Та часть атмосферы, которая прилегает к Земле и которой соответственно дышит человек, называется тропосферой. Тропосфера имеет высоту от девяти до одиннадцати километров и представляет собой механическую смесь разнообразных газов.

Состав воздуха не обладает постоянством. В зависимости от географического положения, местности, погодных условий, воздух может иметь различный состав и различные свойства. Воздух может быть загазованным или разряженным, свежим или тяжелым - все это означает, что в нем имеют определенные примеси.

Азот - 78,9 процента;

Кислород - 20,95 процента;

Двуокись углерода - 0,3 процента.

Кроме того, в атмосфере присутствуют другие газы (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, радон, озон), а также и Сумма их составляет чуть меньше одного процента.

Также стоит указать на наличие в воздухе некоторых постоянных примесей природного происхождения, в частности, некоторых газообразных продуктов, которые образуются в результате как биологических, так и химических процессов. Специального упоминания среди них заслуживает аммиак (состав воздуха вдали от населенных мест включает в себя порядка трех-пяти тысячных миллиграмма на кубический метр), метан (его уровень равен в среднем двум десятитысячным миллиграмма на кубический метр), окислы азота (в атмосфере их концентрация достигает приблизительно пятнадцать десятитысячных миллиграмма на метр кубический), сероводорода и других газообразных продуктов.

Помимо парообразных и газообразных примесей, химический состав воздуха обычно включает в себя пыль космического происхождения, которая выпадает на поверхность Земли в количестве семи стотысячных тонны на квадратный километр в течение года, а также пылевые частицы, которые поступают при извержениях вулканов.

Однако в наибольшей степени изменяет (причем не в лучшую сторону) состав воздуха и загрязняет тропосферу так называемая наземная (растительная, почвенная) пыль и дым лесных пожаров. Особенно много такой пыли в континентальных воздушных массах, берущих свое начало в пустынях Центральной Азии и Африки. Именно поэтому с уверенностью можно заявить, что идеально чистой воздушной среды попросту не существует, и она является понятием, существующим только теоретически.

Состав воздуха имеет свойство постоянно изменяться, причем его естественные изменения обычно играют достаточно небольшую роль, особенно в сравнении с возможными последствиями его искусственных нарушений. Такие нарушения преимущественно связаны с производственной деятельностью человечества, использованием устройств для бытового обслуживания, а также транспортными средствами. Эти нарушения способны приводить в том числе и к денатурации воздуха, то есть к ярко выраженным отличиям ее состава и свойств от соответствующих показателей атмосферы.

Эти и многие другие виды человеческой деятельности привели к тому, что основной состав воздуха начал подвергаться медленным и незначительным, но тем не менее абсолютно необратимым изменениям. Например, ученые подсчитали, что за последние пятьдесят лет человечеством было использовано примерно столько же кислорода, сколько за предшествующий миллион лет, а в процентном соотношении - две десятых процента от его общего запаса в атмосфере. При этом соответственно повышается выброс в воздушную Этот выброс по последним данным достиг почти четырех сотен миллиардов тонн за последние сто лет.

Таким образом, состав воздуха меняется в худшую сторону, и сложно предположить, каким он станет уже через несколько десятков лет.

Воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит: кислорода 20,95%, азота 78,09%, диоксида углерода 0,03%. Кроме того, в атмосферном воздухе содержатся аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон и другие газы. В небольшом количестве в атмосферном воздухе присутствует озон, оксид азота, йод, метан, водяные пары.

Кроме постоянных составных частей атмосферы, в ней содержатся разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу производственной деятельностью человека.

1. Важной составной частью атмосферного воздуха является кислород , количество которого в земной атмосфере составляет 1,18 · 10 15 т. Постоянное содержание кислорода поддерживается за счет непрерывных процессов обмена его в природе. С одной стороны, кислород потребляется при дыхании человека и животных, расходуется на поддержание процессов горения и окисления, с другой – поступает в атмосферу за счет процессов фотосинтеза растений. Наземные растения и фитопланктон океанов полностью восстанавливают естественную убыль кислорода. При падении парциального давления кислорода могут развиваться явления кислородного голодания, что наблюдается при подъеме на высоту. Критическим уровнем является парциальное давление кислорода ниже 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. Под влиянием коротковолнового УФ-излучения с длиной волны менее 200 нм молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной формуле кислорода, образуя озон . Одновременно с образованием озона происходит его распад. Общебиологическое значение озона велико: он поглощает коротковолновое УФ-излучение, оказывающее губительное действие на биологические объекты. Одновременно озон поглощает ИК-излучение, исходящее от Земли, и тем самым, предотвращает чрезмерное охлаждение ее поверхности. Концентрации озона неравномерно распределяются по высоте. Наибольшее его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности Земли.

2. Азот по количественному содержанию является наиболее существенной составной частью атмосферного воздуха, он принадлежит к инертным газам. В атмосфере азота невозможна жизнь. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий почвы (азотфиксирующими бактериями), а также сине-зелеными водорослями; под влиянием электрических разрядов превращается в оксиды азота, которые, выпадая с атмосферными осадками, обогащают почву солями азотистой и азотной кислот. Под влиянием почвенных бактерий соли азотистой кислоты превращаются в соли азотной кислоты, которые в свою очередь усваиваются растениями и служат для синтеза белка. Наряду с усвоением азота в природе происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при процессах горения древесины, угля, нефти; небольшое количество его образуется при разложении органических соединений. Таким образом, в природе происходит непрерывный круговорот, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения, восстанавливается и поступает в атмосферу, затем вновь связывается биологическими объектами.

Азот необходим как разбавитель кислорода, поскольку дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме.

Однако повышенное содержание азота во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота в воздухе до 93% наступает смерть.

Кроме азота, к инертным газам воздуха относятся аргон, неон, гелий, криптон и ксенон. В химическом отношении эти газы инертны, в жидкостях организма растворяются в зависимости от парциального давления, абсолютное количество этих газов в крови и тканях организма ничтожно.

3. Важным составным элементом атмосферного воздуха является диоксид углерода (углекислый газ, углекислота,). В природе диоксид углерода находится в свободном и связанном состояниях в количестве 146 млрд т, из них в атмосферном воздухе содержится лишь 1,8% от его общего количества. Основная масса его (до 70%) находится в растворённом состоянии в воде морей и океанов. В состав некоторых минеральных соединений, известняков и доломитов входит около 22% общего количества диоксида и углерода. Остальное количество приходится на животный и растительный мир, каменный уголь, нефть и гумус.

В природных условиях происходят непрерывные процессы выделения и поглощения диоксида углерода. В атмосферу он выделяется за счёт дыхания человека и животных, процессов горения, гниения и брожения, при промышленном обжиге известняков и доломитов и т.д. Одновременно в природе идут процессы ассимиляции диоксида углерода, который поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Диоксид углерода играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека, являясь физиологическим возбудителем дыхательного центра.

При вдыхании больших концентраций диоксида углерода происходит нарушение окислительно-восстановительных процессов в организме. При увеличении содержания его во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головные боли, шум в ушах, сердцебиение, возбуждённое состояние; при 8% наступает смерть.

В гигиеническом отношении содержание диоксида углерода является важным показателем, по которому судят о степени чистоты воздуха в жилых и общественных зданиях. Скопление больших его количеств в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие (скученность, плохая вентиляция).

В обычных условиях при естественной вентиляции помещения и инфильтрации наружного воздуха через поры строительных материалов содержание диоксида углерода в воздухе жилых помещений не превышает 0,2%. При повышении концентрации его в помещении могут отмечаться ухудшение самочувствия человека, снижение работоспособности. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением количества диоксида углерода в воздухе жилых и общественных зданий ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются его температура и влажность, появляются газообразные продукты жизнедеятельности человека, так называемые антропотоксины (меркаптан, индол, сероводород, аммиак).

С увеличением содержания СО 2 в воздухе и ухудшением метеорологических условий в жилых и общественных зданиях происходит изменение ионизационного режима воздуха (увеличение числа тяжёлых и уменьшение количества лёгких ионов), что объясняется поглощением лёгких ионов в процессе дыхания и контакта с кожей, а также поступлением тяжёлых ионов с выдыхаемым воздухом.

Предельно допустимой концентрацией диоксида углерода в воздухе лечебных учреждений следует считать 0,07%, в воздухе жилых и общественных зданий – 0,1%. Последняя величина принята в качестве расчётной при определении эффективности вентиляции в жилых и общественных зданиях.

4. Кроме основных составных частей, в атмосферном воздухе содержатся газы, выделяющиеся в результате естественных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере.

Водород содержится в воздухе в количестве 0,00005%. Он образуется в высоких слоях атмосферы за счёт фотохимического разложения молекул воды на кислород и водород. Водород не поддерживает дыхание, в свободном состоянии он не усваивается и не выделяется биологическими объектами. Кроме водорода, в атмосферном воздухе содержится незначительное количество метана; обычно концентрация метана в воздухе не превышает 0, 00022%. Метан выделяется при анаэробном гниении органических соединений. Как составная часть входит в состав природного газа и газа нефтяных скважин. При вдыхании воздуха, содержащего метан в больших концентрациях возможно наступление смерти от асфиксии.

Как продукт разложения органических веществ в атмосферном воздухе присутствуют небольшие количества аммиака. Его концентрации зависят от степени загрязнения данной территории нечистотами и органическими выбросами. Зимой вследствие замедления процессов гниения концентрация аммиака несколько ниже, чем летом. При анаэробных процессах разложения серосодержащих органических веществ возможно образование сероводорода, который уже в малых концентрациях придаёт воздуху неприятный запах. В атмосферном воздухе могут находиться в небольших концентрациях йод и перекись водорода. Йод попадает в атмосферный воздух за счёт присутствия мельчайших капелек морской воды и морских водорослей. За счёт взаимодействия УФ-лучей с молекулами воздуха образуется перекись водорода; вместе с озоном она способствует окислению органических веществ в атмосфере.

В атмосферном воздухе находятся взвешенные вещества, которые представлены пылью естественного и искусственного происхождения. В состав природной пыли входит космическая, вулканическая, наземная, морская пыль и пыль, образующаяся при лесных пожарах.

Большую роль в освобождении атмосферы от взвешенных веществ играют естественные процессы самоочищения, среди которых существенное значение имеет разбавление загрязнений конвекционными потоками воздуха у поверхности Земли. Существенным элементом самоочищения атмосферы является выпадение из воздуха крупных частиц пыли и сажи (седиментация). С подъёмом на высоту количество пыли уменьшается; на высоте 7 – 8 км от поверхности Земли пыль земного происхождения отсутствует. Значительную роль в процессах самоочищения играют атмосферные осадки, увеличивающие количество осевшей сажи и пыли. На содержание пыли в атмосферном воздухе влияют метеорологические условия и дисперсность аэрозоля. Крупнодисперсная пыль с диаметром частиц более 10 мкм быстро выпадает, мелкодисперсная пыль с диаметром частиц менее 0,1 мкм практически не выпадает и находится во взвешенном состоянии.

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.

Составляющие компоненты	Процентный состав по объему	Концентрация в мг/м 3
Кислород
Углекислый газ
Закись азота

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.

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

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

Основные элементы атмосферы

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

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

Азот - около 78 процентов;

Кислород - почти 21 процент;

Аргон - около одного процента;

Углекислый газ - менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

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

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

Физические свойства разных атмосферных слоев

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

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

Атмосфера защищает от солнечной радиации

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

Ноль по Цельсию в стратопаузе

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

В термосфере - плюс 2000 К!

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

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

Как образовалась земная атмосфера?

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

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

Эксперимент в ИДГ РАН

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

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

Минимум кислорода

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

Революционное изменение состава воздуха

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

Газовый состав атмосферного воздуха

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия

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

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

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

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

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

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

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

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