Анализ и характеристика биопозитивных природных мест.

 

Воздух является важнейшим элементом, составляющим среду обитания человека, так как непосредственно и непрерывно окружает человеческий организм, постоянно и на протяжении всей своей жизни необходим для нормального функционирования организма человека.

В процессе эволюции человеческий организм приспособился к атмосферным условиям на земной поверхности от морского побережья до горных вершин, хотя различие воздуха этих местностей он отчетливо ощущает [426].

Чистый природный воздух состоит на 99,96 % из азота (75,65 %), кислорода (20,29 %), паров воды (3,12 %) и аргона (0,9 %), а остальные газы могут рассматриваться как примеси. Именно эти малые количества примесных газов (суммарно 0,04-0,05 %) определяют качество воздуха.

Кроме того, воздух несет в себе мельчайшие жидкие и твердые частицы - атмосферный аэрозоль (морской и континентальный аэрозоли).

Важнейшими характеристиками аэроионов являются их масса и электрическая заряженность (в виде легких положительных или отрицательных аэроионов).

Таким образом, природный воздух представляет собой сложную систему различных газов и паров, аэроионных кластерных образований (образуются за счет присоединения к молекулярному иону нейтральных молекул) и соляных микроаэрозолей определенного количественного, химического и спектрального состава и практически не содержащий бактериальных загрязнений [426].

Процессы формирования воздуха в природе неразрывно связаны с проникающей ионизацией космического излучения и радиоактивными источниками почвы [427]. Определенную роль играют фотоионизация радиоактивность некоторых аэрозолей, в первую очередь, калия-40. Возникшие атомно-молекулярные ионы быстро становятся центрами образующихся кластеров – молекулярных агрегатов с высокой реактогенностью, которые присоединяются к аэрозольным частицам, приводя последние в заряженное состояние. Вся эта система активно взаимодействует с молекулами воды [426]. Следует заметить, что кислород, вода и соли (хлориды натрия, калия, магния) легко взаимодействуют друг с другом в любом сочетании, а электроны бета-излучения калия-40 имеют способность ионизировать преимущественно кислород. Одним из результатов такой системы взаимосвязанных процессов являются агрегирование и экранирование аэрозолей другой природы и химического состава. Тем самым они как бы изымаются из воздушной среды – происходит процесс самоочистки – элиминации аллергенов и поллютантов [426]. Кроме того, наличие солей и излучения убивает микрофлору и тем самым обуславливает высокую бактерицидность и практическую стерильность воздуха.

Таким образом, зная типичные свойства природной воздушной среды, можно идентифицировать наиболее характерные черты «живого» воздуха (рисунок 4.1):

Во-первых, такой воздух практически не содержит техногенных химических и физических загрязнений, то есть является «чистым».

Во-вторых, его температурные параметры близки к оптимальным, а относительная влажность не достигает 100%.

В-третьих, характерным всеобщим показателем «живого» воздуха является его высокая бактерицидность, определяющая высокую бактериальную чистоту.

В-четвертых, существенным показателем «живого» воздуха является определенный спектральный состав аэроионов.

В-пятых, значительным показателем «живого» воздуха является наличие определенный спектральный и химический состав аэрозолей конденсации [426].

Рис. 1.2.5.4 Характерные черты «живого» воздуха.

Итак, под «живым» воздухом будем понимать такое состояние воздушной среды, которое является биологически позитивным для человеческого организма. Исходя из теории адаптации и эволюции человека, такой воздух должен иметь сходные свойства с чистым свежим природным воздухом первозданной природы тех мест, климат которых считается здоровым. Это горный, морской, лесной, степной воздух, а также воздух естественных пещер и некоторых искусственных подземных соляных горных выработок.

В настоящее время накоплен определенный экспериментальный материал о том, что в качестве одного из биопозитивных факторов воздушной среды подземных калийно-магниевых пещер выступает высокая объемная концентрация легких аэроионов [428]. Впервые было обращено внимание на специфические свойства взаимодействия «атмосфера - сильвинит», связанные с повышенной растворимостью и химической активностью калийных солей.

Систематические наблюдения за количественным и качественным составом аэроионов на всех калийных пластах Верхнекамских рудников показали, что содержание легких аэроионов в рудничной атмосфере примерно на порядок выше, чем на поверхности и не зависит от времени года [201, 559]. При движении воздуха по горным выработкам калийных рудников происходит его естественное самоочищение, термодинамическая и бактерицидная обработка, а также насыщение аэроионами. Именно эти обстоятельства и явились решающими при определении судьбы спелеотерапии на калийных рудниках.

Таким образом, можно сделать вывод, что для формирования биологически позитивной воздушной среды на борту пилотируемой космической станции, которая была бы близка по своим качествам природному «свежему» воздуху и химически, физически и биологически «чистому» воздуху, возможно использование уникального природного феномена- микроклимата подземных соляных пещер.

Для обеспечения «мягкости» и «естественности» воздействия природных факторов необходимо использование методов и способов моделирования (имитации) чистой природной воздушной среды [426].

 

1.2.6. Ионизация воздуха обитаемых кабин пилотируемых космических кораблей.

 

На околоземной орбите, обычной для орбитальных станций, при средней мощности дозы в воздухе 0,2мкрад\сек [28] космическое излучение должно теоретически привести к установлению равновесной концентрации лёгких атмосферных ионов, равной примерно 14*10³ пар\см³. В реальных условиях гермопомещений ограниченного объёма концентрация аэроионов не достигает максимально возможной величины из-за осаждения и разряда на стенках и аэрозольных частицах. [29] Другим источником ионов могут быть установки для регенерации воздуха на надперекисных соединениях. [30] По данным Б.В.Анисимова концентрация ионов в кабинах космических станций на околоземной орбите ниже радиационных поясов Земли должна быть не менее 10-15* 10³ пар\ам³, а при полётах выше поясов - до 20-3010³ иар\см³. [31]

Известен ряд факторов, влияющих на коэффициент униполярности. К таким факторам относятся электростатические заряды на поверхностях интерьера, вариации интенсивности космического излучения, концентрация аэрозольных частиц, температура и влажность воздуха деионизация воздуха на очистных фильтрах. Поскольку количественно учесть влияние всех этих факторов невозможно, оценка аэроионного состава в кабине космического корабля можно только условно. [32]

Так как коэффициент диффузии и подвижность в электрическом поле отрицательно заряженных ионов больше, чем положительно заряженных, то они быстрее подвергаются процессам уничтожения, в термокамерах небольшого объёма из-за влияния стенок всегда создаётся избыток положительных ионов. Аэрозольное загрязнение также приводит к увеличению коэффициента униполярности. [33]

Вприземном слое воздуха влияние аэрозолей и электрического поля Земли приводит к увеличению коэффициента униполярности до 1,1-1,2, в городах возможны и большие величины, следует ожидать, что в кабине космического корабля коэффициент униполярности будет составлять 1,4-1,5. в приземном слое воздуха средняя концентрация ионов составляет 400-600 пар\ам³, а в городах - часто 100-200 пар\ см³. [34] Таким образом, концентрация аэроионов во время космического полёта будет в 20-100 раз больше, чем в обычных условиях обитания человека. При столь большой концентрации аэроионы обладают значительной биологической активностью. [35]

 

1.2.7. Нормирование ионизованного воздуха.

 

А.Л.Чижевский предложил биологическую единицу аэроионизации - 8,0*109 ионов. Она отражает число ионов, вдыхаемых человеком ежесуточно в естественных условиях на открытом воздухе в экологически чистой среде. Лечебная доза аэроионов по Чижевскому составляет 20 биоед., или 160 млрд. ионов. [25]

Чижевский писал: «Наш многолетний опыт показал, что электроны, выброшенные из металла и осевшие на молекулах кислорода воздуха в естественных, профилактических и терапевтических дозировках.... отличаются великоцелебным действием и никакого вреда даже в высоких концентрациях не приносят.... Единственное условие, которое нужно строго соблюдать при электроэффлювиальном методе, это нормально работающая по опубликованной нами схеме аппаратура, при 25-40 киловольтах». [4]

Таким образом, только эти величины напряжения на ЭИ, указанные А. Л. Чижевским, обеспечивают энергию в 34 еВ, необходимую для образования легких отрицательных АИ кислорода. Использование ионизаторов с меньшим напряжением на ЭА не создает лечебного эффекта АИ, который был обнаружен А. Л. Чижевским.

Несмотря на заверения Чижевского в безопасности ионизации, санитарно-гигиенические нормы (СН № 2152-80 и СанПиН 2.2.2.542-96 "Гигиенические требования к видеодисплейным терминалам, персональным электронно-вычислительным машинам и организации работ") регламентируют следующие показатели ионизированности (концентрации лёгких аэроионов) воздуха на рабочем месте:

Таблица 1.2.7 Нормирование концентрации аэроионов.

Концентрации	Число ионов в смЗ воздуха		Полярность
	N+	N-
Предельные минимальные	400	600	-0,2
Оптимальные	1500-3000	3000-5000	От - 0,5 до 0
Максимально допустимые	50000	50000	От - 0,05 до + 0,05

 

В «Гигиенических требованиях к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений» (СанПиН 2.2.4.1294-03) предельно допустимое минимальное количество отрицательных аэроионов в см³ воздуха установлено в размере 400, а возможное изменение коэффициента униполярности от 0,4 до 1,0. [26]

Существование норм аэроионизации обусловлено тем, что при концентрации лёгких аэроионов от 10³ до 10⁴ в см³ обеспечивается оптимальный электрообмен организма человека с воздушной средой, осуществляется гигиеническая профилактика помещения, нейтрализуется негативное воздействие электростатических полей.

Вредными для здоровья считаются тяжёлые аэроионы, т.к. представляют из себя заряженную пыль. Так же негативное влияние оказывает высокая концентрация аэроионов, выше 50000 см³.

В сборнике методических указаний по лечебному применению ионизированного воздуха (аэроионотерапия), утвержденном Управлением специальной медицинской помощи Минздрава СССР в 1959 году приведён список противопоказаний:

* при бронхиальной астме с хронической везикулярной эмфиземой и при явлениях сердечной недостаточности 1 и 2 степени,

* при гипертонической болезни с выраженными органическими изменениями со стороны сердечно-сосудистой системы и при коронарной недостаточности, а также при поражениях почек (почечная гипертония),

* при состояниях, сопровождающихся выраженным склерозом сосудов, наклонностью к спазмам сосудов мозга и сердца, а также после перенесенных кровоизлияний в мозг и инфаркте миокарда,

* при явлениях общего истощения организма,

* при активном легочном туберкулезе (как лечебное, а не общегигиеническое мероприятие),

* для больных озеной с обширным разрушением слизистой оболочки носа.

[27]

Этот список можно рассматривать только как исторический факт, который имел место при публикации официальной бумаги Минздрава.

По данным В. Чернойваненко(2004), биологически вредным является не только воздух обитаемых помещений, но и воздух городов, который насыщен избытком положительных АИ и аэрозолями. Ими являются частицы асфальта, выбросы автомобилей, дыма, копоти, химические отбросы заводов. Борьба с ними возможна только путем аэроионификации улиц.

Концентрация тяжелых ионов может служить одним из критериев степени загрязнения воздуха. [20]

Фотокатализ.

 

На современном этапе развития науки фотокатализ определяют как "изменение скорости или возбуждение химических реакций под действием света в присутствии веществ (фотокатализаторов), которые поглощают кванты света и участвуют в химических превращениях участников реакции, многократно вступая с ними в промежуточные взаимодействия и регенерируя свой химический состав после каждого цикла таких взаимодействий".

Рассмотрим это определение на примере реакции дегидрирования этилового спирта в водных растворах

При комнатной температуре эта реакция не идет. Она может идти под действием света с длиной волны меньше 205 нм, которая соответствует краю поглощения этанола. Но это жесткий ультрафиолет, который практически отсутствует в солнечном спектре, достигающем поверхности Земли. В присутствии же фотокатализаторов, например гетерополикислот 12-го ряда типа H₃[PW₁₂ O₄₀] или мелкодисперсного TiO₂, эта реакция идет с высоким квантовым выходом под действием света, соответствующего спектру поглощения гетерополикислоты (l < 350 нм) или TiO₂ (l < 400 нм). А света с такими длинами волн много в солнечном спектре. И таким образом, в данном случае фотокатализаторы возбуждают химическую реакцию или, как говорят, расширяют спектр действия системы, то есть область длин волн света, при облучении которым идет реакция.

Фотокатализ играет важнейшую роль в живой природе. Так, процесс фотосинтеза, обеспечивающий жизнь на Земле, фотокаталитический. В процессах очистки воды и воздуха от органических примесей в качестве фотокатализатора используют исключительно TiO₂.

 

1.3.1. Принцип действия TiO₂ как фотокатализатора.

 

TiO₂ - полупроводниковое соединение. Согласно современным представлениям, в таких соединениях электроны могут находиться в двух состояниях: свободном и связанном. В первом состоянии электроны движутся по кристаллической решетке, образованной катионами Ti₄⁺ и анионами кислорода O₂^-. Во втором состоянии - основном электроны связаны с каким-либо ионом кристаллической решетки и участвуют в образовании химической связи. Для перевода электрона из связанного состояния в свободное необходимо затратить энергию не менее 3,2 эВ. Эта энергия может быть доставлена квантами света с длиной волны l < 390 нм. Таким образом, при поглощении света в объеме частицы TiO₂ рождаются свободный электрон и электронная вакансия (в физике полупроводников такая электронная вакансия называется дыркой).

Электрон и дырка - достаточно подвижные образования, и, двигаясь в частице полупроводника, часть из них рекомбинирует, а часть выходит на поверхность и захватывается ею. Схематически процессы, происходящие на частице TiO₂, изображены на рис. 1.3.1

Рис.1.3.1 Схематическое изображение процессов, идущих на полупроводниковой частице.

Захваченные поверхностью электрон и дырка являются вполне конкретными химическими частицами. Например, электрон - это, вероятно, Ti³⁺ на поверхности, а дырка (электронная вакансия) локализуется на решетчатом поверхностном кислороде, образуя О^-. Они чрезвычайно реакционноспособны. В терминах окислительно-восстановительных потенциалов реакционная способность электрона и дырки на поверхности TiO₂ характеризуется следующими величинами: потенциал электрона ~ -0,1 В, потенциал дырки ~ +3 В относительно нормального водородного электрода. Иными словами, электрон способен реагировать с кислородом, рождая последовательность реакций:

При этом могут образовываться такие мощные окислители, как O^- и OH-радикал. Вторым возможным маршрутом реакций электрона являются реакции

Но второй маршрут реализуется только в водных растворах и при низких концентрациях кислорода. Основным же каналом исчезновения электрона являются реакции с кислородом.

Дырка реагирует либо с водой

либо с любым адсорбированным органическим (в некоторых случаях и неорганическим) соединением

OH^- радикал или O^- также способны окислить любое органическое соединение. И таким образом, поверхность TiO₂ под светом становится сильнейшим окислителем.

На практике любой фотокаталитический очиститель воздуха включает в себя пористый носитель с нанесенным TiO2, который облучается светом и через который продувается воздух. Так, на рис. 1.3.2 показано устройство бытового фотокаталитического очистителя воздуха, разработанного Информационно-технологическим институтом (Москва) и Институтом катализа Сибирского отделения РАН.

Рис. 1.3.2 Фотокаталитический очиститель воздуха.

Органические молекулы из потока адсорбируются на поверхности фотокатализатора, нанесенного на пористое стекло (фотокаталитический фильтр), и окисляются до углекислого газа и воды под действием света от УФ-лампы. [37]