Гигиеническое значение атмосферного воздуха

Атмосфера - это газовая оболочка Земли массой почти 5,157 х 1015 т, а масса нашей планеты составляет 5,98 х 1021 т. В атмосфере различают несколько слоев: тропосферу и стратосферу, разделенные переходным слоем - тропопаузой, а также мезосферу (от стратосферы отделяется стратопаузой), ионосферу и термосферу. Внешняя часть термосферы называется магнитосферой. В ней частицы газов (ионы) удерживаются не столько земным притяжением, сколько магнитным полем Земли.

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

В тропосфере (в переводе с греч. "тропейн" означает - поворачивать, или изменять) сосредоточено почти 80% всей массы атмосферы. Простирается она от поверхности Земли на 16,3 км в тропиках (30° северной широты и до 30° южной широты) и на 8,5-10 км вне этой зоны. В тропосфере температура снижается с увеличением высоты с вертикальным градиентом 6,5 °С на 1 км, достигая в средних широтах 60 °С, в тропиках - почти 75 °С. В тропосфере происходят основные процессы превращения энергии Солнца в кинетическую энергию атмосферных движений, скрытое тепло водяного пара. Здесь протекают главные фазовые перепады влажности, формируются тучи и осадки. В тропосфере возникают масштабные вихри - циклоны и антициклоны, происходит непрерывный круговорот воды: испарение - конденсация пара - формирование осадков - формирование поверхностного стока рек и подземного стока.

Нижний смежный слой атмосферы толщиной 1,0-1,5 км называют планетарным смежным, определяющим фактором которого является турбулентное трение. В этом слое происходит обмен импульсом, теплом и влагой между подстилающей поверхностью (поверхностью суши и океана) и атмосферой. Наиболее активны эти процессы в нижней части планетарного смежного слоя толщиной почти 30-50 м. Этот слой называется приземным.

Переходный слой (тропопауза) отделяет тропосферу от стратосферы. В тропопаузе наблюдаются очень слабые вертикальные движения, перемешивание, что важно, в частности, для распределения в стратосфере незначительных газовых примесей. Температура низкая.

Стратосфера, содержащая наибольшую часть атмосферного озона, очень сухая. В отличие от тропосферы стратосфера является очень стойким слоем. Соединения, попадающие в стратосферу, остаются в ней несколько лет. На высоте более 35 км температура заметно возрастает и на высоте 50 км она составляет 270 К. Это обусловлено поглощением солнечной УФ-радиации.

Над стратосферой расположена мезосфера, отделенная от стратосферы стратопаузой. В мезосфере температура воздуха снижается с увеличением высоты и достигает 160 К в верхней ее части. Это способствует конденсации водяного пара и образованию на высоте почти 80 км так называемых мезосферных туч.

Мезопауза, расположенная на высоте 85 км, отделяет мезосферу от термосферы, в которой температура начинает резко возрастать с высотой до 2000 К в периоды большой и до 1060 К - малой солнечной активности (ночью - до 1300 и 730 К соответственно).

В термосфере (на высоте более 100 км) существенно изменяется состав воздуха: распадаются молекулы Н₂0 и С0₂. Значительная часть молекул кислорода диссоциирует на атомы. В этом слое усиливается ионизация частиц газов и возникает так называемый слой ионосферы.

Таким образом, нижняя атмосфера как неотъемлемая часть биосферы является воздушной средой земной жизни. Ученые в старину считали окружающий воздух одной из составных частей Вселенной. Древнегреческий философ Анаксимен в IV в. до н. э. называл воздух первоматерией, а Аристотель - одним из четырех элементов, из которых состоят все вещества в природе. Гиппократ писал: "Воздух - это пастбище жизни". Если человек без воды может прожить почти 5 сут, без еды - 5 нед, то без воздуха -лишь 5 мин. И если он употребляет в сутки до 3 л воды, до 3 кг продуктов, то через сотни миллионов альвеол легких площадью 60-120 м² проходит 10-12 м³ воздуха в сутки, или 1 000 000 м³ - при жизни. За 1 мин человек делает 18 дыхательных движений, вдыхая каждый раз 0,5 л воздуха. И это в положении сидя или лежа, без физической нагрузки. А если он физически работает, то ему в сутки необходимо до 30 м3 воздуха. Дыхательная система человека - самый совершенный фильтр, который очищает вдыхаемый воздух, отделяет твердые и жидкие примеси. В носовой полости улавливаются лишь грубые частицы пыли. Частицы пыли диаметром 10 мкм оседают в бронхах, а еще меньшие (10-0,1 мкм) - в альвеолах. Из каждого литра вдыхаемого воздуха в легких задерживается 0,5 мг чужеродных веществ, что составляет 6,5 г/сут. Легкие - это открытые ворота во внутреннюю среду организма, где происходит контакт воздуха с кровью. В крови растворяются вещества, которые она разносит по организму. При этом кровь минует печень, этот естественный барьер дезинтоксикации. Поэтому вредные вещества, поступающие через легкие, действуют в 100 раз сильнее, чем поступающие через пищеварительный канал. И если человек может выбирать питьевую воду и еду, то он не может выбрать воздух. Атмосферный воздух влияет на человека непрерывно. Если даже в атмосферном воздухе насе- ленного пункта содержится в соответствии с гигиеническими нормами, например, от 3 до 5 мг/м³ углерода оксида, то человек на протяжении жизни вдохнет 3 000 000-5 000 000 мг углерода оксида, или 3-5 кг. Человек предъявляет высокие требования к составу атмосферного воздуха. Чем чище воздух, тем полнее усваивается организмом кислород, активнее происходит газообмен в его тканях.

Продолжительное время считали, что воздух состоит из однородного вещества. И только во второй половине XVII в. французский химик Антуан Лавуазье установил, что воздух - это сложная смесь газов.

Шотландский ученый Резерфорд открыл газ, который он назвал азотом. Азот играет важную роль в круговороте веществ в природе. Азот воздуха усваивается некоторыми видами бактерий (клубеньковыми, азотфиксирующими) и сине-зелеными водорослями, которые синтезируют из него азотистые органические соединения. Под влиянием атмосферных разрядов электричества также образуется небольшое количество азота оксидов, вымывающихся из атмосферы осадками и обогащающих почву солями азотистой и азотной кислот. Соли азотистой кислоты превращаются при участии почвенных бактерий в нитраты. Нитраты и соли аммиака - соединения, усваивающиеся растениями и принимающие участие в синтезе белков. Ежегодно связывается 375 х 106 т атмосферного азота: 357 х 10б т ассимилируется живыми организмами, а 18 х 106 т связывается в результате физических явлений. Часть азотистых веществ распадается с восстановлением до газообразного азота (процесс денитрификации). В процессе горения связанный азот превращается в свободный. Биологическое значение азота не ограничивается его участием в круговороте азотистых веществ. Он также разбавляет кислород, так как (в чистом кислороде жизнь невозможна). Углерода диоксид образуется вследствие жизнедеятельности организмов, процессов горения, гниения, брожения. При снижении парциального давления углерода диоксида он выделяется из воды морей и океанов.

Углерода диоксид ассимилируется растениями в процессе фотосинтеза, а освобожденный кислород поступает в атмосферу. Он также играет важную роль в радиационном балансе и изменении климата Земли. Установлено, что свыше 100 млрд т органических веществ образует растительность Земли вследствие фотосинтеза, в процессе которого усваивается почти 200 млрд т углерода диоксида и выделяется 145 млрд т кислорода.

Инертные газы не вступают в химические реакции. Водород непрерывно поступает в межпланетное пространство. Некоторое его количество образуется во время фотохимических процессов. Он входит в состав органических веществ и усваивается живыми организмами в виде соединений, главным образом воды. В процессе распада органических веществ выделяется в виде воды, метана, сероводорода, аммиака.