Состав и строение атмосферы. Химический состав воздуха и его гигиеническое значение

Строение и состав атмосферы Земли, нужно сказать, не всегда были постоянными величинами в тот или иной период развития нашей планеты. Сегодня вертикальное строение этого элемента, имеющего общую «толщину» 1,5-2,0 тыс. км, представлено несколькими основными слоями, в том числе:

1. Тропосферой.
2. Тропопаузой.
3. Стратосферой.
4. Стратопаузой.
5. Мезосферой и мезопаузой.
6. Термосферой.
7. Экзосферой.

Основные элементы атмосферы

Тропосфера представляет собой слой, в котором наблюдаются сильные вертикальные и горизонтальные движения, именно здесь формируется погода, осадочные явления, климатические условия. Она простирается на 7-8 километров от поверхности планеты почти повсеместно, за исключением полярных регионов (там - до 15 км). В тропосфере наблюдается постепенное понижение температуры, приблизительно на 6,4°С с каждым километром высоты. Этот показатель может отличаться для разных широт и времен года.

Состав атмосферы Земли в этой части представлен следующими элементами и их процентными долями:

Азот - около 78 процентов;

Кислород - почти 21 процент;

Аргон - около одного процента;

Углекислый газ - менее 0.05 %.

Единый состав до высоты 90 километров

Кроме того, здесь можно найти пыль, капельки воды, водяной пар, продукты горения, кристаллики льда, морские соли, множество аэрозольных частиц и др. Такой состав атмосферы Земли наблюдается приблизительно до девяноста километров высоты, поэтому воздух примерно одинаков по химическому составу, не только в тропосфере, но и в вышележащих слоях. Но там атмосфера имеет принципиально другие физические свойства. Слой же, который имеет общий химический состав, называют гомосферой.

Какие элементы еще входят в состав атмосферы Земли? В процентах (по объему, в сухом воздухе) здесь представлены такие газы как криптон (около 1.14 х 10 -4), ксенон (8.7 х 10 -7), водород (5.0 х 10 -5), метан (около 1.7 х 10 -4), закись азота (5.0 х 10 -5) и др. В процентах по массе из перечисленных компонентов больше всего закиси азота и водорода, далее следует гелий, криптон и пр.

Физические свойства разных атмосферных слоев

Физические свойства тропосферы тесно связаны с ее прилеганием к поверхности планеты. Отсюда отраженное солнечное тепло в форме инфракрасных лучей направляется обратно вверх, включая процессы теплопроводности и конвекции. Именно поэтому с удалением от земной поверхности падает температура. Такое явление наблюдается до высоты стратосферы (11-17 километров), потом температура становится практически неизменной до отметки 34-35 км, и далее идет опять рост температур до высот в 50 километров (верхняя граница стратосферы). Между стратосферой и тропосферой есть тонкий промежуточный слой тропопаузы (до 1-2 км), где наблюдаются постоянные температуры над экватором - около минус 70°С и ниже. Над полюсами же тропопауза «прогревается» летом до минус 45°С, зимой температуры здесь колеблются около отметки -65°С.

Газовый состав атмосферы Земли включает в себя такой важный элемент, как озон. Его относительно немного у поверхности (десять в минус шестой степени от процента), так как газ образуется под воздействием солнечных лучей из атомарного кислорода в верхних частях атмосферы. В частности, больше всего озона на высоте около 25 км, а весь «озоновый экран» расположен в областях от 7-8 км в области полюсов, от 18 км на экваторе и до пятидесяти километров в общем над поверхностью планеты.

Атмосфера защищает от солнечной радиации

Состав воздуха атмосферы Земли играет очень важную роль в сохранении жизни, так как отдельные химические элементы и композиции удачно ограничивают доступ солнечной радиации к земной поверхности и живущим на ней людям, животным, растениям. Например, молекулы водяного пара эффективно поглощают почти все диапазоны инфракрасного излучения, за исключением длин в интервале от 8 до 13 мкм. Озон же поглощает ультрафиолет вплоть до длины волн в 3100 А. Без его тонкого слоя (составит всего в среднем 3 мм, если его расположить на поверхности планеты) обитаемы могут быть только воды на глубине более 10 метров и подземные пещеры, куда не доходит солнечная радиация.

Ноль по Цельсию в стратопаузе

Между двумя следующими уровнями атмосферы, стратосферой и мезосферой, существует примечательный слой - стратопауза. Он приблизительно соответствует высоте озонных максимумов и здесь наблюдается относительно комфортная для человека температура - около 0°С. Выше стратопаузы, в мезосфере (начинается где-то на высоте 50 км и заканчивается на высоте 80-90 км), наблюдается опять же падение температур с увеличением расстояния от поверхности Земли (до минус 70-80°С). В мезосфере обычно полностью сгорают метеоры.

В термосфере - плюс 2000 К!

Химический состав атмосферы Земли в термосфере (начинается после мезопаузы с высот около 85-90 до 800 км) определяет возможность такого явления, как постепенный нагрев слоев весьма разреженного «воздуха» под воздействием солнечного излучения. В этой части «воздушного покрывала» планеты встречаются температуры от 200 до 2000 К, которые получаются в связи с ионизацией кислорода (выше 300 км находится атомарный кислород), а также рекомбинацией атомов кислорода в молекулы, сопровождающейся выделением большого количества тепла. Термосфера - это место возникновения полярных сияний.

Выше термосферы находится экзосфера - внешний слой атмосферы, из которого легкие и быстро перемещающиеся атомы водорода могут уходить в космическое пространство. Химический состав атмосферы Земли здесь представлен больше отдельными атомами кислорода в нижних слоях, атомами гелия в средних, и почти исключительно атомами водорода - в верхних. Здесь господствуют высокие температуры - около 3000 К и отсутствует атмосферное давление.

Как образовалась земная атмосфера?

Но, как уже упоминалось выше, такой состав атмосферы планета имела не всегда. Всего существует три концепции происхождения этого элемента. Первая гипотеза предполагает, что атмосфера была взята в процессе аккреции из протопланетного облака. Однако сегодня эта теория подвергается существенной критике, так как такая первичная атмосфера должна была быть разрушена солнечным «ветром» от светила в нашей планетной системе. Кроме того, предполагается, что летучие элементы не могли удержаться в зоне образования планет по типу земной группы из-за слишком высоких температур.

Состав первичной атмосферы Земли, как предполагает вторая гипотеза, мог быть сформирован за счет активной бомбардировки поверхности астероидами и кометами, которые прибыли из окрестностей Солнечной системы на ранних этапах развития. Подтвердить или опровергнуть эту концепцию достаточно сложно.

Эксперимент в ИДГ РАН

Самой правдоподобной представляется третья гипотеза, которая считает, что атмосфера появилась в результате выделения газов из мантии земной коры приблизительно 4 млрд. лет назад. Эту концепцию удалось проверить в ИДГ РАН в ходе эксперимента под названием «Царев 2», когда в вакууме был разогрет образец вещества метеорного происхождения. Тогда было зафиксировано выделение таких газов как Н 2 , СН 4 , СО, Н 2 О, N 2 и др. Поэтому ученые справедливо предположили, что химический состав первичной атмосферы Земли включал в себя водяной и углекислый газ, пары фтороводорода (HF), угарного газа (CO), сероводорода (H 2 S), соединений азота, водород, метан (СН 4), пары аммиака (NH 3), аргон и др. Водный пар из первичной атмосферы участвовал в образовании гидросферы, углекислый газ оказался в большей мере в связанном состоянии в органических веществах и горных породах, азот перешел в состав современного воздуха, а также опять в осадочные породы и органические вещества.

Состав первичной атмосферы Земли не позволил бы современным людям находиться в ней без дыхательных аппаратов, так как кислорода в требуемых количествах тогда не было. Этот элемент в значительных объемах появился полтора миллиарда лет назад, как полагают, в связи с развитием процесса фотосинтеза у сине-зеленых и других водорослей, которые являются древнейшими обитателями нашей планеты.

Минимум кислорода

На то, что состав атмосферы Земли изначально был почти бескислородным, указывает то, что в древнейших (катархейских) породах находят легкоокисляемый, но не окисленный графит (углерод). Впоследствии появились так называемые полосчатые железные руды, которые включали в себя прослойки обогащенных окислов железа, что означает появление на планете мощного источника кислорода в молекулярной форме. Но эти элементы попадались только периодически (возможно, те же водоросли или другие продуценты кислорода появились небольшими островками в бескислородной пустыне), в то время как остальной мир был анаэробным. В пользу последнего говорит то, что легко окисляемый пирит находили в виде гальки, обработанной течением без следов химических реакций. Так как текучие воды не могут быть плохо аэрированными, выработалась точка зрения, что атмосфера до начала кембрия содержала менее одного процента кислорода от сегодняшнего состава.

Революционное изменение состава воздуха

Приблизительно в середине протерозоя (1,8 млрд. лет назад) произошла «кислородная революция», когда мир перешел к аэробному дыханию, в ходе которого из одной молекулы питательного вещества (глюкоза) можно получать 38, а не две (как при анаэробном дыхании) единицы энергии. Состав атмосферы Земли, в части кислорода, стал превышать один процент от современного, стал возникать озоновый слой, защищающий организмы от радиации. Именно от нее «скрывались» под толстыми панцирями, к примеру, такие древние животные, как трилобиты. С тех пор и до нашего времени содержание основного «дыхательного» элемента постепенно и медленно возрастало, обеспечивая многообразие развития форм жизни на планете.

Воздух - смесь газов, главным образом азота и кислорода, из которых состоит атмосфера земного шара Общая масса воздуха составляет 5,13× 10 15 т и оказывает на поверхность Земли давление, равное на уровне моря в среднем 1,0333 кг на 1 см 3 . Масса 1 л сухого воздуха свободного от водяных паров и углекислого газа, при нормальных условиях равна 1,2928 г , удельная теплоемкость - 0,24, коэффициент теплопроводности при 0° - 0,000058, вязкость - 0,000171, показатель преломления - 1,00029, растворимость в воде 29,18 мл на 1 л воды. Состав атмосферного воздуха - см. табл . Атмосферный воздух содержит также в различных количествах водяные пары и примеси (твердые частицы, аммиак, сероводород и др.).

Состав атмосферного воздуха

Для человека жизненно важной составной частью В является кислород , общая масса которого 3,5× 10 15 т . В процессе восстановления нормального содержания кислорода основную роль играет фотосинтез зелеными растениями, исходными веществами для которого служат углекислый газ и вода. Переход кислорода из атмосферного воздуха в кровь и из крови в ткани зависит от разницы в его парциальном давлении, поэтому биологическое значение имеет парциальное давление кислорода, а не процентное содержание его в В. На уровне моря парциальное давление кислорода равно 160 мм . При снижении его до 140 мм у человека появляются первые признаки гипоксии . Снижение парциального давления до 50-60 мм опасно для жизни (см. Высотная болезнь , Горная болезнь ).

Библиогр.: Атмосфера земли и планет, под ред. Д.П. Койпера. пер. с англ., М., 1951; Губернский Ю.Д. и Кореневская Е.И. Гигиенические основы кондиционирования микроклимата жилых и общественных зданий, М., 1978; Минх А.А. Ионизация воздуха и ее гигиеническое значение, М., 1963; Руководство по гигиене атмосферного воздуха, под ред. К.А. Буштуевой, М., 1976; Руководство по коммунальной гигиене, под ред. Ф.Г. Кроткова, т. 1, с. 137, М., 1961.

Состав воздуха на земле – одна из причин нашей жизни. Без воздуха человек проживет всего лишь три минуты, а через 10 наступит клиническая смерть.

Пока мы дышим, мы живем. Ни на одной планете в солнечной системе нет настолько тесной связи между химией и биологией. Наш мир уникален.

В зависимости от территории объем главного компонента жизненно необходимого газа составляет от 16 до 20 процентов – это кислород, формула которого O 2. Его вариация ощущается в пространстве как «свежесть» после грозы – это озон O 3 .

Из этой статьи вы узнаете все тайны воздушной оболочки земли. Что произойдет с миром без одного компонента? Какой вред может нанести? Как на жизнь повлияет незначительное ухудшение атмосферы?

Что такое воздух

Древние греки использовали два слова в качестве определения для воздуха: аир, что означало нижние слои атмосферы (Дим), а эфир означал яркие верхние слои атмосферы (заоблачное пространство).

В алхимии символ воздуха – это треугольник, разделенный надвое горизонтальной линией.

В современном мире, ему подошло бы такое определение – газовая смесь, окружающая планету, которая защищает от проникновения радиации солнца и больших доз ультрафиолета.

За многомиллионный период развития планета преобразовала газовые вещества и создала уникальный защитный щит, увидеть который практически невозможно. Массовая доля их несоизмеримо мала для космоса.

Ничто больше не оказывает влияние на мирообразование. Если вспомнить, что часть воздушных масс – это кислород, то, что произойдет на земле без него? Здания и сооружения рухнут.

Металлические мосты и прочие конструкции, завораживающие миллионы туристов, превратятся в единой ком из-за малого количества молекул кислорода (в данной ситуации близкой к нулю). Ухудшится жизнь всех живых организмов на планете, а некоторых приведет к смерти.

Моря и океаны, испаряясь в виде водорода, исчезнут. И когда планета станет похожей на Луну, воцарится радиационный пожар, выжигающий остатки флоры, поскольку без кислорода температура очень сильно увеличится, а вот без атмосферы не будет защиты от солнца.

Из чего состоит воздух

Почти вся земная атмосфера состоит только из пяти газов: азота, кислорода, водяного пара, аргона и углекислого газа.

Другие смеси в ней тоже присутствуют, но ради чистоты представления химический состав водяного пара рассматриваться не будет. Стоит упомянуть, что в воздушной массе он занимает не более пяти процентов.

Состав воздуха в процентах

В идеале собранный в банку воздух состоит на:

• 78 процентов из азота;
• 16 — 20 процентов кислорода;
• 1 процента аргона;
• три сотых процента углекислого газа;
• одну тысячную процента неона;
• 0,0002 процента метана .

Более мелкие компоненты это:

• гелий - 0,000524%;
• криптон - 0,000114%;
• водород — Н2 0,00005%;
• ксенон - 0,0000087%;
• озон О 3 - 0,000007%;
• диоксид азота - 0,000002%;
• йод - 0,000001%;
• монооксид углерода;
• аммиак.

Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Дыхание преобладает над прочими потребностями человека. Из школьного курса каждому известно, что человек вдыхает кислород, а выдыхает углекислый газ. Хотя в жизни в воздухе кроме чистого O 2 присутствует другие вещества.

Вдох — выдох. Подобный цикл повторяется порядка 22000 раз в день в процессе чего потребляется кислород, который поддерживает жизнеспособность человеческого тела. Проблема в том, что нежная легочная ткань подвергается нападению со стороны загрязнения воздуха, чистящих растворов, волокон, паров и пыли.

В первой половине статьи говорилось про сокращение кислорода, но что будет при увеличении. Двукратная концентрация основного газа привела бы к сокращению потребляемого топлива в автомобилях.

Вдыхая больше кислорода, человек стал бы намного психологически позитивнее. Однако, некоторым насекомым благоприятный климат позволил бы увеличиться в размерах. Есть ряд теорий, прогнозирующих это. Думается, что никто не хотел бы встретиться с пауком размером с собаку, а про рост крупных представителей можно только фантазировать.

Вдыхая меньше тяжелых металлов, человечество смогло бы победить ряд сложных заболеваний, но такой проект потребует много сил. Есть целая программа, направленная на создание практического рая на земле: в каждом доме, в комнате, городе или стране. Ее цель сделать атмосферу чище, избавить людей от опасной работы в шахтах и металлургии. Место, где рабочие места заняли бы мастера своего дела.

Важно, что вдыхать чистый, не тронутый промышленностью воздух можно, но для этого нужна политическая, а лучше мировая воля. А пока люди заняты поисками денег и дешевых (грязных) технологий, остается вдыхать только городской смог. Как долго подобное продлится неизвестно.

Наглядно оценить атмосферный воздух столицы нашей родины, который вдыхает не один десяток людей, позволит карта.

Гигиеническое значение атмосферного воздуха

Официально, загрязнение воздуха может быть определено как содержание вредных веществ в воздухе либо частиц или микроскопических биологических молекул, которые представляют опасность для здоровья живых организмов: людей, животных или растений.

Уровень загрязнения воздуха в конкретном месте зависит главным образом от источника или источников загрязнения. Сюда входят:

• выхлопные газы автомобилей;
• угольные электростанции;
• промышленные заводы и другие источники загрязнения.

Все перечисленное извергает в воздух различные типы опасных веществ и токсинов, превышая нормы в десятки, а порой сотни раз. В сочетании с природными источниками – вулканы , гейзеры и прочее – создается смертоносный коктейль ядовитых воздушных масс, который привычно называют «смогом».

Доказательства вины каждого человека очевидны. Наш персональный выбор и промышленность могут оказать пагубное влияние на столь необходимый газ. За век технологического рывка природа успела пострадать, а значит отмщение неизбежно.

Увеличивая выбросы, человечество приближается к пропасти, возврата из которой нет и быть не может. Пока не поздно, следует исправить хоть что-то. Доказано, что альтернативные промышленные технологии могут помочь очистить воздух в Москве, Петербурге, Токио, Берлине и любом ином крупном городе.

Вот некоторые пути решения:

1. Замените бензин электричеством в автомобилях, и небо над городом станет чуть прекрасней.
2. Убрать из городов угольные станции, пусть они уйдут в историю страны, начать использовать энергию солнца, воды, ветра. Тогда после дождя не полетит сажа из трубы очередного завода, а будет только запах «свежести».
3. Посадите дерево в парке. Если подобное сделают тысячи, то больницы перестанут посещать астматики и депрессивные люди в поисках уникального рецепта из уст психолога.

Воздух – смесь газов, необходимых для существования и поддержания жизни на планете. Каковы его особенности, и какие вещества входят в состав воздуха?

Воздух необходим для дыхания всем живым организмам. Он состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и ряда примесей. Состав атмосферного воздуха может меняться в зависимости от условий и местности. Так в городской среде уровень углекислого газа в воздухе по сравнению с лесной полосой повышается из-за обилия транспортных средств. В высокогорье концентрация кислорода снижается, так как молекулы азота легче, чем молекулы кислорода. Поэтому концентрация кислорода уменьшается быстрее.

Шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году опытным путем доказал, что воздух – это не просто вещество, а именно газовая смесь

Рис. 1. Джозеф Блэк.

Если говорить о составе воздуха в процентах, то основным его компонентом является азот. Азот занимает 78% от всего объема воздуха. Процентное соотношение кислорода в молекуле воздухе составляет 20,9%. Азот и кислород – 2 основные элемента воздуха. Содержание остальных веществ значительно меньше и не превышает 1%. Так, аргон занимает объем 0,9%, а углекислый газ – 0,03%. Также воздух имеет такие примеси, как неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон.

Рис. 2. Состав воздуха.

В производственных помещениях большое значение предают аэроионному составу воздуха. Имеющиеся в воздухе отрицательно заряженные ионы благоприятно влияют на организм человека, заряжают его энергией, повышают настроение.

Азот

Азот – главная составляющая воздуха. Перевод названия элемента – «безжизненный» – может относится к азоту как простому веществу, но азот в связанном состоянии является одним из главных элементов жизни, входит в состав белков, нуклеиновых кислот, витаминов и т. д.

Азот – элемент второго периода, не имеет возбужденных состояний, так как атом не имеет свободных орбиталей. Однако азот способен проявлять в основном состоянии валентность не только III, но и IV за счет образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму с участием неподеленной электронной пары азота. Степень окисления, которую может проявлять азот, изменяется в широких пределах: от -3 до +5.

В природе азот встречается в виде простого вещества – газа N2 и в связанном состоянии. В молекуле азота атомы связаны прочной тройной связью (энергия связи 940 кДж/моль). При обычной температуре азот может взаимодействовать только с литием. После предварительной активизации молекул путем нагревания, облучения или действием катализаторов азот вступает в реакции с металлами и неметаллами.

Кислород

Кислород – самый распространенный элемент на Земле: массовая доля в земной коре 47,3%, а объемная доля в атмосфере – 20,95%, массовая доля в живых организмах – около 65%.

Практически во всех соединениях (кроме соединений с фтором и пероксидов) кислород проявляет постоянную валентность II и степень окисления – 2. Атом кислорода не имеет возбужденных состояний, так как на втором внешнем уровне нет свободных орбиталей. В качестве простого вещества кислород существует в виде двух аллотропных видоизменений – газов кислорода О2 и озона О3. Самое важное соединение кислорода – это вода. Около 71% земной поверхности занимает водная оболочка, без воды невозможна жизнь.

Озон в природе образуется из кислорода воздуха во время грозовых разрядов, а в лаборатории – пропусканием электрического разряда через кислород.

Рис. 3. Озон.

Озон – еще более сильный окислитель, чем кислород. В частности? он окисляет золото и платину

Кислород в промышленности обычно получают сжижением воздуха с последующим отделением азота за счет его испарения (имеется разница в температурах кипения: – -183 градуса для жидкого кислорода и -196 градусов для жидкого азота.). Всего получено оценок: 249.

Воздух необходим всем живым организмам: животным для дыхания, а растениям - для питания. К тому же воздух защищает Землю от губительного ультрафиолетового излучения Солнца. Основные составляющие воздуха - азот и кислород. В воздухе есть также небольшие примеси благородных газов, углекислого газа и некоторое количество твердых частиц - копоти, пыли. Воздух нужен всем животным для дыхания. Около 21% воздуха составляет кислород. Молекула кислорода (О 2) состоит из двух связанных кислорода.

Состав воздуха

Процентное соотношение различных га­зов в воздухе слегка изменяется в зависимости от места, времени года и суток. Азот и кислород - основные компоненты воздуха. Один процент воздуха составляют благородные газы, углекислой газ, водяной пар и загрязнения, например диоксид азота. Входящие в состав воздуха газы можно разделить путем фракционной перегонки . Воздух охлаждается до тех пор, пока газы не перейдут в жидкое состояние (см. статью « «). Пос­ле этого жидкая смесь нагревается. кипения у каждой жидкости своя, и образующиеся при кипении газы можно собирать от­дельно. Кислород, азот и углекислый газ постоянно по­падают из воздуха в и возвращают­ся в воздух, т.е. происходит круговорот. Животные вдыхают кислород воздуха и выдыхают углекислый газ.

Кислород

Азот

Более 78% воздуха составляет азот. Бел­ки, из которых построены живые организ­мы, также содержат азот. Главное промышленное применение азота - производство аммиака , необходимого для удобрений. Азот для этого соединяют с . Азот накачивается в упаковки для мяса или рыбы, т.к. при контакте с обычным воздухом продукты окисляются и портятся Предназначенные для пересадки человеческие органы хранятся в жидком азоте, потому что он холодный и химически инертный. Молекула азота (N 2) состоит из двух связанных атомов азота.

Благородные газы

Благородные газы - это 6 8-й группы . Они чрезвычайно инертны химически. Только они существуют в виде от­дельных атомов, не образующих молекулы. Из-за их пассивности некоторыми из них наполняют лампы. Ксенон практически не используется человеком, зато аргон накачивают в электролампочки, а крип­тоном наполняют люминесцентные лампы. Неон вспыхивает красно-оранжевым светом при прохождении электрического разряда. Он используется в натриевых уличных лампах и неоновых лампах. Радон радиоактивен. Он образуется в результате распада металла радия. Никакие соединения гелия науке неизвестны, и гелий считается абсолютно инертным. Его плотность в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому им наполняют дирижабли. Наполненные гелием воздушные шары оснащаются научной аппаратурой и запускаются в верхние слои атмосферы.

Парниковый эффект

Так называется наблюдающееся сейчас повышение содержания углекислого газа в атмосфере и вызванное этим глобальное потепление , т.е. повышение среднегодовых температур во всем мире. Углекислый газ не дает теплу покидать Землю, так же как стекло сохраняет высокую температуру внутри парника. Поскольку углекислого газа в воздухе становится все больше, все больше тепла задерживается в атмосфере. Даже небольшое потепление вызывает повышение уровня Мирового океана, перемену ветров и таяние части льда у полюсов. Ученые считают, что если содержание углекислого газа будет расти так же быстро, то за 50 лет средняя темпера­тура может возрасти на величину от 1,5°С до 4°С.