Что содержится в воздухе в процентах. Из чего состоит воздух? Состав и свойства. Функции кислорода в атмосфере и для организма

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

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

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

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

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

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

Строение атмосферы

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

Тропосфера

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

Рис. 1. Строение атмосферы Земли

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

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

Можно сказать, что погода в основном формируется в тропосфере.

Стратосфера

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

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

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

Между мезосферой и стратосферой расположена переходная зона — стратопауза.

Мезосфера

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

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

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

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

Экзосфера

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

Состав атмосферы

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

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

Таблица 1. Химический состав сухого атмосферного воздуха у земной поверхности

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Охрана атмосферы

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

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.

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

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

Таблица 1

Состав сухого атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ЛЕКЦИЯ № 3. Атмосферный воздух.

Тема: Атмосферный воздух, его химический состав и физиологическое

значение составных частей.

Атмосферные загрязнения; их влияние на здоровье населения.

План лекции:

Химический состав атмосферного воздуха.

Биологическая роль и физиологическое значение его составных частей: азота, кислорода, углекислого газа, озона, инертных газов.

Понятие об атмосферных загрязнениях и их источниках.

Влияние атмосферных загрязнений на здоровье (прямое воздействие).

Влияние атмосферных загрязнений на условия жизни населения (косвенное воздействие на здоровье).

Вопросы охраны атмосферного воздуха от загрязнения.

Газовая оболочка земли называется атмосферой. Общий вес земной атмосферы составляет 5,13  10 15 тонн.

Воздух, образующий атмосферу, представляет собой смесь различных газов. Состав сухого воздуха на уровне моря будет следующий:

Таблица № 1

Состав сухого воздуха при температуре 0 0 С и

давлении 760 мм рт. ст.

Состав земной атмосферы остается постоянным над сушей, над морем, в городах и сельской местности. Не изменяется он также с высотой. При этом следует помнить, что речь идет о процентном содержании составных частей воздуха на разных высотах. Однако этого нельзя сказать о весовой концентрации газов. По мере подъема вверх плотность воздуха падает и количество молекул, содержащихся в единице пространства, тоже снижается. Вследствие этого падает весовая концентрация газа и его парциальное давление.

Остановимся на характеристике отдельных составных частей воздуха.

Главной составной частью атмосферы является азот. Азот является инертным газом. Он не поддерживает дыхания и горения. В атмосфере азота жизнь невозможна.

Азот играет важную биологическую роль. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий и водорослями, которые образуют из него органические соединения.

Под влиянием атмосферного электричества образуется небольшое количество ионов азота, которые вымываются из атмосферы осадками и обогащают почву солями азотистой и азотной кислоты. Соли азотистой кислоты под влиянием почвенных бактерий превращаются в нитриты. Нитриты и соли аммиака усваиваются растениями и служат для синтеза белков.

Таким образом, осуществляется превращение инертного азота атмосферы в живую материю органического мира.

Ввиду недостатка азотистых удобрений природного происхождения, человечество научилось получать их искусственным путем. Создана и развивается азотно-туковая промышленность, которая перерабатывает атмосферный азот в аммиак и азотистые удобрения.

Биологическое значение азота не ограничивается его участием в круговороте азотистых веществ. Он играет важную роль как разбавитель кислорода атмосферы, так как в чистом кислороде жизнь невозможна.

Увеличение содержания азота в воздухе вызывает гипоксию и асфиксию вследствие снижения парциального давления кислорода.

При повышении парциального давления азот проявляет наркотические свойства. Однако, в условиях открытой атмосферы наркотическое действие азота не проявляется, так как колебания его концентрации незначительны.

Наиболее важным из компонентов атмосферы является газообразный кислород (О 2 ) .

Кислород в нашей Солнечной системе в свободном состоянии встречается только на Земле.

Много предположений выдвинуто относительно эволюции (развития) земного кислорода. Наиболее признанное объяснение заключается в том, что подавляющая часть кислорода в современной атмосфере образовалась в процессе фотосинтеза в биосфере; и только начальное, малое количество кислорода образовалось в результате фотосинтеза воды.

Биологическая роль кислорода чрезвычайно велика. Без кислорода невозможна жизнь. Земная атмосфера содержит 1,18  10 15 тонн кислорода.

В природе непрерывно идут процессы потребления кислорода: дыхание человека и животных, процессы горения, окисления. В то же время непрерывно идут процессы восстановления содержания кислорода в воздухе (фотосинтез). Растения поглощают углекислый газ, расщепляют его, усваивают углерод, а кислород выделяют в атмосферу. Растения выбрасывают в атмосферу 0,5  10 5 миллионов тонн кислорода. Этого достаточно чтобы покрыть естественную убыль кислорода. Поэтому содержание его в воздухе постоянно и составляет 20, 95%.

Непрерывное течение воздушных масс перемешивают тропосферу, вот почему не наблюдается разницы в содержании кислорода в городах и сельской местности. Концентрация кислорода колеблется в пределах нескольких десятых процентов. Это не имеет значения. Однако, в глубоких ямах, колодцах, пещерах содержание кислорода может падать, поэтому спуск в них опасен.

При падении парциального давления кислорода у человека и животных наблюдаются явления кислородного голодания. Значительные изменения парциального давления кислорода наступают при подъеме вверх над уровнем моря. Явления кислородной недостаточности могут наблюдаться при подъемах в горы (альпинизм, туризм), при авиаперелетах. Подъем на высоту 3000м может вызвать высотную или горную болезнь.

При длительном проживании в высокогорной местности у людей развивается привыкание к недостатку кислорода и наступает акклиматизация.

Высокое парциальное давление кислорода неблагоприятно для человека. При парциальном давлении более 600 мм уменьшается жизненная емкость легких. Вдыхание чистого кислорода (парциальное давление 760 мм) вызывает отек легких, пневмонию, судороги.

В естественных условиях в воздухе не наблюдается повышенное содержание кислорода.

Озон является составной частью атмосферы. Масса его составляет 3,5 миллиарда тонн. Содержание озона в атмосфере меняется по сезонам года: весной оно высокое, осенью низкое. Содержание озона зависит от широты местности: чем ближе к экватору, тем оно ниже. Концентрация озона имеет суточный ход: максимума оно достигает к полудню.

Концентрация озона неравномерно распределяется по высоте. Наиболее высокое его содержание наблюдается на высоте 20-30 км.

Озон непрерывно образуется в стратосфере. Под влиянием ультрафиолетовой радиации солнца, молекулы кислорода диссоциируют (распадаются) с образованием атомарного кислорода. Атомы кислорода рекомбинируются (соединяются) с молекулами кислорода и образуют озон (О 3). На высоте выше и ниже 20-30 км процессы фотосинтеза (образования) озона замедляются.

Наличие слоя озона в атмосфере имеет большое значение для существования жизни на Земле.

Озон задерживает коротковолновую часть спектра солнечной радиации, не пропускает волны короче 290 нм (нанометров). При отсутствии озона жизнь на земле была бы невозможна, вследствие губительного действия короткой ультрафиолетовой радиации на все живое.

Озон поглощает также инфракрасную радиацию с длиной волны 9,5 мкм (микрон). Благодаря этому, озон задерживает около 20 процентов теплового излучения земли, уменьшая потерю ее тепла. В отсутствие озона абсолютная температура Земли была бы ниже на 7 0 .

В нижний слой атмосферы – тропосферу озон заносится из стратосферы в результате перемешивания воздушных масс. При слабом перемешивании концентрация озона у поверхности земли падает. Увеличение озона в воздухе наблюдается при грозе в результате разрядов атмосферного электричества и увеличения турбулентности (перемешивания) атмосферы.

Вместе с тем, значительное повышение концентрации озона в воздухе является результатом фотохимического окисления органических веществ, которые поступают в атмосферу с выхлопными газами автомобилей и выбросами промышленности. Озон относится к числу токсических веществ. Озон оказывает раздражающее действие на слизистые оболочки глаз, носа, горла в концентрации 0,2-1 мг/м 3 .

Углекислый газ (СО 2 ) находится в атмосфере в концентрации 0,03%. Общее количество его равно 2330 миллиардов тонн. Большое количество углекислого газа содержится в растворенном виде в воде морей и океанов. В связанном виде он входит в состав доломитов и известняков.

Атмосфера постоянно пополняется углекислым газом в результате процессов жизнедеятельности живых организмов, процессов горения, гниения, брожения. Человек выделяет в день 580 л углекислого газа. Большое количество углекислого газа выделяется при разложении известняков.

Несмотря на наличие многочисленных источников образования, существенного накопления углекислого газа в воздухе не происходит. Углекислый газ постоянно ассимилируется (усваивается) растениями в процессе фотосинтеза.

Кроме растений регулятором содержания углекислого газа в атмосфере являются моря и океаны. При повышении парциального давления углекислого газа в воздухе, он растворяется в воде, а при снижении выделяется в атмосферу.

В приземной атмосфере наблюдаются небольшие колебания концентрации углекислого газа: над океаном она ниже, чем над сушей; в лесу выше, чем в поле; в городах выше, чем за городом.

Углекислый газ играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека. Он является побудителем дыхательного центра.

В атмосферном воздухе присутствует некоторое количество инертных газов : аргона, неона, гелия, криптона и ксенона. Эти газы относятся к нулевой группе таблицы Менделеева, не вступают в реакции с другими элементами, являются инертными в химическом смысле.

Инертные газы являются наркотическими. Их наркотические свойства проявляются при высоком барометрическом давлении. В открытой атмосфере наркотические свойства инертных газов не могут проявиться.

Кроме составных частей атмосферы, в ней содержатся различные примеси природного происхождения и загрязнения, вносимые в результате деятельности человека.

Примеси, которые присутствуют в воздухе помимо его естественного химического состава, называются атмосферными загрязнениями .

Атмосферные загрязнения подразделяются на естественные и искусственные.

К естественным загрязнениям относят примеси, поступающие в воздух в результате стихийных природных процессов (растительная, почвенная пыль, извержение вулканов, космическая пыль).

Искусственные атмосферные загрязнения образуются в результате производственной деятельности человека.

Искусственные источники атмосферных загрязнений делят на 4 группы:

транспорт;

промышленность;

теплоэнергетика;

сжигание мусора.

Остановимся на их краткой характеристике.

Современная ситуация характеризуется тем, что объем выбросов автомобильного транспорта превышает объем выбросов промышленных предприятий.

Один автомобиль выбрасывает в воздушный бассейн более 200 химических соединений. Каждый автомобиль потребляет в год в среднем 2 тонны топлива и 30 тонн воздуха, а выбрасывает в атмосферу 700 кг оксида углерода (СО), 230 кг несгоревших углеводородов, 40 кг окислов азота (NО 2) и 2-5 кг твердых веществ.

Современный город насыщен и другими видами транспорта: железнодорожным, водным и воздушным. Общее количество выбросов в окружающую среду от всех видов транспорта имеет тенденцию к непрерывному росту.

Промышленные предприятия по степени наносимого вреда окружающей среде занимают второе место после транспорта.

Наиболее интенсивно загрязняют атмосферный воздух предприятия черной и цветной металлургии, нефтехимической и коксохимической промышленности, а также предприятия по производству строительных материалов. Они выбрасывают в атмосферу десятки тонн сажи, пыли, металлов и их соединений (меди, цинка, свинца, никеля, олова и др.).

Поступая в атмосферу, металлы загрязняют почву, накапливаются в ней, проникают в воду водоемов.

В районах расположения промышленных предприятий, население подвергается риску неблагоприятного воздействия атмосферных загрязнений.

Помимо твердых частиц промышленность выбрасывает в воздух различные газы: серный ангидрид, окись углерода, окислы азота, сероводород, углеводороды, радиоактивные газы.

Загрязняющие вещества могут длительно находиться в окружающей среде и оказывать вредное влияние на организм человека.

Например, углеводороды сохраняются в окружающей среде до 16 лет, принимают активное участие в фотохимических процессах в атмосферном воздухе с образованием токсических туманов.

Массивное загрязнение атмосферы наблюдается при сжигании твердого и жидкого топлива на теплоэлектростанциях. Они являются основными источниками загрязнения атмосферы окислами серы и азота, окисью углерода, сажей и пылью. Для этих источников характерна массивность загрязнения атмосферного воздуха.

В настоящее время известно много фактов неблагоприятного влияния атмосферных загрязнений на здоровье людей.

Атмосферные загрязнения оказывают на организм человека как острое, так и хроническое воздействие.

Примерами острого влияния атмосферных загрязнений на здоровье населения являются токсические туманы. Концентрации токсических веществ в воздухе возрастали при неблагоприятных метеорологических условиях.

Первый токсический туман зарегистрирован в Бельгии в 1930 году. Пострадало несколько сот человек, 60 человек умерли. В последующем подобные случаи повторялись: в 1948 году в американском городе Донора. Пострадало 6000 человек. В 1952 году от «великого лондонского тумана» умерло 4000 человек. В 1962 году по этой же причине погибло 750 жителей Лондона. В 1970 году от смога над японской столицей (Токио) пострадало 10 тысяч человек, 1971 году – 28 тысяч.

Помимо перечисленных катастроф, анализ материалов исследований отечественных и зарубежных авторов обращает внимание на повышение общей заболеваемости населения по причине загрязнения атмосферы.

Выполненные в данном плане исследования позволяют заключить, что в результате воздействия атмосферных загрязнений в промышленных центрах наблюдается повышение:

общего уровня смертности от сердечно-сосудистых заболеваний и болезней органов дыхания;

острой неспецифической заболеваемости верхних дыхательных путей;

хронических бронхитов;

бронхиальной астмы;

эмфиземы легких;

рака легких;

снижение продолжительности жизни и творческой активности.

Кроме того, в настоящее время математический анализ выявил статистически значимую корреляционную зависимость между уровнем заболеваемости населения болезнями крови, органов пищеварения, болезнями кожи и уровнями загрязнения атмосферного воздуха.

Органы дыхания, пищеварительная система и кожа являются «входными воротами» для токсических веществ и служат мишенями их прямого и опосредованного действия.

Влияние атмосферных загрязнений на условия жизни расценивается как непрямое (косвенное) воздействие атмосферных загрязнений на здоровье населения.

Оно включает:

снижение общей освещенности;

снижение ультрафиолетовой радиации солнца;

изменение климатических условий;

ухудшение жилищно-бытовых условий;

отрицательное воздействие на зеленые насаждения;

отрицательное воздействие на животных.

Вещества, загрязняющие атмосферу, наносят большой ущерб зданиям, сооружениям, строительным материалам.

Общий экономический ущерб США от загрязнителей атмосферы, включая их влияние на здоровье человека, строительные материалы, металлы, ткани, кожу, бумагу, краски, резину и другие материалы ежегодно составляет 15-20 миллиардов долларов.

Все вышесказанное свидетельствует о том, что охрана атмосферного воздуха от загрязнения является проблемой чрезвычайной важности и объектом пристального внимания специалистов во всех странах мира.

Все мероприятия по охране атмосферного воздуха должны осуществляться комплексно по нескольким направлениям:

Законодательные меры. Это принятые правительством страны законы, направленные на охрану воздушной среды;

Рациональное размещение промышленных и жилых зон;

Технологические мероприятия, направленные на снижение выбросов в атмосферу;

Санитарно-технические мероприятия;

Разработка гигиенических нормативов для атмосферного воздуха;

Контроль за чистотой атмосферного воздуха;

Контроль за работой промышленных предприятий;

Благоустройство населенных мест, озеленение, обводнение, создание защитных разрывов между промышленными предприятиями и жилыми комплексами.

Кроме перечисленных мер внутригосударственного плана, в настоящее время разрабатываются и широко внедряются межгосударственные Программы по охране атмосферного воздуха.

Проблема охраны воздушного бассейна решается в ряде международных организаций – ВОЗ, ООН, ЮНЕСКО и других.

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

Из чего состоит атмосфера

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

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

Кислород - главное условие выживания на планете

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

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

Анаэробная жизнь

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

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

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

Процесс окисления

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

Дыхание

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

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

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

Атмосфера в разные эпохи

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

Чему подчиняется уровень его в воздухе

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

Воздействие человека на состав атмосферы

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

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