Повітряна оболонка Землі - атмосфера

Повітря

Слово «атмосфера» походить від грецького слова атмос — пар+сфера — куля й означає газову оболонку (повітря), що оточує нашу планету. Вона захищає Землю й все живе на ній від спопеляючого короткохвильового випромінювання Сонця, згубних космічних променів, метеоритів і т.п. Найнижчий шар атмосфери — тропосфера, висота якої коливається від 8—10 км у полярних широтах до 16—18 км в екватора. По масі тропосфера становить 4/5 всієї атмосфери — 5,15 • 10¹⁵ т.

У тропосфері постійно дмуть вітри, тобто спостерігається рух повітря, температура якого зменшується з висотою (приблизно до 6 °С на 1 км).

Атмосфера Землі в основному складається з азоту й кисню. Точніше, ми живемо в азотній атмосфері, помірковано збагаченої киснем. Крім того, у ній утримуються вуглекислий газ, водень, інертні гази (гелій, аргон, неон, криптон, радон), а також закис азоту, двоокис сірки, двоокис азоту, озон і інші гази.

У цей час в атмосфері, особливо в повітрі міст, багато різних сполук, який раніше не було, що обумовлено всі зростаючим антропогенним впливом.

Кисень - найпоширеніший на Землі хімічний елемент. Основна маса його зосереджена не в атмосфері, а в складі молекул води в морях і океанах. Він входить до складу руд, глини, піску й багатьох інших речовин. У живих організмах до 70 % кисню. Він утримується в білках, жирах, вуглеводах. Всім відомо, що без кисню не може існувати жоден живий організм.

Діяльність людини вносить істотні зміни в круговорот кисню в природі. Зокрема, у багатьох промислово розвинених країнах при згорянні вугілля, газу, нафтопродуктів витрачається кисню більше, ніж його виділяють рослини при фотосинтезі.

Що стосується азоту, то при звичайному тиску він інертний, тому людина не відчуває його присутності в атмосфері. При збільшенні тиску або електричних розрядів утворяться різні сполуки азоту, зокрема окис азоту й більше складні органічні сполуки. Це не дивно, тому що потужність окремих електричних розрядів досягає 200 млн кВт, при цьому повітря розігрівається до 20000 °С.

Вуглекислого газу в повітрі небагато - усього 0,03 % загального об'єму. Він не токсичний. Однак останнім часом висловлюється припущення, що підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері може привести до появи так званого парникового ефекту, а це спричинить зміну клімату у великому масштабі.

Важливий компонент атмосфери - водяний пар. Його зміст коливається залежно від географічного положення, пори року, погоди, висоти над рівнем моря й т.д. У результаті конденсації водяної пари утворяться хмари, випадають опади - дощ, сніг, град.

До складу атмосфери входить озон. Без його присутності в атмосфері життя на Землі була б неможливою. Концентрація озону незначна (мільйонні частки), вона збільшується у верхніх шарах атмосфери, досягаючи максимуму на висоті 20-25 км - 0,001 % . Шар атмосфери на висоті 15-70 км іноді називають озоносферой. Вона поглинає найбільш жарке випромінювання Сонця - короткохвильовий діапазон ультрафіолетової частини спектра, що могло б знищити життя на Землі. М'яке випромінювання, тобто довгохвильова частина сонячного спектра, безперешкодно проходить до Землі.

Інертні гази (гелій, аргон, неон, криптон, радон) у звичайних умовах не вступають ні в які хімічні реакції.

Чисте повітря не повинен мати який-небудь захід. Наукою визначена сполука повітря й біологічних порогів заходів тридцятилітніх його частин.

Компонент Концентрація Поріг дії

Азот 78,09 % 3 атм

Кисень 20,95 % 80 %

Аргон 0,93 % 75 %

Неон 16,2 мг/м³ 4 атм

Криптон 4,1 мг/м³ 70 %

Гелій 0,92 м²/м³ 50 %

Ксенон 0,51 м²/м³ 50 %

Вуглекислий газ 0,02-0,04 % 2 %

Окис вуглецю 0,2 м²/м³ 200 м²/м³

Водень 30—100 мк²/м³ 5 атм

Водяна пара 0,02—50 г/м³ —

Метан 0,8—1,5 м²/м³ 300 г/м³

Закис азоту 2,0 м²/м³ 3 м²/м³

Сірчистий газ 60 мк²/м³ 3 м²/м³

Сірководень 20 мк²/м³ 0,8 м²/м³

Аміак 30—40 мк²/м³ 15 м²/м³

Формальдегід 20 мк²/м³ 0,2 м²/м³

Хлор 8 мк²/м³ 2 м²/м³

Йод 1 мк²/м³ 2 м²/м³

Окисли азоту (крім закису) 30 мк /м³ 0,2 м²/м³

Дослідженнями встановлено, що запах свіжого повітря виникає в результаті комбінованого впливу на органи нюху озону, окислів азоту, позитивних і негативних іонів. Головним діючим початком є озон. Залежно від співвідношень між цими інгредієнтами розрізняють відтінки заходу повітря. Вони асоціюються із заходом зелені, свіжих фруктів, поталого снігу й т.п.

Для додання повітрю запаху свіжості необхідно, щоб у ньому втримувалися нестійкі у фізико-хімічному відношенні частки. Свіже повітря позитивно впливає на самопочуття й настрій: освіжають, знімає утому, головний біль. Штучне освіжене або іонізоване повітря варто застосовувати тільки під спостереженням лікаря. Різка зміна дозування може привести до небажаних наслідків. Продукти радіолізу повітря - озон, позитивні іони й електрони, негативні іони й окисли азоту - вступають у реакцію й, отже, впливають на живі організми.

Так, озон при високих концентраціях в 3 рази більш токсичні синильної кислоти, в 5 разів - фосгену, в 20 разів - окису вуглецю.

Відомо, що повітря, опромінене дозою 260 Р (ПДК по озоні), є шкідливим і не придатним для подиху. Для освіження повітря службових і суспільних будинків рекомендують електричну або іонізуючу обробку в дозі до 50 — 80 Р. Для цього можна використовувати спеціальні іонізатори А. А. Микулина, А. А. Чижевського й ін. Установлено, що повітря, що поширюється зверху, з підвищеним змістом озону (починаючи від 60 мкг м3) заганяє різних комах (комарів, мошок) у атмосферний шар повітря.

Озон у підвищених концентраціях негативно впливає на живі організми: мурахи залазять глибше в землю, закривають входи й виходи, у рослин уповільнюється фотосинтез, ушкоджуються листи, тварини стають неспокійними, у людини частішає пульс, з'являються головний біль, озноб і інші нездужання. У той же час невеликі концентрації озону прискорюють ріст рослин, збільшують їхню біомасу. Свіже повітря має бактерицидні властивості, гальмує ріст цвілі й грибкових організмів (при концентрації 0,3 мг/м⁸) протягом години вбивають віруси грипу.

Атмосферний озон знищує в забрудненому повітрі неприємний захід, руйнує канцерогенні речовини. Вплив певної концентрації озону і його іонів підвищує рівень газообміну, збільшує зміст кисню в крові, прискорює відновлення сил після фізичного навантаження, підвищує працездатність, знижує зміст цукру в крові.

Для життєдіяльності людини джерелом кисню є повітря. Постійне надходження його в організмі необхідно для окисних процесів і підтримки життя. Доросла людина протягом доби вдихає 15—30 м³ повітря, чистота якого має величезне значення для здоров'я.

Сполука атмосферного й видихуваного людиною повітря, %

газ	вдихуваний	видихуваний
Кисень	20,94	15,4—16,0
Двоокис вуглецю	0,04	3,4—4,7
Азот	78,08	78,26
Аргон, інші інертні гази й домішки	0,94	0,94

При подиху частина кисню з повітря в альвеолах легенів переходить у кров, а частина двоокису вуглецю із крові виділяється в повітря, що перебуває в альвеолах. У результаті видихуване повітря містить значно менше кисню й приблизно в 100 разів більше вуглекислоти, чим атмосферний. Видихуване повітря насичене водяними парами, і температура його така ж, як і температура тіла. Крім вуглекислоти, видихуваний повітря містить у значних концентраціях більше 20 газоподібних продуктів обміну речовин (окис вуглецю, аміак, ацетон, вуглеводні, альдегіди, органічні кислоти й ін.).

Варто підкреслити, що з ростом населення планети, розвитком промисловості й збільшенням кількості транспортних засобів спостерігається, особливо в останні два десятиліття, значне погіршення якості атмосферного повітря. Насамперед збільшується концентрація окису вуглецю. Це газ без кольору й заходу, якому можна виявити за допомогою приладів або хімічних речовин. Він в 200 разів активніше кисню.

У великих містах зміст окису вуглецю наближається до небезпечної риси. Головним джерелом його є викиди автомобільного транспорту. Потрапляючи в легені людини, газ витісняє кисень із гемоглобіну, відтворює міцну сполуку (карбоксигемоглобин). У результаті значна кількість гемоглобіну припиняє брати участь у найважливішому процесі - переносі кисню з повітря до тканин і органів.

При отруєнні окисом вуглецю в людини з'являються шум у вухах, головний біль, запаморочення, пульсація в скронях, нудота, блювота, втрата свідомості.

Легковий автомобіль викидає до 3 м³/рік окиси вуглецю, а вантажний — до 6. У повітрі найбільших міст США її втримується від 20 до 300 мг/м³. Особливо багато окису вуглецю в повітрі на перехрестях вулиць, де автомобільні двигуни працюють вхолосту чекаючи зеленого сигналу світлофора. Цей газ може накопичуватися також у кабінах водіїв автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння.

Окисом вуглецю регулярно дихають курці: у тютюновому димі сигарети втримується близько 1 % окису вуглецю. Вона також утвориться в печах при спалюванні вугілля, інших видів твердого й рідкого палива.

Окис вуглецю втримується й у димових газах, що відходять. Ще 30 років тому при спалюванні 200 млн т вугілля в атмосферу було викинуто більше 4 млн т ці гази. За останні роки у зв'язку зі збільшенням обсягів виробництва й недостатньою ефективністю прийнятих мір концентрація окису вуглецю в повітрі зростає. Тільки в США щорічно викидається його в атмосферу 60 млн т.

Сірчистий газ зустрічається в природі в складі газоподібних продуктів вулканічних вивержень, однак газу такого походження небагато. Основне джерело сірчистого газу, що забруднює атмосферу,- хімічна, металургійна промисловість, теплоенергетика. При нормальних температурі й тиску це - безбарвний газ із різким заходом, що добре розчиняється у воді, відтворює сірчисту кислоту. Аналогічний процес може відбуватися й у вологому повітрі. сірчиста кислота, Що Утвориться в атмосфері, шкідливо впливає на самопочуття людини, а також на флору й фауну.

Сірчистий газ попадає в повітря в результаті спалювання палива, що містить сірку: кам'яного вугілля, нафтопродуктів, газу,— може окислятися до сірчистого газу, що утворить із водою сірчану кислоту. У куті Донбасу втримується до 3,5 Урал — до 6 % сірки. Сірчистий газ дратує слизуваті оболонки очей, дихальних шляхів, викликаючи кашель, спазми в горлі. У результаті може розвиватися бронхіт. Вдихання повітря зі змістом 400— 500 мг/м³ сірчистого газу приводить до отруєння організму.

Газ небезпечний і для рослинності. Особливо чутливі до нього хвойні й фруктові дерева. Мармур під впливом сірчистого газу перетворюється в гіпс (сірчанокислий кальцій).

Щоб позбутися від шкідливих газів, будують високі димарі. Однак такий прийом для міст не ефективний. Намагаються також витягти сірку з палива до його використання, однак поки без видимих результатів. Найбільш надійний метод - будівництво очисних споруджень. Для вловлювання сірчистого й інших шкідливих газів застосовують їхнє промивання водою, обробку вапняним розчином, аміаком і іншими реагентами.

Крім згаданих, повітря забруднюється окислами азоту й інших речовин.

Гранично припустимі концентрації різних речовин в атмосферному повітрі населених місць, мг/м³

Речовина ПДК Речовина ПДК

Двоокис азоту 0,085 Нітробензол 0,008

Аміак 0,2 Ртуть металева 0,0003

Анілін 0,03

Ацетон 0,35 Сажа 0,05

Бензопирен 0,1 Свинець і його сполуки-0,0003

Бензол 0,8

Бензин 1,5 Сірководень 0,008

Водень ціаністий Сірковуглець 0,005

(синильна кислота) 0,01 Метиловий спирт 0,50

Етиловий спирт 5,0

Дихлоретан 1,0 Окис вуглецю 1,0

Оцтова кислота 0,06 Хлор 0,03

Нафталін 0,003 Хлоробензол 0,10

Етилацетат 0,10

ПДК — мкг/100 м³.

В останні десятиліття в розвинених країнах забруднення атмосфери досягло катастрофічних розмірів. Нерідко на вулицях міст з'являється смог, утворений більшими концентраціями шкідливих речовин в атмосфері. Ніж сильніше зміг, тим гірше самопочуття людей, різко зростає кількість простудних захворювань, виникають епідемії грипу. Через погану видимість на дорогах відбуваються аварій, припиняється рух автомобільного транспорту.

Відомий лондонський смог у грудні 1952 р. протягом біля двох тижнів відніс понад 4 тис. життів. Уже прямує по більших містах США (Чикаго, Бостон, Нью-Йорк, Детройт і ін.) зміг, іменований лос-анджелеським (уперше з'явився в 30-е роки над Лос-Анджелесом).

Такий смог з'являється в забрудненій атмосфері в результаті фотохімічних реакцій, що протікають під впливом сонячного випромінювання, і викликає в людей роздратування слизуватих оболонок око, носа й горла, загострення легеневих і інших хронічних Захворювань, неврози й ін. Від смогу гинуть свійські Тварина (собаки, птах), ушкоджуються рослини (плямистість, білі нальоти, зів'янення листів).

Фотохімічний смог викликає також корозію матеріалів і елементів будинків, розтріскування фарб, гумових і синтетичних виробів, псую одягу. Основним діючим фактором його є озон. Той самий озон, цілющі властивості якого підтверджені багаторічною практикою курортології. У смозі концентрація озону досягає 2—3 мг/м³ і вище, тобто в 100—200 разів більше, ніж у чистому повітрі.

У нашій країні влітку також іноді утвориться смог на транспортних магістралях. У міру розвинена промисловості й автомобільного транспорту ця проблема стає усе більше актуальною.

Основною причиною смогу є що відробили (вихлопні) гази автомобілів і викиди заводів. Так, кожний автомобіль на 1 км шляху виділяє близько 10 г окису азоту, а в середньому в рік він споживає близько 2 тис. кг палива (в основному бензин) і 30 тис. кг повітря (в 45-50 разів більше, ніж людина). Спалюючи все це, автомобіль викидає в атмосферу 700 кг окису вуглецю, 230 - опанувати вуглеводнів, 40 кг окислів азоту.

Зокрема, у Києві автомобілі за рік витрачають більше 1 млн т кисню. Цієї кількості досить для подиху 30 млн чоловік. Легковий автомобіль забирає з повітря кисню в 100, а вантажний автомобіль - в 200 разів більше, ніж одна людина. Зі збільшенням їхнього числа значно зростає концентрація в повітрі шкідливих речовин.

Якщо на початку XX в. світовий парк автомобілів становив 11 тис. одиниць, то в цей час він досяг 500 млн. Біля половини автомобілів зосереджене в США, трохи менше - у Японії, ФРН, Франції, Англії, Італії. Мільйони тонн бензину, солярки, газу, масел спалюється щодня в сталевих моторах, а в повітря вилітають хмари канцерогенних речовин, що забруднюють землю, що наносять їй неповторна шкода. Щоб уникнути цього, у США, Японії й інших країн автомобілі постачені катализаторными системами, які перетворять двоокис азоту, вуглеводень і окис вуглецю в нешкідливі речовини. Один каталізатор розрахований мінімум на 80 тис. км пробігу, при цьому він на 90 % знижує токсичність вихлопу.

У нашій країні також налагоджують виробництво подібних каталізаторів. Але вони ефективні лише в у тому випадку, якщо автомобілі будуть заправляти не етил бензином.

Автомобілі забруднюють атмосферу й окислами свинцю, що стало результатом застосування в нашій країні з 50-х років як автомобільне паливо етил бензину. По оцінках фахівців, концентрація свинцю в навколишнім середовищі за останнім часом зросла в сотні й тисячі разів. Відзначено, що це вплинуло на здоров'я людини. Так, у містах Шотландії, де питна вода сильно забруднена свинцем, особливо часто спалахують епідемії холери й тифу.

Істотний вплив на атмосферу Землі робить авіація, що розвивається. Сучасний великий реактивний літак за один рейс довжиною 6-7 тис. км (8 год польоту) спалює 20-25 т палива й споживає понад 200 т повітря. Надзвуковий апарат типу ТУ-144 або «Конкорд» спалює пального приблизно в 3 рази більше, ніж реактивний літак. Турбінні двигуни літаків викидають такі ж продукти згоряння, як і автомобільні, але в значно більших кількостях. Крім того, літаки створюють штучну хмарність, що істотно змінює мікроклімат міст.

Запобігання зменшення змісту кисню в атмосфері, руйнування озоносфери Землі, забруднення повітря, води, ґрунту шкідливими хімічними речовинами, погіршення клімату нашої планети залишається основною екологічною проблемою. Повітряний океан - не космос, він має свої межі. Чисте повітря хоча й уважається даром безцінним, але в конкретних обставинах має цілком реальну вартість.

Рослини виділяють життєво необхідний кисень - повітряну їжу людини, тварин, рослин. Якщо людина без їжі може існувати кілька тижнів, без води - кілька днів, то без повітря - усього кілька хвилин.

На Землі еволюційне встановлена динамічна рівновага кисню - скільки виділяють рослини в процесі фотосинтезу, а також фотохімічного розкладання водяної пари у верхніх шарах атмосфери, стільки ж його поглинається при подиху, гнитті й численних окисних процесах. У результаті фотосинтезу на Землі до останніх десятиліть було відзначене зменшення змісту вуглекислоти. У цей час ця рівновага порушується в протилежну сторону й відбувається зворотне - збільшення концентрації вуглекислого газу в атмосфері. За наявним даними, за останні 100 років витрата кисню на спалювання у світі збільшився в 10 разів, промисловість викинула в атмосферу 360 млрд тонн вуглекислого газу, концентрація якого за цей час збільшилася на 13 % .

У світі щорічно спалюється 2900 млн тонн кам'яного вугілля, 1650 млн тонн нафти, 850 млрд м³ газу. У результаті господарської діяльності людини щорічно в повітря попадає 14 млрд тонн вуглекислого газу, близько 300 млн тонн чадного газу, 2 млрд тонн пилу й багато інших шкідливих викидів. Крім того, автомобільний транспорт у кількості 250 млн машин викидає в повітря 200 млн тонн вуглецю й 50 млн тонн вуглеводнів. У Світовий океан щорічно попадає понад 10 млн тонни нафти, що веде до загибелі планктонів - головного корму для риб і найважливішого джерела постачання атмосфери киснем.

Підраховано, що на опалення міст і для потреб промисловості щорічно витрачається 23 % кисню, вироблюваного зеленими рослинами, що становить 110 млрд тонн. Цього кисню вистачило б для подиху 43 млрд чоловік протягом року. Оптимальна норма використання людиною кисню - 400 кг у рік. Таку його кількість виділяють дерева, що виростають на площі 0,3 га. Один гектар саду або скверу поглинає за годину вуглекислого газу стільки, скільки виділяють його за цей період 200 чоловік при подиху.

Єдиний відомий науці шлях підвищення концентрації кисню й зменшення змісту вуглекислого газу - максимально збільшити масу зелених насаджень. У лісовому повітрі, крім кисню, утримуються озон, ароматичні речовини, а також фітонциди й негативні іони.

Відомо, що листи дуба на відстані вбивають збудників дизентерії й черевного тифу. Тому повітря дібров і змішаних дубових насаджень практично стерильне - у ньому відсутні мікроби. Навколо квітучої черемшини створюється бактерицидна зона. Фітонциди хвої ялиці згубно діють на збудників дифтерії. У хвойних лісах фітонцидів більше, ніж у листяні. Так, 1 га соснового бору за добу виділяє близько 4 кг, іноді до 30 кг летучих фітонцидів. Така ж кількість фітонцидів виділяє в атмосферу 1 га ялівця. Цієї кількості досить для стерилізації повітря невеликого міста.

Зелені насадження, знижуючи мікробне розмноження на 19-44 % , беруть активну участь у формуванні цілющих властивостей лісового повітря. І кожний з нас, прийде в ліс, відразу почуває, як легко дихається. Дія фітонцидів на нервову систему й на інші органи ще мало вивчено. Науково ще не обґрунтовано, чому радують око фарби квітів і тішать слух звуки лісу.

Крім фітонцидів, ефіромаслинні рослини виділяють в атмосферу щорічно близько 175 млн тонн летучих речовин. Зелені насадження фільтрують повітря, збираючи на листах пил, кіптява, зменшують силу вітру, змінюють температуру, знижують шум. Існує залежність між забрудненням навколишнього середовища й здоров'ям людини, тривалістю його життя, продуктивністю праці, стомлюваністю, травматизмом, професійними захворюваннями.

Дослідженнями останнього років установлено, що повітря забруднене не тільки в містах. Через циркуляцію атмосфери й розвитку в ній турбулентних рухів забруднення повітря охоплює всю тропосферу. Академік Ф. Ф. Давітая вважає, що різке збільшення забруднення атмосфери є наслідком вирубки лісів, безсистемної оранки земель, росту міст і розвитку промисловості.

Література

1.Ревель П., Ревель Ч. Середовище нашого перебування. - К., Мир, 1995

2. Хімія й суспільство. - К., 1995

3.Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Учеб. пособие для геогр., биол., геол., с.-х. спец. вузов. - М., 1998

4.Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лісс П. Введення в хімію навколишнього середовища. - К., 1999