Знаете ли вы, что воздух - смесь газов? Газовый состав воздуха

Воздушная среда, составляющая земную атмосферу, представляет собой смесь газов. Сухой атмосферный воздух содержит: кислорода 20,95%, азота 78,09%, диоксида углерода 0,03%. Кроме того, в атмосферном воздухе содержатся аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон и другие газы. В небольшом количестве в атмосферном воздухе присутствует озон, оксид азота, йод, метан, водяные пары.

Кроме постоянных составных частей атмосферы, в ней содержатся разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу производственной деятельностью человека.

1. Важной составной частью атмосферного воздуха является кислород , количество которого в земной атмосфере составляет 1,18 · 10 15 т. Постоянное содержание кислорода поддерживается за счет непрерывных процессов обмена его в природе. С одной стороны, кислород потребляется при дыхании человека и животных, расходуется на поддержание процессов горения и окисления, с другой – поступает в атмосферу за счет процессов фотосинтеза растений. Наземные растения и фитопланктон океанов полностью восстанавливают естественную убыль кислорода. При падении парциального давления кислорода могут развиваться явления кислородного голодания, что наблюдается при подъеме на высоту. Критическим уровнем является парциальное давление кислорода ниже 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. Под влиянием коротковолнового УФ-излучения с длиной волны менее 200 нм молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной формуле кислорода, образуя озон . Одновременно с образованием озона происходит его распад. Общебиологическое значение озона велико: он поглощает коротковолновое УФ-излучение, оказывающее губительное действие на биологические объекты. Одновременно озон поглощает ИК-излучение, исходящее от Земли, и тем самым, предотвращает чрезмерное охлаждение ее поверхности. Концентрации озона неравномерно распределяются по высоте. Наибольшее его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности Земли.

2. Азот по количественному содержанию является наиболее существенной составной частью атмосферного воздуха, он принадлежит к инертным газам. В атмосфере азота невозможна жизнь. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий почвы (азотфиксирующими бактериями), а также сине-зелеными водорослями; под влиянием электрических разрядов превращается в оксиды азота, которые, выпадая с атмосферными осадками, обогащают почву солями азотистой и азотной кислот. Под влиянием почвенных бактерий соли азотистой кислоты превращаются в соли азотной кислоты, которые в свою очередь усваиваются растениями и служат для синтеза белка. Наряду с усвоением азота в природе происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при процессах горения древесины, угля, нефти; небольшое количество его образуется при разложении органических соединений. Таким образом, в природе происходит непрерывный круговорот, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения, восстанавливается и поступает в атмосферу, затем вновь связывается биологическими объектами.

Азот необходим как разбавитель кислорода, поскольку дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме.

Однако повышенное содержание азота во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота в воздухе до 93% наступает смерть.

Кроме азота, к инертным газам воздуха относятся аргон, неон, гелий, криптон и ксенон. В химическом отношении эти газы инертны, в жидкостях организма растворяются в зависимости от парциального давления, абсолютное количество этих газов в крови и тканях организма ничтожно.

3. Важным составным элементом атмосферного воздуха является диоксид углерода (углекислый газ, углекислота,). В природе диоксид углерода находится в свободном и связанном состояниях в количестве 146 млрд т, из них в атмосферном воздухе содержится лишь 1,8% от его общего количества. Основная масса его (до 70%) находится в растворённом состоянии в воде морей и океанов. В состав некоторых минеральных соединений, известняков и доломитов входит около 22% общего количества диоксида и углерода. Остальное количество приходится на животный и растительный мир, каменный уголь, нефть и гумус.

В природных условиях происходят непрерывные процессы выделения и поглощения диоксида углерода. В атмосферу он выделяется за счёт дыхания человека и животных, процессов горения, гниения и брожения, при промышленном обжиге известняков и доломитов и т.д. Одновременно в природе идут процессы ассимиляции диоксида углерода, который поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Диоксид углерода играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека, являясь физиологическим возбудителем дыхательного центра.

При вдыхании больших концентраций диоксида углерода происходит нарушение окислительно-восстановительных процессов в организме. При увеличении содержания его во вдыхаемом воздухе до 4% отмечаются головные боли, шум в ушах, сердцебиение, возбуждённое состояние; при 8% наступает смерть.

В гигиеническом отношении содержание диоксида углерода является важным показателем, по которому судят о степени чистоты воздуха в жилых и общественных зданиях. Скопление больших его количеств в воздухе закрытых помещений указывает на санитарное неблагополучие (скученность, плохая вентиляция).

В обычных условиях при естественной вентиляции помещения и инфильтрации наружного воздуха через поры строительных материалов содержание диоксида углерода в воздухе жилых помещений не превышает 0,2%. При повышении концентрации его в помещении могут отмечаться ухудшение самочувствия человека, снижение работоспособности. Это объясняется тем, что одновременно с увеличением количества диоксида углерода в воздухе жилых и общественных зданий ухудшаются другие свойства воздуха: повышаются его температура и влажность, появляются газообразные продукты жизнедеятельности человека, так называемые антропотоксины (меркаптан, индол, сероводород, аммиак).

С увеличением содержания СО 2 в воздухе и ухудшением метеорологических условий в жилых и общественных зданиях происходит изменение ионизационного режима воздуха (увеличение числа тяжёлых и уменьшение количества лёгких ионов), что объясняется поглощением лёгких ионов в процессе дыхания и контакта с кожей, а также поступлением тяжёлых ионов с выдыхаемым воздухом.

Предельно допустимой концентрацией диоксида углерода в воздухе лечебных учреждений следует считать 0,07%, в воздухе жилых и общественных зданий – 0,1%. Последняя величина принята в качестве расчётной при определении эффективности вентиляции в жилых и общественных зданиях.

4. Кроме основных составных частей, в атмосферном воздухе содержатся газы, выделяющиеся в результате естественных процессов, происходящих на поверхности Земли и в атмосфере.

Водород содержится в воздухе в количестве 0,00005%. Он образуется в высоких слоях атмосферы за счёт фотохимического разложения молекул воды на кислород и водород. Водород не поддерживает дыхание, в свободном состоянии он не усваивается и не выделяется биологическими объектами. Кроме водорода, в атмосферном воздухе содержится незначительное количество метана; обычно концентрация метана в воздухе не превышает 0, 00022%. Метан выделяется при анаэробном гниении органических соединений. Как составная часть входит в состав природного газа и газа нефтяных скважин. При вдыхании воздуха, содержащего метан в больших концентрациях возможно наступление смерти от асфиксии.

Как продукт разложения органических веществ в атмосферном воздухе присутствуют небольшие количества аммиака. Его концентрации зависят от степени загрязнения данной территории нечистотами и органическими выбросами. Зимой вследствие замедления процессов гниения концентрация аммиака несколько ниже, чем летом. При анаэробных процессах разложения серосодержащих органических веществ возможно образование сероводорода, который уже в малых концентрациях придаёт воздуху неприятный запах. В атмосферном воздухе могут находиться в небольших концентрациях йод и перекись водорода. Йод попадает в атмосферный воздух за счёт присутствия мельчайших капелек морской воды и морских водорослей. За счёт взаимодействия УФ-лучей с молекулами воздуха образуется перекись водорода; вместе с озоном она способствует окислению органических веществ в атмосфере.

В атмосферном воздухе находятся взвешенные вещества, которые представлены пылью естественного и искусственного происхождения. В состав природной пыли входит космическая, вулканическая, наземная, морская пыль и пыль, образующаяся при лесных пожарах.

Большую роль в освобождении атмосферы от взвешенных веществ играют естественные процессы самоочищения, среди которых существенное значение имеет разбавление загрязнений конвекционными потоками воздуха у поверхности Земли. Существенным элементом самоочищения атмосферы является выпадение из воздуха крупных частиц пыли и сажи (седиментация). С подъёмом на высоту количество пыли уменьшается; на высоте 7 – 8 км от поверхности Земли пыль земного происхождения отсутствует. Значительную роль в процессах самоочищения играют атмосферные осадки, увеличивающие количество осевшей сажи и пыли. На содержание пыли в атмосферном воздухе влияют метеорологические условия и дисперсность аэрозоля. Крупнодисперсная пыль с диаметром частиц более 10 мкм быстро выпадает, мелкодисперсная пыль с диаметром частиц менее 0,1 мкм практически не выпадает и находится во взвешенном состоянии.

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 .

Газовый состав атмосферного воздуха

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследования газового состава атмосферы. Атмосферная химия

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Химический состав воздуха имеет важное гигиеническое значение.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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