17. Естественный химический состав атмосферного воздуха. Физиолого-гигиеническое значение его составных компонентов.

По химическому составу чистый атмосферный воздух представляет собой механическую смесь газов: кислорода, углекислого газа, азота, а также целого ряда инертных газов (аргон, гелий, криптон и др.). Сухой атмосферный воздух содержит: кислород - 20,95 %, азот - 78,09 %, углекислый газ - 0,03 % (в городах 0,04 %). В небольшом количестве в атмосферном воздухе содержатся озон, оксид азота, йод, метан, водяные пары и др.

Кроме постоянных составных частей атмосферы, в ней содержатся разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу производственной деятельностью человека.

В зависимости от своего состояния и условий выполняемой работы человек вдыхает разные количества воздуха. Учитывая, что площадь альвеол составляет около 100 м2, а взрослый человек в покое в 1 мин вдыхает в среднем от 7 до 9л воздуха, то при легкой ходьбе эта цифра составит 13-17 л/мин, при легкой пробежке - 28-36 л/мин, плавании - 33-36 л/мин. За одни сутки в среднем человек вдыхает 17-20 м3 воздуха.

Поэтому любые изменения химического состава воздуха могут оказывать существенное влияние на здоровье и самочувствие людей.

Эколого-гигиеническое значение кислорода. Важнейшей составной частью атмосферного воздуха является кислород, количество которого в земной атмосфере составляет около 1,18 *1015 т. Постоянное содержание кислорода поддерживается за счет непрерывных процессов обмена его в природе. С одной стороны, кислород непрерывно потребляется при дыхании человека и животных, расходуется на поддержание процессов горения и окисления, с другой - поступает в атмосферу за счет процессов фотосинтеза. Наземные растения и фитопланктон океанов полностью восстанавливают естественную убыль кислорода. В результате интенсивного перемешивания воздушных масс концентрация кислорода в воздухе остается практически постоянной.

При падении парциального давления кислорода могут развиваться явления кислородного голодания, что наблюдается при подъеме на высоту. Критическим уровнем является парциальное давление кислорода ниже 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50-60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. В то же время повышение парциального давления кислорода до 600 мм рт. ст. (гипероксия) также ведет к развитию патологических процессов в организме, что сопровождается уменьшением жизненной емкости легких, отеком легких и пневмонией.

Озон и его гигиеническое значение. В атмосферном воздухе под влиянием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомарного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной молекуле кислорода, образуя озон. Одновременно с образованием озона происходит его распад. Общебиологическое значение озона велико. Он выполняет очень важные экологические функции, поглощает коротковолновое УФ- излучение, обладающее выраженным губительным действием на биологические объекты. Концентрация озона в атмосфере неравномерно распределяется по высоте. С приближением к поверхности Земли концентрация озона уменьшается, так как уменьшается интенсивность УФ-радиации, что снижает интенсивность процессов синтеза озона. Концентрации озона в атмосферном воздухе непостоянны и колеблются от 20*10-6 до 60*10-6 %. Весной концентрация озона выше, чем осенью. Озон обладает окислительными способностями, в загрязненном воздухе городов его концентрация ниже, чем в воздухе сельской местности. Поэтому его долгие годы рассматривали как показатель чистоты атмосферного воздуха. Однако отношение к этому показателю изменилось. Наличие значительных концентраций озона в крупных населенных пунктах, вблизи больших транспортных магистралей подтверждает его антропотехногенное происхождение.

Азот (N2), его эколого-гигиеническое значение. Считается, что азот - газ индифферентный. В атмосфере азота невозможна жизнь. Азот воздуха усваивается некоторыми видами почвенных бактерий, а также сине-зелеными водорослями. Под влиянием электрических разрядов азот превращается в оксиды азота, которые, выпадая с атмосферными осадками, обогащают почву солями азотной и азотистой кислоты. Последние усваиваются растениями и служат для образования белка. Наряду с усвоением азота происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при процессах горения древесины, угля, нефти. В природе происходит непрерывный круговорот, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения, восстанавливается и поступает в атмосферу, затем вновь связывается биологическими объектами.

Азот необходим как разбавитель кислорода, так как дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме. Однако повышенное содержание азота во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота в воздухе до 93% наступает смерть.

При вдыхании воздуха под повышенным давлением азот начинает оказывать наркотическое действие. Наиболее отчетливо это действие проявляется при давлении воздуха в 9 и более атмосфер. Этот имеет большое значение при работе на больших глубинах, когда воздух приходится подавать под высоким давлением, иногда превышающим 10 атмосфер. В настоящее время при работах на больших глубинах для дыхания пользуются не воздухом, а специально приготовленной гелиево-кислородной смесью, т. е. азот в воздухе заменяют более инертным газом.

Диоксид углерода как косвенный показатель загрязнения воздуха закрытых помещений. Содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе 0,03-0,04 %. Тем не менее он имеет очень большое эколого- гигиеническое значение.

В течение длительного времени окислительные и восстановительные процессы, происходящие в природе, взаимно друг друга уравновешивали, в силу чего состав воздуха практически не менялся. Основными источниками поступления диоксида углерода в атмосферу являются: дыхание человека, животных, растений (человек в спокойном состоянии в сутки выделяет до 500 л CO2); процессы биологического горения органических веществ; сжигание топлива; действующие вулканы и термальные источники, лесные пожары; большие водные поверхности, преимущественно морей и океанов.

Мощным аккумулятором CO2 являются моря и океаны. При уменьшении парциального давления CO2 в атмосферном воздухе поверхность морей и океанов выделяет диоксид углерода. При избыточном же содержании углекислого газа в атмосфере он активно поглощается морской поверхностью. Диффузия газов и постоянные ветры равномерно распределяют его в атмосферном воздухе.

Значительная часть CO2 поглощается из воздуха зелеными растениями при действии дневного света в процессе фотосинтеза. Процессы образования и ассимиляции углерода взаимосвязаны, благодаря чему содержание его в атмосферном воздухе постоянно и составляет 0,03 %. За последнее время наблюдается увеличение его концентрации в воздухе промышленных городов за счет интенсивного загрязнения продуктами сгорания топлива. Кроме того, на планете активно вырубаются большие зеленые массивы - основные потребители диоксида углерода. В связи с этим обсуждается возможность возникновения так называемого "парникового эффекта" атмосферы, так как углекислота активно задерживает инфракрасную радиацию Земли и не дает ей уходить в космическое пространство. В результате происходит повышение среднегодовой температуры атмосферного воздуха, что способствует изменению климата на значительных пространствах Земного шара.

Диоксид углерода играет большую роль в жизнедеятельности животных и человека, так как является основным регулятором дыхания; участвует во многих буферных системах; поддерживает гомеостаз; регулирует рН биологических сред. За сутки в организме человека образуется до 500 л CO2.

Избыток CO2 ведет к появлению целого ряда нарушений в организме, так как способствует повышению кислотности тканей (тканевой аноксии).

Уже при концентрации CO2 во вдыхаемом воздухе на уровне 3 % появляется одышка, дыхание углубляется и учащается. При концентрации углекислоты во вдыхаемом воздухе до 4 % у человека появляются ощущение сдавления головы, головная боль, возбуждение, сердцебиение; повышение кровяного давления; обмороки, гипоксия. Содержание углекислоты 8-10 % сопровождается потерей сознания, наступает смерть от остановки дыхания. Если человек попадает в атмосферу углекислоты (20 %), это вызывает мгновенную гибель от паралича мозговых центров.

В обычных условиях человек не сталкивается с такими концентрациями CO2. Это может иметь место в производственных условиях (бродильные цеха - пивоваренное производство); в герметически замкнутых помещениях (убежище, шлем водолаза, подводная лодка - в аварийных ситуациях, на военных объектах). Первые клинические симптомы отравления углекислотой(одышка) появляются при ее содержании во вдыхаемом воздухе на уровне 3 %.

В гигиеническом отношении содержание диоксида углерода является важным показателем, по которому судят о степени загрязнения воздуха в жилых и общественных зданиях. Основной источник загрязнения этих помещений - человек, в результате жизнедеятельности которого активно выделяются антропотоксины (более 100 химических соединений). Многие из этих соединений более токсичны, чем диоксид углерода. С чем же связано то, что в качестве показателя загрязнения выбран диоксид углерода? На это есть вполне объективные причины.

Во-первых, СО2, постоянно выделяясь при дыхании, лучше всего характеризует человека как источник загрязнения воздушной среды жилища. Закономерности обмена и элиминации диоксида углерода из организма человека изучены с учетом пола, возраста, нагрузки, в то время как механизмы образования и выделения антропотоксинов установлены недостаточно. Во-вторых, исследователями, еще со времен М. Петтенкофера, отмечена тесная корреляция между накоплением CO2 в воздухе жилища и денатурацией воздушной среды, а именно, изменением ее химических свойств (накоплением антропотоксинов) и физических параметров (повышением температуры; влажности; изменением подвижности воздуха; увеличением количества тяжелых ионов; бактериальной обсемененности и т.д.). Кроме того, диоксид углерода гораздо легче определить, чем очень малые концентрации антропотоксинов (аммиака, меркаптанов и других соединений).

Долгое время СО2 рассматривали как косвенный показатель. Считалось, что токсическое действие диоксида углерода начинается с 2-3 %, с чем в условиях современного жилища человек никогда дела не имеет.

Даже в старых ночлежных домах концентрация CO2 не превышала 1 % , поэтому считалось, что диоксид углерода сам, не оказывая токсического действия на организм человека, хорошо отражает денатурацию воздушной среды помещения. Душный застойный воздух помещения оказывает неблагоприятное действие всем комплексом измененных свойств.

Предельно допустимой концентрацией диоксида углерода в воздухе жилых, детских и лечебных учреждений следует считать 0,07 %, в воздухе общественных зданий - 0,1 %. Последняя величина принята в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции в жилых и общественных зданиях

В атмосферном воздухе присутствует некоторое количество инертных

газов: аргона, неона, гелия, криптона и ксенона. Эти газы относятся к нулевой

группе таблицы Менделеева, не вступают в реакции с другими элементами, являются инертными в химическом смысле.

Инертные газы являются наркотическими. Их наркотические свойства проявляются при высоком барометрическом давлении. В открытой атмосфере наркотические свойства инертных газов не могут проявиться.

Кроме составных частей атмосферы, в ней содержатся различные примеси природного происхождения и загрязнения, вносимые в результате деятельности человека.

Примеси, которые присутствуют в воздухе помимо его естественного химического состава, называются атмосферными загрязнениями.