Какое сейчас содержание кислорода в воздухе. Состав воздуха в процентах по объему: диаграмма и интересные факты

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.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОЗДУХА И ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ

Воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит 20,95% кислорода, 78,9% азота, 0,03% углекислого газа. Кроме того, в атмосферном воздухе присутствует много инертных газов (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон, небольшое количество озона, закиси азота, йода, метана и водяных паров).

Кроме постоянных составных частей в атмосфере содержатся некоторые примеси природного происхождения, а также разнообразные загрязнения, поступающие в нее в результате деятельности человека (табл. 4.1).

Таблица 4.1. Состав сухого воздуха при нормальных условиях

Кислород. Постоянное содержание кислорода поддерживается непрерывными процессами его обмена в природе. Кислород потребляется при дыхании человека и животных, он необходим для горения и окисления. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза растений. Наземные растения и фитопланктон ежегодно поставляют в атмосферу около 1,5* 1015 т кислорода, что полностью восстанавливает его естественную убыль.

На поверхности земли из-за интенсивного перемешивания воздушных масс концентрация кислорода остается практически постоянной. Не ощущается существенной разницы в содержании кислорода в воздухе промышленных городов и сельских мест. Концентрация кислорода колеблется лишь в пределах десятых долей процента, что не имеет существенного гигиенического значения.

При падении парциального давления кислорода, что наблюдается при подъеме на высоту, возможны явления кислородного голодания. Критический уровень парциального давления кислорода - менее 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50- 60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. Вместе с тем повышение парциального давления кислорода более 600 мм рт. ст. ведет к развитию патологических процессов в организме - уменьшению жизненной емкости легких, отеку легких и пневмонии.

Наряду с кислородом нормальной составной частью воздуха является озон. Под влиянием коротковолновой ультрафиолетовой радиации

с длиной волны менее 200 мкм молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомарного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной молекуле кислорода, образуя озон. Одновременно с образованием озона происходит его распад.

Общебиологическое значение озона велико. Озон поглощает коротковолновую ультрафиолетовую радиацию, оказывающую губительное действие на все живое. Одновременно озон поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, исходящую от Земли, и тем самым предотвращает чрезмерное охлаждение ее поверхности. Концентрация озона неравномерно распределяется по высоте. Наибольшее его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности земли. С приближением к поверхности земли концентрация озона уменьшается вследствие снижения ультрафиолетовой радиации и ослабления синтеза озона. В тропосферу озон поступает в результате перемешивания воздушных масс и перехода из стратосферы.

Озон обладает окислительными способностями, поэтому в загрязненном воздухе городов его концентрация ниже, чем в воздухе сельской местности. В связи с этим озон считался показателем чистоты воздуха. Однако в последние годы установлено, что озон образуется в результате фотохимических реакций при формировании смога, поэтому обнаружение озона в атмосферном воздухе крупных городов считают показателем его загрязнения.

Азот. Наряду с кислородом и озоном в состав атмосферного воздуха входит азот, который по количественному содержанию является наиболее существенной составной частью атмосферного воздуха. Азот принадлежит к инертным газам, он не поддерживает дыхание и горение. В атмосфере азота жизнь невозможна. В природе происходит его круговорот.

Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий почвы, а также сине-зелеными водорослями. Азот воздуха под влиянием электрических разрядов превращается в окислы, которые, вымываясь из атмосферы 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. Установлено, что 95% атмосферного азота ассимилируется живыми организмами и лишь 5% связывается в результате физических процессов в природе. Следовательно, основная масса связанного азота имеет биогенное происхождение.

Наряду с усвоением азота происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при горении древесины, угля, нефти, небольшое количество его выделяется при разложении органических соединений микроорганизмами-денитрификаторами. Таким образом, в природе идет непрерывный круговорот азота, в результате чего азот атмосферы превращается в органические соединения. При разложении этих соединений азот восстанавливается и поступает в атмосферу, а затем его вновь связывают биологические объекты.

Азот является разбавителем кислорода, так как дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме. При изучении действия на организм различных концентраций азота отмечено, что его повышенное содержание во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии и асфиксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота до 93% наступает смерть. Наиболее выраженные неблагоприятные свойства азот проявляет в условиях повышенного давления, что связано с его наркотическим действием. Известна также роль азота в происхождении кессонной болезни.

Кроме азота к инертным газам относят 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, действие инертных газов может быть наркотическим при очень высоком парциальном давлении этих газов, что в обычной жизни не встречается.

Углекислый газ. Углекислый газ, или диоксид углерода, в природе находится в свободном и связанном состоянии. До 70% углекислого газа растворено в воде морей и океанов, в состав некоторых минеральных соединений (известняки и доломиты) входит около 22% общего количества диоксида углерода. Остальное количество приходится на животный и растительный мир (каменный уголь, нефть и гумус).

В природе происходят непрерывные процессы выделения и поглощения диоксида углерода. В атмосферу он выделяется в результате дыхания человека и животных, а также горения, гниения, брожения. Кроме того, диоксид углерода образуется при промышленном обжиге известняков и доломитов, возможно его выделение с вулканическими газами. Наряду с процессами образования в природе идут процессы ассимиляции диоксида углерода - активное поглощение растениями в процессе фотосинтеза. Из воздуха диоксид углерода вымывается осадками.

Важную роль в поддержании постоянной концентрации диоксида углерода в атмосферном воздухе играет его выделение с поверхности морей и океанов. Диоксид углерода, растворенный в воде морей и океанов, находится в динамическом равновесии с диоксидом углерода воздуха и при повышении парциального давления в воздухе растворяется в воде, а при понижении парциального давления выделяется в атмосферу.

Процессы образования и ассимиляции взаимосвязаны, благодаря этому содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе относительно постоянно и составляет 0,03%. За последнее время концентрация диоксида углерода в воздухе промышленных городов увеличивается в результате интенсивного загрязнения воздуха продуктами сгорания топлива. Среднегодовое содержание диоксида углерода в городском воздухе может быть выше, чем в чистой атмосфере, и составляет 0,037%. В литературе обсуждается вопрос о роли диоксида углерода в создании «парникового эффекта», приводящего к повышению температуры приземного слоя воздуха.

Диоксид углерода является физиологическим возбудителем дыхательного центра. Его парциальное давление в крови обеспечивается регулированием кислотно-щелочного равновесия. В организме он находится в связанном состоянии в виде двууглекислых солей натрия в плазме и эритроцитах крови. При вдыхании больших концентраций диоксида углерода нарушаются окислительно-восстановительные процессы. Чем больше диоксида углерода во вдыхаемом воздухе, тем менее его может выделить организм.

Накопление диоксида углерода в крови и тканях ведет к развитию тканевой аноксии. При увеличении содержания диоксида углерода во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головная боль, шум в ушах, сердцебиение, возбужденное состояние, при 8% возникает тяжелое отравление и наступает смерть. По содержанию диоксида углерода судят о чистоте воздуха в жилых и общественных зданиях. Значительное накопление этого соединения в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие помещения (скученность людей, 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%. В этих концентрациях диоксид углерода не токсичен для человека, но пребывание в такой атмосфере приводит к ухудше-

нию самочувствия и снижению работоспособности. Это объясняется тем, что параллельно с увеличением концентрации диоксида углерода ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются температура и влажность, появляются токсичные газообразные продукты жизнедеятельности человека (меркаптан, индол, сероводород, аммиак), увеличивается содержание пыли и микроорганизмов.

Из всех показателей, связанных с ухудшением разнообразных свойств воздуха, диоксид углерода определить наиболее легко, поэтому при оценке состояния воздушной среды помещений учитывают концентрацию диоксида углерода.

Другие составные части воздуха и естественные примеси. Кроме основных составных частей - кислорода, азота, диоксида углерода, в атмосферном воздухе содержатся водород, метан, закись азота, аммиак, сероводород. Эти газы являются результатом естественных процессов, происходящих на поверхности земли и в атмосфере.

Оговоримся сразу, азот в воздухе занимает большую часть, однако и химический состав оставшейся доли весьма интересен и разнообразен. Если коротко, то список основных элементов выглядит следующим образом.

Однако дадим и небольшие пояснения по функциям этих химических элементов.

1. Азот

Содержание азота в воздухе – 78% по объему и 75% по массе, то есть этот элемент доминирует в атмосфере, имеет звание одного из самых распространенных на Земле, и, кроме того, содержится и за пределами зоны обитания человека – на Уране, Нептуне и в межзвездных пространствах. Итак, сколько азота в воздухе, мы уже разобрались, остался вопрос о его функции. Азот необходим для существования живых существ, он входит в состав:

• белков;
• аминокислот;
• нуклеиновых кислот;
• хлорофилла;
• гемоглобина и др.

В среднем около 2% живой клетки составляют как раз атомы азота, что объясняет, зачем столько азота в воздухе в процентах объема и массы.
Азот также является одним из инертных газов, добываемых из атмосферного воздуха. Из него синтезируют аммиак, используют для охлаждения и в других целях.

2. Кислород

Содержание кислорода в воздухе – один из самых популярных вопросов. Сохраняя интригу, отвлечемся на один забавный факт: кислород открыли дважды – в 1771 и 1774 годах, однако из-за разницы в публикациях открытия, почести открытия элемента достались английскому химику Джозефу Пристли, который фактически выделил кислород вторым. Итак, доля кислорода в воздухе колеблется около 21% по объему и 23% по массе. Вместе с азотом эти два газа образуют 99% всего земного воздуха. Однако процент кислорода в воздухе меньше, чем азота, и при этом мы не испытываем проблем с дыханием. Дело в том, что количество кислорода в воздухе оптимально рассчитано именно для нормального дыхания, в чистом виде этот газ действует на организм подобно яду, приводит к затруднениям в работе нервной системы, сбоям дыхания и кровообращения. При этом недостаток кислорода также негативно сказывается на здоровье, вызывая кислородное голодание и все связанные с ним неприятные симптомы. Поэтому сколько кислорода в воздухе содержится, столько и нужно для здорового полноценного дыхания.

3. Аргон

Аргон в воздухе занимает третье место, он не имеет запаха, цвета и вкуса. Значимой биологической роли этого газа не выявлено, однако он обладает наркотическим эффектом и даже считается допингом. Добытый из атмосферы аргон используют в промышленности, медицине, для создания искусственной атмосферы, химического синтеза, пожаротушения, создания лазеров и пр.

4. Углекислый газ

Углекислый газ составляет атмосферу Венеры и Марса, его процент в земном воздухе куда ниже. При этом огромное количество углекислоты содержится в океане, он регулярно поставляется всеми дышащими организмами, выбрасывается за счет работы промышленности. В жизни человека углекислый газ используется в пожаротушении, пищевой промышленности как газ и как пищевая добавка Е290 – консервант и разрыхлитель. В твердом виде углекислота – один из самых известных хладагентов «сухой лед».

5. Неон

Тот самый загадочный свет дискотечных фонарей, яркие вывески и современные фары используют пятый по распространенности химический элемент, который также вдыхает человек – неон. Как и многие инертные газы, неон оказывает на человека наркотическое действие при определенном давлении, однако именно этот газ используют в подготовке водолазов и других людей, работающих при повышенном давлении. Также неоново-гелиевые смеси используются в медицине при расстройствах дыхания, сам неон используют для охлаждения, в производстве сигнальных огней и тех самых неоновых ламп. Однако, вопреки стереотипу, неоновый свет не синий, а красный. Все остальные цвета дают лампы с другими газами.

6. Метан

Метан и воздух имеют очень древнюю историю: в первичной атмосфере, еще до появления человека, метан был в куда большем количестве. Сейчас этот газ, добываемый и используемый как топливо и сырье в производстве, не так широко распространен в атмосфере, но по-прежнему выделяется из Земли. Современные исследования устанавливают роль метана в дыхании и жизнедеятельности организма человека, однако авторитетных данных на этот счет пока нет.

7. Гелий

Посмотрев, сколько гелия в воздухе, любой поймет, что этот газ не относится к числу первостепенных по важности. Действительно, сложно определить биологическое значение этого газа. Не считая забавного искажения голоса при вдыхании гелия из шарика 🙂 Однако гелий широко применяется в промышленности: в металлургии, пищевой промышленности, для наполнения воздухоплавающих судов и метеорологических зондов, в лазерах, ядерных реакторах и т.д.

8. Криптон

Речь не идет о родине Супермена 🙂 Криптон – инертный газ, который в три раза тяжелее воздуха, химически инертен, добывается из воздуха, используется в лампах накаливания, лазерах и все еще активно изучается. Из интересных свойств криптона стоит отметить, что при давлении в 3,5 атмосферы он оказывает наркотический эффект на человека, а при 6 атмосферах приобретает резкий запах.

9. Водород

Водород в воздухе занимает 0,00005% по объему и 0,00008% по массе, но при этом именно он – самый распространенный элемент во Вселенной. О его истории, производстве и применении вполне можно написать отдельную статью, поэтому сейчас ограничимся небольшим списком отраслей: химическая, топливная, пищевая промышленности, авиация, метеорология, электроэнергетика.

10. Ксенон

Последний в составе воздуха, изначально и вовсе считавшийся только примесью к криптону. Его название переводится как «чужой», а процент содержания и на Земле, и за ее пределами минимальный, что обусловило его высокую стоимость. Сейчас без ксенона не обходятся: производство мощных и импульсных источников света, диагностика и наркоз в медицине, двигатели космических аппаратов, ракетное топливо. Кроме того, при вдыхании ксенон значительно понижает голос (обратный эффект гелию), а с недавнего времени вдыхание этого газа причислено к списку допингов.

ВОЗДУХ – смесь газов, образующая атмосферу, оболочку вокруг земного шара, обусловливающую возможность жизни на Земле животных и растительных организмов.

Воздух состоит в основном из смеси азота (78,09% по объему) и кислорода (20,95% по объему); на долю всех остальных газов приходится около 1%. Важнейшей составной частью воздуха является кислород, играющий основную роль в поддержании жизни на Земле. В процессе жизнедеятельности животные организмы непрерывно потребляют кислород. Пополнение запасов кислорода В. происходит за счет продуцирования его растениями, зеленые части которых в процессе фотосинтеза поглощают на свету углекислый газ и используют его углерод для образования органических веществ, выделяя при этом в воздух свободный кислород. Таким образом, в природе происходит кругооборот кислорода, в процессе которого одновременно с большим расходом кислорода происходит полное восстановление его количества.

Человек вдыхает за сутки 20-30 м куб. воздуха. Потребность человека в кислороде зависит от интенсивности трудовой деятельности; в покое эта потребность составляет 25 л в час. Снижение содержания кислорода в воздухе до 16-18% не оказывает заметного влияния на организм человека; снижение до 14% уже сопровождается явлениями кислородной недостаточности, а снижение до 9% опасно для жизни. Однако основное биологическое значение имеет не процентное содержание кислорода в воздухе, а его парциальное (частичное) давление, то есть та часть общего атмосферного давления, которая приходится на его долю, так как переход кислорода из воздуха, содержащегося в альвеолах легких, в кровь и ткани основан на разнице его парциального давления. Наиболее полно этот переход осуществляется при парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе, равном 150- 159 мм, которое обычно имеет место при атмосферном давлении 760 мм. Парциальное давление кислорода в альвеолярном воздухе ниже, чем в атмосферном воздухе: при парциальном давлении кислорода в атмосферном воздухе, равном 159 мм, в альвеолярном воздухе оно составляет только 105 мм. Понижение парциального давления кислорода воздуха влечет за собой нарушение дыхательного процесса, снижение легочного и тканевого газообмена, обеднение крови и тканей кислородом. При понижении парциального давления кислорода в атмосферном воздухе до 130-140 мм (в альвеолярном воздухе соответственно до 80-85 мм) уже может возникать ряд нарушений – одышка, учащение и увеличение глубины дыхания, учащение сердце биений, ускорение тока крови и другие, которые носят компенсаторный характер. При дальнейшем снижении парциального давления кислорода до 110 мм (в альвеолярном воздухе – около 62 мм) компенсаторные возможности организма оказываются уже недостаточными и возникают явления кислородной недостаточности (так называемая гипоксемия, гипоксия). Дальнейшее снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм (в альвеолярном воздухе до 20-25 мм) может привести к смерти. Дефицит кислорода можно компенсировать употребляя кислородный коктейль. Приготовление кислородного коктейля производят с помощью различных аппаратов, в том числе концентратор кислорода , кислородные миксеры, ароматические станции, пенообразователи и многие другие.

Понижение парциального давления кислорода отмечается с подъемом на высоту. Поэтому при подъемах на горы или на самолете с негерметизированной кабиной у малотренированных и неакклиматизированных людей может развиться так называемая высотная болезнь. Значительно легче организм переносит повышение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе. Экспериментальные животные переносят содержание кислорода в воздухе 40-60% в течение длительного срока без каких-либо заметных проявлений и нарушений в состоянии организма. При водолазных работах дыхание воздухом, содержащим до 50% кислорода, также переносится без вредных последствий.

При высоком парциальном давлении кислорода (около 1 атм) и длительном вдыхании его развивается отек и воспаление легких.

Второй важной составной частью воздуха является азот. Он относится к инертным газам и не способен поддерживать дыхание и горение. Однако азот играет важную роль как разбавитель кислорода в атмосферном воздухе, обеспечивая благоприятную для поддержания нормального дыхания животных и человека концентрацию кислорода в воздухе. Наилучшие условия для жизни создаются при содержании в воздухе азота 78,09% (по объему) и кислорода 20,95%. При увеличении содержания азота в воздухе до 83% отмечаются первые признаки недостаточности кислорода. Азот при повышенном парциальном его давлении во вдыхаемом воздухе обладает наркотическим действием (при парциальном давлении азота 30-40 атм наступает полный наркоз). Изучение токсического действия азота у водолазов при глубоководных спусках показало, что при дыхании обыкновенным воздухом под давлением 9 атм и более отмечается ряд расстройств. Азот растворяется в крови и тканях организма в количествах, пропорциональных его парциальному давлению. При быстром переходе человека от повышенного давления к низкому избыток азота выделяется из тканей и крови в виде пузырьков газа, что является причиной так называемой кессонной болезни.

Постоянной составной частью воздуха является углекислый газ (CO2). Углекислый газ участвует в круговороте углерода; он поглощается в большом количестве растениями. Однако количество его в воздухе остается постоянным за счет поступления из почвы, в составе промышленных газов и дыма, за счет дыхания людей и животных. Человек в покое за 1 час выдыхает 22,6 л CO2. Наибольшее количество CO2 содержится в воздухе крупных промышленных городов. Наименьшее количество - над водной поверхностью океанов и морей. Регулирующее влияние на содержание СO2 в атмосферном воздухе оказывает вода морей и океанов, которая в зависимости от величины парциального давления кислорода воздуха и температуры отдает или поглощает СO2 из атмосферного воздуха. Физиологическое значение углекислого газа заключается в его возбуждающем действии на дыхательный центр. Так как в процессе жизнедеятельности в организме образуется углекислый газ в количестве, достаточном для создания в крови необходимого парциального давления СO2, обеспечивающего нормальное течение дыхательного процесса, то понижение содержания углекислого газа в атмосферном воздухе не имеет существенного значения. Повышение же концентрации СO2 в воздухе сказывается на состоянии организма: при содержании в воздухе 3-4% СO2 дыхание ускоряется и углубляется, появляется головная боль, шум в ушах, замедление пульса, повышение кровяного давления и другое, при повышении концентрации СO2 в воздухе до 10% может наступить потеря сознания и смерть. Механизм действия высоких концентраций СO2 аналогичен действию кислородной недостаточности. Гигиенической нормой содержания СO2 в воздухе жилых и общественных помещениях принято считать 0,1%. Углекислый газ принято рассматривать как показатель загрязнения воздуха в помещениях.

Из других газов воздуха необходимо отметить озон (O3), который относится к активным газам, оказывающим влияние на здоровье человека. Однако естественное содержание озона у поверхности земли ничтожно и не представляет какой-либо опасности для здоровья. Наибольшие количества озона сосредоточиваются в атмосфере на высоте 25-30 км. Озон играет важную роль в защите от вредного действия коротких волн солнечной радиации, а также обладает способностью задерживать тепло, исходящее от земли и, таким образом, в некоторой степени препятствует охлаждению земной поверхности.

В воздухе могут находиться в виде примесей и другие газы, в том числе и вредные (сероводород, сернистый газ, аммиак, окись углерода и другие), что чаще всего имеет место вблизи промышленных предприятий. Среди примесей, загрязняющих воздух, первое место принадлежит пыли . Мероприятия по санитарной охране воздуха направлены к всемерному снижению содержания в воздухе этих вредных примесей.
Помимо состава воздуха, существенное значение для нормальной жизнедеятельности человека имеют также физические свойства воздуха: температура, влажность, подвижность, которые оказывают комбинированное действие на организм, увеличивая или уменьшая его теплоотдачу. Наиболее благоприятная для человека температура воздуха 18-20°. Чем тяжелей выполняемая человеком работа, тем ниже должна быть температура воздуха. Человек легко переносит колебания температуры, вследствие свойственной ему способности к .

Большое значение для нормального самочувствия человека имеет влажность воздуха. Наиболее благоприятна для человека относительная влажность воздуха 40-60%. Сухой воздух переносится человеком хорошо, высокая влажность действует крайне неблагоприятно: при высокой температуре воздуха она способствует перегреву организма, так как затрудняет испарение пота, а при низких температурах способствует его переохлаждению, так как влажный воздух отличается высокой теплопроводностью. Человек очень чувствителен к движению воздуха, вызывающему усиление теплоотдачи организма. При низких температурах ветер способствует быстрому переохлаждению тела. При высокой температуре или интенсивном солнце ветер предохраняет от перегрева, улучшает самочувствие.

В воздухе могут содержаться микроорганизмы, в том числе и болезнетворные. Загрязненный ими воздух может способствовать распространению некоторых заразных болезней, особенно так называемых капельных инфекций (грипп, дифтерия, корь, скарлатина, коклюш и другие), возбудители которых больной человек выделяет с капельками слюны и слизи при кашле, чихании, разговоре.

Необходимо всегда следить за чистотой воздуха в помещении: систематически мыть полы, проветривать комнаты путем устройства сквозняков, тщательно выколачивать пыль из мягкой мебели, ковров, портьер, постельных принадлежностей и одежды не реже одного раза в неделю.

Атмосферный воздух , который вдыхает человек, находясь вне помещения (или в хорошо вентилируемых помещениях), содержит 20,94% кислорода, 0,03% углекислого газа, 79,03% азота. В закрытых помещениях, заполненных людьми, процентное содержание углекислого газа в воздухе может быть несколько выше.

Выдыхаемый воздух содержит в среднем 16,3% кислорода, 4% углекислого газа, 79,7% азота (эти цифры приведены в перерасчете на сухой воздух, т. е. за вычетом паров воды, которыми всегда насыщен выдыхаемый воздух).

Состав выдыхаемого воздуха весьма непостоянен; он зависит от интенсивности обмена веществ организма и от объема легочной вентиляции. Стоит сделать несколько глубоких дыхательных движений или, напротив, задержать дыхание, чтобы состав выдыхаемого воздуха изменился.

Азот в газообмене не участвует, однако процентное содержание азота в видимом воздухе на несколько десятых долей процента выше, чем во вдыхаемом. Дело в том, что объем выдыхаемого воздуха несколько меньше, чем объем вдыхаемого, а потому то же самое количество азота, распределяясь в меньшем объеме, дает больший процент. Меньший объем выдыхаемого воздуха по сравнению с объемом вдыхаемого объясняется тем, что углекислого газа выделяется несколько меньше, чем поглощается кислорода (часть поглощаемого кислорода используется в организме на обращение соединений, которые выделяются из организма с мочой и потом).

Альвеолярный воздух отличается от выдыхаемого большим процентом некислоты и меньшим процентом кислорода. В среднем состав альвеолярного воздуха таков: кислорода 14,2-14,0%, углекислого газа 5,5- 5,7%, азота около 80%.

Определение состава альвеолярного воздуха важно для понимания механизма газообмена в легких. Холден предложил простой метод для определения состава альвеолярного воздуха. После нормального вдоха исследуемый делает возможно более глубокий выдох через трубку длиной 1-1,2 м и диаметром 25 мм. Первые порции выдыхаемого воздуха,уходящие через трубку, содержат воздух вредного пространства; последние же порции, остающиеся в трубке, содержат альвеолярный воздух. Для анализа в газоприемник берут воздуха из той части трубки, которая находится ближе всего ко рту.

Состав альвеолярного воздуха несколько различается в зависимости от того, произведён ли забор пробы воздуха для анализа на высоте вдоха или выдоха. Если сделать быстрый, короткий и неполный выдох в конце нормального вдоха, то проба воздуха отразит состав альвеолярного воздуха после наполнения легких дыхательным воздухом, т. е. во время вдоха. Если же сделать глубокий выдох после нормального выдоха, то проба отразит состав альвеолярного воздуха во время выдоха. Понятно, что в первом случае процент углекислого газа будет несколько меньше, а процент кислорода несколько больше, чем во втором. Это видно из результатов опытов Холдена, который установил, что процент углекислого газа в альвеолярном воздухе в конце вдоха составляет в среднем 5,54, а в конце выдоха - 5,72.

Таким оораэом, имеется сравнительно небольшое различие в содержании углекислого газа в альвеолярном воздухе на вдохе и на выдохе: всего на 0,2-0,3%. Это в большой степени объясняется тем, что при нормальном дыхании, как сказано выше, ется всего, обновляется всего 1/7 объема воздуха в легочных альвеолах. Относительное постоянство состава альвеолярного воздуха имеет большое физиологическое значение, что выяснено ниже.