Из каких химических элементов состоит воздух. Воздух с точки зрения химии, его основные свойства

Кандидат химических наук О. БЕЛОКОНЕВА.

Как часто после утомительного рабочего дня нас вдруг охватывает непреодолимая усталость, голова становится тяжелой, мысли путаются, наваливается сонливость… Такое недомогание болезнью не считается, но тем не менее очень мешает нормально жить и работать. Многие спешат принять таблетку от головной боли и идут на кухню, чтобы заварить чашку крепкого кофе. А может быть, вам просто не хватает кислорода?

Получение воздуха, обогащенного кислородом.

Как известно, земная атмосфера на 78% состоит из химически нейтрального газа - азота, почти 21% составляет основа всего живого - кислород. Но так было не всегда. Как показывают современные исследования, 150 лет назад содержание кислорода в воздухе достигало 26%, а в доисторические времена динозавры дышали воздухом, в котором кислорода было больше трети. Сегодня все жители земного шара страдают от хронической нехватки кислорода - гипоксии. Особенно нелегко горожанам. Так, под землей (в метро, в переходах и подземных торговых центрах) концентрация кислорода в воздухе составляет 20,4%, в высотных зданиях - 20,3%, а в битком набитом вагоне наземного транспорта - всего лишь 20,2%.

Давно известно, что повышение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе до уровня, установленного природой (около 30%), благотворно сказывается на здоровье человека. Не зря космонавты на Международной космической станции дышат воздухом, содержащим 33% кислорода.

Как уберечься от гипоксии? В Японии у жителей больших городов недавно стали популярными так называемые "кислородные бары". Это своего рода кафе - каждый желающий может заглянуть в них и за небольшую плату в течение 20 минут подышать воздухом, обогащенным кислородом. Клиентов у "кислородных баров" - хоть отбавляй, и их число продолжает расти. Среди них много молодых женщин, но есть и пожилые люди.

До последнего времени у россиян не было возможности побывать в роли посетителя японского кислородного бара. Но в 2004 году на российский рынок выходит японский прибор для обогащения воздуха кислородом "Oxycool-32" фирмы "YMUP/Yamaha Motors group". Поскольку технология, использованная при создании прибора, действительно нова и уникальна (сейчас на нее оформляется международный патент), читателям наверняка интересно узнать о ней подробнее.

В основе работы нового японского прибора лежит принцип мембранного разделения газов. Атмосферный воздух при обычном давлении подается на полимерную мембрану. Толщина газоразделительного слоя - 0,1 микрометра. Мембрана сделана из высокомолекулярного материала: при высоком давлении она адсорбирует молекулы газов, а при низком - выделяет. Молекулы газов проникают в промежутки между полимерными цепочками. "Медленный газ" азот проникает через мембрану с меньшей скоростью, чем "быстрый" кислород. Величина "запаздывания" азота зависит от разницы парциальных давлений на внешней и внутренней поверхностях мембраны и скорости воздушного потока. На внутренней стороне мембраны давление понижено: 560 мм рт. ст. Соотношение давлений и скорость потока подобраны таким образом, что концентрация азота и кислорода на выходе составляет 69% и 30% соответственно. Обогащенный кислородом воздух выходит со скоростью 3 л/мин.

Газоразделительная мембрана улавливает микроорганизмы и цветочную пыльцу в воздухе. Кроме того, воздушный поток можно пропустить через раствор ароматической эссенции, так что человек будет дышать воздухом не только очищенным от бактерий, вирусов и пыльцы, но и имеющим приятный мягкий аромат.

В прибор "Oxycool-32" встроен ионизатор воздуха, похожий на широко известную в России "люстру Чижевского". Под действием ультрафиолетового излучения происходит эмиссия электронов с титанового наконечника. Электроны ионизуют молекулы кислорода, образуя отрицательно заряженные "аэроионы" в количестве 30 000-50 000 ионов на кубический сантиметр. "Аэроионы" нормализуют потенциал клеточной мембраны, оказывая тем самым на организм общеукрепляющее действие. Кроме того, они заряжают пыль и грязь, взвешенную в городском воздухе в виде мелкодисперсного аэрозоля. В результате пыль оседает, и воздух в помещении становится намного чище.

Кстати, этот малогабаритный прибор можно подключить и к автомобильному источнику питания, что позволит водителю наслаждаться свежим воздухом, даже стоя в многокилометровой "пробке" на московском Садовом кольце.

Основной переносчик кислорода в организме - гемоглобин, который находится в красных кровяных клетках - эритроцитах. Чем больше кислорода эритроциты "доставляют" клеткам организма, тем интенсивнее идет обмен веществ в целом: "сгорают" жиры, а также вещества, вредные для организма; окисляется молочная кислота, накопление которой в мышцах вызывает симптомы усталости; в клетках кожи синтезируется новый коллаген; улучшаются кровообращение и дыхание. Поэтому повышение концентрации кислорода во вдыхаемом воздухе снимает усталость, сонливость и головокружение, ослабляет боль в мышцах и пояснице, стабилизирует кровяное давление, уменьшает одышку, улучшает память и внимательность, налаживает сон, снимает синдром похмелья. Регулярное использование прибора поможет сбросить лишний вес и омолодить кожу. Кислородная терапия также пригодится астматикам, больным, страдающим хроническим бронхитом, тяжелыми формами пневмонии.

Регулярное вдыхание воздуха, обогащенного кислородом, позволит предотвратить гипертонию, атеросклероз, инсульт, импотенцию, а у пожилых людей - остановку дыхания во сне, которая иногда приводит к смертельному исходу. Дополнительный кислород сослужит хорошую службу и больным диабетом - даст возможность уменьшить количество ежедневных инъекций инсулина.

"Oxycool-32", несомненно, найдет применение в спортивных клубах, гостиницах, косметических салонах, офисах, развлекательных комплексах. Но это вовсе не означает, что новый прибор не пригоден для индивидуального применения. Совсем наоборот: в домашних условиях его могут использовать даже дети и пожилые люди. Врачебный контроль при такой восстанавливающей кислородной терапии необязателен. Очень полезно подышать кислородом до или после занятий физкультурой и спортом, после тяжелого рабочего дня или просто для восстановления сил и поддержания тонуса: 15-30 минут утром и 30-45 - вечером.

"Oxycool-32" повышает концентрацию кислорода во вдыхаемом воздухе до уровня, установленного природой. Поэтому прибор безопасен для здоровья. Но, если вы страдаете каким-либо тяжелым хроническим заболеванием, перед началом процедур все же стоит посоветоваться с лечащим врачом.

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.

Нижние слои атмосферы состоят из смеси газов, называемой воздухом, в которой находятся во взвешенном состоянии жидкие и твердые частички. Общая масса последних незначительна в сравне­нии со всей массой атмосферы.

Атмосферный воздух представляет собой смесь газов, основными из которых являются азот N2, кислород О2, аргон Аr, углекислый газ СО2 и водяной пар. Воздух без водяного пара называют сухим воздухом. У зем­ной поверхности сухой воздух на 99% состоит из азота (78% по объему или 76% по массе) и кислорода (21% по объему или 23% по массе). Оставшийся 1% приходится почти целиком на аргон. Всего 0,08% остается на углекислый газ СО2. Многочисленные другие газы входят в состав воздуха в тысячных, миллион­ных и еще меньших долях процента. Это криптон, ксенон, неон, гелий, водород, озон, йод, радон, метан, аммиак, перекись водорода, закись азота и др. Состав сухого атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли приведен в табл. 1.

Таблица 1

Состав сухого атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли

Процентный состав сухого воздуха у земной поверхности очень постоянен и практически одинаков повсюду. Существенно меняться может только содержание углекислого газа. В результате процессов дыхания и горения его объемное содержание в воздухе закрытых, плохо вентилируемых помещений, а также промышленных центров может возрастать в несколько раз - до 0,1-0,2%. Совершенно незначительно меняется процентное содержание азота и кислорода.

В состав реальной атмосферы входят три важных переменных компонента – водяной пар, озон и углекислый газ. Содержание водяного пара в воздухе меняется в значительных пределах, в отличие от других составных частей воздуха: у земной поверхности оно колеблется между сотыми долями процента и несколькими процентами (от 0,2% в полярных широтах до 2,5% у экватора, а в отдельных случаях колеблется почти от нуля до 4%). Это объясняется тем, что при существующих в атмосфере условиях водяной пар может переходить в жидкое и твердое состояние и, наоборот, может поступать в атмосферу заново вследствие испарения с земной поверхности.

Водяной пар непрерывно поступает в атмосферу путем испарения с водных поверхностей, с влажной почвы и путем транспирации растений, при этом в разных местах и в разное время он поступает в различных количествах. От земной поверхности он распространяется вверх, а воздушными течениями переносится из одних мест Земли в другие.

В атмосфере может возникать состояние насыщения. В таком состоянии водяной пар содержится в воздухе в количестве, предельно возможном при данной температуре. Водяной пар при этом называют насыщающим (или насыщенным), а воздух, содержащий его, насыщенным.

Состояние насыщения обычно достигается при понижении температуры воздуха. Когда это состояние достигнуто, то при дальнейшем понижении температуры часть водяного пара становится избыточной и конденсируется, переходит в жидкое или твердое состояние. В воздухе возникают водяные капельки и ледяные кристаллики облаков и туманов. Облака могут снова испаряться; в других случаях капельки и кристаллики облаков, укрупняясь, могут выпадать на земную поверхность в виде осадков. Вследствие всего этого содержание водяного пара в каждом участке атмосферы непрерывно меняется.

С водяным паром в воздухе и с его переходами из газообразного состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы погоды и особенности климата. Наличие водяного пара в атмосфере существенно сказывается на тепловых условиях атмосферы и земной поверхности. Водяной пар сильно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, которую излучает земная поверхность. В свою очередь и сам он излучает инфракрасную радиацию, большая часть которой идет к земной поверхности. Это уменьшает ночное охлаждение земной поверхности и тем самым также нижних слоев воздуха.

На испарение воды с земной поверхности затрачиваются большие количества тепла, а при конденсации водяного пара в атмосфере это тепло отдается воздуху. Облака, возникающие в результате конденсации, отражают и поглощают солнечную радиацию на ее пути к земной поверхности. Осадки, выпадающие из облаков, являются важнейшим элементом погоды и климата. Наконец, наличие водяного пара в атмосфере имеет важное значение для физиологических процессов.

Водяной пар, как всякий газ, обладает упругостью (давлением). Упругость водяного пара е пропорциональна его плотности (содержанию в единице объема) и его абсолютной температуре. Она выражается в тех же единицах, что и давление воздуха, т.е. либо в миллиметрах ртутного столба, либо в миллибарах.

Упругость водяного пара в состоянии насыщения называют упругостью насыщения. Это максимальная упругость водяного пара, возможная при данной температуре. Например, при температуре 0° упругость насыщения равна 6,1 мб. На каждые 10° температуры упругость насыщения увеличивается примерно вдвое.

Если воздух содержит водяного пара меньше, чем нужно для насыщения его при данной температуре, можно определить, насколько воздух близок к состоянию насыщения. Для этого вычисляют относительную влажность. Так называют отношение фактической упругости е водяного пара, находящегося в воздухе, к упругости насыщения Е при той же температуре, выраженное в процентах, т.е.

Например, при температуре 20° упругость насыщения равна 23,4 мб.Если при этом фактическая упругость пара в воздухе будет 11,7 мб,то относительная влажность воздуха равна

Упругость водяного пара у земной поверхности меняется от сотых долей миллибара (при очень низких температурах зимой в Антарктиде и в Якутии) до 35 мби более (у экватора). Чем теплее воздух, тем больше водяного пара может он содержать без насыщения и, стало быть, тем больше может бытьв нем упругость водяного пара.

Относительная влажность воздуха может принимать все значения – от нуля для вполне сухого воздуха (е = 0) до 100% для состояния насыщения (е = Е).

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.

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.