Из чего состоит воздух? Состав и свойства. Воздух: чем мы дышим

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.

Как свеж для вдоха зимний воздух. Как же легко и приятно дышать полной грудью в лесу, возле моря или в горах. Именно в таких местах мы стремимся провести свои выходные или очередной отпуск. А ведь процентное содержание воздуха в райских уголках нашей планеты такой же, как и в городах, где мы с вами живем. Так в чем же дело? Почему мы не ощущаем такую же чистоту воздуха у себя дома, вдалеке от мечтаемых лесов, гор и морей? Поговорим о составе воздуха в процентном соотношении и о его качестве.

21% кислорода (O2), 0,03% углекислого газа (CO2), все остальное – это 79% азота (N2) и незначительное количество примесей.

Как говорил один из моих школьных учителей: «Собака зарыта в примесях». Дело в том, что за последние 150 лет в атмосферу попало просто громаднейшее количество мышьяка, кобальта, кремния, окислов серы, азота, углерода и других, вредных для здоровья примесей.

Очевидно, что концентрация этих примесей в воздухе сельской местности намного ниже, чем в больших и малых городах. А все, в первую очередь, из-за автотранспорта, который своими выхлопами затуманивает все вокруг. Степень загрязнения драгоценного воздуха определяется в основном географическими условиями.

Такой вот состав воздуха в процентах, друзья. Очевидно, что человек должен задуматься о его качестве и не загрязнять атмосферу. Далее обсудим некоторые интересные факты.

Почему становится плохо в душном помещении?

Человек вдыхает воздух, а выдыхает углекислый газ и что-то там еще в виде газообразных веществ – так нас учили в школе. Там же мы изучали и состав воздуха. Вспомните случай, когда вам, ни с того ни с сего, становилось плохо в закрытом помещении (если таков случай был). Как думаете, из-за чего? Вы будете правы, если предположите, что это помещение давно не проветривалось.

Вам стало нехорошо из-за высокой концентрации все тех же газообразных веществ, которые вы же, вместе с окружающими вас людьми, и надышали. В составе смеси, выдыхаемой человеком, не более 16-18 процентов кислорода и 4-6 процентов углекислого газа. А это в 130-200 раз больше, чем во вдыхаемом вами воздухе.

Также там присутствуют и другие нехорошие соединения. Так что совет регулярно проветривать свои жилища и офисы не должен показаться неуместным. Здоровее будете. Раз уж , то он в ответе за их чистоту и порядок.

Природная очистка воздуха

Летом мы подметаем и обдаем водой асфальт улиц для того, чтобы не дышать мелкодисперсными пылинками. А вот зимой состав воздуха чище хотя бы потому, что эта самая пыль и грязь зависает под сугробами снегопадов.

Деревья, так интенсивно высаживаемые в населенных пунктах, выступают в роли фильтров, очищая атмосферу от избыточного углекислого газа. Так они меняют состав воздуха нам во благо. Зеленые растения поглощают его и насыщают городской воздух кислородом. Все в тех же школах нас учили, что процесс этот называется фотосинтезом.

5 тысяч кубометров воздуха очищается одним деревом, и от 200 тонн пыли нас освобождает небольшой парк. То есть, чем больше будет посажено зелени на Земле, тем качественнее будет вдыхаемый нами воздух. Не зря же растения называют легкими этой планеты.

А про ионизацию когда-нибудь слыхали? Так вот, высокая концентрация в воздухе негативно заряженных частичек (ионов) благотворно влияет на наши с вами организмы. Высокоионизированным воздухом славятся горные приморские курорты и сосновые леса.

Также, если вам посчастливилось жить вблизи водопада или быстротечной горной реки, то воздушные ионы подарят вам крепкое здоровье.

Целебный климат таких мест делает свое дело. Поэтому люди, живущие в этих районах или неподалеку от них, реже болеют и славятся своим долголетием. И да, чуть не забыл, до необходимого уровня. Особенно в зимнюю пору. Дышите вкусно, друзья!

Я тут недавно начал изучать английский язык и наткнулся на один классный сервис. Зарегистрируйтесь на LinguaLeo , если хотите без проблем общаться на английском. Очень интересный и нестандартный подход к обучению.

Делитесь статьей в соц.сетях и подпишитесь на рассылку моего блога.

С вами был Денис Стаценко. Увидимся

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

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

Основные элементы атмосферы

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

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

Азот - около 78 процентов;

Кислород - почти 21 процент;

Аргон - около одного процента;

Углекислый газ - менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

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

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

Физические свойства разных атмосферных слоев

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

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

Атмосфера защищает от солнечной радиации

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

Ноль по Цельсию в стратопаузе

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

В термосфере - плюс 2000 К!

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

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

Как образовалась земная атмосфера?

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

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

Эксперимент в ИДГ РАН

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

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

Минимум кислорода

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

Революционное изменение состава воздуха

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

Каждый день мы совершаем около 20 тысяч вдохов. Достаточно на 7–8 минут остановить поступление кислорода в кровь, чтобы в коре головного мозга произошли необратимые изменения. Воздух поддерживает множество биохимических реакций в нашем организме. И от его качества во многом зависит наше здоровье.

текст: Татьяна Гавердовская

Каждый день мы совершаем около 20 тысяч вдохов. Достаточно на 7-8 минут остановить поступление кислорода в кровь, чтобы в коре головного мозга произошли необратимые изменения. Воздух поддерживает множество биохимических реакций в нашем организме. И от его качества во многом зависит наше здоровье.

Атмосферный воздух у поверхности Земли в норме состоит из азота (78,09%), кислорода (20,95%), углекислоты (0,03-0,04%). Остальные газы вместе занимают по объему менее 1%, к ним относятся аргон, ксенон, неон, гелий, водород, радон и другие. Однако выбросы промышленных предприятий и транспорта нарушают это соотношение компонентов. Только в Москве в воздух выбрасывается от 1 до 1,2 млн тонн вредных химических веществ в год, то есть 100-150 кг на каждого из 12 миллионов жителей Москвы. Стоит задуматься, чем мы дышим, и что может помочь нам противостоять этой «газовой атаке».

Кратчайший путь

Легкие человека имеют поверхность до 100 м2, что в 50 раз превышает площадь кожных покровов. В них воздух непосредственно контактирует с кровью, в которой растворяются почти все входящие в него вещества. Из легких, минуя детоксикационный орган - печень, они действуют на организм в 80-100 раз сильнее, чем через желудочно-кишечный тракт при проглатывании.

Воздух, которым мы дышим, загрязняют порядка 280 токсичных соединений. Это соли тяжелых металлов (Cu, Cd, Pb, Mn, Ni, Zn), оксиды азота и углерода, аммиак, сернистый газ и др. В безветренную погоду все эти вредные соединения оседают и создают у земли плотный слой - смог. Под влиянием ультрафиолетовых лучей в жаркий период вредоносные газовые смеси преобразуются в более вредные вещества - фотооксиданты. Ежедневно человек вдыхает до 20 тыс. л воздуха. И за месяц в крупном городе может набрать токсическую дозу. В результате снижается иммунитет, возникают респираторные и неврологические заболевания. Особенно страдают от этого дети.

Принимаем меры

1. Защитить организм от проникновения тяжелых металлов в клетки поможет чай из календулы, ромашки, облепихи и шиповника.

2. Для выведения токсических вещества успешно используются некоторые растения, например, кориандр (кинза). По мнению экспертов, необходимо съедать как минимум 5 г этого растения в сутки (примерно 1 ч. л.).

3. Способностью связывать и выводить тяжелые металлы также обладают чеснок, семена кунжута, женьшень и многие другие продукты растительного происхождения. Эффективен также яблочный сок, в котором много пектинов - природных адсорбентов.

Город без кислорода

Жители мегаполиса постоянно испытывают нехватку кислорода из-за промышленных выбросов и загрязнений. Так, при сжигании 1 кг угля или дров расходуется более 2 кг кислорода. Один автомобиль за 2 часа работы поглощает столько кислорода, сколько дерево выделяет за 2 года.

Концентрация кислорода в воздухе составляет зачастую всего 15-18%, тогда как норма - порядка 20%. На первый взгляд, это небольшая разница - всего-то 3-5%, но для нашего организма она довольно ощутима. Уровень кислорода в воздухе 10% и ниже смертелен для человека. К сожалению, достаточное количество кислорода в природных условиях есть лишь в городских парках (20,8%), загородных лесах (21,6%) и на берегах морей и океанов (21,9%). Ситуация усугубляется тем, что каждые 10 лет площадь легких уменьшается на 5%.

Кислород повышает умственную способность, устойчивость организма к стрессам, стимулирует согласованную работу внутренних органов, повышает иммунитет, способствует снижению веса, нормализуется сон. Ученые подсчитали, что если бы в атмосфере Земли было в 2 раза больше кислорода, то мы могли бы бежать сотни километров, не уставая.

Кислород составляет 90% массы молекулы воды. Организм же содержит 65-75% воды. Головной мозг составляет 2% от общей массы тела и потребляет 20% кислорода, поступающего в организм. Без кислорода клетки не растут и умирают.

Принимаем меры

1. Для адекватного насыщения организма кислородом необходимо ежедневно не менее одного часа гулять в лесу. В течение одного года обычное дерево вырабатывает объем кислорода, необходимый для семьи из 4 человек на протяжении такого же периода.

2. Чтобы восполнить дефицит кислорода в организме, врачи рекомендуют пить подсоленную и минеральную щелочную воду, молочнокислые напитки (обезжиренное молоко, молочную сыворотку), соки.

3. Помогают избавиться от гипоксии кислородные коктейли. По влиянию на организм небольшая порция коктейля равнозначна полноценной лесной прогулке.

4. Кислородотерапия - это методика лечения, основанная на дыхании газовой смесью с повышенной (по отношению к содержанию кислорода в воздухе) концентрацией кислорода.

Домашняя западня

По оценкам экспертов ВОЗ, городской житель проводит в помещении около 80% своего времени. Ученые обнаружили, что воздух в комнатах в 4-6 раз грязнее наружного и в 8-10 раз токсичнее. Это формальдегид и фенол из мебели, некоторых видов синтетических тканей, ковровых покрытий, вредные вещества из строительных материалов (например, карбомид из цемента может выделять аммиак), пыль, шерсть домашних животных и т. д. В то же время в городских помещениях кислорода значительно меньше, что приводит к возникновению у людей кислородной недостаточности (гипоксии).

Газовая плита также может негативно повлиять на атмосферу в доме. Воздух газифицированных зданий в сравнении с наружным воздухом содержит в 2,5 раза больше вредных окислов азота, в 50 раз больше серосодержащих веществ, фенола - на 30-40%, окислов углерода - на 50-60%.

Но главный бич помещений - углекислый газ, основным источником которого является человек. Мы выдыхаем от 18 до 25 л этого газа в час. Последние исследования зарубежных ученых показали, что углекислый газа негативно влияет на организм человека даже в низких концентрациях. В жилых помещениях углекислого газа не должно быть более 0,1%. В комнате при концентрации углекислого газа 3-4% человек задыхается, появляются головная боль, шум в ушах, замедляется пульс. Тем не менее в небольшом количестве (0,03-0,04%) углекислый газ необходим для поддержания физиологических процессов.

Принимаем меры

1. Очень важно, чтобы воздух в помещении был «легким», т. е. ионизированным. При снижении количества аэроионов кислород хуже усваивается эритроцитами крови, возможна гипоксия. В воздухе городов содержится всего 50-100 легких ионов в 1 см³, а тяжелых (незаряженных) - десятки тысяч. В горах самая высокая ионизация воздуха - 800-1000 в 1 см³ и более.

2. Согласно исследованию, проведенному космическим агентством США, некоторые домашние растения действуют как эффективные биофильтры. В борьбе с формальдегидами помогают хлорофитум, папоротник нефролепис. Ксилол и толуол, которые выделяются, например, лаками, нейтрализует фикус Бенджамина. С аммиачными соединениями может справиться азалия. Выделяют много кислорода и поглощают вредные вещества сансевьера, филодендрон, плющ, диффенбахия.

3. Не следует забывать про регулярное проветривание. Особенно это важно в спальне, где люди проводят треть своей жизни.

Опасности на дороге

Автотранспорт поставляет львиную долю загрязняющих воздух веществ: для Москвы - это порядка 93%, для Петербурга - 71%. В Москве числится почти 4 миллиона автомашин, и с каждым годом их количество растет. К 2015 году, как полагают специалисты, автопарк Москвы составит более 5 миллионов автомобилей. За месяц средний легковой автомобиль сжигает столько кислорода, сколько за год выделяет 1 га леса, при этом выбрасывает ежегодно примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и порядка 200 кг различных углеводородов.

Самую серьезную опасность для тех, кто часто пользуется автомобилями, представляет угарный газ. Он в 200 раз быстрее связывается с гемоглобином крови, чем кислород. Эксперименты, проведенные в США, показали, что из-за влияния угарного газа у людей, проводящих большое количество времени за рулем, нарушается реакция. При концентрации угарного газа 6 мг/м3 в течение 20 минут снижается цветовая и световая чувствительность глаз. Под воздействием большого количества угарного газа может произойти обморок, случиться кома и даже наступить смерть.

Принимаем меры

1. Молочные ферменты и кислоты выводят продукты распада угарного газа. При нормальной переносимости в день можно выпивать до литра молока.

2. Для нейтрализации действия угарного газа рекомендуется есть как можно больше фруктов: зеленые яблоки, грейпфруты, а также мед и грецкие орехи.

Приятное с полезным

Немецкие ученые выяснили, что сексуальное возбуждение активизирует работу сердечно-сосудистой системы и увеличивает приток крови. В результате ткани лучше насыщаются кислородом и риск инфаркта или инсульта уменьшается на 50%.

Чем дышит метро

Ученые из Karolinska Institute в Швеции пришли к выводу, что от вдыхания микроскопических частиц угля, асфальта, железа и других загрязняющих элементов, находящихся в воздухе стокгольмского метрополитена, каждый год умирает более 5 тысяч шведов. Эти частицы оказывают на ДНК человека более сильное разрушительное воздействие, нежели частицы, содержащиеся в автомобильных выхлопах и образованные в результате сжигания древесного топлива.

Небо над Москвой

По данным наблюдений Росгидромета, в 2011 году степень загрязнения атмосферного воздуха в городах Московского региона оценивалась как: очень высокая - в Москве, высокая - в Серпухове, повышенная - в Воскресенске, Клину, Коломне, Мытищах, Подольске и Электростали, низкая - в Дзержинском, Щелково и Приокско-Террасном биосферном заповеднике.

Основными составными частями атмосферного воздуха являются кислород (около 21%), азот (78%), углекислый газ (0,03-0,04%), водяные пары, инертные газы, озон, перекись водорода (около 1%).

Кислород - наиболее составная часть воздуха. При его непосредственном участии протекают все окислительные процессы в организме человека и животных. В покое человек потребляет в минуту примерно 350 мл кислорода, а при тяжелой физической работе количество потребляемого кислорода увеличивается в несколько раз.

Вдыхаемый воздух содержит 20,7-20,9% кислорода, а выдыхаемый - около 15-16%. Таким образом, ткани организма поглощают около 1/4 кислорода, имеющегося в составе вдыхаемого воздуха.

В атмосфере содержание кислорода существенно не изменяется. Растения поглощают углекислый газ и, расщепляя его, усваивают углерод, а освободившийся кислород выделяют в атмосферу. Источником образования кислорода является также фотохимическое разложение водяных паров в верхних слоях атмосферы под влиянием ультрафиолетового излучения солнца. В обеспечении постоянного состава атмосферного воздуха имеет значение также перемешивание воздушных потоков в нижних слоях атмосферы. Исключение составляют герметически замкнутые помещения, где вследствие длительного пребывания людей содержание кислорода может значительно понижаться (подводные лодки, убежища, герметизированные кабины самолетов и др.).

Для организма важное значение имеет парциальное давление * кислорода, а не его абсолютное содержание во вдыхаемом воздухе. Это обусловлено тем, что переход кислорода из альвеолярного воздуха в кровь и из крови в тканевую жидкость происходит под влиянием разницы в парциальном давлении. Парциальное давление кислорода уменьшается с увеличением высоты местности над уровнем моря, (таблица 1).

Таблица 1. Парциальное давление кислорода на разных высотах

Большое значение имеет использование кислорода для лечения заболеваний, сопровождающихся кислородным голоданием (кислородные палатки, ингаляторы).

Углекислый газ. Содержание углекислого газа в атмосфере достаточно постоянно. Это постоянство объясняется круговоротом его в природе. Несмотря на то, что процессы гниения, жизнедеятельности организма сопровождаются выделением углекислого газа, значительного увеличения его содержания в атмосфере не происходит, так как углекислый газ усваивается растениями. При этом углерод идет на построение органических веществ, а кислород поступает в атмосферу. В выдыхаемом воздухе содержится до 4,4% углекислого газа.

Углекислый газ - физиологический возбудитель дыхательного центра, поэтому при искусственном дыхании его в незначительном количестве добавляют к воздуху. В больших количествах он может оказывать наркотическое действие и вызывать смерть.

Углекислый газ имеет и гигиеническое значение. По его содержанию судят о чистоте воздуха жилых и общественных помещений (т. е. помещений, где находятся люди). При скоплении людей в плохо вентилируемых помещениях параллельно накоплению углекислого газа в воздухе увеличивается содержание других продуктов жизнедеятельности человека, повышается температура воздуха и увеличивается его влажность.

Установлено, что если содержание углекислого газа в воздухе помещений превышает 0,07-0,1%, то воздух приобретает неприятный запах и может нарушить функциональное состояние организма.

Параллельность изменения перечисленных свойств воздуха жилых помещений и возрастания концентрации углекислого газа, а также простота определения его содержания позволяют использовать этот показатель для гигиенической оценки качества воздуха и эффективности вентиляции общественных помещений.

Азот и другие газы. Азот является основной составной частью атмосферного воздуха. В организме он находится в растворенном состоянии в крови и тканевых жидкостях, но не принимает участия в химических реакциях.

В настоящее время экспериментально установлено, что в условиях повышенного давления азот воздуха вызывает у животных расстройство нервно-мышечной координации, последующее возбуждение и наркотическое состояние. Аналогичные явления исследователи наблюдали у водолазов. Применение для дыхания водолазов гелио-кислородной смеси позволяет увеличить глубину спуска до 200 м без выраженных симптомов интоксикации.

При электрических грозовых разрядах и под влиянием ультрафиолетовых лучей солнца в воздухе образуется незначительное количество других газов. Гигиеническое значение их сравнительно невелико.

* Парциальным давлением газа в смеси газов называется то давление, которое производил бы данный газ, если бы он занимал весь объем смеси.