Главная составляющая воздуха. Что такое воздух: естествознание для взрослых

Воздух жаркого, солнечного юга и сурового, холодного севера содержит одинаковое количество кислорода.

Один литр воздуха всегда содержит 210 кубических сантиметров кислорода, что составляет 21 объемный процент.

Больше всего в воздухе азота - его содержится в литре 780 кубических сантиметров, или 78 процентов по объему. В воздухе имеется также небольшое количество инертных газов. Газы эти получили название инертных потому, что они почти не вступают в соединение с другими элементами.

Из инертных газов в воздухе больше всего аргона - его в литре около 9 кубических сантиметров. В значительно меньших количествах в воздухе находится неона: в литре воздуха его насчитывается 0,02 кубического сантиметра. Еще меньше гелия - его всего 0,005 кубического сантиметра. Криптона в 5 раз меньше, чем гелия, - 0,001 кубического сантиметра, а ксенона совсем мало - 0,00008 кубического сантиметра.

В состав воздуха входят и газообразные химические соединения, например - двуокись углерода, или углекислый газ (СО 2). Количество углекислого газа в воздухе колеблется от 0,3 до 0,4 кубического сантиметра в литре. Непостоянно также содержание в воздухе паров воды. В сухую и жаркую погоду их меньше, а в дождливую - больше.

Состав воздуха можно выразить и в весовых процентах. Зная вес 1 литра воздуха и удельный вес каждого газа, входящего в его состав, легко от объемных величин перейти к весовым. Азота в воздухе содержится около 75,5, кислорода - 23,1, аргона- 1,3 и углекислого газа (двуокиси углерода) -0,04 весового процента.

Разница между весовыми и объемными процентами объясняется различными удельными весами азота, кислорода, аргона и углекислого газа.

Кислород, например, легко окисляет медь при высокой температуре. Поэтому, если пропустить воздух через трубку, наполненную раскаленными медными стружками, то при выходе из трубки он не будет содержать кислород. Удалить кислород из воздуха можно также фосфором. При горении фосфор жадно соединяется с кислородом, образуя фосфорный ангидрид (Р 2 О 5).

Состав воздуха был определен в 1775 году Лавуазье.

Нагревая небольшое количество металлической ртути в стеклянной реторте, Лавуазье подвел узкий конец реторты под стеклянный колпак, который был опрокинут в сосуд, наполненный ртутью. Двенадцать суток длился этот опыт. Ртуть в реторте, нагретая почти до кипения, все больше и больше покрывалась красной окисью. Одновременно уровень ртути в опрокинутом колпаке стал заметно подниматься над уровнем ртути сосуда, в котором находился колпак. Ртуть в реторте, окисляясь, забирала из воздуха все больше кислорода, давление в реторте и колпаке упало, и вместо израсходованного кислорода в колпак всасывалась ртуть.

Когда весь кислород был израсходован и окисление ртути прекратилось, приостановилось и всасывание ртути в колпак. Объем ртути в колпаке был измерен. Оказалось, что он составлял V 5 часть общего объема колпака и реторты.

Газ, оставшийся в колпаке и реторте, не поддерживал горения и жизни. Эта часть воздуха, занимавшая почти 4/6 объема, была названа азотом .

Более точными опытами в конце XVIII столетия было установлено, что воздух содержит по объему 21 процент кислорода и 79 процентов азота.

И только в конце XIX столетия стало известно, что в состав воздуха входят аргон, гелий и другие инертные газы.

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.

В отличие от горячих и холодных планет нашей Солнечной системы, на планете Земля существуют условия, которые дают возможность жизни в определенной форме. Одним из главных условий является состав атмосферы, который дает всему живому возможность свободно дышать и защищает от смертельного излучения, царящего в космосе.

Из чего состоит атмосфера

Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % - смесь различных газов, включая аргон, гелий, неон, криптон и другие.

Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах - 8 км, ввысь, а над экватором - 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин - альпинисты - могут подняться на его вершину только в кислородных масках.

Кислород - главное условие выживания на планете

В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших - одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.

Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня - около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8-30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.

Анаэробная жизнь

Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма - еще один "беженец" от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.

Процесс окисления

При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. Атмосферный воздух, попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, - выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Кислород - главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Атмосфера в разные эпохи

Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это - в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.

Чему подчиняется уровень его в воздухе

Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.

Воздействие человека на состав атмосферы

Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.

Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера - не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.

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:

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.

Атмосфера (от греч. atmos — пар и spharia — шар) — воздушная оболочка Земли, вращающаяся вместе с ней. Развитие атмосферы было тесно связано с геологическими и геохимическими процессами, протекающими на нашей планете, а также с деятельностью живых организмов.

Нижняя граница атмосферы совпадает с поверхностью Земли, так как воздух проникает в мельчайшие поры в почве и растворен даже в воде.

Верхняя граница на высоте 2000-3000 км постепенно переходит в космическое пространство.

Благодаря атмосфере, в которой содержится кислород, возможна жизнь на Земле. Атмосферный кислород используется в процессе дыхания человека, животными, растениями.

Если бы не было атмосферы, на Земле была бы такая же тишина, как на Луне. Ведь звук — это колебание частиц воздуха. Голубой цвет неба объясняется тем, что солнечные лучи, проходя сквозь атмосферу, как через линзу, разлагаются на составляющие цвета. При этом рассеиваются больше всего лучи голубого и синего цветов.

Атмосфера задерживает большую часть ультрафиолетового излучения Солнца, которое губительно действует на живые организмы. Также она удерживает у поверхности Земли тепло, не давая нашей планете охлаждаться.

Строение атмосферы

В атмосфере можно выделить несколько слоев, различающихся по и плотности (рис. 1).

Тропосфера

Тропосфера — самый нижний слой атмосферы, толщина которого над полюсами составляет 8-10 км, в умеренных широтах — 10-12 км, а над экватором — 16-18 км.

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

Воздух в тропосфере нагревается от земной поверхности, т. е. от суши и воды. Поэтому температура воздуха в этом слое с высотой понижается в среднем на 0,6 °С на каждые 100 м. У верхней границы тропосферы она достигает -55 °С. При этом в районе экватора на верхней границе тропосферы температура воздуха составляет -70 °С, а в районе Северного полюса -65 °С.

В тропосфере сосредоточено около 80 % массы атмосферы, находится почти весь водяной пар, возникают грозы, бури, облака и осадки, а также происходит вертикальное (конвекция) и горизонтальное (ветер) перемещение воздуха.

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

Стратосфера — слой атмосферы, расположенный над тропосферой на высоте от 8 до 50 км. Цвет неба в этом слое кажется фиолетовым, что объясняется разреженностью воздуха, из-за которой солнечные лучи почти не рассеиваются.

В стратосфере сосредоточено 20 % массы атмосферы. Воздух в этом слое разрежен, практически нет водяного пара, а потому почти не образуются облака и осадки. Однако в стратосфере наблюдаются устойчивые воздушные течения, скорость которых достигает 300 км/ч.

В этом слое сосредоточен озон (озоновый экран, озоносфера), слой, который поглощает ультрафиолетовые лучи, не пропуская их к Земле и тем самым защищая живые организмы на нашей планете. Благодаря озону температура воздуха на верхней границе стратосферы находится в пределах от -50 до 4-55 °С.

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

Мезосфера — слой атмосферы, расположенный на высоте 50-80 км. Плотность воздуха здесь в 200 раз меньше, чем у поверхности Земли. Цвет неба в мезосфере кажется черным, в течение дня видны звезды. Температура воздуха снижается до -75 (-90)°С.

На высоте 80 км начинается термосфера. Температура воздуха в этом слое резко повышается до высоты 250 м, а потом становится постоянной: на высоте 150 км она достигает 220-240 °С; на высоте 500-600 км превышает 1500 °С.

В мезосфере и термосфере под действием космических лучей молекулы газов распадаются на заряженные (ионизированные) частицы атомов, поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера — слой очень разреженного воздуха, расположенный на высоте от 50 до 1000 км, состоящий в основном из ионизированных атомов кислорода, молекул окиси азота и свободных электронов. Для этого слоя характерна высокая наэлектризован- ность, и от него, как от зеркала, отражаются длинные и средние радиоволны.

В ионосфере возникают полярные сияния — свечение разреженных газов под влиянием электрически заряженных летящих от Солнца частиц — и наблюдаются резкие колебания магнитного поля.

Экзосфера

Экзосфера — внешний слой атмосферы, расположенный выше 1000 км. Этот слой еще называют сферой рассеивания, так как частицы газов движутся здесь с большой скоростью и могут рассеиваться в космическое пространство.

Состав атмосферы

Атмосфера — это смесь газов, состоящая из азота (78,08 %), кислорода (20,95 %), углекислого газа (0,03 %), аргона (0,93 %), небольшого количества гелия, неона, ксенона, криптона (0,01 %), озона и других газов, но их содержание ничтожно (табл. 1). Современный состав воздуха Земли установился более сотни миллионов лет назад, однако резко возросшая производственная деятельность человека все же привела к его изменению. В настоящее время отмечается увеличение содержания СО 2 примерно на 10-12 %.

Входящие в состав атмосферы газы выполняют различные функциональные роли. Однако основное значение этих газов определяется прежде всего тем, что они очень сильно поглощают лучистую энергию и тем самым оказывают существенное влияние на температурный режим поверхности Земли и атмосферы.

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

Азот, самый распространенный газ в атмосфере, химически мало активен.

Кислород , в отличие от азота, химически очень активный элемент. Специфическая функция кислорода — окисление органического вещества гетеротрофных организмов, горных пород и недоокисленных газов, выбрасываемых в атмосферу вулканами. Без кислорода не было бы разложения мертвого органического вещества.

Роль углекислого газа в атмосфере исключительно велика. Он поступает в атмосферу в результате процессов горения, дыхания живых организмов, гниения и представляет собой, прежде всего, основной строительный материал для создания органического вещества при фотосинтезе. Кроме этого, огромное значение имеет свойство углекислого газа пропускать коротковолновую солнечную радиацию и поглощать часть теплового длинноволнового излучения, что создаст так называемый парниковый эффект, о котором речь пойдет ниже.

Влияние на атмосферные процессы, особенно на тепловой режим стратосферы, оказывает и озон. Этот газ служит естественным поглотителем ультрафиолетового излучения Солнца, а поглощение солнечной радиации ведет к нагреванию воздуха. Средние месячные значения общего содержания озона в атмосфере изменяются в зависимости от широты местности и времени года в пределах 0,23-0,52 см (такова толщина слоя озона при наземных давлении и температуре). Наблюдается увеличение содержания озона от экватора к полюсам и годовой ход с минимумом осенью и максимумом весной.

Характерным свойством атмосферы можно назвать то, что содержание основных газов (азота, кислорода, аргона) с высотой изменяется незначительно: на высоте 65 км в атмосфере содержание азота — 86 %, кислорода — 19, аргона — 0,91, на высоте же 95 км — азота 77, кислорода — 21,3, аргона — 0,82 %. Постоянство состава атмосферного воздуха по вертикали и по горизонтали поддерживается его перемешиванием.

Кроме газов, в воздухе содержатся водяной пар и твердые частицы. Последние могут иметь как естественное, так и искусственное (антропогенное) происхождение. Это цветочная пыльца, крохотные кристаллики соли, дорожная пыль, аэрозольные примеси. Когда в окно проникают солнечные лучи, их можно увидеть невооруженным глазом.

Особенно много твердых частиц в воздухе городов и крупных промышленных центров, где к аэрозолям добавляются выбросы вредных газов, их примесей, образующихся при сжигании топлива.

Концентрация аэрозолей в атмосфере определяет прозрачность воздуха, что сказывается на солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Наиболее крупные аэрозоли — ядра конденсации (от лат.condensatio — уплотнение, сгущение) — способствуют превращению водяного пара в водяные капли.

Значение водяного пара определяется прежде всего тем, что он задерживает длинноволновое тепловое излучение земной поверхности; представляет основное звено больших и малых круговоротов влаги; повышает температуру воздуха при конденсации водяных наров.

Количество водяного пара в атмосфере изменяется во времени и пространстве. Так, концентрация водяного пара у земной поверхности колеблется от 3 % в тропиках до 2-10 (15) % в Антарктиде.

Среднее содержание водяного пара в вертикальном столбе атмосферы в умеренных широтах составляет около 1,6-1,7 см (такую толщину будет иметь слой сконденсированного водяного пара). Сведения относительно водяного пара в различных слоях атмосферы противоречивы. Предполагалось, например, что в диапазоне высот от 20 до 30 км удельная влажность сильно увеличивается с высотой. Однако последующие измерения указывают на большую сухость стратосферы. По-видимому, удельная влажность в стратосфере мало зависит от высоты и составляет 2-4 мг/кг.

Изменчивость содержания водяного пара в тропосфере определяется взаимодействием процессов испарения, конденсации и горизонтального переноса. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, града и снега.

Процессы фазовых переходов воды протекают преимущественно в тропосфере, именно поэтому облака в стратосфере (на высотах 20-30 км) и мезосфере (вблизи мезопаузы), получившие название перламутровых и серебристых, наблюдаются сравнительно редко, тогда как тропосферные облака нередко закрывают около 50 % всей земной поверхности.

Количество водяного пара, которое может содержаться в воздухе, зависит от температуры воздуха.

В 1 м 3 воздуха при температуре -20 °С может содержаться не более 1 г воды; при 0 °С — не более 5 г; при +10 °С — не более 9 г; при +30 °С — не более 30 г воды.

Вывод: чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара может в нем содержаться.

Воздух может быть насыщенным и не насыщенным водяным паром. Так, если при температуре +30 °С в 1 м 3 воздуха содержится 15 г водяного пара, воздух не насыщен водяным паром; если же 30 г — насыщен.

Абсолютная влажность — это количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха. Оно выражается в граммах. Например, если говорят «абсолютная влажность равна 15», то это значит, что в 1 м Л содержится 15 г водяного пара.

Относительная влажность воздуха — это отношение (в процентах) фактического содержания водяного пара в 1 м 3 воздуха к тому количеству водяного пара, которое может содержаться в 1 м Л при данной температуре. Например, если по радио во время передачи сводки погоды сообщили, что относительная влажность равна 70 %, это значит, что воздух содержит 70 % того водяного пара, которое он может вместить при данной температуре.

Чем больше относительная влажность воздуха, т. с. чем ближе воздух к состоянию насыщения, тем вероятнее выпадение осадков.

Всегда высокая (до 90 %) относительная влажность воздуха наблюдается в экваториальной зоне, так как там в течение всего года держится высокая температура воздуха и происходит большое испарение с поверхности океанов. Такая же высокая относительная влажность и в полярных районах, но уже потому, что при низких температурах даже небольшое количество водяного пара делает воздух насыщенным или близким к насыщению. В умеренных широтах относительная влажность меняется по сезонам — зимой она выше, летом — ниже.

Особенно низкая относительная влажность воздуха в пустынях: 1 м 1 воздуха там содержит в два-три раза меньше возможного при данной температуре количество водяного пара.

Для измерения относительной влажности пользуются гигрометром (от греч. hygros — влажный и metreco — измеряю).

При охлаждении насыщенный воздух не может удержать в себе прежнего количества водяного пара, он сгущается (конденсируется), превращаясь в капельки тумана. Туман можно наблюдать летом в ясную прохладную ночь.

Облака — это тог же туман, только образуется он не у земной поверхности, а на некоторой высоте. Поднимаясь вверх, воздух охлаждается, и находящийся в нем водяной пар конденсируется. Образовавшиеся мельчайшие капельки воды и составляют облака.

В образовании облаков участвуют и твердые частицы , находящиеся в тропосфере во взвешенном состоянии.

Облака могут иметь различную форму, которая зависит от условий их образования (табл. 14).

Самые низкие и тяжелые облака — слоистые. Они располагаются на высоте 2 км от земной поверхности. На высоте от 2 до8 км можно наблюдать более живописные кучевые облака. Самые высокие и легкие — перистые облака. Они располагаются на высоте от 8 до 18 км над земной поверхностью.

Охрана атмосферы

Главным источником являются промышленные предприятия и автомобили. В больших городах проблема загазованности главных транспортных магистралей стоит очень остро. Именно поэтому во многих крупных городах мира, в том числе и в нашей стране, введен экологический контроль токсичности выхлопных газов автомобилей. Поданным специалистов, задымленность и запыленность воздуха может наполовину сократить поступление солнечной энергии к земной поверхности, что приведет к изменению природных условий.