Строение и химический состав атмосферы

Атмосфера обычно делят на пять слоев (рис. 8.1.).

* Тропосфера – самый близкий к поверхности земли слой. Он равен:

– для средней широты 10–12 км;

– для экватора 16–18 км;

– по полюсам 7–10 км.

* Данный атмосферный слой содержит примерно 90% массы воздуха. Здесь содержится почти весь водяной пар, который образует облака.

Рис. 8.1. Строение атмосферы

 

При подъеме вверх на каждые 1000 м температура воздуха снижается на -6^оС. Например, с +20 ^оС снижается на высоте полета пассажирских самолетов до -50 ^оС. Тропосфера обладает постоянством химического состава и непостоянством физических свойств (температура, относительная влажность, скорость движения воздуха, барометрическое давление).

* Стратосфера. Выше тропосферы расположен слой толщиной примерно 40 км который называется озоновый, содержащий трехатомный кислород (О₃). Температура на высоте 50 км равна примерно ±10 ^оС. В стратосфере сконцентрирована основная часть озона. Озон поглощает ультрафиолетовые лучи и вызывает разогрев воздуха. Если уплотнить все молекулы озона, то его толщина будет 2–4 мм. Эта пленка служит защитой от ультрафиолетовых лучей солнечной радиации.

* Мезосфера. За стратосферой на высоте более 50 км над Землей и до 80 км находится мезосфера и на высоте 80 км температура, равна -70 ^оС. Здесь яркосветящиеся туманообразные облака, которые из-за особого свечения получили название серебристых и их можно видеть только ночью.

* Термосфера. Расположена термосфера более 80 км над Землей и простирается до 800 км, не имеющая определенной четкой верхней границы, где температура на высоте 500–600 км равна +1600 ^оС. Газы сильно разрежены, молекулы редко сталкиваются друг с другом и не могут вызвать нагрева тела находящегося там, т. е. находится космическое пространство, где тело обладает невесомостью.

* Экзосфера. На высоте 800–1600 км еще обнаруживаются газы. Выше 400–500 км начинается преобладать гелий «гелиевая корона» и достигает отметки 1600 км, а далее содержится водород.

 

Химические свойства и краткая характеристика отдельных компонентов воздуха

Атмосфера – это смесь газов – азота, кислорода, диоксида углерода, инертных газов, взвешенных аэрозольных частиц, водяных паров.

Антропогенное воздействие среды на устойчивость атмосферных газов:

– устойчивые к воздействию – азот, кислород, инертные газы;

– неустойчивые – углекислота, метан, закись азота;

– изменяющиеся – окислы азота, диоксид сферы, сероводород.

Антропогенная деятельность вызывает озабоченность о влиянии на состояние тропосферы и стратосферы:

– состояние озонового слоя и последствия его разрушения;

– парниковый эффект и фотохимический смог.

Таблица 8.1

Химический состав атмосферы

Устойчивые и неустойчивые газы		Изменяющиеся газы
компонент	концентрация, %	компонент	концентрация, %
Азот (N2)	78,08	Пары воды (Н2О)	0-4
Кислород (О2)	20,95	Двуокись углерода (СО2)	0,3403
Аргон (Ач)	0,93	Окись углерода (СО)	0-0,01
Неон (Nе)	0,0018	Озон (О3)	0,001
Гелий (Не)	0,00052	Диоксид серы (SО2)	0,0001
Метан (СН4)	0,00015	Оксид азота (NО)	0,00002
Криптон (Кч)	0,00011
Водород (Н2)	0,00005

 

8.3.1. Азот (N ₂)

Азот служит разбавителем газов, поэтому жизнь невозможна без азота. Азот необходим для синтеза белков. Получение азотных удобрений проводится на азотнотуковых комбинатах, где получают азот из атмосферного воздуха.

При быстром подъёме водолазов на поверхность земли,в результате снижения атмосферного давления, растворенный в крови молекулярный азот образует пузырьки газа. Они закупоривают мельчайшие кровеносные сосуды, т.е. развивается кессонная болезнь. Для профилактики кессонной болезни вышлюзовывание водолазов осуществляется медленно или со определёнными остановками.

Необходимо отметить, что закись азота N2O или так называемый «веселящий газ» способен вызывать наркотическое действие на организм человека.

8.3.2. Кислород (О₂)

Взрослый человек в состоянии покоя в сутки потребляет 0,68 м³ кислорода, т. е. 680 л. Поэтому состав воздуха, проходящего через легкие не безразличен для человека. Недостаток кислорода в воздухе вызывает понижение напряжение кислорода в альвеолярном воздухе и уменьшение насыщения кислородом крови (гипоксемия). В результате этого создается недостаток кислорода в тканях, что нарушает нормальное течение окислительных процессов – гипоксия.

Эти явления возникают:

– на больших высотах, т. е. горная или высотная болезнь;

– в герметических не вентилируемых помещениях.

Переход кислорода в кровь из альвеолярного воздуха происходит благодаря разности парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе и в крови легочных капилляров.

Содержание кислорода в воздухе до 15 % может приводить к нарушению физиологических функций организма. Снижение парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе которое возможно при больших высотах, при понижении атмосферного давления.

8.3.3. Углекислый газ (СО₂)

СО₂содержится в воздухе в небольших количества (около 0,03–0,04 % по объему. Эта величина непостоянная и изменяется в зависимости:

– от интенсивности жизнедеятельности в организме;

– от процессов горения органических веществ.

Количество углекислоты резко возрастает в жилых помещениях без достаточной вентиляции, а также в промышленных районах с недостатком зелени. В крупных городах содержание СО₂в воздухе составляет 0,05–0,07 %.

Источником поступления СО₂в воздух является:

– сжигание всех видов топлива;

– горение и разложение органических веществ;

– дыхание животных и растений;

– сокращение площадей лесов и болот.

Важным свойством СО₂является способность пропускать солнечную энергию и задерживать земное излучение. За последнее время вследствии все более увеличивающегося сжигания органического топлива человечество добавило в атмосферу СО₂, что повысило среднюю концентрацию СО₂ в воздухе на 15–20 %, а температура земной атмосферы повысилась более 1,5 ^оС.

Окисление веществ в организме происходит в основном до СО₂и Н₂О. Переход СО₂из тканей в межтканевую жидкость, затем в венозную кровь, а оттуда в альвеолярный воздух происходит путем диффузии, на основе разности порциальных давлений СО₂, т. е. в крови давление больше на 7 мм рт. ст., чем в альвеолярном воздухе. СО₂оказывает влияние на дыхательный центр как непосредственно, так и путем изменения рН крови. Если содержание СО₂во вдыхаемом воздухе будет до 3 %, то дыхание у человека ускоряется, углубляется. Дальнейшее повышение СО₂ отрицательно сказывается на организме, что проявляется:

– головной болью и головокружением;

– повышением артериального кровяного давления;

– возбуждением, а более 8 % опасно для жизни;

СО₂является гигиеническим показателем загрязнения воздуха. Из всех веществ выделяемых человеком (летучие жирные кислоты, отделяющиеся частицы органических веществ) легче всего определяется СО_2, содержание которой параллельно повышается с подержанием этих веществ, ощущается как «жилой» воздух.

Поэтому, ПДК СО₂в воздухе жилых помещений допускается 0,1 % и служит для расчета жилой площади пола, и кубатуры помещения, а также эффективности вентиляции жилых и общественных зданий.

Физические свойства воздуха

В атмосфере так же, как и в океане, постоянно происходит циркуляция, энергию для которой поставляет солнце. Крупномасштабным результатом циркуляции воздушных масс является перераспределение водяных паров, так как атмосфера захватывает их в одном месте (где вода испаряется), переносит и отдает в другом месте (где выпадают осадки). Если где-то в атмосферу поступают газы, в том числе загрязняющие (например, двуокись серы в промышленных районах), то система атмосферной циркуляции перераспределяет их и они выпадут в других местах растворенные в дождевой воде (трансграничный перенос).

Ветер, взаимодействуя с другими факторами окружающей среды может влиять на развитие растительности, особенно на деревья, растущие на открытых местах. Это часто приводит к задержке их роста и искривлению с наветренной стороны. Кроме того, ветер увеличивает эвапотранспирацию в условиях низкой влажности.

Большую роль играет ветер в распространении спор, семян, расширяет возможности распространения неподвижных организмов, например растений, грибов и некоторых бактерий; он может влиять на миграцию летающих животных.

У растений возрастает транспирация, поэтому у них выработались адаптации для сохранения воды, как, например, у многих альпийских растений.

К важнейшим физическим свойствам воздуха относятся: температура, влажность, движение, барометрическое давление, электрическое состояние атмосферного воздуха.

Температура воздуха

Воздух нагревается от Земли, за счет поглощенной ею солнечной энергии. На суточные и годовые колебания температуры воздуха оказывает влияние:

– интенсивность солнечной радиации;

– характер и рельеф местности;

– близость морей и морских течений;

– растительный покров и др.

При оптимальных условиях внешней среды отдача тепла от организма происходит следующими путями:

– излучением – 50 %;

– проведением – 35 %;

– испарением – 15 %.

В соответствии с внешней температурой вступает в действие как механизм выработка тепла, так и механизм регулирующий потерю его. Однако эти пределы не безграничны. Продолжительное пребывание в нагретой атмосфере вызывает:

– повышение температуры тела;

– учащение пульса;

– утомляемость и понижение умственной и физической работоспособности;

– нарушение функций центральной нервной системы – внимание, точность;

– может вести к тепловому удару.

Низкая температура, т. е. в результате действия холода могут возникнуть:

– ознобления и отморожения;

– предпосылки к возникновению заболеваний органов дыхания (риниты, фарингиты, ларингиты, трахеиты, бронхиты, пневмонии);

– заболевания связачно-суставного аппарата (миозиты, миалгии, невриты, ревматизм;

– снижение сопротивляемости организма к инфекционным заболеваниям.

Быстрые и резкие колебания температуры воздуха, особенно вредны для здоровья, так как организм не успевает к ним приспосабливаться. Наиболее благоприятная температура воздуха в жилых помещения – 18–20^оС; предел оптимальных температур: 14–15^оС–24–25^оС.

Приборы для измерения температуры, как правило, применяются электронные, ртутные и спиртовые термометры и термографы. Название термометры происходит от гр. thermo – тепло, metreo – измеряю. Ртутные термометры позволяют измерять от -130^о до +78,3 (кипит). В бывшем СССР термометры градуируются в градусах Цельсия (точка таяния льда О^о и кипения воды 100^о)

Максимальный термометр показывает самую высокую температуру за период наблюдения, сохраняя ее несмотря на понижение температуры – термометр устанавливается горизонтально.

Минимальный термометр – спиртовой, где имеется штифт стеклянный, который следует за спиртом при охлаждении, а при расширении спирта свободно пропускает его и сам штифт не смешается – положение горизонтальное.

Электротермометры. Для измерения температуры воздуха, кожи, почвы, стен и т.д.

Влажность воздуха

В природе абсолютно сухого воздуха не бывает. В атмосфере всегда присутствуют водяные пары, количество которых сильно изменяется от 0 до 4 % по объему. В норме 8–10 г/м³ водяных паров. Водяной пар в указанных количествах содержится в атмосфере до высоты 10–17 км, выше содержание его ничтожно. Водяной пар легче воздуха, поэтому влажный воздух несколько легче сухого. Вот почему такие явления, как облака, туман, атмосферные осадки образуются в пределах этого слоя. С водяным паром в воздухе и с его переходом из горизонтального состояния в жидкое и твердое связаны важнейшие процессы.

Высокая температура переносится легче при сухом воздухе, чем при влажном, так как сильно затруднено испарение и теплопроведение, что может вести к перегреванию. Низкая температура и высокая влажность приводит к охлаждению, увеличивается отдача тепла путем конвенкции и теплопроведения.

Оптимальная влажность воздуха считается относительная влажность 40–60 % при температуре 18–20^оС.

Влажность воздуха бывает:

– абсолютная влажность (К) – упругость водяных паров, находящихся в данное время в воздухе в мм рт.ст. или количество водяного пара в граммах в 1м³ воздуха;

– максимальная влажность (F) – упругость водяных паров в мм рт.ст или г/м³ при полном насыщении воздуха влагой при данной температуре;

– относительная влажность (R) – отношение абсолютной влажности к максимальной, выраженное в процентах, иначе – процент насыщения воздуха водяными парами в момент наблюдения. Это можно выразить формулой:

Абсолютную влажность определяют психрометром Августа, астерационным психрометром Астмана, а также относительную влажность с помощью волосяного гигрометра и гигрографа, прямопоказывающих приборов.

Движения воздуха

В метеорологии ветер характеризуется двумя величинами:

– направлением – страной света откуда дует ветер;

– скоростью – расстоянием проходимым массой в единицу времени.

Изменение направления и скорости движения воздуха может проявляться:

– изменение направления движения воздуха служит показателем перемены погоды;

– скорость движения воздуха оказывает влияние на тепловой обмен, процессы обмена веществ;

– сильный ветер может препятствовать дыханию, нарушать ритм дыхания, может механически препятствовать передвижению, выполнять физическую работу, вызывать расход энергии;

– нейтральный ветер оказывает бодрящее и тонизирующее действие, а продолжительный и сильный ветер способен вызывать нервно-психическое возбуждение;

– наиболее благоприятной скоростью движения в летнее время на улице является:

- 1–4 м/сек;

- более 3 м/сек не рекомендуется принимать воздушные ванны;

- более 6–7 м/сек оказывает раздражающее действие.

– нормальная скорость движения воздуха в помещениях – 0,2–0,4 м\сек;

– важное значение имеет закаливание, т.е. принижение чувствительности к сквознякам. Ибо они действуют на ограниченные участи тела и охлаждение бывает малозаметным и не вызывает защитных реакций.

Для обозначения направления ветра или так называемых румбов, приняты начальные буквы наименований стран света С, Ю, В, З. определение направления ветра производится с помощью флюгеров.

Определение скорости движения воздуха осуществляется с помощью:

– крыльчатого анемометра, которым определяется скорость движения воздуха от 0,5 м до 15 м/сек;

– чашечного анемометра, которым определяется скорость движения воздуха от 1 м до 50 м/сек;

– кататермометра для определения скорости движения воздуха в закрытых помещениях, где определяется скорость от 0,1м до 0,5 м/сек.

Движущей силой воздуха является разность температур и атмосферного давления. Как правило, более нагретый воздух перемещается в сторону холодного – это конвекционные токи, которые обычно принимают восходящее и нисходящее направление. В атмосфере имеется турбулентность движения воздуха, т.е. пульсирующее, неравномерное (усиление с затуханием действия на открытые участки тела – сужение и расширение капилляров).

Наиболее часто в природе имеют место ветры:

Пассаты – постоянно дующие ветры в северных и южных широтах, т. е. нагретый воздух от экватора поднимается вверх и направляется к полюсам;

Антипасы – движения в обратном направлении – антипасаты. Места столкновения этих воздушных массах приводит к возникновению воздушных бурь.

К местным, локальным ветрам относятся:

Циклоны – возникают вследствие разности температур в различных участках. В центре циклона располагается участок пониженного давления и воздушные массы передвигаются от периферии к центру. Теплый воздух подымается и уходит в менее нагретую сторону, а это место занимает менее нагретый воздух. Обычно циклон приносит худшую погоду.

Антициклоны – образуются в участках с повышенным атмосферным давлением. Из центра устремляются воздушные течения. Они приносят жаркую летом, а зимой холодную погоду.

Муссоны – наблюдаются в прибрежных районах этого постоянные воздушные течения с моря на сушу летом, зимой наоборот.

Береговые бризы – особенно благоприятные в летнее время утром, днем, а ночью плохо вследствие движения воздуха с суши на море.

Горно-долинные – температура воздуха в долинах гор и на горах различная и ведет к возникновению местных ветров.

Движение воздуха определяется не только в м/сек, но еще в баллах, от 0 до 12 баллов. Ветер со скоростью 25–28 м/сек, т. е. 11–12 баллов это будет буря, ураган, а 1 балл – скорость движения 0,6–1,7 м/сек (едва ветерок).

Барометрическое давление

Барометрическое давление на поверхности земного шара неравномерно и непостоянно. С поднятием на высоту оно уменьшается, а при опускании в недра Земли – повышается. Оптимальное барометрическое давление для человека равно 720–740 мм рт.ст. От изменения барометрического давления зависит:

– сила и направление ветра;

– частота и количество осадков;

– колебания температуры воздуха.

Особенно заметно сказываются колебания барометрического на больных людей, страдающих ревматизмом, полиартритами, ишемической болезнью сердца, приступами стенокардии, артериальной гипертензией, с повышенной нервной возбудимостью (ухудшение сна, чувство страха), анемией. При снижении барометрического давления у людей может развиваться горная или высотная болезнь, которая проявляется одышкой, головокружением, носовым кровотечением бледностью кожных покровов.

При повышенном барометрическом давлении у людей развивается кессонная болезнь. Это растворение азота в крови. При быстром подъеме не успевает выделиться через легкие и в виде пузырьков газа разносится с кровью по всему организму, боли вследствие газовых эмболий.

Единицей измерения барометрического давления являются:

– 1 атмосфера равна 1 кг 033 г/см²или 760 мм рт.ст.;

– 1 миллибар равен 1 г/см². Приборы для измерения барометрического давления:

- чашечный барометр (ртутный);

- барометр анероид;

- барограф – записывающий прибор с учетом времени.