В атмосферном воздухе кислород составляет. Что такое воздух: естествознание для взрослых

Его нельзя потрогать и нельзя увидеть, а главное, чем мы ему обязаны - жизнь . Конечно, это воздух, который занимал не последнее место в фольклоре каждого народа. Как представляли его люди древности, и что он представляет из себя на самом деле - об этом я напишу ниже.

Газы, из которых состоит воздух

Естественная смесь газов называется воздухом. Его необходимость и значение для живого трудно недооценить - он играет важную роль в окислительных процессах , которые сопровождаются выделением необходимой для всего живого энергии. Путем экспериментов ученые смогли определить точный его состав, но главное, что необходимо понять - это не однородное вещество, а газовая смесь . Около 99% состава - смесь кислорода и азота, а в целом воздух образует атмосферу нашей планеты. Итак, смесь состоит из следующих газов:

• метан;
• криптон;
• гелий;
• ксенон;
• водород;
• неон;
• углекислый газ;
• кислород;
• азот;
• аргон.

Нужно отметить, что состав не является постоянным и может значительно отличаться на разных участках. Например, большие города отличаются большим содержанием углекислого газа. В горах будет наблюдаться пониженный уровень кислорода , поскольку этот газ тяжелее азота, и по мере восхождения плотность его будет падать. Наука утверждает, что состав может отличаться в разных частях планеты от 1% до 4% для каждого из газов .

Кроме процентного соотношения газов, воздух характеризуется по следующим параметрам:

• влажность;
• температура;
• давление.

Воздух постоянно находится в движении , образуя вертикальные потоки. Горизонтальные - ветры, зависят от определенных природных условий, поэтому могут иметь разные характеристики скорости, силы и направления.

Воздух в фольклоре

Легенды каждого народа наделяют воздух некими «живыми» качествами . Как правило, духи этой стихии представляли собой неуловимых и невидимых созданий. Согласно легендам, они населяли вершины гор или облака , и отличались предрасположенностью к человеку. Именно они, как считалось, творили снежинки и собирали облака в тучи, летая по небу на ветрах.

Египтяне считали воздух символом жизни , а индийцы полагали, что выдох Брахмы - жизнь , а вдох, соответственно - смерть. Что касается славян, то воздух (ветер) занимал чуть ли не центральное место в легендах этого народа. Он мог слышать, а иногда даже исполнять небольшие просьбы. Однако не всегда он был добр, иногда выступая на стороне сил зла в виде злого и непредсказуемого странника .

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.

Воздух жаркого, солнечного юга и сурового, холодного севера содержит одинаковое количество кислорода.

Один литр воздуха всегда содержит 210 кубических сантиметров кислорода, что составляет 21 объемный процент.

Больше всего в воздухе азота - его содержится в литре 780 кубических сантиметров, или 78 процентов по объему. В воздухе имеется также небольшое количество инертных газов. Газы эти получили название инертных потому, что они почти не вступают в соединение с другими элементами.

Из инертных газов в воздухе больше всего аргона - его в литре около 9 кубических сантиметров. В значительно меньших количествах в воздухе находится неона: в литре воздуха его насчитывается 0,02 кубического сантиметра. Еще меньше гелия - его всего 0,005 кубического сантиметра. Криптона в 5 раз меньше, чем гелия, - 0,001 кубического сантиметра, а ксенона совсем мало - 0,00008 кубического сантиметра.

В состав воздуха входят и газообразные химические соединения, например - двуокись углерода, или углекислый газ (СО 2). Количество углекислого газа в воздухе колеблется от 0,3 до 0,4 кубического сантиметра в литре. Непостоянно также содержание в воздухе паров воды. В сухую и жаркую погоду их меньше, а в дождливую - больше.

Состав воздуха можно выразить и в весовых процентах. Зная вес 1 литра воздуха и удельный вес каждого газа, входящего в его состав, легко от объемных величин перейти к весовым. Азота в воздухе содержится около 75,5, кислорода - 23,1, аргона- 1,3 и углекислого газа (двуокиси углерода) -0,04 весового процента.

Разница между весовыми и объемными процентами объясняется различными удельными весами азота, кислорода, аргона и углекислого газа.

Кислород, например, легко окисляет медь при высокой температуре. Поэтому, если пропустить воздух через трубку, наполненную раскаленными медными стружками, то при выходе из трубки он не будет содержать кислород. Удалить кислород из воздуха можно также фосфором. При горении фосфор жадно соединяется с кислородом, образуя фосфорный ангидрид (Р 2 О 5).

Состав воздуха был определен в 1775 году Лавуазье.

Нагревая небольшое количество металлической ртути в стеклянной реторте, Лавуазье подвел узкий конец реторты под стеклянный колпак, который был опрокинут в сосуд, наполненный ртутью. Двенадцать суток длился этот опыт. Ртуть в реторте, нагретая почти до кипения, все больше и больше покрывалась красной окисью. Одновременно уровень ртути в опрокинутом колпаке стал заметно подниматься над уровнем ртути сосуда, в котором находился колпак. Ртуть в реторте, окисляясь, забирала из воздуха все больше кислорода, давление в реторте и колпаке упало, и вместо израсходованного кислорода в колпак всасывалась ртуть.

Когда весь кислород был израсходован и окисление ртути прекратилось, приостановилось и всасывание ртути в колпак. Объем ртути в колпаке был измерен. Оказалось, что он составлял V 5 часть общего объема колпака и реторты.

Газ, оставшийся в колпаке и реторте, не поддерживал горения и жизни. Эта часть воздуха, занимавшая почти 4/6 объема, была названа азотом .

Более точными опытами в конце XVIII столетия было установлено, что воздух содержит по объему 21 процент кислорода и 79 процентов азота.

И только в конце XIX столетия стало известно, что в состав воздуха входят аргон, гелий и другие инертные газы.

Воздух - смесь газов, главным образом азота и кислорода, из которых состоит атмосфера земного шара Общая масса воздуха составляет 5,13× 10 15 т и оказывает на поверхность Земли давление, равное на уровне моря в среднем 1,0333 кг на 1 см 3 . Масса 1 л сухого воздуха свободного от водяных паров и углекислого газа, при нормальных условиях равна 1,2928 г , удельная теплоемкость - 0,24, коэффициент теплопроводности при 0° - 0,000058, вязкость - 0,000171, показатель преломления - 1,00029, растворимость в воде 29,18 мл на 1 л воды. Состав атмосферного воздуха - см. табл . Атмосферный воздух содержит также в различных количествах водяные пары и примеси (твердые частицы, аммиак, сероводород и др.).

Состав атмосферного воздуха

Для человека жизненно важной составной частью В является кислород , общая масса которого 3,5× 10 15 т . В процессе восстановления нормального содержания кислорода основную роль играет фотосинтез зелеными растениями, исходными веществами для которого служат углекислый газ и вода. Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в В. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм . При снижении его до 140 мм у человека появляются первые признаки гипоксии . Снижение парциального давления до 50-60 мм опасно для жизни (см. Высотная болезнь , Горная болезнь ).

Библиогр.: Атмосфера земли и планет, под ред. Д.П. Койпера. пер. с англ., М., 1951; Губернский Ю.Д. и Кореневская Е.И. Гигиенические основы кондиционирования микроклимата жилых и общественных зданий, М., 1978; Минх А.А. Ионизация воздуха и ее гигиеническое значение, М., 1963; Руководство по гигиене атмосферного воздуха, под ред. К.А. Буштуевой, М., 1976; Руководство по коммунальной гигиене, под ред. Ф.Г. Кроткова, т. 1, с. 137, М., 1961.

Менее чем 200 лет назад земная атмосфера содержала 40% кислорода. Сегодня кислорода в воздухе содержится только 21%

В городском парке 20,8%

В лесу 21,6%

На берегу моря 21,9%

В квартире и офисе менее 20%

Учёные доказали, что снижение кислорода на 1% приводит к снижению работоспособности на 30%.

Недостаток кислорода является результатом работы автомобилей, промышленных выбросов и загрязнений. В городе кислорода на 1% меньше, чем в лесу.

Но самым большим виновником в недостатке кислорода являемся мы сами. Построив тёплые и герметичные дома, живя в квартирах с пластиковыми окнами мы оградили себя от поступления свежего воздуха. При каждом выдохе снижая концентрацию кислорода и увеличивая количество углекислого газа. Нередко содержание кислорода в офисе 18%, в квартире 19%.

Качество воздуха, необходимого для поддержания жизненных процессов всех живых организмов на Земле,

определяется содержанием в нем кислорода.

Зависимость качества воздуха от процентного содержания в нем кислорода.

Уровень комфортного содержания кислорода в воздухе

Зона 3-4: ограничена законодательно утвержденным стандартом минимального содержания кислорода в воздухе для помещений (20,5%) и "эталоном" свежего воздуха (21%). Для городского воздуха нормальным считается содержание кислорода 20,8%.

Благоприятный уровень содержания кислорода в воздухе

Зона 1-2: такой уровень содержания кислорода характерен для экологически чистых районов, лесных массивов. Содержание кислорода в воздухе на берегу океана может достигать 21,9%

Недостаточный уровень содержания кислорода в воздухе

Зано 5-6: ограничена минимально допустимым уровнем содержания кислорода, когда человек может находиться без дыхательного аппарата (18%).

Пребывание человека в помещениях с таким воздухом сопровождается быстрой утомляемостью, сонливостью, снижением умственной активности, головными болями.

Длительное пребывание в помещениях с такой атмосферой опасно для здоровья.

Опасно низкий уровень содержания кислорода в воздухе

Зона 7 и далее: при содержании кислорода 16% наблюдается головокружение, учащенное дыхание, 13% - потеря сознания, 12% - необратимые изменения функционирования организма, 7% - смерть.

Внешние признаки кислородного голодания (гипоксии)

- ухудшение цвета кожи

- быстрая утомляемость, снижение умственной, физической и сексуальной активности

- депрессия, раздражительность,нарушение сна

- головные боли

Длительное пребывание в помещении с недостаточным уровнем содержания кислорода может привести к более серьезным проблемам со здоровьем, т.к. кислород отвечает за все обменные процессы организма, то следствием его недостатка становятся:

Нарушение обмена веществ

Снижение иммунитета

Правильно организованная система вентиляции жилых и рабочих помещений может стать залогом хорошего здоровья.

Роль кислорода для здоровья человека. Кислород:

Повышает умственную работоспособность;

Повышает устойчивость организма к стрессам и повышенным нервным нагрузкам;

Поддерживает уровень кислорода в крови;

Улучшает согласованность работы внутренних органов;

Повышает иммунитет;

Способствует снижению веса. Регулярное потребление кислорода в сочетании с двигательной активностью, приводит к активному расщеплению жиров;

Нормализуется сон: он становится более глубоким и продолжительным, уменьшается период засыпания и двигательной активности

Выводы:

Кислород влияет на нашу жизнь, и чем его больше, тем наша жизнь полна красок и разнообразна.

Можно купить кислородный баллон или бросить всё и уехать жить в лес. Если Вам это недоступно, проветривайте каждый час квартиру, офис. Мешают сквозняки, пыль, шум установите вентиляцию, которая будет снабжать Вас свежим воздухом, очищать от выхлопных газов.

Сделайте всё, чтобы свежий воздух был в Вашем доме и Вы увидите изменения в Вашей жизни.