Процентное соотношение газов в воздухе. Воздух: чем мы дышим? Какой кислородный уровень оптимален для жизни

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.

Имеет важное значение в осуществлении дыхательной функции. Атмосферный воздух – это смесь газов: кислорода, углекислого газа, аргона, азота, неона, криптона, ксенона, водорода, озона и др. Кислород – наиболее важен. В покое человек поглощает 0,3 л/мин. При физической деятельности потребление кислорода возрастает и может достигать 4,5 –8 л/мин Колебания содержания кислорода в атмосфере невелики и не превышают 0.5%. Если содержание кислорода уменьшается до 11-13%, появляются явления кислородной недостаточности. Содержание кислорода 7-8% могут привести к смерти. Углекислый газ – без цвета и запаха, образуется при дыхании и гниении, сгорании топлива. В атмосфере составляет 0,04%, а в промзонах – 0,05-0.06%. При большом скоплении людей может увеличиваться до 0,6 – 0,8%. При продолжительном вдыхании воздуха с содержанием 1-1,5% углекислого газа отмечается ухудшение самочувствия, а при 2-2,5% - патологические сдвиги. При 8-10% потеря сознания и смерть, воздух имеет давление, называемое атмосферным или барометрическим. Оно измеряется в миллиметрах ртутного столба (мм.рт.ст.), гектопаскалях (гПа), миллибарах (мб). Нормальным принято считать давление атмосферы на уровне моря на широте 45˚ при температуре воздуха 0 ˚С. Оно равно 760 мм.рт.ст. (Воздух в помещении считается недоброкачественным, если он содержит 1% углекислого газа. Эта величина принимается как расчетная при проектировании и устройстве вентиляции в помещениях.

Загрязнения воздуха. Окись углерода – газ без цвета и запаха, образуется при неполном сгорании топлива и поступает в атмосферу с промвыбросами и выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. В мегаполисах его концентрация может доходить до 50-200мг/м3. При курении табака окись углерода попадает в организм. Окись углерода - кровяной и общетоксический яд. Она блокирует гемоглобин, он теряет способность переносить кислород к тканям. Острое отравление происходит при концентрации окиси углерода в воздухе в 200-500 мг/м3. При этом наблюдается головная боль, общая слабость, тошнота, рвота. Предельно допустимая концентрация среднесуточная 0 1 мг/м3, разовая – 6 мг/м3. Воздух могут загрязнять сернистый газ, сажа, смолистые вещества, окислы азота, сероуглерод.

Микроорганизмы. В небольших количествах всегда находятся в воздухе, куда они заносятся с почвенной пылью. Попадающие в атмосферу микробы инфекционных заболеваний быстро погибают. Особую опасность в эпидотношении представляет воздух жилых помещений и спортсооружений. Например, в борцовских залах наблюдается содержание микробов до 26000 в 1м3 воздуха. Аэрогенные инфекции в таком воздухе очень быстро распространяются.

Пыль представляет собой легкие плотные частицы минерального или органического происхождения, попадая в легкие пыль, там задерживается и вызывает различные заболевания. Производственная пыль (свинцовая, хромовая) может вызвать отравления. В городах пыль не должна превышать 0,15 мг/м3.Спортплощадки необходимо регулярно поливать, иметь зеленую зону, проводить влажную уборку. Для всех предприятий, загрязняющих атмосферу, установлены санитарно-защитные зоны. В соответствии с классом вредности они имеют разные размеры: для предприятий 1 класса – 1000 м, 2 – 500 м, 3 – 300 м, 4 –100 м, 5 – 50 м. При размещении спортсооружений вблизи предприятий необходимо учитывать розу ветров, санитарно-защитные зоны, степень загазованности воздуха и др.

Одним из важных мероприятий по охране воздушной среды являются предупредительный и текущий санитарный надзор и систематический контроль состояния атмосферного воздуха. Он производится с помощью автоматизированной системы мониторинга.

Чистый атмосферный воздух у поверхности Земли имеет следующий химический состав: кислород – 20,93%, углекислый газ – 0,03-0,04%,азот – 78,1%, аргон, гелий, криптон 1%.

В выдыхаемом воздухе кислорода на 25% меньше, а углекислого газа – в 100 раз больше.
Кислород. Важнейшая составная часть воздуха. Он обеспечивает течение окислительно-восстановительных процессов в организме. Взрослый человек в покое потребляет 12 л кислорода, при физической работе в 10 раз больше. В крови кислород находится в связи с гемоглобином.

Озон. Химически неустойчивый газ, способен поглощать солнечную коротковолновую ультрафиолетовую радиацию, губительно действующую на все живое. Озон поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, исходящую от Земли, и тем самым препятствует ее чрезмерному охлаждению (озоновый слой Земли). Под воздействием УФО озон разлагается на молекулу и атом кислорода. Озон – бактерицидное средство при обеззараживании воды. В природе он образуется при электрических разрядах, в процессе испарения воды, при УФО, во время грозы, в горах и в хвойных лесах.

Углекислый газ. Образуется в результате окислительно-восстановительных процессов, протекающих в организме людей и животных, горения топлива, гниения органических веществ. В воздухе городов концентрация углекислого газа увеличена за счет промышленных выбросов – до 0,045%, в жилых помещениях – до 0,6-0,85. Взрослый человек в покое выделяет 22 л углекислоты в час, а при физической работе – в 2-3 раза больше. Признаки ухудшения самочувствия у человека появляются только при продолжительном вдыхании воздуха, содержащего 1-1,5% углекислого газа, выраженные функциональные изменения – при концентрации 2-2,5% и резко выраженные симптомы (головная боль, общая слабость, одышка, сердцебиение , понижение работоспособности) – при 3-4%. Гигиеническое значение углекислого газа заключается в том, что он служит косвенным показателем общего загрязнения воздуха. Норма углекислого газа в спортзалах – 0,1%.

Азот. Индифферентный газ, служит разбавителем других газов. Повышенное вдыхание азота может оказать наркотическое действие.

Окись углерода. Образуется при неполном сгорании органических веществ. Не обладает ни цветом, ни запахом. Концентрация в атмосфере зависит от интенсивности автомобильного движения. Проникая через легочные альвеолы в кровь, она образует карбооксигемоглобин, в результате гемоглобин теряет способность переносить кислород. Предельно допустимая среднесуточная концентрация окиси углерода составляет 1мг/м3. Токсические дозы окиси углерода в воздухе составляют 0,25-0,5 мг/л. При длительном воздействии головная боль, обморок, сердцебиение.

Сернистый газ. Он поступает в атмосферу в результате сжигания топлива, богатого серой (каменный уголь). Образуется при обжиге и плавлении сернистых руд, при крашении тканей. Он раздражает слизистые глаз и ВДП. Порог ощущения 0,002-0,003мг/л. Газ вредно действует на растительность, особенно хвойные породы деревьев.
Механические примеси воздуха поступают в виде дыма, копоти, сажи, измельченных частиц почвы и других твердых веществ. Запыленность воздуха зависит от характера почвы (песок, глина, асфальт), ее санитарного состояния (полив, уборка), от загрязнения атмосферы промышленными выбросами, санитарного состояния помещений.

Пыль механически раздражает слизистые оболочки ВДП и глаз. Систематическое вдыхание пыли вызывает заболевания органов дыхания. При дыхании через нос задерживается до 40-50% пыли. Микроскопическая пыль, долго находящаяся во взвешенном состоянии наиболее неблагоприятна в гигиеническом отношении. Электрозаряженность пыли усиливает ее способность проникать в легкие и задерживаться в них. Пыль. содержащая свинец, мышьяк, хром и др. ядовитые вещества, вызывает типичные явления отравления, причем при проникновении не только при вдыхании, но и через кожу и ЖКТр. В запыленном воздухе значительно уменьшается интенсивность солнечной радиации и ионизация воздуха. Для профилактики неблагоприятного воздействия пыли на организм жилые дома располагают к загрязнителям воздуха с наветренной стороны. Между ними устраиваются санитарно- защитные зоны шириной 50-1000 м и более. В жилых помещениях систематическая влажная уборка, проветривание помещений, смена обуви и верхней одежды, на открытых площадках использование не пылящих грунтов и полив.

Микроорганизмы воздуха. Бактериальное загрязнение воздуха, как и других объектов внешней среды (вода, почва), представляет опасность в эпидемиологическом плане. В воздухе находятся различные микроорганизмы: бактерии, вирусы, плесневые грибки, дрожжевые клетки. Самым распространенным является воздушно-капельный способ передачи инфекций: в воздух поступает большое количество микробов, при дыхании попадающих в дыхательные пути здоровых людей. Например, при громком разговоре, а тем боле при кашле и чихании мельчайшие капельки разбрызгиваются на расстояние 1-1,5 м и с воздухом распространяются на 8-9 м. Эти капельки могут находиться во взвешенном состоянии 4-5 часов, но в большинстве случаев оседают через 40-60 минут. В пыли вирус гриппа и дифтерийные палочки сохраняют жизнеспособность 120-150 дней. Существует известная взаимосвязь: чем больше пыли в воздухе помещений, тем обильнее в нем содержание микрофлоры.

Его нельзя потрогать и нельзя увидеть, а главное, чем мы ему обязаны - жизнь . Конечно, это воздух, который занимал не последнее место в фольклоре каждого народа. Как представляли его люди древности, и что он представляет из себя на самом деле - об этом я напишу ниже.

Газы, из которых состоит воздух

Естественная смесь газов называется воздухом. Его необходимость и значение для живого трудно недооценить - он играет важную роль в окислительных процессах , которые сопровождаются выделением необходимой для всего живого энергии. Путем экспериментов ученые смогли определить точный его состав, но главное, что необходимо понять - это не однородное вещество, а газовая смесь . Около 99% состава - смесь кислорода и азота, а в целом воздух образует атмосферу нашей планеты. Итак, смесь состоит из следующих газов:

• метан;
• криптон;
• гелий;
• ксенон;
• водород;
• неон;
• углекислый газ;
• кислород;
• азот;
• аргон.

Нужно отметить, что состав не является постоянным и может значительно отличаться на разных участках. Например, большие города отличаются большим содержанием углекислого газа. В горах будет наблюдаться пониженный уровень кислорода , поскольку этот газ тяжелее азота, и по мере восхождения плотность его будет падать. Наука утверждает, что состав может отличаться в разных частях планеты от 1% до 4% для каждого из газов .

Кроме процентного соотношения газов, воздух характеризуется по следующим параметрам:

• влажность;
• температура;
• давление.

Воздух постоянно находится в движении , образуя вертикальные потоки. Горизонтальные - ветры, зависят от определенных природных условий, поэтому могут иметь разные характеристики скорости, силы и направления.

Воздух в фольклоре

Легенды каждого народа наделяют воздух некими «живыми» качествами . Как правило, духи этой стихии представляли собой неуловимых и невидимых созданий. Согласно легендам, они населяли вершины гор или облака , и отличались предрасположенностью к человеку. Именно они, как считалось, творили снежинки и собирали облака в тучи, летая по небу на ветрах.

Египтяне считали воздух символом жизни , а индийцы полагали, что выдох Брахмы - жизнь , а вдох, соответственно - смерть. Что касается славян, то воздух (ветер) занимал чуть ли не центральное место в легендах этого народа. Он мог слышать, а иногда даже исполнять небольшие просьбы. Однако не всегда он был добр, иногда выступая на стороне сил зла в виде злого и непредсказуемого странника .

Воздух – природная смесь газов

При слове «воздух» большинству из нас невольно приходит на ум, быть может, несколько наивное сопоставление: воздух – это то, чем дышат. Действительно, в этимологическом словаре русского языка указывается, что слово «воздух» заимствовано из церковно-славянского языка: «воздыхать». С точки зрения биологической, воздух, следовательно, является средой для поддержания жизни за счет кислорода. В составе воздуха могло бы и не быть кислорода – жизнь все равно развивалась бы в анаэробных формах. Но полное отсутствие воздуха, по-видимому, исключает, возможность существования каких бы то ни было организмов.

Для физиков воздух – прежде всего земная атмосфера и газовая оболочка, окружающая землю.

А что же представляет сам воздух с точки зрения химии?

Много сил, труда и терпения потребовалось ученым, чтобы раскрыть эту загадку природы, что воздух – не самостоятельное вещество, как считалось еще более 200 лет тому назад, а представляет сложную смесь газов. Впервые высказался о сложном составе воздуха ученый – художник Леонардо да Винчи (XV век).

Около 4 миллиардов лет назад атмосфера Земли состояла в основном из углекислого газа. Постепенно он растворялся в воде, реагировал с горными породами, образуя карбонаты и гидрокарбонаты кальция и магния. С появлением зеленых растений этот процесс стал протекать гораздо быстрее. К моменту появления человека углекислый газ, так необходимый растениям уже стал дефицитом. Его концентрация в воздухе до начала промышленной революции составляла всего 0,029%. В течение 1,5 млд лет содержание кислорода постепенно увеличивалось.

Химический состав воздуха

Составные части
	По объёму	По массе
Азот (N 2)	78,09	75,50
Кислород (О 2)	20,95	23,10
Благородные газы (He , Ne , Ar , Kr , Xe , Rn , в основном аргон)	0,94
Оксид углерода (IV ) – углекислый газ	0,03	0,046

Впервые установил количественный состав воздухафранцузский ученый Антуан Лоран Лавуазье. По результатам своего известного 12-дневного опыта он сделал вывод, что весь воздух в целом состоит из кислорода, пригодного для дыхания и горения, и азота, неживого газа, в пропорциях 1/5 и 4/5 объема соответственно. Он нагревал металлическую ртуть в реторте на жаровне в течение 12 суток. Конец реторты был подведён под колокол, поставленный в сосуд с ртутью. В результате уровень ртути в колоколе поднялся примерно на 1/5. На поверхности ртути в реторте образовалось вещество оранжевого цвета – оксид ртути. Оставшийся под колоколом газ был непригоден для дыхания. Ученый предложил «жизненный воздух» переименовать в «кислород», поскольку при сгорании в кислороде большинство веществ превращается в кислоты, а «удушливый воздух» – в «азот», т.к. он не поддерживает жизнь, вредит жизни.

Опыт Лавуазье

Качественный состав воздуха можно доказать следующим опытом

Основным из составляющих воздуха для нас является кислород, его в воздухе 21% по объему. Разбавлен кислород большим количеством азота – 78% от объема воздуха и сравнительно маленьким объёмом благородных инертных газов – их около 1%. Входят в состав воздуха также переменные составляющие – оксид углерода (IV) или углекислый газ и водяной пар, количество которых зависит от различных причин. Эти вещества попадают в атмосферу естественным путем. При извержении вулканов в атмосферу попадают сернистый газ, сероводород и элементарная сера. Пылевые бури способствуют появлению в воздухе пыли. Оксиды азота попадают в атмосферу и при грозовых электрических разрядах, во время которых азот и кислород воздуха реагируют друг с другом, или в результате деятельности почвенных бактерий, способных высвобождать оксиды азота из нитратов; способствуют этому и лесные пожары и горение торфяников. Процессы разрушения органических веществ сопровождаются образованием различных газообразных соединений серы. Вода в составе воздуха определяет его влажность. У остальных веществ роль отрицательная: они загрязняют атмосферу. Например, углекислого газа много в воздухе городов, лишенных зелени, водяного пара – над поверхностью океанов и морей. В воздухе содержится небольшое количество оксида серы (IV) или сернистого газа, аммиака, метана, оксида азота (I) или закиси азота, водорода. Особенно насыщен ими воздух вблизи промышленных предприятий, газо-нефтяных месторождений или вулканов. В верхних слоях атмосферы существует еще один газ – озон. Летает в воздухе и разнообразная пыль, которую мы можем легко заметить, глядя сбоку на тонкий луч света, попадающий из-за шторы в затемненную комнату.

Постоянные составляющие газы воздуха:

· Кислород

· Азот

· Инертные газы

Переменные составляющие газы воздуха:

· Оксид углерода (IV)

· Озон

· Другие

Вывод.

1. Воздух – природная смесь газообразных веществ, в которой каждое вещество имеет и сохраняет свои физические и химические свойства, поэтому воздух можно разделить.

2. Воздух – это бесцветный газообразный раствор, плотность – 1,293г/л, при температур -190 0 С он переходит в жидкое состояние. Жидкий воздух представляет голубоватую жидкость.

3. Живые организмы тесно связаны с веществами воздуха, которые оказывают определенное воздействие на них. И в то же время живые организмы влияют на него, так как выполняют определенные функции: окислительно-восстановительную – окисляют, например углеводы до углекислого газа и восстанавливают его до углеводов; газовую – поглощают и выделяют газы.

Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты.

Загрязнение атмосферы - привнесение в атмосферный воздух новых нехарактерных для него физических, химических и биологических веществ или изменение естественной среднемноголетней концентрации этих веществ в нём.

В процессе фотосинтеза из атмосферы удаляется углекислый газ, а в процессах дыхания и гниения возвращается. Установившееся в ходе эволюции планеты равновесие между этими двумя газами стало нарушаться, особенно во второй половине XX в., когда стало усиливаться влияние человека на природу. Пока природа справляется с нарушениями этого равновесия благодаря воде океана и его водорослям. Но надолго ли хватит сил у природы?

Схема. Загрязнение атмосферы

Основные загрязнители атмосферного воздуха в России

Количество машин непрерывно растет, особенно в крупных городах, соответственно, растет выброс в воздух вредных веществ. «На совести» автомобилей 60% выбросов вредных веществ в городе!
Предприятия теплоэнергетики России выбрасывают в атмосферу до 30% загрязнителей, а еще 30% – вклад промышленности (черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, химическая промышленность и производство строительных материалов). Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым (31–41% ), он мало изменяется с течением времени (59–69% ). В настоящее время глобальный характер приобрела проблема антропогенного загрязненияатмосферы. Какие же вещества-загрязнители, опасные для всего живого, попадают в атмосферу? Это кадмий, свинец, ртуть, мышьяк, медь, сажа, меркаптаны, фенол, хлор, серная и азотная кислоты и другие вещества. Некоторые из названных веществ мы будем изучать в дальнейшем, узнаем их физические и химические свойства и поговорим о таящейся в них разрушительной силе для нашего здоровья.

Масштабы экологического загрязнения планеты, России

В каких странах мира воздух наиболее загрязнен выхлопными газами транспорта?
Наибольшая опасность загрязнения атмосферы выхлопными газами угрожает странам с мощным автопарком. Например, в США на автотранспорт приходится примерно 1/2 всех вредных выбросов в атмосферу (до 50 млн т ежегодно). Автопарк Западной Европы ежегодно выбрасывает в воздух до 70 млн т вредных веществ, причем в Германии, например, 30 млн автомобилей дают 70% общего объема вредных выбросов. В России положение усугубляется тем, что автомашины, находящиеся в эксплуатации, соответствуют экологическим нормам только на 14,5%.
Загрязняет атмосферу и воздушный транспорт шлейфами выхлопов от многих тысяч самолетов. Согласно экспертным оценкам, в результате деятельности мирового автопарка (а это около 500 млн двигателей) в атмосферу ежегодно поступает одного только углекислого газа 4,5 млрд т.
Чем же опасны эти загрязнители? Тяжелые металлы – свинец, кадмий, ртуть – оказывают вредное влияние на нервную систему человека, угарный газ – на состав крови; сернистый газ, взаимодействуя с водой дождей и снегов, превращается в кислоту и вызывает кислотные дожди. Каковы же масштабы этих загрязнений? Главные регионы распространения кислотных дождей – США, Западная Европа, Россия. В последнее время к ним следует отнести и промышленные районы Японии, Китая, Бразилии, Индии. С распространением кислотных осадков связано понятие трансграничности – расстояние между районами их образования и районами выпадения может составлять сотни и даже тысячи километров. Например, главный «виновник» кислотных дождей на юге Скандинавии – промышленные районы Великобритании, Бельгии, Нидерландов и Германии. В канадские провинции Онтарио и Квебек кислотные дожди переносятся из соседних районов США. На территорию России эти осадки переносятся из Европы западными ветрами.
Неблагополучная экологическая ситуация сложилась на северо-востоке Китая, в тихоокеанском поясе Японии, в городах Мехико, Сан-Паулу, Буэнос-Айрес. В России в 1993 г. в 231 городе с общим населением 64 млн.человек содержание вредных веществ в воздухе превышало нормы. В 86 городах 40 млн. человек проживают в условиях, когда загрязнения превышают нормы в 10 раз. Среди этих городов Брянск, Череповец, Саратов, Уфа, Челябинск, Омск, Новосибирск, Кемерово, Новокузнецк, Норильск, Ростов. По количеству вредных выбросов первое место в России занимает Уральский регион. Так, в Свердловской области состояние атмосферы не отвечает нормам на 20 территориях, где проживает 60% населения. В г. Карабаше Челябинской области медеплавильный завод ежегодно выбрасывает в атмосферу по 9 т вредных соединений на каждого жителя. Частота заболеваний раком здесь составляет 338 случаев на 10 тыс. жителей.
Тревожная ситуация сложилась также в Поволжье, на юге Западной Сибири, в Центральной России. В Ульяновске больше, чем в среднем по России, люди страдают заболеваниями верхних дыхательных путей. Заболеваемость раком легких с 1970 г. выросла в 20 раз, в городе зарегистрирован один из самых высоких уровней детской смертности в России.
В г. Дзержинске на ограниченной территории сосредоточено большое количество химических предприятий. За последние 8 лет здесь произошло 60 выбросов сильнодействующих ядовитых веществ в атмосферу, приводивших к чрезвычайным ситуациям, в ряде случаев повлекших за собой гибель людей. В Поволжье до 300 тыс. т сажи, золы, копоти, оксидов углерода обрушиваются на жителей городов ежегодно. Москва занимает 15-е место среди городов России по суммарному уровню загрязнения атмосферного воздуха.

Газовый состав атмосферного воздуха

Газовый состав воздуха, которым мы дышим, выглядит так: 78% составляет азот, 21 % - кислород и 1% приходится на другие газы. Но в атмосфере крупных промышленных городов это соотношение часто нарушено. Значительную долю составляют вредные примеси, обусловленные выбросами предприятий и автотранспорта. Автотранспорт привносит в атмосферу многие примеси: углеводороды неизвестного состава, бенз(а)пирен, углекислый газ, соединения серы и азота, свинец, угарный газ.

Атмосфера состоит из смеси ряда газов - воздуха, в котором взвешены коллоидные примеси - пыль, капельки, кристаллы и пр. С высотой состав атмосферного воздуха меняется мало. Однако начиная с высоты около 100 км, наряду с молекулярным кислородом и азотом появляется и атомарный в результате диссоциации молекул, и начинается гравитационное разделение газов. Выше 300 км в атмосфере преобладает атомарный кислород, выше 1000 км - гелий и затем атомарный водород. Давление и плотность атмосферы убывают с высотой; около половины всей массы атмосферы сосредоточено в нижних 5 км, 9/10 - в нижних 20 км и 99,5% - в нижних 80 км. На высотах около 750 км плотность воздуха падает до 10-10 г/м3 (тогда как у земной поверхности она порядка 103 г/м3), но и такая малая плотность еще достаточна для возникновения полярных сияний. Резкой верхней границы атмосфера не имеет; плотность составляющих ее газов

В состав атмосферного воздуха, которым дышит каждый из нас, входят несколько газов, основными из которых являются: азот(78.09%), кислород(20.95%), водород(0.01%) двуокись углерода (углекислый газ)(0.03%) и инертные газы(0.93%). Кроме того, в воздухе всегда находится некоторое кол-во водяных паров, кол-во которых всегда изменяется с переменой температуры: чем выше температура, тем содержание пара больше и наоборот. Вследствие колебания кол-ва водяных паров в воздухе процентное содержание в нем газов также непостоянно. Все газы, входящие в состав воздуха, бесцветны и не имеют запаха. Вес воздуха изменяется в зависимости не только от температуры, но и от содержания в нем водяных паров. При одинаковой температуре вес сухого воздуха больше, чем влажного, т.к. водяные пары значительно легче паров воздуха.

В таблице приведен газовый состав атмосферы в объемном массовом отношении, а также время жизни основных компонентов:

Компонент	% объемные	% массовые
N 2	78,09	75,50
O 2	20,95	23,15
Ar	0,933	1,292
CO 2	0,03	0,046
Ne	1,8 10 -3	1,4 10 -3
He	4,6 10 -4	6,4 10 -5
CH 4	1,52 10 -4	8,4 10 -5
Kr	1,14 10 -4	3 10 -4
H 2	5 10 -5	8 10 -5
N 2 O	5 10 -5	8 10 -5
Xe	8,6 10 -6	4 10 -5
O 3	3 10 -7 - 3 10 -6	5 10 -7 - 5 10 -6
Rn	6 10 -18	4,5 10 -17

Свойства газов, входящих в состав атмосферного воздуха под давлением меняются.

К примеру: кислород под давлением более 2-х атмосфер оказывает ядовитое действие на организм.

Азот под давлением свыше 5 атмосфер оказывает наркотическое действие (азотное опьянение). Быстрый подъем из глубины вызывает кессонную болезнь из-за бурного выделения пузырьков азота из крови, как бы вспенивая ее.

Повышение углекислого газа более 3% в дыхательной смеси вызывает смерть.

Каждый компонент, входящий в состав воздуха, с повышением давления до определенных границ становится ядом, способным отравить организм.

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия

Для истории бурного развития сравнительно молодой отрасли науки, именуемой атмосферной химией, более всего подходит термин “спурт” (бросок), применяемый в высокоскоростных видах спорта. Выстрелом же из стартового пистолета, пожалуй, послужили две статьи, опубликованные в начале 1970-х годов. Речь в них шла о возможном разрушении стратосферного озона оксидами азота - NO и NO 2 . Первая принадлежала будущему нобелевскому лауреату, а тогда сотруднику Стокгольмского университета П. Крутцену, который посчитал вероятным источником оксидов азота в стратосфере распадающуюся под действием солнечного света закись азота N 2 O естественного происхождения. Автор второй статьи, химик из Калифорнийского университета в Беркли Г.Джонстон предположил, что оксиды азота появляются в стратосфере в результате человеческой деятельности, а именно - при выбросах продуктов сгорания реактивных двигателей высотных самолетов.

Конечно, вышеупомянутые гипотезы возникли не на пустом месте. Соотношение по крайней мере основных компонент в атмосферном воздухе - молекул азота, кислорода, водяного пара и др. - было известно намного раньше. Уже во второй половине XIX в. в Европе производились измерения концентрации озона в приземном воздухе. В 1930-е годы английский ученый С.Чепмен открыл механизм формирования озона в чисто кислородной атмосфере, указав набор взаимодействий атомов и молекул кислорода, а также озона в отсутствие каких-либо других составляющих воздуха. Однако в конце 50-х годов измерения с помощью метеорологических ракет показали, что озона в стратосфере гораздо меньше, чем его должно быть согласно циклу реакций Чепмена. Хотя этот механизм и по сей день остается основополагающим, стало ясно, что существуют какие-то иные процессы, также активно участвующие в формировании атмосферного озона.

Нелишне упомянуть, что знания в области атмосферной химии к началу 70-х годов в основном были получены благодаря усилиям отдельных ученых, чьи исследования не были объединены какой-либо общественно значимой концепцией и носили чаще всего чисто академический характер. Иное дело - работа Джонстона: согласно его расчетам, 500 самолетов, летая по 7 ч в день, могли сократить количество стратосферного озона не меньше чем на 10%! И если бы эти оценки были справедливы, то проблема сразу становилась социально-экономической, так как в этом случае все программы развития сверхзвуковой транспортной авиации и сопутствующей инфраструктуры должны были подвергнуться существенной корректировке, а может быть, и закрытию. К тому же тогда впервые реально встал вопрос о том, что антропогенная деятельность может стать причиной не локального, но глобального катаклизма. Естественно, в сложившейся ситуации теория нуждалась в очень жесткой и в то же время оперативной проверке.

Напомним, что суть вышеупомянутой гипотезы состояла в том, что оксид азота вступает в реакцию с озоном NO + O 3 ® ® NO 2 + O 2 , затем образовавшийся в этой реакции диоксид азота реагирует с атомом кислорода NO 2 + O ® NO + O 2 , тем самым восстанавливая присутствие NO в атмосфере, в то время как молекула озона утрачивается безвозвратно. При этом такая пара реакций, составляющая азотный каталитический цикл разрушения озона, повторяется до тех пор, пока какие-либо химические или физические процессы не приведут к удалению оксидов азота из атмосферы. Так, например, NO 2 окисляется до азотной кислоты HNO 3 , хорошо растворимой в воде, и потому удаляется из атмосферы облаками и осадками. Азотный каталитический цикл весьма эффективен: одна молекула NO за время своего пребывания в атмосфере успевает уничтожить десятки тысяч молекул озона.

Но, как известно, беда не приходит одна. Вскоре специалисты из университетов США - Мичигана (Р.Столярски и Р.Цицероне) и Гарварда (С.Вофси и М. Макэлрой) - обнаружили, что у озона может быть еще более беспощадный враг - соединения хлора. Хлорный каталитический цикл разрушения озона (реакции Cl + O 3 ® ClO + O 2 и ClO + O ® Cl + O 2), по их оценкам, был в несколько раз эффективнее азотного. Сдержанный оптимизм вызывало лишь то, что количество хлора естественного происхождения в атмосфере сравнительно невелико, а значит, суммарный эффект его воздействия на озон может оказаться не слишком сильным. Однако ситуация кардинально изменилась, когда в 1974 г. сотрудники Калифорнийского университета в Ирвине Ш. Роуленд и М. Молина установили, что источником хлора в стратосфере являются хлорфторуглеводородные соединения (ХФУ), массово используемые в холодильных установках, аэрозольных упаковках и т.д. Будучи негорючими, нетоксичными и химически пассивными, эти вещества медленно переносятся восходящими воздушными потоками от земной поверхности в стратосферу, где их молекулы разрушаются солнечным светом, в результате чего выделяются свободные атомы хлора. Промышленное производство ХФУ, начавшееся в 30-е годы, и их выбросы в атмосферу постоянно наращивались во все последующие годы, особенно в 70-е и 80-е. Таким образом, в течение очень короткого промежутка времени теоретики обозначили две проблемы атмосферной химии, обусловленные интенсивным антропогенным загрязнением.

Однако чтобы проверить состоятельность выдвинутых гипотез, необходимо было выполнить немало задач.

Во-первых, расширить лабораторные исследования, в ходе которых можно было бы определить или уточнить скорости протекания фотохимических реакций между различными компонентами атмосферного воздуха. Надо сказать, что существовавшие в то время весьма скудные данные об этих скоростях к тому же имели изрядную (до нескольких сот процентов) погрешность. Кроме того, условия, в которых производились измерения, как правило, мало соответствовали реалиям атмосферы, что серьезно усугубляло ошибку, поскольку интенсивность большинства реакций зависела от температуры, а иногда от давления или плотности атмосферного воздуха.

Во-вторых, усиленно изучать радиационно-оптические свойства ряда малых газов атмосферы в лабораторных условиях. Молекулы значительного числа составляющих атмосферного воздуха разрушаются ультрафиолетовым излучением Солнца (в реакциях фотолиза), среди них не только упомянутые выше ХФУ, но также молекулярный кислород, озон, оксиды азота и многие другие. Поэтому оценки параметров каждой реакции фотолиза были столь же необходимы и важны для правильного воспроизведения атмосферных химических процессов, как и скорости реакций между различными молекулами.