Без пищи человек может прожить месяц и больше.
Без воды - 3-5 суток. А без воздуха - всего несколько минут. Это сопоставление подтверждает очень важное и специфическое значения воздуха в жизнеобеспечении человека. При этом будет логичным и очевидным предположить, что есть определенные нормы и особенности атмосферного воздуха, при которых дыхание обеспечивается наилучшим образом, а при отклонении от них - затрудняется и ухудшается. Цель данной публикации - систематизировать и популярно изложить читателю физические и химические параметры атмосферного воздуха в диапазоне различных естественных и социально-бытовых условий и подчеркнуть те их значения, которые наиболее благоприятны для дыхания человека. Будет показано, что такие условия обеспечиваются наилучшим образом в саду и в других условиях, максимально приближенных к Природе.
После продолжительной, особенно напряженной работе в закрытом помещении или в других условиях с ограниченным притоком и обменом воздуха мы хотим куда-нибудь на природу: в сквер, на берег реки или озера. Говорим при этом: "Надо подышать свежим воздухом", "Как хорошо дышится свежим воздухом". Маленького ребенка вывозят в коляске на улицу в сквер или в парк, в уютное место среди деревьев. Там он лучше спит, быстрее растет и развивается. Взрослые люди - жители городов едут в отпуск также в разные регионы на природу, где в считанные одну-две недели восстанавливают и укрепляют свое здоровье. Все это и многое другое связано для человека с пребыванием на свежем воздухе. Благотворное и оздоравливающее влияние свежего воздуха на организм человека бесспорно и не вызывает никаких сомнений. Но возникает вопрос: свежий воздух - что это такое? Какие его главные факторы и особенности? В чем его отличие от "несвежего" воздуха? Попробуем дать ответ на поставленные вопросы.
Актуальность вопроса
В последние десятилетия, названные пиком "промышленного бума" на нашей планете Земля, в больших городах, в промышленных и горнодобывающих зонах и регионах определилась стойкая тенденция к загрязнению окружающего воздуха за счет возрастающего количества промышленных выбросов отработанных веществ, продуктов сгорания и выбросов газов все более возрастающего количества автомобилей и многих других причин. Иногда этот процесс приобретает неуправляемый характер.
Характеристики окружающего воздуха - загрязнение воздуха промышленными отходами, повышенное содержимого углекислого газа, дефицит кислорода, смог, канцерогенные вещества и т.п. - становятся обычными для городского жителя. Человеку в таких условиях, все время ухудшающихся, дышать становится все не комфортнее, поддерживать высокую жизнеспособность - все труднее, а в некоторых случаях это даже опасно для здоровья.
Чтобы выжить, Человек своей работой и умом ищет и, конечно, находит в каждом конкретном случае в диапазоне социально-бытовых условий, которые меняются выход из такого положения. Данная публикация посвящена одному из путей обеспечения обитания и активного пребывания городского жителя в разных естественных регионах. "Чаще и дольше - на природе" - предлагается сделать девизом жизни каждого городского жителя. Рассмотрим поэтапно эту проблему. Начнем с информации о составе воздуха и изменении его состава в диапазоне разных естественных и социально - бытовых условий.
Состав воздуха
Атмосфера Земли (от греческого atmos - пар и сфера) - воздушная среда вокруг планеты Земля, которая вращается вместе с ней. Масса атмосферы Земли оценивается величиной около 5,15 • 1015 т. Воздух, которым мы дышим, принято называть атмосферным воздухом. Он представляет собой смесь газов, относительный состав которых приведен в табл. 1. Данные таблицы по составу воздуха являются среднестатистическими для нормальных условий - на уровне моря при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. и при температуре 20°С±5°С. При изменении условий, а именно: высоко в горах или на равнине; над лесом, морем, возле водопада или над большим городом; в спокойную устойчивую погоду или в дождь с молнией, в снегопад и т.п., состав воздуха будет меняться в различных пределах. По аналогии с минеральным составом земной коры, и в частности, ее плодородного слоя можно разделить составные компоненты воздуха на макро- и микроэлементы. К макроэлементам отнесен азот и кислород, а остальные - к микроэлементам.
Кислород О2, как мы все хорошо знаем и понимаем, является жизненно важной составной частью атмосферного воздуха. Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь человека и из крови в ткани зависит не от величины общего давления воздуха, а от разницы парциального давления кислорода (от латинского pare - часть). Поэтому биологическое значение имеет именно величина парциального давления кислорода, а не процентное его содержимое в воздухе. Суть различия состоит в следующем. Любой газ, в этом случае кислород, растворяется в жидкости в зависимости от парциального давления в газе и в жидкости. В разных географических условиях атмосферное давление может меняться в большом диапазоне. Если на уровне моря при атмосферном давлении 760 мм рт.ст. давление кислорода составляет 20,94% от общего давления, то есть 159 мм рт. ст., то на высоте 5500 м при атмосферном давлении воздуха того же состава, равного 380 мм рт. ст., парциальное давление кислорода будет составлять лишь около 80 мм рт. ст., что уже недостаточно для нормальной жизнедеятельности человека. Парциальное давление 159-160 мм рт. ст. является наиболее обычным и комфортным для человека. При этом в альвеолярном воздухе легких человека парциальное давление кислорода будет 110 мм рт. ст., а в венозной крови - только 44 мм рт. ст. Этого вполне достаточно, чтобы кислород из альвеолярного воздуха мог переходить в кровь, где вступает в химическую связь с гемоглобином крови. При снижении парциального давления кислорода до 100-80 мм рт. ст. у человека появляются первые признаки гипоксии (кислородного голодания). Дальнейшее снижение парциального давления до 50-60 мм рт. ст. опасно для жизни: наступает состояние, которое носит название асфиксии (удушье). Увеличение же парциального давления кислорода выше значения 159 мм рт. ст. организм человека выдерживает легко, вплоть до дыхания чистым кислородом. Парциальное давление углекислого газа в атмосфере воздуха всего 0,3 мм рт. ст. Именно это незначительное давление служит причиной перехода углекислого газа, в этом случае как отработанного продукта жизнедеятельности человека, из крови в альвеолярный воздух. Вот в чем физика и химия газообмена в легких человека.
Коротко о приоритете. В 1775 г. французский ученый А. Лавуазье сделал количественный анализ воздуха и установил, что он "состоит из двух газов разного и противоположного характера", то есть из кислорода и азота. На основе экспериментальных исследований Лавуазье впервые объяснил дыхание и горение, как процессы взаимодействия веществ с кислородом. Поскольку кислород входит в состав кислот, Лавуазье назвал его oxygene, то есть образующий кислоты (от греческих oxys -кислый и gennao - рождаю, отсюда и название на русском языке - "кислород").
Физические характеристики. Кислород - бесцветный газ без запаха и вкуса, плотность его при 0°С и давление 760 мм рт. ст. - 1,428 кг/ м3. Кислород имеет три стойких изотопа: 160,17О и 18О среднее содержимое которых 99,759%,0,037% и 0,204% от общего количества атомов кислорода на Земле. Преимущество в смеси изотопов наиболее легкого из них - 16О - объясняется тем, что ядро атома 16О состоит из 8 протонов и 8 нейтронов. А такие ядра, исходя из теории атомного ядра, имеют особую стойкость. В обычных условиях молекула кислорода двухатомная - О2, в тихом электрическом разряде образуется также трехатомная молекула - О3 (озон).
Минимальная потребность человека в кислороде (то есть на обеспечение жизнеспособности организма) представляет, по разным источникам, 250-350 мл/мин. (Обращаем внимание уважаемого читателя, что здесь имеется в виду именно количество потребляемого кислорода, а не количество вдыхаемого, которое значительно больше). При выполнении напряженной физической работы потребность в кислороде увеличивается до 1000-2000 и больше мл/мин. Если принять среднюю потребность в кислороде для человека - 600 мл/мин, то можно вычислить потребность одного человека в кислороде на разный временной период: час, время и год. То же - для всего населения Земли, которая в частности, на год равна 0,3-1012 тонн. Это намного меньше, чем общее содержимое кислорода в атмосфере Земли, которая оценивается величиной 1,2-1015 тонн.
Озон (Кислород О3) по своим свойствами существенным образом отличается от обычного кислорода О2. Реакция преобразования кислорода О2 в его аллотропную форму О3 нуждается в значительных затратах энергии -приблизительно 140 кДж (34 ккал) на образование одного моля озона О3 (48 г). Именно поэтому, таким образом, происходит образование озона в природе. В верхних слоях атмосферы озон образуется наиболее активно в результате фотохимических реакций под влиянием солнечного излучения. На высоте 25-30 км озон находится в наивысших концентрациях, образуя слой, называемый озоносферой. Озоносфера отражает "жесткое" ультрафиолетовое излучение Солнца, защищая живые организмы от губительного воздействия этой солнечной радиации. Именно благодаря образованию озона из кислорода воздуха стало возможным зарождение жизни на суше Земли.
озон О3; чем больше озона О3 образуется в атмосфере, тем интенсивнее он поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца. Общепринято условное приведение всего озона, который находится в атмосфере, к нормальному давлению и соотношению его со всем атмосферным воздухом в тех же условиях. Это соотношение следующее: озоновый слой толщиной 3 мм в суммарном атмосферном слое толщиной 8 км. Таким образом, средняя концентрация озона в атмосфере составляет 0,4 * 10-6 от общего содержимого атмосферы.
В нижних слоях атмосферы также образуется озон под действием более широкого круга энергетических источников: того же ультрафиолетового излучения Солнца (что частично дошло сюда), различных электрических разрядов в атмосфере, энергетических процессов распада углекислого газа (СО2) в процессе фотосинтеза в растительном мире и т.п. Источником образования озона могут быть даже капли воды в брызгах водопада и морских волн. Это аллотропное соединение кислорода - неустойчиво. Через довольно короткий промежуток времени после образования концентрация озона резко уменьшается -вдвое каждые 10-15 минут, рекомбинируя в наиболее стойкую свою форму - О2 с соответствующим выделением прежде аккумулированной энергии. Именно поэтому так тепло нам бывает после грозового дождя.
Коротко о приоритете. Озон был впервые описан в 1785 году голландским физиком М. В. Марумом. Позднее, в 1832 году профессор Базельского университета Шенбейн опубликовал книгу "Получение озона химическим способом", он же дал ему название "озон" (от греческого "ароматный").
Физические характеристики. Озон - газ голубоватого цвета, который обладает характерным запахом, плотность его при температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. - 2,144 кг/м3.
Характерное влияние на здоровье человека. Озон, который постоянно находится в воздухе, имеет важное значение для организма человека. Его выраженное биологическое действие во время дыхания проявляется при концентрации выше 1-10-7 по отношению к суммарному содержанию атмосферного воздуха. Абсолютно все печатные источники подтверждают положительное влияние на организм человека озонированного воздуха с допустимыми концентрациями озона - не больше 1 Ю“6. Озон имеет бактерицидные та стимулирующие свойства. Он способен уничтожать при прямом контакте много известных микробов и вирусов, в той же время -улучшать самочувствие и повышать тонус организма человека.
Азот N является инертным разбавителем кислорода атмосферы - в чистом кислороде жизнь невозможна. Название для этого газа предложил в 1787 г. также французский ученый Ф. Лавуазье от греческого "безжизненный", существует также латинское название - "nitrogenium". Азот, как минеральный элемент, относится к числу главных биогенных элементов на Земле. Азот атмосферы принимает участие в кругообороте азотистых веществ в биосфере нашей планеты. При нормальных условиях это химически довольно инертный двухатомный газ N2 без цвета, запаха и вкуса, его плотность при нормальных условиях - 0,808 кг/м3. Из азота (N2) более чем на три четверти состоит земная атмосфера.
Углекислый газ (двуокись углерода) СО2. В период зарождения жизни на Земле (приблизительно 1800 млн. лет тому назад) углекислый газ в атмосфере Земли составлял 3-5 %, а кислород - меньше 1%.
В процессе увеличения численности и усовершенствования уровня жизни растительного и животного миров количество кислорода неуклонно возрастало и достигло на сегодня почти 21 % от общего содержимого газов в атмосфере, а часть углекислого газа очень значительно снизилась до значения менее 0,1 %.
Такой газовый состав атмосферы для настоящего уровня развития жизни на Земле, в том числе и человека, является обычным и вполне достаточным. Углекислому газу (СО2) отведена важная роль в жизнеобеспечении биосферы нашей планеты. Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи, и лучи видимой части спектра излучения Солнца, которые поступают на землю, освещают и обогревают ее. В то же время углекислый газ поглощает инфракрасные лучи, которые излучаются Землей, и, таким образом, является одним из "парниковых" газов. По состоянию на сегодня минимальное содержимое углекислого газа в атмосфере Земли близко к значению 0,04%.
Значение уровня углекислого газа 0,05-0,06% во многих регионах является обычным явлением. Большая его часть, которая выбрасывается в атмосферу, образуется в процессе производства тепловой и электроэнергии путем сжигания ископаемых энергоносителей. Существует и другая гипотеза о том, что основным источником повышения уровня углекислого газа в атмосфере Земли является Мировой океан, который, больше прогреваясь вследствие увеличения солнечной активности или других естественных причин, высвобождает запасы углекислого газа, которого в нем приблизительно в 100 раз больше, чем в атмосфере.
Коротко о приоритете. Впервые получил углекислый газ химическим путем в 1756 г. английский ученый Д. Блек, а его химический состав установил в 1789 г. французский ученый А. Лавуазье.
Физические характеристики. Углекислый газ - бесцветный газ со слегка кисловатыми запахом и вкусом, плотность при нормальных условиях - 1,98 кг/м3, растворяясь в воде, образует угольную кислоту.
Углекислый газ (СО2) имеет важное значение в жизнедеятельности человека. Он - физиологический возбудитель дыхательного центра человека. При задержке дыхания углекислота из легких не удаляется, поэтому ее количество в крови повышается. А это возбуждает дыхательный центр, и дыхание неизбежно восстанавливается. Совсем другое явление наблюдается, если добиться снижения концентрации углекислоты, например, ускоренным и усиленным дыханиям. Углекислота при этом будет усиленно выдыхаться и ее количество в крови резко уменьшится. Соответственно дыхательный центр не будет возбуждаться и дыхание прекратится до тех пор, пока концентрация углекислоты снова не повысится. Подобным приемом пользуются ныряльщики, при соответствующей тренировке они могут оставаться под водой довольно долго, до 5-7 минут.
До середины прошлого века концентрация углекислого газа в атмосферном воздухе составляла 0,03% и была оптимальной для человека. Со середины прошлого века по настоящее время наблюдается неуклонный рост этой, прежде стабильной величины. Сейчас ее значение повсеместно, как правило, выше значения 0,04 % и продолжает возрастать. В наше время в мире нет единого устойчивого мнения, тем более регламентирующего документа, о рекомендованной и допустимой норме углекислого газа при дыхании человека в разных естественных и бытовых условиях. Однако, обобщая имеющиеся публикации -www.ekokataliz.ru,vts-msk.ru и др., можно утверждать: что идеальным для дыхания человека является содержимое углекислого газа в атмосферном воздухе - 0,04-0,05%; что рекомендуемое допустимое содержимое 0,06-0,08%; а предельно допустимое - не больше 0,1%.
При увеличении концентрации свыше 0,1% до 0,5% отмечается учащение пульса, усиление легочной вентиляции, головная боль, потливость, усталость. При более высоких концентраций углекислый газ действует наркотически и вызывает асфиксию.
Уменьшение концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе для дыхания человека не опасно, потому что необходимое парциальное давление его в крови обеспечивается за счет жизнедеятельности организма. Углекислый газ из атмосферы принимает участие в различных процессах метаболизма (жизнедеятельности) живой клетки. Он также образуется в результате множества окислительных реакций в организмах животных, в том числе и человека, и выделяется с дыханием в атмосферу.
Углекислый газ атмосферы - основной источник углерода для растительного мира. Однако ошибочным будет утверждение, что животные только выделяют углекислый газ, а растения - только поглощают его. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза (см. дальше), а без освещения также его выделяют (в процессе тканевого дыхания).
Инертные газы. В атмосферном воздухе всегда содержатся инертные газы: аргон, неон, гелий, криптон, ксенон; обычно еще есть также радон, актинон и торон. Их концентрация, как правило, незначительна, а период полураспада очень малый, поэтому они не имеют неблагоприятного воздействия на человека.
Примеси в воздухе. Разные примеси, которые содержатся в воздухе, - твердые частички, газы и т.п. имеют естественное происхождение: космическая, вулканическая и грунтовая пыль, дым лесных пожаров, химические примеси и пыль от разных производств и транспорта на дорогах, кристаллы морских солей и т.п. Гниение органических веществ способствует поступлению в воздух сероводорода и аммиака, брожение углеродных веществ - метана. В воздухе содержатся также микроорганизмы: бактерии, цве-левые грибы и т.п. Патогенные микроорганизмы среди них встречаются редко и в незначительных количествах. В воздухе же закрытых помещений могут оказаться возбудители инфекций, в том числе - стойкие к высыханию.
Вода в воздухе определяет его влажность. Абсолютная влажность воздуха, то есть содержимое воды, выраженное давлением водяных паров (в мм), уменьшается с высотой. Основная масса водяных паров содержится в нижних слоях атмосферы - до 6 км. Абсолютная влажность зависит от поры года (летом она выше, чем зимой) и от географической широты - наиболее влажный воздух над экватором. Влажность воздуха при полном насыщении его водяным паром называется максимальной влажностью, она возрастает с увеличением температуры воздуха. Отношение абсолютной влажности к максимальной влажности, выраженное в процентах, называется относительной влажностью. Относительная влажность тем выше, чем ниже температура, поэтому зимой - выше, чем летом.
Влажность воздуха имеет большое значение для здоровья человека, она, в соединении с температурой воздуха, влияет на теплообмен организма, здоровье, самочувствие и трудоспособность. Оптимальный уровень влажности для человека находится в пределах 45-65%. При нару-шении нормального содержимого паров воды в воздухе у человека снижается иммунитет, усложняется течение заболеваний. Сухой воздух, влажность которого ниже 30%, способствует обезвоживанию внешних покровов и слизистых оболочек. Как следствие - насморк, покашливание, утрудненное дыхание, раздражение горла, сухость кожи, ослабление волос. Особенно вреден сухой воздух для маленьких детей, у которых слизистая оболочка носа и горла более чувствительная, чем во взрослых. Высокая влажность также отрицательно сказывается на здоровье человека, продолжительное и частое пребывание людей в условиях повышенной влажности усложняет протекание многих заболеваний. Особенно чувствительны к высокой влажности люди, которые имеют проблемы с сердечно-сосудистой системой, атеросклероз, и, конечно, дети. Также при высокой влажности создаются благоприятные условия для роста плесени и размножения болезнетворных бактерий в воздухе. Влажность воздуха в квартирах в летнее время обычно находится в пределах 40-60%, в зависимости от режима проветривания, температуры, влажности внешнего воздуха. Такие показатели влажности близки к комфортным. Другое дело зимой: влажность в квартирах обычно равна 20-30%, очень редко достигает 40%. Это связано с отоплением помещений и ограниченным притоком свежего воздуха с улицы. Проверяют влажность воздуха с помощью специальных приборов - гигрометров. Как повысить влажность в помещении? Для этого можно использовать: сосуды с водой, расставленные в помещении; опрыскивание воздуха помещения водой из пульверизатора; развешивание мокрых полотенец и простыней; энергичное проветривание помещений внешним воздухом и т.п. Но лучше всего для насыщения воздуха парами воды подходят специальные приборы, называемые увлажнителями. Созданы и специальные климатические комплексы, которые могут включать в себя увлажнители, очистители, ионизаторы и регуляторы температуры. Водяной пар в атмосферном воздухе является источником атмосферных осадков. В среднем над каждым квадратным метром земной поверхности в атмосферном воздухе удерживается около 28,5кг водяного пара - wikipedia.ru. (или, что более привычно, 2,85 г над каждым квадратным сантиметром).
Солнце и воздух атмосферы
Солнце - центральная и единственная звезда Солнечной системы, вокруг которой вращаются другие объекты этой системы: планеты и спутники, астероиды, метеороиды и космическая пыль. Масса Солнца составляет 99,866 % от суммарной массы всей Солнечной системы. Излучение Солнца - основной источник энергии на нашей планете. Интенсивность солнечного излучения на поверхность Земли меняется в широких границах и зависит: от времени года, времени суток, проницаемости атмосферы и ее озонового слоя, высоты над уровнем моря (с увеличением высоты она возрастает), географической широты (чем дальше от экватора, тем ниже), погодных условий (облачность, туман) и атмосферных загрязнений.