Атмосферный воздух как внешняя среда

Атмосферный воздух является одним из важнейших компонентов экологии человека. В процессе своей жизнедеятельности человек постоянно соприкасается со многими факторами внешней среды, в которой он живет, и эти факторы, естественно, оказывают на организм человека определенное влияние. Одним из таких факторов, с которыми человек соприкасается наиболее тесным образом, является воздушная среда. Воздух является самым необходимым компонентом для существования организма человека. Без него человек может просуществовать лишь в течение нескольких минут.

В процессе эволюции человек приспособился к существованию в воздушной среде с определенными свойствами, и поэтому вполне понятно, что изменение химического состава этой среды или ее физических свойств сказывается на состоянии здоровья, самочувствии и работоспособности человека.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли массой почти 5,157*10¹⁵ т, а

масса нашей планеты составляет 5,98*10²¹ т. В атмосфере различают несколько слоев: тропосферу и стратосферу, разделенные переходным слоем – тропопаузой, а также мезосферу (от                      стратосферы            отделяется стратопаузой), ионосферу и термосферу (рис. 1). Внешняя часть термосферы называется магнитосферой. В ней частицы газов (ионы) удерживаются не столько земным притяжением, сколько магнитным полем Земли.

Кроме того, атмосферу разделяют на нижнюю (до 30 км – тропосфера и тропопауза), среднюю (от 30 до 100 км – стратосфера, мезосфера и мезопауза) и верхнюю (свыше 100 км – ионосфера и термосфера).

Первый слой, наиболее близко

Рис. 1. Строение атмосферы

прилегающий к поверхности земли, называется тропосферой и простирается

до высоты 12-14 км. В тропосфере постоянно происходят суточные и сезонные колебания температуры. Во всех вышележащих слоях атмосферы температура

воздуха всегда постоянна и не меняется в зависимости от времени суток или сезона года. В воздухе этих слоев преобладают горизонтальные перемещения воздушных масс, отсутствуют водяные пары, а поэтому и явления, связанные с ними (облака, туманы). В них практически отсутствуют характерные для тропосферы посторонние примеси, за исключением тех незначительных загрязнений, которые поступают на землю из космоса (космическая пыль), а также загрязнений, которые забрасываются в стратосферу с поверхности земли при некоторых чрезвычайных обстоятельствах (при взрывах ядерного оружия и крупных извержениях вулканов).

За тропосферой следует слой, называемый стратосферой, которая простирается до высоты около 100 км. В стратосфере в основном происходят горизонтальные перемещения воздушных масс, в силу чего попадающие в стратосферу загрязнения распространяются набольшие расстояния и носят названия глобальных. Загрязнения, попадающие в стратосферу, имеют ряд особенностей. В силу значительной удаленности от поверхности земли они имеют весьма малый вес, а поэтому скорость оседания их очень незначительна. Горизонтальными потоками воздуха они разносятся на очень большие расстояния и практически распространяются над всей земной поверхностью, что дало основание назвать их «глобальными».

В мезосфере температура воздуха снижается с увеличением высоты и достигает 160К в верхней ее части. Это способствует конденсации водяного пара и образованию на высоте почти 80 км так называемых мезосферных туч.

В термосфере (на высоте более 100 км) существенно изменяется состав воздуха: распадаются молекулы Н₂О и СО₂. Значительная часть молекул кислорода диссоциирует на атомы. В этом слое усиливается ионизация частиц газов и возникает так называемый слой ионосферы.

Таким образом, нижняя атмосфера как неотъемлемая часть биосферы является воздушной средой земной жизни. Ученые в старину считали окружающий воздух одной из составных частей Вселенной. Древнегреческий философ Анаксимен в IV в. до н. э. называл воздух первоматерией, а Аристотель – одним из четырех элементов, из которых состоят все вещества в природе. Гиппократ писал: «Воздух – это пастбище жизни». Если человек без воды может прожить почти 5 суток, без еды – 5 недель, то без воздуха – лишь 5 мин. В сутки человек в среднем употребляет до 3 л воды, до 3 кг продуктов, через сотни миллионов альвеол легких площадью 60-120 м² проходит 10–12 м³ воздуха в сутки, или 1 000 000 м³ – при жизни. За 1 мин человек в среднем делает 18 дыхательных движений, вдыхая каждый раз 0,5 л воздуха без физической нагрузки. Если человек физически работает, то ему в сутки необходимо до 30 м³ воздуха. Дыхательная система человека – самый

совершенный фильтр, который очищает вдыхаемый воздух, отделяет твердые и жидкие примеси. В носовой полости улавливаются лишь грубые частицы пыли. Частицы пыли диаметром 10 мкм оседают в бронхах, а еще меньшие (10-0,1 мкм) – в альвеолах. Из каждого литра вдыхаемого воздуха в легких задерживается 0,5 мг чужеродных веществ, что составляет 6,5 г/сут. Легкие – это открытые ворота во внутреннюю среду организма, где происходит контакт воздуха с кровью. В крови растворяются вещества, которые она разносит по организму. При этом кровь минует печень, этот естественный барьер дезинтоксикации. Поэтому вредные вещества, поступающие через легкие, действуют в 100 раз сильнее, чем поступающие через пищеварительный канал. Если человек может выбирать питьевую воду и еду, то он не может выбрать воздух. Атмосферный воздух влияет на человека непрерывно.

 

СОСТАВ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

Продолжительное время считали, что воздух состоит из однородного вещества. Только во второй половине XVII в. французский химик Антуан Лавуазье установил, что воздух – это сложная смесь газов. Он является физической смесью, а не химическим соединением составляющих газов. В атмосфере происходит постоянный кругооборот газов: человек и животные при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислоту, такие же процессы происходят при любых окислительных процессах (горение, тление, гниение и др.), растительный же покров земной поверхности поглощает углекислоту и выделяет кислород. Длительное время эти процессы друг друга уравновешивали, в результате чего сохранялось постоянство состава воздушной среды, которому способствовало перемещение воздушных масс, обеспечивающее равномерное перемешивание воздуха.

В составе атмосферного воздуха выделяют:

1. Постоянные вещества.

2. Непостоянные – примеси природного происхождения и примеси, вносимые деятельностью человека.

К постоянным веществам относятся кислород, азот, углекислый газ, инертные газы, озон.

Кислород. Среди постоянных составных частей воздуха основное значение имеет кислород, доля которого составляет 21% от общего количества газов, он необходим для дыхания всего живого за исключением немногих анаэробных микроорганизмов. В природе постоянно осуществляются процессы потребления и восстановления кислорода. Потребление – дыхание человека и животных, процесс горения и окисления. Восстановление происходит в

результате фотосинтеза. Основную роль в восстановлении кислорода планеты играет фитопланктон океанов, меньшую, но существенную роль, наземные растения. Турбулентные течения воздушных масс приводят к выравниванию его содержания в приземном слое атмосферы.

Опытным путем установлено, что снижение количества кислорода во вдыхаемом воздухе до 16 и даже 15% (при нормальном давлении) переносится организмом довольно безболезненно, хотя компенсаторные механизмы при этом находятся в состоянии напряжения (усиление легочной вентиляции, сердечной деятельности и др.). Кратковременно человек может просуществовать даже в атмосфере с содержанием кислорода около 10%, а хорошо тренированные к кислородной недостаточности люди (летчики) – до 8–7%. Естественно, что при этом компенсаторные механизмы организма находятся в крайней степени напряжения. Дальнейшее снижение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к быстрому истощению компенсаторных механизмов организма и его гибели.

Вдыхание воздуха с повышенным содержанием кислорода переносится организмом человека хорошо. Вдыхание даже чистого кислорода (при нормальном давлении) не приводит к возникновению патологических изменений в организме. Лишь при длительном дыхании чистым кислородом отмечается некоторое высушивающее действие его на слизистые оболочки дыхательных путей, что может привести к их раздражению и возникновению воспалительных явлений. Вдыхание же чистого кислорода под повышенным давлением (3–4 атмосферы и более) приводит к патологическим явлениям со стороны центральной нервной системы, проявляющиеся в виде судорог (кислородная интоксикация).

Азот. Преобладающей составной частью воздуха является азот, на его долю приходится 78% воздуха, с ним связано происхождение жизни на земле, так как он входит в состав белков и азотистых соединений. В природе идет непрерывный процесс кругооборота азота, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения за счет биологической фиксации и вновь восстанавливается при распаде органических веществ, а затем снова связывается живыми существами. Азот играет роль разбавителя кислорода. Значительное повышение концентраций азота может сопровождаться явлениями гипоксии и асфиксии вследствие снижения парциального давления кислорода. В условиях открытой атмосферы такие изменения не наблюдаются, так как колебания содержания азота в воздухе незначительны.

Инертные газы. На инертные газы приходится 1% воздуха (аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), по характеру действия на человека они аналогичны азоту.

Углекислый газ. На долю углекислого газа приходится 0,04% воздуха. Он является источником углерода органических веществ. Углекислый газ поступает в атмосферу в процессе дыхания, брожения, гниения и окисления органических веществ при их распаде, сгорании горючего. Потребление происходит в результате ассимиляции его растениями в процессе фотосинтеза. Мощным регулятором содержания углекислого газа в атмосфере является океан. Углекислый газ играет большую роль в жизнедеятельности человека и животных, являясь возбудителем дыхательного центра. Снижение его концентрации не представляет опасности, а повышение выше 0,05–0,07% приводит к гипоксии.

Озон. Из других постоянных газов воздуха с гигиенической точки зрения интерес представляет озон. До недавнего времени считалось, что данный газ является лишь природной составляющей воздуха и присутствует в приземном слое атмосферы за счет заноса из стратосферы, где он образуется в результате диссоциации кислорода под действием ультрафиолетовых лучей. В настоящее время считают, что его присутствие служит показателем загрязнения воздуха. Установлено, что озон является промежуточным продуктом фотохимических реакций. Он обладает высокой реакционной способностью, являясь окислителем.

К непостоянным составным частям атмосферного воздуха относятся взвешенные (твердые) и газообразные вещества, аэрозоли, пары.