Газовый состав атмосферного воздуха

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия

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

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

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

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

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

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

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

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

Химический состав воздуха имеет важное гигиеническое значение.

В его составе содержится: азота 78%, кислорода 21, углекислоты 0,03% и незначительные количества других инертных газов (аргон, неон, криптон и др.), озон и водяные пары. Кроме постоянных составных частей в атмосферном воздухе могут содержаться некоторые примеси природного происхождения, а также разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу за счет производственной деятельности человека.

Огромное влияние на газовый состав и влажность воздуха в помещениях оказывают разнообразные продукты обмена, выделяемые животными в процессе их жизнедеятельности.

Так, при дыхании животные выделяют в окружающую среду большое количество водяных паров и углекислоты. В результате разложения мочи и кала в свинарниках нередко накапливаются аммиак, сероводород и другие газообразные продукты, из которых большинство относится к группе вредных и ядовитых газов.

Воздух в закрытых помещениях существенно отличается от атмосферного воздуха. Степень этого отличия зависит от санитарно-гигиенического режима животноводческих помещений (вентиляция, канализация, плотность размещения животных и др.). Концентрация кислорода и азота в воздухе животноводческих помещений в обычных условиях остается без изменений. Существенно может повышаться концентрация углекислого газа (в 10 раз и более) и нередко появляются аммиак, сероводород, клоачные и др. газы.

Кислород (О 2)-газ, без которого жизнь животных невозможна. Каждая клетка организма в процессе обмена веществ постоянно использует кислород для окисления органических веществ - белков, жиров, углеводов. Вдыхаемый с воздухом кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов крови, и разноситься к тканям и органам. Количество потребляемого кислорода зависит от вида, возраста, пола и физиологического состояния животного.

Концентрация кислорода в животноводческих помещениях бывает обычно постоянной, колебания в не превышают 0,1-0,5%. Незначительное отклонение от нормы не вызывают изменений физиологических функций в организме. В помещениях для животных количество кислорода остается почти постоянным и близким к содержанию его в атмосферном воздухе. Уменьшение количества кислорода во вдыхаемом воздухе до 15% сопровождается ускоренным дыханием свиней и повышением частоты пульса, а также ослаблением окислительных процессов. К недостатку кислорода организм животных очень чувствителен.

В обычных условиях животные не испытывают недостатка кислорода. В помещениях для животных снижение кислорода не превышает 0,4-1%, что не имеет гигиенического значения, так как гемоглобин крови насыщается кислородом при более низком его парциальном давлении. Недостаток кислорода может наблюдаться в исключительных случаях (длительное пребывание животных при скученном содержании и на высокогорных пастбищах).

Углекислый газ (СО2)- бесцветный газ, без запаха, кислый на вкус. Образуется при выдыхании животных, как конечный продукт обмена веществ. Выдыхаемый воздух содержит этого газа больше (3,6%), чем атмосферный воздух. Например, подсосная матка весом 150 кг выделяет в час 90 л углекислоты. Максимальное содержание углекислого газа в свинарниках допускается не более 0,3%, т.е. в 10 раз больше, чем в атмосферном воздухе. Воздух закрытых помещений с большим содержанием углекислого газа с гигиенической точки зрения нельзя считать безвредным для здоровья животных.

Образуется при дыхании животных, как конечный продукт обмена веществ. В природных условиях происходят непрерывные процессы выделения и поглощения углекислого газа. В атмосферу углекислый газ выделяется в результате жизнедеятельности живых организмов, процессов горения, гниения и брожения.

Наряду с процессами углекислого газа в природе идут процессы его ассимиляции. Он активно поглощается растениями в процессе фотосинтеза. Из воздуха углекислый газ вымывается осадками. За последнее время отмечается увеличение концентрации углекислого газа в воздухе промышленных городов (до 0,04% и выше) за счет продуктов сгорания топлива.

Углекислый газ играет большую роль в жизнедеятельности животных, так как является физиологическим возбудителем дыхательного центра. Снижение концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе не представляет существенной опасности для организма, так как необходимый уровень его парциального давления в крови обеспечивается регулированием кислотно-щелочного равновесия. В противоположность этому повышение содержания углекислоты в воздухе приводит к нарушению окислительно-восстановительных процессов в организме. При таких условиях в организме подавляются окислительные процессы, снижается температура тела, повышается кислотность тканей, что ведет к выраженным ацидотическим отекам и деминерализации костей. Увеличение концентрации углекислого газа в воздухе до 0,5% вызывает повышение кровяного давления, учащения дыхания и пульса. В помещение с оптимальным гигиеническим режимом содержание углекислого газа повышается не более чем в 2-3 раза по сравнению с атмосферным воздухом. При неудовлетворительной работе вентиляции и скученном содержании животных углекислый газ может накапливаться в количествах, превышающих в 20-30 раз его содержание в атмосферном воздухе, что составляет 0,5-1% и выше. Основным источником накопления углекислого газа в помещениях являются животные, которые в зависимости от вида, возраста и продуктивности выделяют его до 16-225 л/ч.

В воздухе животноводческих помещений углекислый газ не достигает концентрации, вызывающей острое токсическое действие на организм. Однако длительное (в условиях зимнего стойлового содержания) воздействие на организм воздуха, содержащего свыше 1% углекислого газа, может вызвать хроническое отравление животных. Такие животные становятся вялыми, у них снижается аппетит, продуктивность и устойчивость к заболеваниям.

Показатели концентрации углекислого газа в воздухе помещений имеют косвенное гигиеническое значение. По количеству углекислого газа в воздухе помещений можно судить в известной мере о его санитарно-гигиеническом состоянии в целом. Существует прямая зависимость между концентрацией углекислого газа и содержанием в нем водяных паров, аммиака, сероводорода, а также микрофлоры.

Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе помещений для животных в зависимости от их вида, возраста и физиологического состояния не должна превышать,15-0,25%, а для птиц-0,15-0,20%.

Окись углерода (СО) – накапливается в воздухе помещений при неполном сгорании топлива или при работе в них двигателей внутреннего сгорания и недостаточном вентилировании.

При раздаче кормов с использованием тракторной или автомобильной тяги содержание окиси углерода в течение 10 мин достигается 3 мг/ м 3, 15 мин- 5-8 мг/м 3 . Образование угарного газа происходит при использование электрокалориферов с открытыми нагревательными элементами. При этом органическая пыль (комбикорм, пух, помет и т.п.) особенно при рециркуляции воздуха, соприкасаясь с нагревательными элементами, сгорает не полностью и насыщает воздушную среду окисью углерода.

Этот газ ядовит. Механизм технического воздействия заключается в том, что она вытесняет кислород гемоглобина, образуя стойкое химическое соединение с ним - карбоксигемоглобин, в 200-250 раз более стойкий, чем оксигемоглобин. В результате нарушается снабжение тканей кислородом, возникает гипоксемия, снижаются окислительные процессы и в организме накапливается недоокисленные продукты обмена. Отравление клинически характеризуется нервными симптомами, учащенным дыханием, рвотой, судорогами, коматозным состоянием. Вдыхание окиси углерода в концентрациях 0,4-0,5% через 5-10 мин вызывает смерть животных. Наиболее чувствительны к окиси углерода птицы.

Предельно допустимая концентрация окиси углерода в воздухе животноводческих помещений составляет 2 мг/м 3 .

Аммиак (NНз)- бесцветный ядовитый газ, с едким запахом, сильно раздражающим слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Образуется при разложении различных органических азотобразующих веществ (мочи, навоза). В атмосфере его обычно нет. В воздухе свинарников высокие концентрации аммиака бывают, при наличии проницаемости полов и неправильно устроенной канализации, в результате чего аммиак и другие газы проникают из жижесборника в помещение.

При повышенной влажности воздуха и пониженной температуре аммиак сильно впитывается стенами, оборудованием, а также подстилкой, а затем происходит обратное выделение аммиака в воздух. Концентрация аммиака около пола (в зоне обитания свиней) бывает больше, чем у потолка. Содержание его в воздухе помещений более 0,025% вредно для животных. Продолжительное вдыхание воздуха, содержащего даже незначительные концентрации аммиака (0,1 мг/л), отрицательно действует на здоровье и продуктивность животных.

Продолжительное вдыхание воздуха, содержащего незначительные концентрации аммиака, отрицательно влияет на здоровье и продуктивность животных. После непродолжительного вдыхания воздуха с наличием аммиака организм освобождается от него, превращая его в мочевину. Продолжительное действие нетоксических доз аммиака не вызывает непосредственно патологических процессов, но ослабляет резистентость организма.

Аммиак хорошо растворяется в воде, вследствие чего адсорбируется слизистыми оболочками глаз и верхних дыхательных путей, вызывая сильное их раздражение. Появляется кашель, слезотечение с последующим воспалением слизистых оболочек носа, гортани, трахеи, бронхов и конъюнктивы глаз. При высоком содержании аммиака во вдыхаемом воздухе (1000-3000 мг/м 3) у животных наблюдаются спазмы голосовой щели, трахеальной и бронхиальной мускулатуры, смерть наступает от отека легких или паралича дыхания.

При поступлении аммиака в кровь он превращает гемоглобин в щелочной гематин, вследствие чего снижается количество гемоглобина и возникает кислородное голодание. При продолжительном вдыхании воздуха, содержащего аммиак, снижается щелочной резерв крови, газообмен и перевариваемость питательных веществ. Поступление больших количеств аммиака в кровь вызывает сильное возбуждение центральной нервной системы, судороги, коматозное состояние, паралич дыхательного центра и смерть. При более высоких концентрациях аммиак вызывает острое отравление, сопровождающееся быстрой гибелью животных.

Токсичность и агрессивность аммиака значительно возрастает при высокой влажности воздуха. В таких условиях происходит окисление аммиака и образование азотной кислоты, которая, соединяясь с кальцием штукатурки стен и других ограждающих конструкций (образуется азотнокислый кальций), вызывает их разрушение.

Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе помещений для животных в зависимости от их вида и возраста составляет 10-20 мг/м 3 .

Сероводород (H2S)- бесцветный ядовитый газ с резко выраженным запахом тухлых яиц. Он образуется при гниении белковых веществ и выделяется животными с кишечными газами. В свинарниках появляется в результате плохой вентиляции и несвоевременной уборки навоза. Этот газ может проникнуть в помещение и из жижесборников при отсутствии в них гидравлических затворов (заслонок, перекрывающих обратный ток газов).

В зимне-весенний период при температуре в помещении до 10°С количество сероводорода находится в допустимых пределах. В летний период под воздействием более высокой температуры воздуха разложение органических веществ усиливается и возрастает выделение сероводорода. Наличие сероводорода в воздухе свидетельствует о неправильной эксплуатации санитарно-технических устройств здания.

Сероводород обладает способностью блокировать железосодержащие группировки ферментов. Механизм действия сероводорода заключается в том, что он, соприкасаясь со слизистыми оболочками дыхательных путей и газ, соединяясь с тканевыми щелочами, образует сульфид натрия или калия, которые вызывают воспаление слизистых оболочек. Сульфиды всасываются в кровь, гидролизуются и освобождают сероводород, который действует на нервную систему. Сероводород, соединяясь с железом гемоглобина, образует сернистое железо. Лишенный каталитически действующего железа гемоглобин теряет способность поглощать кислород и наступает кислородное голодание тканей.

При концентрации его 20мг/м 3 и выше появляются симптомы отравления (слабость, раздражение слизистых оболочек дыхательных путей, расстройство функции органов пищеварения, головная боль и др.). При концентрации 1200мг/м 3 и выше развивается тяжелая форма отравления, и в результате угнетения ферментов тканевого дыхания наступает смерть животных. Описаны случаи смертельного отравления людей сероводородом во время очистки жижесборных колодцев свинарников.

Предельно допустимое количество сероводорода в воздухе помещений для животных должно быть не более 0,0026%. Необходимо всячески стремиться к полному отсутствию аммиака в воздухе помещений.

Наличие повышенных концентраций углекислоты, аммиака и сероводорода указывает на антисанитарное состояние свинарника. Поддержание хороших условий воздушной среды в помещениях, как правило, достигается содержанием различных возрастных и производственных групп животных на ежедневно сменяемой сухой подстилке или утепленных полах с уклоном в сторону канализационных лотков. Большое значение при этом имеют правильное размещение животных и регулярная очистка станков, логова и площадок для кормления.

В окружающем воздухе и помещениях всегда находятся водяные пары, количество которых сильно колеблется в зависимости от климатических условий, вида животных и типа помещений. В воздухе животноводческих построек почти всегда содержится пыль, состоящая из мельчайших частичек минеральных веществ, обломков растений, насекомых, а также живых микроорганизмов. Загрязнение кожи животных пылью вместе с потом, омертвевшими клетками верхнего слоя кожи и микроорганизмами сопровождается раздражением, зудом и воспалительными процессами. Пыль, задержанная в верхних дыхательных путях, нередко приводит к заболеваниям этих органов.

В воздухе животноводческих помещений нередко содержатся кишечные газы: индол, скатол, меркаптан, амины (нитрозамины), которые обладают дурным запахом. Как правило, запах, особенно из свинарников, бывает настолько интенсивный, что гигиенический (защитный) пояс шириной 0,5-1 км и больше от населенных пунктов оказывается недостаточным. Некоторые газы (нитрозамины) являются сильными химическими канцерогенами и могут содержаться в воздухе в сравнительно высоких концентрациях.

Необходимо учитывать, что качество воздуха животноводческих помещений оказывает влияние не только на животного, но и на обслуживающий его персонал. Продолжительное пребывание животных в помещениях со значительным накоплением в воздухе вредных газов оказывает токсическое действие на организм, снижает их резистентность и продуктивность. Так, при повышенном содержании аммиака в воздухе помещений снижается прирост массы КРС на 25-28%. Вредные газы снижают резистентность организма, и способствует распространению незаразных (ринит, ларингит, бронхит, пневмония, аммиачная слепота цыплят и др.) и инфекционных (туберкулез и др.). Улучшение газового состава воздуха достигается за счет правильного сооружения и эксплуатации вентиляции и канализации и соблюдение плотности размещения животных. Важным условием является обеспечение непроницаемости сплошных полов, что предупреждает проникновение мочи в подполье и ее разложения. При гидравлической системе удаления навоза значительное количество вредных газов содержится в навозных каналах. Концентрация аммиака в них достигает более 35 мг/м 3 , сероводорода-23 мг/м 3 , что в 2-3 раза превышает допустимые нормы. В связи с этим удаление загрязненного воздуха необходимо проводить непосредственно из навозных каналов животноводческих помещений. Эффективными способами дезодорации воздуха являются ультрафиолетовое облучение, озонирование и ионизация. С этой цель. Успешно испытаны аэрозоли из экстрактов хвои. Дезодорацию в небольших помещениях (вскрывочная) осуществляют ароматическими веществами в аэрозольных баллончиках или растворами химических средств (марганцовокислый калий, однохлористый йод, хлорная известь и др.).



Воздух – смесь газов, необходимых для существования и поддержания жизни на планете. Каковы его особенности, и какие вещества входят в состав воздуха?

Воздух необходим для дыхания всем живым организмам. Он состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и ряда примесей. Состав атмосферного воздуха может меняться в зависимости от условий и местности. Так в городской среде уровень углекислого газа в воздухе по сравнению с лесной полосой повышается из-за обилия транспортных средств. В высокогорье концентрация кислорода снижается, так как молекулы азота легче, чем молекулы кислорода. Поэтому концентрация кислорода уменьшается быстрее.

Шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году опытным путем доказал, что воздух – это не просто вещество, а именно газовая смесь

Рис. 1. Джозеф Блэк.

Если говорить о составе воздуха в процентах, то основным его компонентом является азот. Азот занимает 78% от всего объема воздуха. Процентное соотношение кислорода в молекуле воздухе составляет 20,9%. Азот и кислород – 2 основные элемента воздуха. Содержание остальных веществ значительно меньше и не превышает 1%. Так, аргон занимает объем 0,9%, а углекислый газ – 0,03%. Также воздух имеет такие примеси, как неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон.

Рис. 2. Состав воздуха.

В производственных помещениях большое значение предают аэроионному составу воздуха. Имеющиеся в воздухе отрицательно заряженные ионы благоприятно влияют на организм человека, заряжают его энергией, повышают настроение.

Азот

Азот – главная составляющая воздуха. Перевод названия элемента – «безжизненный» – может относится к азоту как простому веществу, но азот в связанном состоянии является одним из главных элементов жизни, входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и т. д.

Азот – элемент второго периода, не имеет возбужденных состояний, так как атом не имеет свободных орбиталей. Однако азот способен проявлять в основном состоянии валентность не только III, но и IV за счет образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму с участием неподеленной электронной пары азота. Степень окисления, которую может проявлять азот, изменяется в широких пределах: от -3 до +5.

В природе азот встречается в виде простого вещества – газа N2 и в связанном состоянии. В молекуле азота атомы связаны прочной тройной связью (энергия связи 940 кДж/моль). При обычной температуре азот может взаимодействовать только с литием. После предварительной активизации молекул путем нагревания, облучения или действием катализаторов азот вступает в реакции с металлами и неметаллами.

Кислород

Кислород – самый распространенный элемент на Земле: массовая доля в земной коре 47,3%, а объемная доля в атмосфере – 20,95%, массовая доля в живых организмах – около 65%.

Практически во всех соединениях (кроме соединений с фтором и пероксидов) кислород проявляет постоянную валентность II и степень окисления – 2. Атом кислорода не имеет возбужденных состояний, так как на втором внешнем уровне нет свободных орбиталей. В качестве простого вещества кислород существует в виде двух аллотропных видоизменений – газов кислорода О2 и озона О3. Самое важное соединение кислорода – это вода. Около 71% земной поверхности занимает водная оболочка, без воды невозможна жизнь.

Озон в природе образуется из кислорода воздуха во время грозовых разрядов, а в лаборатории – пропусканием электрического разряда через кислород.

Рис. 3. Озон.

Озон – еще более сильный окислитель, чем кислород. В частности? он окисляет золото и платину

Кислород в промышленности обычно получают сжижением воздуха с последующим отделением азота за счет его испарения (имеется разница в температурах кипения: – -183 градуса для жидкого кислорода и -196 градусов для жидкого азота.). Всего получено оценок: 249.

Приведенный в табл. 1.1 состав атмосферного воздуха претерпевает в закрытых помещениях различные изменения. Во-первых, меняется процентное содержание отдельных обязательных компонентов, и, во-вторых, появляются дополнительные, не свойственные чистому воздуху примеси. В настоящем параграфе речь пойдет об изменениях газового состава и о допустимых отклонениях его от нормального.

Важнейшими для жизнедеятельности человека газами являются кислород и углекислый газ, участвующие в газообмене человека с окружающей средой. Этот газообмен осуществляется главным образом в легких человека в процессе дыхания. Газообмен, происходящий через поверхность кожи, примерно в 100 раз меньше, чем через легкие, так как поверхность тела взрослого человека составляет приблизительно 1,75 м2, а поверхность альвеол легких - около 200 м2. Процесс дыхания сопровождается образованием в организме человека теплоты в количестве от 4,69 до 5,047 (в среднем 4,879) ккал на 1 л поглощенного кислорода (перешедшего в углекислоту). Следует заметить, что поглощается только незначительная часть содержащегося во вдыхаемом воздухе кислорода (приблизительно 20%). Так, если в атмосферном воздухе находится примерно 21% кислорода, то в выдыхаемом человеком воздухе его будет около 17%. Обычно количество выдыхаемой углекислоты меньше количества поглощенного кислорода. Отношение объемов выделяемой человеком углекислоты и поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента (ДК), который обычно колеблется от 0,71 до 1. Однако если человек находится в состоянии сильного возбуждения или выполняет очень тяжелую работу, ДК может быть даже больше единицы.

Количество кислорода, необходимое человеку для поддержания нормальной жизнедеятельности, в основном зависит от интенсивности выполняемой им работы и определяется степенью нервного и мускульного напряжения. Усвоение кровью кислорода происходит лучше всего при парциальном давлении около 160 мм рт. ст., что при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. соответствует нормальному процентному содержанию кислорода в атмосферном воздухе, т. е. 21%.

Благодаря способности человеческого организма приспособляться, нормальное дыхание может наблюдаться и при меньших количествах кислорода.

Если сокращение содержания кислорода в воздухе происходит за счет инертных газов (например, азота), то возможно значительное уменьшение количества кислорода - вплоть до 12%.

Однако в закрытых помещениях уменьшение содержания кислорода сопровождается не нарастанием концентрации инертных газов, а накоплением углекислого газа. В этих условиях предельно допустимое минимальное содержание кислорода в воздухе должно быть намного выше. Обычно в качестве нормы такой концентрации принимается содержание кислорода, равное 17% по объему. Вообще говоря, в закрытых помещениях процентное содержание кислорода никогда не снижается до этой нормы, так как гораздо раньше достигает предельного значения концентрация углекислого газа. Поэтому практически важнее установить предельно допустимые нормы содержания в закрытых помещениях не кислорода, а углекислого газа.

Углекислый газ С02 представляет собой бесцветный газ со слабым кислым вкусом и запахом; он в 1,52 раза тяжелее воздуха, слегка ядовит. Накопление углекислого газа в воздухе закрытых помещений приводит к появлению головной боли, головокружению, слабости, потере чувствительности и даже потере сознания.

Считается, что в атмосферном воздухе количество углекислого газа составляет 0,03% по объему. Это справедливо для сельских местностей. В воздухе крупных промышленных центров его содержание обычно больше. Для расчетов принимают концентрацию, равную 0,04%. В воздухе, выдыхаемом человеком, содержится примерно 4% углекислого газа.

Без каких-либо вредных последствий для человеческого организма в воздухе закрытых помещений могут быть допущены концентрации углекислого газа, значительно более высокие, чем 0,04%.

Величина предельно допустимой концентрации углекислого газа зависит от продолжительности пребывания людей в том или ином закрытом помещении и от рода их занятий. Например, для герметизированных убежищ, при размещении в них здоровых людей на срок не более 8 часов, может быть принята в качестве предельно допустимой концентрации С02 норма в 2%. При кратковременном пребывании людей эта норма может быть увеличена. Возможность пребывания человека в среде с повышенными концентрациями углекислого газа обусловлена способностью человеческого организма приспосабливаться к различным условиям. При концентрации С02 выше, чем 1%, человек начинает вдыхать значительно больше воздуха. Так, при концентрации С02 в 3% дыхание удваивается даже в состоянии покоя, что само по себе не вызывает заметных отрицательных последствий при сравнительно кратковременном пребывании в таком воздухе человека. Если же человек будет находиться в помещении с концентрацией С02 в 3% достаточно долго (3 и более суток), ему грозит потеря сознания.

При длительном пребывании людей в герметизированных помещениях и при выполнении людьми той или иной работы величина предельно допустимой концентрации углекислого газа должна быть существенно меньше 2%. Допускается колебание ее от 0,1 до 1%. Содержание углекислого газа 0,1% может считаться допустимым и для обычных негерметизированных помещений зданий и сооружений различного назначения. Более низкая концентрация углекислого газа (порядка 0,07-0,08) должна назначаться лишь для помещений лечебных и детских учреждений.

Как будет ясно из дальнейшего, требования в отношении содержания углекислого газа в воздухе помещений наземных зданий обычно легко удовлетворяются, если источниками его выделения являются люди. Иначе стоит вопрос, когда углекислый газ накапливается в производственных помещениях в результате тех или иных технологических процессов, происходящих, например, в дрожжевых, пивоваренных, гидролизных цехах. В этом случае в качестве предельно допустимой концентрации углекислого газа принимают 0,5%.

ЛЕКЦИЯ № 3. Атмосферный воздух.

Тема: Атмосферный воздух, его химический состав и физиологическое

значение составных частей.

Атмосферные загрязнения; их влияние на здоровье населения.

План лекции:

Химический состав атмосферного воздуха.

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

Понятие об атмосферных загрязнениях и их источниках.

Влияние атмосферных загрязнений на здоровье (прямое воздействие).

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

Вопросы охраны атмосферного воздуха от загрязнения.

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

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

Таблица № 1

Состав сухого воздуха при температуре 0 0 С и

давлении 760 мм рт. ст.

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

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

Остановимся на характеристике отдельных составных частей воздуха.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

В естественных условиях в воздухе не наблюдается повышенное содержание кислорода.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Атмосферные загрязнения подразделяются на естественные и искусственные.

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

Искусственные атмосферные загрязнения образуются в результате производственной деятельности человека.

Искусственные источники атмосферных загрязнений делят на 4 группы:

транспорт;

промышленность;

теплоэнергетика;

сжигание мусора.

Остановимся на их краткой характеристике.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

острой неспецифической заболеваемости верхних дыхательных путей;

хронических бронхитов;

бронхиальной астмы;

эмфиземы легких;

рака легких;

снижение продолжительности жизни и творческой активности.

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

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

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

Оно включает:

снижение общей освещенности;

снижение ультрафиолетовой радиации солнца;

изменение климатических условий;

ухудшение жилищно-бытовых условий;

отрицательное воздействие на зеленые насаждения;

отрицательное воздействие на животных.

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

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

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

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

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

Рациональное размещение промышленных и жилых зон;

Технологические мероприятия, направленные на снижение выбросов в атмосферу;

Санитарно-технические мероприятия;

Разработка гигиенических нормативов для атмосферного воздуха;

Контроль за чистотой атмосферного воздуха;

Контроль за работой промышленных предприятий;

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

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

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