воздуха.

В настоящее время известно много фактов неблагоприятного влияния атмосферных загрязнений на здоровье людей.

Атмосферные загрязнения оказывают на организм человека как острое, так и хроническое воздействие.

Примерами острого влияния атмосферных загрязнений на здоровье населения являются токсические туманы. Концентрации токсических веществ в воздухе возрастали при неблагоприятных метеорологических условиях.

Первый токсический туман зарегистрирован в Бельгии в 1930 году. Пострадало несколько сот человек, 60 человек умерли. В последующем подобные случаи повторялись: в 1948 году в американском городе Донора. Пострадало 6000 человек. В 1952 году от «великого лондонского тумана» умерло 4000 человек. В 1962 году по этой же причине погибло 750 жителей Лондона. В 1970 году от смога над японской столицей (Токио) пострадало 10 тысяч человек, 1971 году – 28 тысяч.

Помимо перечисленных катастроф, анализ материалов исследований отечественных и зарубежных авторов обращает внимание на повышение общей заболеваемости населения по причине загрязнения атмосферы.

Выполненные в данном плане исследования позволяют заключить, что в результате воздействия атмосферных загрязнений в промышленных центрах наблюдается повышение:

общего уровня смертности от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней органов дыхания;

острой неспецифической заболеваемости верхних дыхательных путей;

хронических бронхитов;

бронхиальной астмы;

эмфиземы легких;

рака легких;

снижение продолжительности жизни и творческой активности.

Кроме того, в настоящее время математический анализ выявил статистически значимую корреляционную зависимость между уровнем заболеваемости населения болезнями крови, органов пищеварения, болезнями кожи и уровнями загрязнения атмосферного воздуха.

Органы дыхания, пищеварительная система и кожа являются «входными воротами» для токсических веществ и служат мишенями их прямого и опосредованного действия.

Влияние атмосферных загрязнений на условия жизни расценивается как непрямое (косвенное) воздействие атмосферных загрязнений на здоровье населения.

Оно включает:

снижение общей освещенности;

снижение ультрафиолетовой радиации солнца;

изменение климатических условий;

ухудшение жилищно-бытовых условий;

отрицательное воздействие на зеленые насаждения;

отрицательное воздействие на животных.

Вещества, загрязняющие атмосферу, наносят большой ущерб зданиям, сооружениям, строительным материалам.

Общий экономический ущерб США от загрязнителей атмосферы, включая их влияние на здоровье человека, строительные материалы, металлы, ткани, кожу, бумагу, краски, резину и другие материалы ежегодно составляет 15-20 миллиардов долларов.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что охрана атмосферного воздуха от загрязнения является проблемой чрезвычайной важности и объектом пристального внимания специалистов во всех странах мира.

Все мероприятия по охране атмосферного воздуха должны осуществляться комплексно по нескольким направлениям:

Законодательные меры. Это принятые правительством страны законы, направленные на охрану воздушной среды;

Рациональное размещение промышленных и жилых зон;

Технологические мероприятия, направленные на снижение выбросов в атмосферу;

Санитарно-технические мероприятия;

Разработка гигиенических нормативов для атмосферного воздуха;

Контроль за чистотой атмосферного воздуха;

Контроль за работой промышленных предприятий;

Благоустройство населенных мест, озеленение, обводнение, создание защитных разрывов между промышленными предприятиями и жилыми комплексами.

Кроме перечисленных мер внутригосударственного плана, в настоящее время разрабатываются и широко внедряются межгосударственные Программы по охране атмосферного воздуха.

Проблема охраны воздушного бассейна решается в ряде международных организаций – ВОЗ, ООН, ЮНЕСКО и других.