Из каких газов состоит воздух? Воздух: чем мы дышим

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

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

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

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

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

Таблица 1. Парциальное давление кислорода на разных высотах

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Та часть атмосферы, которая прилегает к Земле и которой соответственно дышит человек, называется тропосферой. Тропосфера имеет высоту от девяти до одиннадцати километров и представляет собой механическую смесь разнообразных газов.

Состав воздуха не обладает постоянством. В зависимости от географического положения, местности, погодных условий, воздух может иметь различный состав и различные свойства. Воздух может быть загазованным или разряженным, свежим или тяжелым - все это означает, что в нем имеют определенные примеси.

Азот - 78,9 процента;

Кислород - 20,95 процента;

Двуокись углерода - 0,3 процента.

Кроме того, в атмосфере присутствуют другие газы (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, водород, радон, озон), а также и Сумма их составляет чуть меньше одного процента.

Также стоит указать на наличие в воздухе некоторых постоянных примесей природного происхождения, в частности, некоторых газообразных продуктов, которые образуются в результате как биологических, так и химических процессов. Специального упоминания среди них заслуживает аммиак (состав воздуха вдали от населенных мест включает в себя порядка трех-пяти тысячных миллиграмма на кубический метр), метан (его уровень равен в среднем двум десятитысячным миллиграмма на кубический метр), окислы азота (в атмосфере их концентрация достигает приблизительно пятнадцать десятитысячных миллиграмма на метр кубический), сероводорода и других газообразных продуктов.

Помимо парообразных и газообразных примесей, химический состав воздуха обычно включает в себя пыль космического происхождения, которая выпадает на поверхность Земли в количестве семи стотысячных тонны на квадратный километр в течение года, а также пылевые частицы, которые поступают при извержениях вулканов.

Однако в наибольшей степени изменяет (причем не в лучшую сторону) состав воздуха и загрязняет тропосферу так называемая наземная (растительная, почвенная) пыль и дым лесных пожаров. Особенно много такой пыли в континентальных воздушных массах, берущих свое начало в пустынях Центральной Азии и Африки. Именно поэтому с уверенностью можно заявить, что идеально чистой воздушной среды попросту не существует, и она является понятием, существующим только теоретически.

Состав воздуха имеет свойство постоянно изменяться, причем его естественные изменения обычно играют достаточно небольшую роль, особенно в сравнении с возможными последствиями его искусственных нарушений. Такие нарушения преимущественно связаны с производственной деятельностью человечества, использованием устройств для бытового обслуживания, а также транспортными средствами. Эти нарушения способны приводить в том числе и к денатурации воздуха, то есть к ярко выраженным отличиям ее состава и свойств от соответствующих показателей атмосферы.

Эти и многие другие виды человеческой деятельности привели к тому, что основной состав воздуха начал подвергаться медленным и незначительным, но тем не менее абсолютно необратимым изменениям. Например, ученые подсчитали, что за последние пятьдесят лет человечеством было использовано примерно столько же кислорода, сколько за предшествующий миллион лет, а в процентном соотношении - две десятых процента от его общего запаса в атмосфере. При этом соответственно повышается выброс в воздушную Этот выброс по последним данным достиг почти четырех сотен миллиардов тонн за последние сто лет.

Таким образом, состав воздуха меняется в худшую сторону, и сложно предположить, каким он станет уже через несколько десятков лет.

Газовый состав атмосферного воздуха является одним из важнейших показателей состояния природной среды. Содержание основных газов у поверхности Земли в процентах составляет:

· азота - 78,09 %,

· кислорода – 20,95 %,

· паров воды – 1,6 %,

· аргона - 0,93 %,

· диоксида углерода - 0,04 % (данные приведены в расчёте на нормальные условия tº=25 ºC, P=760 мм Hg).

Азот – газ, являющийся основной составляющей воздуха. При обычном атмосферном давлении и низких температурах азот инертен. Диссоциация молекул азота и распад их на атомарный азот происходит на высотах более 200 км.

Кислород – вырабатывается растениями в процессе фотосинтеза (примерно 100 млрд. т ежегодно). В ходе химической эволюции одним из самых ранних основных изменений был переход от восстановительной атмосферы к окислительной, в которой начали развиваться биологические системы, характеризующие сегодняшнюю жизнь на Земле. Установлено, что при снижении доли кислорода в составе воздуха до 16 % остановятся основные природные процессы – дыхание, горение, гниение.

Углекислый газ (диоксид углерода) поступает в воздух в результате процессов сжигания топлива, дыхания, гниения и разложения органических веществ. Существенного накопления углекислого газа в атмосфере не происходит, так как он поглощается растениями в процессе фотосинтеза.

Кроме того в воздухе всегда содержатся: неон, гелий, метан, криптон, оксиды азота, ксенон, водород. Но эти компоненты содержатся в количествах, не превышающих тысячные доли процента. Этот состав атмосферного воздуха можно считать свойственным современному абсолютно чистому воздуху. Однако таким он никогда не бывает.

Множество примесей, попадающих в атмосферный воздух из различных естественных и искусственных источников в разных частях Земли с изменяющейся во времени интенсивностью, составляют её непостоянные примеси, которые можно условно назвать загрязнениями .

Среди естественных факторов загрязнения выделяют :

а) внеземное загрязнение воздуха космической пылью и космическим излучением;

б) земное загрязнение атмосферы при извержении вулканов, выветривании горных пород, пыльных бурях, лесных пожарах, возникающих от ударов молний, выносе морских солей.

Условно разделяют естественное загрязнение атмосферы на континентальное и морское, а так же неорганическое и органическое.

Одна из наиболее постоянно присутствующих в атмосферном воздухе примесей - взвешенные частицы. Они могут быть как минеральными, так и органическими, значительную часть которых составляют пыльца и споры растений, споры грибов, микроорганизмы. Часто пыль образована мельчайшими частицами почвы и, кроме минеральных, содержит некоторое количество органических веществ.

С дымом лесных пожаров в воздух попадают частицы сажи, то есть углерод, и продукты неполного сгорания древесины, то есть различные органические вещества, в числе которых много фенольных соединений, обладающих мутагенными и канцерогенными свойствами.

Вулканическая пыль и пепел содержат некоторое количество растворимых солей калия, кальция, магния и других веществ, важных для минерального питания растений. С вулканическими газами в атмосферу попадают оксиды серы, азота, углерода, а также хлор. Углекислый газ входит в атмосферный запас углерода, оксиды азота и серы быстро вымываются дождями и попадают на почву в виде слабых растворов кислот.

Атмосферный воздух находится в постоянном взаимодействии и обмене веществ с каменной оболочкой Земли - литосферой и водной оболочкой - гидросферой. Очень велика роль атмосферы в круговороте веществ, обуславливающих жизнь на нашей планете. Целиком через атмосферу проходит круговорот воды. Вулканический пепел, переносимый ветрами, обогащает почвы элементами минерального питания растений. Выбрасываемый вулканами углекислый газ, попадая в атмосферу, включается в круговорот углерода и усваивается растениями.

Естественные источники атмосферных примесей существовали всегда. Пути удаления из воздуха для разных примесей могут быть разными: выпадение пыли, вымывание с осадками, поглощение растениями или поверхностью воды и другие. Существует природное равновесие между поступлением примесей в атмосферу и её самоочисткой, в результате чего для любого вещества, входящего в состав примесей, можно указать естественные пределы его содержания в воздухе, которое называют фоновым.

Химический состав воздуха

Воздух имеет такой химический состав: азот-78, 08%, кислород-20, 94%, инертные газы-0, 94%, диоксид углерода-0, 04%. Эти показатели в приземном слое могут колебаться в незначительных пределах. Человеку в основном нужен кислород, без которого он не сможет жить, как и остальные живые организмы. Но сейчас изучено и доказано, что другие составные части воздуха также имеют большое значение.

Кислород - газ без цвета и запаха, хорошо растворимый в воде. Человек за сутки вдыхает в состоянии покоя примерно 2722 л (25 кг) кислорода. В выдыхаемом воздухе содержится около 16% кислорода. От величины потребляемого кислорода зависит характер интенсивности окислительных процессов в организме.

Азот - газ без цвета и запаха, малоактивный, его концентрация в выдыхаемом воздухе почти не меняется. Он играет важную физиологическую роль в создании атмосферного давления, который жизненно необходим, и совместно с инертными газами разбавляет кислород. С растительной пищей (особенно бобовых) азот в связанном виде поступает в организм животных и участвует в образовании животных белков, а соответственно и белков человеческого организма.

Диоксид углерода - газ без цвета, с кисловатым вкусом и своеобразным запахом, хорошо растворимый в воде. В выдыхаемом из легких воздухе его содержится до 4,7%. Повышение содержания диоксида углерода в 3% во вдыхаемом воздухе отрицательно влияет на состояние организма, возникают ощущения сжатия головы и головная боль, повышается артериальное давление, замедляется пульс, появляется шум в ушах, может наблюдаться психическое возбуждение. При росте концентрации двуокиси углерода до 10% во вдыхаемом воздухе происходит потеря сознания, а затем может наступить остановка дыхания. Большие концентрации быстро приводят к параличу мозговых центров и смерти.

Основными химическими примесями, загрязняющими атмосферу, являются следующие.

Оксид углерода (СО) - бесцветный газ, не имеющий запаха, так называемый «угарный газ». Образуется в результате неполного сгорания ископаемого топлива (угля, газа, нефти) в условиях недостатка кислорода при низкой температуре.

Диоксид углерода (СО 2), или углекислый газ - бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом, продукт полного окисления углерода. Является одним из парниковых газов.

Диоксид серы (SO 2) или сернистый ангидрид - бесцветный газ с резким запахом. Образуется в процессе сгорания серосодержащих ископаемых видов топлива, в основном угля, а также при переработке сернистых руд. Он участвует в формировании кислотных дождей. Длительное воздействие диоксида серы на человека приводит к нарушению кровообращения и остановке дыхания.

Оксиды азота (оксид и диоксид азота). Образуются при всех процессах горения большей частью в виде оксида азота. Оксид азота достаточно быстро окисляется до диоксида, который представляет собой красно-белый газ с неприятным запахом, сильно действующим на слизистые оболочки человека. Чем выше температура горения, тем интенсивнее идет образование оксидов азота.

Озон - газ с характерным запахом, более сильный окислитель, чем кислород. Его относят к наиболее токсичным из всех обычных загрязняющих воздух примесей. В нижнем атмосферном слое озон образуется в результате фотохимических процессов с участием диоксида азота и летучих органических соединений (ЛОС).

Углеводороды - химические соединения углерода и водорода. К ним относят тысячи различных загрязняющих атмосферу веществ, содержащихся в несгоревшем бензине, жидкостях, применяемых в химчистке, промышленных растворителях и т.д. Многие углеводороды опасны сами по себе. Например, бензол, один из компонентов бензина, может вызвать лейкемию, а гексан - тяжелые поражения нервной системы человека. Сильным канцерогеном является бутадиен.

Свинец - серебристо-серый металл, токсичный в любой известной форме. Широко используется для производства припоя, красок, боеприпасов, типографского сплава и т.п. Свинец и его соединения, попадая в организм человека, снижают активность ферментов и нарушают обмен веществ, кроме того, они обладают способностью накапливаться в организме человека. Особую угрозу соединения свинца представляют для детей, нарушая их умственное развитие, рост, слух, речь ребенка, его способность сосредоточиться.

Фреоны - группа галогеносодержащих веществ, синтезированных человеком. Фреоны, представляющие собой хлорированные и фторированные углероды (ХФУ), как недорогие и нетоксичные газы широко применяют в качестве хладагентов в холодильниках и кондиционерах, пенообразующих агентов, в установках для газового пожаротушения, рабочего тела аэрозольных упаковок (лаков, дезодорантов).

Промышленные пыли в зависимости от механизма их образования подразделяют на следующие классы:

механическая пыль - образуется в результате измельчения продукта в ходе технологического процесса,

возгоны - образуются в результате объемной конденсации паров веществ при охлаждении газа, пропускаемого через технологический аппарат, установку или агрегат,

летучая зола - содержащийся в дымовом газе во взвешенном состоянии несгораемый остаток топлива, образуется из его минеральных примесей при горении,

промышленная сажа - входящий в состав промышленного выброса твердый высокодисперсный углерод, образуется при неполном сгорании или термическом разложении углеводородов.

Основной параметр, характеризующий взвешенные частицы, - это их размер, который колеблется в широком диапазоне - от 0,1 до 850 мкм. Наиболее опасны частицы от 0,5 до 5 мкм, поскольку они не оседают в дыхательных путях и именно их вдыхает человек.

Диоксины относятся к классу полихлорированных полициклических соединений. Под этим названием объединено более 200 веществ - дибензодиоксинов и дибензофуранов. Основным элементом диоксинов является хлор, который в отдельных случаях может замещаться бромом, кроме того, диоксины содержат кислород, углерод и водород.

Атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, способствуя распространению больших масс загрязнения на значительные расстояния. Промышленными выбросами (примесями), переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, закисляются почва и вода, изменяется климат и разрушается озоновый слой.

Воздух — естественная смесь газов, главным образом азота и кислорода, составляющая земную атмосферу. Воздух необходим для нормального существования подавляющего числа наземных живых организмов: кислород, содержащийся в воздухе, в процессе дыхания поступает в клетки организма и используется в процессе окисления, в результате которого происходит выделение необходимой для жизни энергии. В промышленности и в быту кислород воздуха используется для сжигания топлива с целью получения тепла и механической энергии в двигателях внутреннего сгорания. Из воздуха методом сжижения получают благородные газы. В соответствии с Федеральным Законом «Об охране атмосферного воздуха» под атмосферным воздухом понимается "жизненно важный компонент окружающей среды, представляющий собой естественную смесь газов атмосферы, находящуюся за пределами жилых, производственных и иных помещений".

Важнейшими факторами, определяющими пригодность для проживания человека, воздушной среды являются химический состав, степень ионизации, относительная влажность, давление, температура и скорость движения. Рассмотрим каждый из этих факторов по-отдельности.

В 1754 году Джозеф Блэк экспериментально доказал, что воздух представляет собой смесь газов, а не однородное вещество.

Нормальный состав воздуха

Вещество	Обозначение	По объёму, %	По массе, %
Азот
Кислород
Аргон
Углекислый газ
Неон		0,001818
Метан			0,000084
Гелий		0,000524	0,000073
Криптон		0,000114
Водород
Ксенон		0,0000087

Лёгкие аэроионы

Каждый житель Санкт-Петербурга чувствует, что воздух сильно загрязнен. Постоянно возрастающее количество автомобилей, фабрики и заводы выбрасывают в атмосферу тонны отходов своей деятельности. В загрязнённом воздухе присутствуют нехарактерные физические, химические и биологические вещества. Основными загрязнителями атмосферного воздуха мегаполиса являются: альдегиды, аммиак, атмосферная пыль, оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы, углеводороды, тяжелые металлы (свинец, медь, цинк, кадмий, хром).

Наиболее опасными составляющими смога являются микроскопические частицы вредных веществ. Приблизительно 60% - это продукты сгорания автомобильных двигателей. Именно эти частицы мы вдыхаем гуляя по улицам наших городов и накапливаем в наших лёгких. Как утверждают медики, лёгкие жителя мегаполиса очень напоминают по степени загрязнённости лёгкие заядлого курильщика.

На первом месте по вкладу в загрязнение воздуха стоят выхлопные газы автомобилей, выбросы ТЭС – на втором месте, химическая промышленность – на третьем.

Степень ионизации воздуха

Высокая степень ионизации

Атмосферный воздух всегда ионизирован и содержит большее или меньшее количество аэроионов. Процесс ионизации природного воздуха происходит под действием целого ряда факторов, из которых главными являются радиоактивность почвы, горных пород, морских и подземных вод, космические лучи, молнии, разбрызгивание воды (эффект Ленарда) в водопадах, в барашках волн и т.п., ультрафиолетовое излучение Солнца, пламя лесных пожаров, некоторые ароматические вещества и т.п. Под влиянием этих факторов формируются как положительные, так и отрицательные аэроионы. На образовавшиеся ионы мгновенно оседают нейтральные молекулы воздуха, рождая так называемые нормальные и легкие атмосферные ионы. Встречая на своем пути взвешенные в воздухе пылинки, дымовые частицы, мельчайшие капельки воды, легкие ионы на них оседают и превращаются в тяжелые. В среднем над поверхностью земли в 1 см 3 содержится до 1500 ионов, среди которых преобладают положительно заряженные, что является, как будет показано далее, не совсем желательным для здоровья человека.

В некоторых регионах ионизация воздуха характеризуется более благоприятными показателями. К числу местностей, где воздух особенно ионизирован, принадлежат склоны высоких гор, горные долины, водопады, берега морей и океанов. Их часто используют для организации мест отдыха и санаторно-курортного лечения.

Таким образом, ионы воздуха — постоянно действующий фактор внешней среды, такой, как температура, относительная влажность и скорость движения воздуха.

Изменение степени ионизации вдыхаемого воздуха неизбежно влечет за собой сдвиги в различных органах и системах. Отсюда естественно стремление использовать ионизированный воздух в , с одной стороны, и потребность в разработке аппаратов и устройств для искусственного изменения концентрации и соотношения ионов в атмосферном воздухе, с другой. Сегодня, пользуясь специальной аппаратурой, можно усилить степень ионизации воздуха, увеличивая в тысячи раз количество ионов в 1 см 3 .

В санитарно-эпидемиологических правилах и нормативах СанПиН 2.2.4.1294-03 приведены гигиенические требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений. Заметьте, что важно не только количество отрицательно и положительно заряженных аэроионов, но и отношение концентрации положительных к концентрации отрицательных, которое называется коэффициентом униполярности (см. таблицу ниже).

В соответствии с гигиеническими требованиями количество отрицательно заряженных аэроионов должно быть больше либо, в крайнем случае, равно количеству положительно заряженных аэроионов. В условиях проживания в городах и работы в офисных помещениях следует пользоваться аэроионизаторами воздуха, чтобы не терять концентрацию внимания и медленнее уставать во время рабочего дня.

Микроклимат: отн. влажность, температура, скорость движения, давление

Под микроклиматом подразумевают комплекс физичесих параметров окружающей среды, влияющих на теплообмен человека и его здоровье. Основными параметрами микроклимата являются относительная влажность, температура, давление и скорость движения воздуха. Поддержание всех этих параметров в норме внутри помещения является ключевым фактором, определяющим комфортность пребывания в нём человека.

Нормальное значение параметров микроклимата даёт возможность организму человека тратить минимум энергии: на поддержание необходимого уровня теплообмена, на получение необходимого количества кислорода; при этом человек не чувствует ни жары, ни холода, ни духоты. По статистике нарушения микроклимата являются самыми частыми среди всех нарушений санитарно-гигиенических норм.

Микроклимат определяется воздействием внешней среды, особенностями постройки здания и систем отопления, вентиляции и кондиционирования.

В многоэтажных домах существует сильный перепад давления воздуха снаружи здания и внутри. Это приводит к накоплению различных загрязнений в здании, причём их концентрация будет различной на верхних и на нижних этажах, что пагубно сказывается на .

Особенности микроклимата каждой конкретной квартиры формируются под влиянием потоков воздуха, влаги и тепла. Воздух в помещении постоянно находится в движении. Поэтому одним из ключевых параметров воздуха является скорость его движения.

Ниже приведена таблица, в которой указаны оптимальные и допустимые значения температуры, влажности и скорости движения воздуха в различных помещениях в соответствии с действующими СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях».

Параметров воздуха у себя дома, в офисе или загородном коттедже, Вы сможете принять соответствующие меры по нормализации выявленных отклонений.

Действующие сантитарные правила и нормативы по воздуху

Наименование помещения	Температура воздуха, °C		Относительная влажность, %		Скорость движения воздуха, м/с
	оптим.	допуст.	оптим.	допуст.	оптим.	допуст.
Холодный период года
Жилая комната