Атмосферный воздух содержит лед, CO2 и время 2

Атмосферный воздух представляет собой смесь различных газов. В его составе имеются постоянные компоненты атмосферы (кислород, азот, углекислый газ), инертные газы (аргон, гелий, неон, криптон, водород, ксенон, радон), небольшие количества озона, закиси азота, метана, йода, водяных паров, а также в переменных количествах различные примеси природного происхождения и загрязнения, образующиеся в результате производственной деятельности человека.

Кислород(О2) самая важная для человека часть воздуха. Он необходим для осуществления окислительных процессов в организме. В атмосферном воздухе содержание кислорода равно 20,95 %, в выдыхаемом человеком воздухе – 15,4-16 %. Снижение его в атмосферном воздухе до 13-15 % приводит к нарушению физиологических функций, а до 7-8 % – к смертельному исходу.

Азот (N) – является основной составной частью атмосферного воздуха. Вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух содержит примерно одно и то же количество азота – 78,97-79,2 %. Биологическая роль азота заключается, главным образом, в том, что он является разбавителем кислорода, поскольку в чистом кислороде жизнь невозможна. При увеличении содержания азота до 93 % наступает смерть.

Диоксид углерода(углекислый газ),СО2 – является физиологическим регулятором дыхания. Содержание в чистом воздухе составляет 0,03 %, в выдыхаемом человеком – 3 %.

Снижение концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе не представляет опасности, т.к. необходимый уровень его в крови поддерживается регуляторными механизмами за счет выделения при обменных процессах.

Повышение содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 0,2 % вызывает у человека нарушение самочувствия, при 3-4 % наблюдается возбужденное состояние, головная боль, шум в ушах, сердцебиение, замедление пульса, а при 8 % возникает тяжелое отравление, потеря сознания и наступает смерть.

За последнее время концентрация диоксида углерода в воздухе промышленных городов увеличивается в результате интенсивного загрязнения воздуха продуктами сгорания топлива. Повышение в атмосферном воздухе СО2 приводит к появлению в городах токсических туманов и «парниковому эффекту», связанному с задержкой углекислотой теплового излучения земли.

Про анемометры: Дилатометрический термометр фото

Содержание СО2 в воздухе служит важным гигиеническим показателем, по которому судят о чистоте воздуха в производственных, жилых и общественных зданиях. Предельно допустимая концентрация углекислоты в помещениях – 0,1 %. Эта величина принята в качестве расчетной при определении эффективности вентиляции.

Повышение содержания СО2 сверх установленной нормы свидетельствует об общем ухудшении санитарного состояния воздуха, т.к наряду с диоксидом углерода могут накапливаются другие токсические вещества, может ухудшается ионизационный режим, возрастать запыленность и микробная загрязненность.

Озон (О3). Основное его количество отмечается на уровне 20-30 км от поверхности Земли. В приземных слоях атмосферы содержится ничтожно малое количество озона – не более 0,000001 мг/л. Озон защищает живые организмы земли от губительного действия коротковолновой ультрафиолетовой радиации и одновременно поглощает длинноволновую инфракрасную радиацию, исходящую от Земли, предохраняя ее от чрезмерного охлаждения. Озон обладает окислительными способностями, поэтому в загрязненном воздухе городов его концентрация ниже, чем в сельской местности. В связи с этим озон считался показателем чистоты воздуха. Однако в последнее время установлено, что озон образуется в результате фотохимических реакций при формировании смога, поэтому обнаружение озона в атмосферном воздухе крупных городов считают показателем его загрязнения.

Инертные газы – не имеют выраженного гигиенического и физиологического значения.

Хозяйственно-производственная деятельность человека является источником загрязнения воздуха различными газообразными примесями и взвешенными частицами. Повышенное содержание вредных веществ в атмосфере и в воздухе помещений неблагоприятно сказывается на организме человека. В связи с этим важнейшей гигиенической задачей является нормирование их допустимого содержания в воздухе.

Санитарно-гигиеническое состояние воздуха принято оценивать по предельно допустимым концентрациям (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны.

ПДК вредных веществ в воздухе рабочей зоны – это концентрация, которая при ежедневной 8-часовой работе, но не более 41 час в неделю, в продолжение всего рабочего стажа не вызывает заболеваний или отклонений в состоянии здоровья настоящего и последующих поколений. Устанавливают ПДК среднесуточную и максимально разовую (действие до 30 мин в воздухе рабочей зоны). ПДК для одного и того же вещества может быть различной в зависимости от длительности его воздействия на человека.

На пищевых предприятиях основными причинами загрязнение воздуха вредными веществами являются нарушения технологического процесса и аварийные ситуации (канализации, вентиляции и др.).

Гигиеническую опасность в воздухе помещений представляют оксид углерода, аммиак, сероводород, сернистый газ, пыль и др., а также загрязнение воздуха микроорганизмами.

Оксид углерода (СО) – газ без запаха и цвета, попадает в воздух как продукт неполного сгорания жидкого и твердого топлива. Он вызывает острое отравление при концентрации в воздухе 220-500 мг/м3 и хроническое отравление – при постоянном вдыхании концентрации 20-30 мг/м3. Среднесуточная ПДК оксида углерода в атмосферном воздухе – 1 мг/м3, в воздухе рабочей зоны – от 20 до 200 мг/м3 (в зависимости от длительности работы).

Диоксид серы (S02) – наиболее часто встречающаяся примесь атмосферного воздуха, поскольку сера содержится в различных видах топлива. Этот газ обладает общетоксическим действием и вызывает заболевания дыхательных путей. Раздражающее действие газа обнаруживается при концентрации его в воздухе свыше 20 мг/м3. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК диоксида серы – 0,05 мг/м3, в воздухе рабочей зоны – 10 мг/м3.

Сероводород (H2S) – обычно попадает в атмосферный воздух с отходами химических, нефтеперерабатывающих и металлургических заводов, а также образуется и может загрязнять воздух помещений в результате гниения пищевых отходов и белковых продуктов. Сероводород обладает общетоксическим действием и вызывает неприятные ощущения у человека при концентрации 0,04-0,12 мг/м3, а концентрация более 1000 мг/м3 может стать смертельной. В атмосферном воздухе среднесуточная ПДК сероводорода – 0,008 мг/м3, в воздухе рабочей зоны – до 10 мг/м3.

Аммиак ( NH3) – накапливается в воздухе закрытых помещений при гниении белковых продуктов, неисправности холодильных установок с аммиачным охлаждением, при авариях канализационных сооружений и др. Токсичен для организма.

Акролеин – продукт разложения жира при тепловой обработке, способен вызывать в производственных условиях аллергические заболевания. ПДК в рабочей зоне – 0,2 мг/м3.

Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) – отмечена их связь с развитием злокачественных новообразований. Наиболее распространенным и наиболее активным из них является 3-4-бенз(а)пирен, который выделяется при сжигании топлива: каменного угля, нефти, бензина, газа. Максимальное количество 3-4-бенз(а)пирена выделяется при сжигании каменного угля, минимальное – при сжигании газа. На пищевых предприятиях источником загрязнения воздуха ПАУ может являться длительное использование перегретого жира. Среднесуточная ПДК циклических ароматических углеводородов в атмосферном воздухе не должна превышать 0,001 мг/м3.

Механические примеси – пыль, частицы почвы, дыма, золы, сажи. Запыленность возрастает при недостаточном озеленении территории, неблагоустроенных подъездных путях, нарушении сбора и вывоза отходов производства, а также при нарушении санитарного режима уборки помещений (сухая или нерегулярная влажная уборка и др.). Кроме того, запыленность помещений увеличивается при нарушениях в устройстве и эксплуатации вентиляции, планировочных решениях (например, при недостаточной изоляции кладовой овощей от производственных цехов и др.).

Воздействие пыли на человека зависит от размеров пылевых частиц и их удельного веса. Наиболее опасны для человека пылинки размером менее 1 мкм в диаметре, т.к. они легко проникают в легкие и могут стать причиной их хронического заболевания (пневмокониоз). Пыль, содержащая примеси ядовитых химических соединений, оказывает на организм токсическое действие.

ПДК сажи и копоти жестко нормируется, ввиду содержания канцерогенных углеводородов (ПАУ): среднесуточная ПДК сажи – 0,05 мг/м3.

В кондитерских цехах большой мощности возможна запыленность воздуха сахарной и мучной пылью. Пыль мучная в виде аэрозолей способна вызывать раздражение дыхательных путей, а также аллергические заболевания. ПДК мучной пыли в рабочей зоне не должна превышать 6 мг/м3. В этих пределах (2-6 мг/м3) регламентируются предельно допустимые концентрации и других видов растительной пыли, содержащей не более 0,2 % соединений кремния.

санитарного
показателя загрязненности воздушной

На загрязненность
воздуха может указывать изменение
различных параметров. Так, при
пребывании в помещении людей через
некоторое время можно выявить следующие
изменения:

Увеличение
концентрации углекислого газа Увеличение
микробной обсемененности Увеличение
концентрации антропотоксинов Увеличение
концентрации тяжелых ионов Увеличение
влажности воздуха Увеличение содержания
пыли Уменьшение числа легких ионов
Снижение концентрации кислорода

Однако,
основным косвенным показателем
загрязненности воздух жилых помещений
служит углекислый
газ (точнее
его концентрация в воздухе).

При нахождении в
помещении людей концентрация углекислого
газа постепенно увеличивается, так
как выдыхаемый воздух содержит повышенное
его количество.

ПДК
углекислого газа в
воздухе жилых помещений равна:

•
0.07 % (0.7 %») – для
“чистых” помещений (больничных)
–
операционных, палат, перевязочных и
тд.

•
0.1 % (1 %«) – для обычных
жилых
помещений.

Нормирование
содержания углекислого газа в воздухе
связано с тем, что при увеличении его
концентрации он оказывает неблагоприятное
действие на человека. Так, при возрастании
концентрации углекислого газа во
вдыхаемом воздухе до 2 % и более он
оказывает токсическое действие, при
концентрации – 3-4 % – сильное токсическое
действие, а концентрация 7-8 % является
летальной.

По углекислому
газу рассчитывают необходимую’ величину
вентиляции (см. следующий вопрос).

Содержание

Гигиенические требования к вентиляции различных помещений. Воздушный куб. Нормы воздухообмена.
Круговорот углерода, СО2 и время
Понять термостат

Гигиенические требования к вентиляции различных помещений. Воздушный куб. Нормы воздухообмена.

Сколько воздуха
нужно человеку для нормального
существования?

Вентиляция помещений
обеспечивает своевременное удаление
избытка углекислого газа, тепла, влаги,
пыли, вредных веществ, в общем, результатов
различных бытовых процессов и пребывания
в помещении людей.

1)
Естественная.
Заключается
в естественном воздухообмене между
помещением и внешней средой за счет
разницы температур внутреннего и
наружного воздуха, ветра и тд.

Естественная
вентиляция может быть:

1.
Неорганизованная
(путем
фильтрации воздуха через щели)

2.
Организованная
(через
открытые форточки, окна и тд) –
проветривание.

1.
Приточная
–
искусственная подача наружного воздуха
в помещение.

2.
Вытяжная
–
искусственная
вытяжка воздуха из помещения.

3.
Приточно-вытяжная
–
искусственный приток и вытяжка.
Поступление воздуха происходит через
приточную камеру, где он обогревается,
фильтруется и удаляется через вентиляцию.

Общий
принцип вентиляции заключается
в том, что

• В
грязных помещениях должна преобладать
вытяжка (чтобы
исключить самопроизвольное поступление
грязного воздуха в соседние помещения)

• В
чистых помещениях должен преобладать
приток
(чтобы
в них не поступал воздух из грязных
помещений).

Как определить,
сколько чистого воздуха должно поступать
в помещение в час на одного человека,
чтобы вентиляция была достаточной?

Количество
воздуха, которое необходимо подать в
помещение на одного человека в час
называется объемом
вентиляции.

Он может быть
определен по влажности, температуре,
но точнее всего определяется по
углекислому газу.

В воздухе содержится
0.4 °А= углекислого газа. Как уже упоминалось,
для помещений, требующих высокого уровня
чистоты (палаты, операционные), допускается
содержание углекислого газа в воздухе
не более 0.7 А° в обычных помещениях
допускается концентрация до 1 °А».

При пребывании в
помещении людей количество углекислого
газа увеличивается. Один человек
выделяет приблизительно 22.6 л углекислого
газа в час. Сколько же нужно подать
воздуха на одного человека в час, чтобы
эти 22.6 литра разбавить так, чтоб
концентрация углекислого газа в воздухе
помещения не превысила бы 0.7 А- или 1
А»?

Каждый литр
подаваемого в помещение воздуха содержит
0.4 А» углекислого газа, то есть каждый
литр этого воздуха содержит 0.4 мл
углекислого газа и таким образом может
еще “принять” 0.3 мл (0.7 – 0.4) для чистых
помещений (до 0.7 мл в литре или 0.7 А°
) и 0.6 мл (1 – 0.4) для обычных помещений
(до 1 мл в литре или 1 °А. ).

Так как каждый час
1 человек выделяет 22.6 л (22600 мл) углекислого
газа, а каждый литр подаваемого воздуха
может “принять” указанное выше
число мл углекислого газа, то количество
литров воздуха, которое необходимо
подать в помещение на 1 человека в час
составляет

1)
Для
чистых помещений (палаты,
операционные) – 22600 / 0.3 = 75000 л = 75 м3
. То есть, 75 м3
воздуха на каждого человека в час должно
поступить в помещение для того чтобы
концентрация углекислого газа в нем не
превысила 0.7 А=.

2)
Для
обычных помещений –
22600
/ 0.6 = 37000 л = 37 м3.
То есть, 37 м воздуха на каждого человека
в час должно поступить в помещение,
для того чтобы концентрация углекислого
газа в нем не превысила

Если в помещении
находится не один человек, то указанные
цифры ум- ‘ ножаются на количество
человек.

Выше было подробно
объяснено, как находится величина
вентиляционного объема прямо на
конкретных цифрах, вообще же нетрудно
догадаться, что общая формула выглядит
следующим образом:

L
= (К * N)
/ (Р – Р,) = (22.6 л * N)
/ (Р – 0.4%.) где

L
– объем вентиляции (м )

К – количество
углекислого газа, выдыхаемого человеком
за час (л)

N – число людей в
помещении

Р – максимально
допустимое содержание углекислоты в
помещении (А»)

Pi
– содержание углекислого газа в атмосферном
воздухе (А»)

По
данной формуле мы рассчитываем необходимый
объем подаваемого воздуха (необходимый
объем вентиляции). Для того, чтобы
рассчитать реальный объем воздуха,
который подается в помещение за час
(реальный
объем вентиляции) нужно
в формулу вместо Р (ПДК углекислого газа
– 1 А°, 0.7 /..) подставить реальную концентрацию
углекислого газа в данном помещении
в промилях:

L
реальный – реальный объем вентиляции

Для определения’
концентрации углекислого газа используют
метод Суб-ботина-Нагорского (основан
на снижении титра едкого Ва, наиболее
точен), метод Реберга (также использование
едкого Ва, экспресс-метод), метод
Прохорова, фотоколориметрический
метод и др.

Другой
количественной характеристикой
вентиляции, непосредственно связанной
с объемом вентиляции, является кратность
вентиляции. Кратность
вентиляции показывает сколько раз в
час воздух в помещении полностью
обменивается.

Кратность
вентиляции =
Объем
попядаемого (изилекяр.мого) в
час возпуха

Соответственно,
чтобы рассчитать для данного помещения
необходимую
кратность вентиляции нужно
в эту формулу в числителе подставить
необходимый
объем вентиляции. А
для того, чтобы узнать, какова реальная
кратность вентиляции в
помещении в формулу подставляют реальный
объем вентиляции (расчет
см. выше).

Кратность вентиляции
может рассчитываться по притоку
(кратность по притоку), тогда в формулу
подставляется объем подаваемого в час
воздуха и значение указывается со знаком
(+), а может рассчитываться по вытяжке
(кратность по вытяжке), тогда в формулу
подставляется объем извлекаемого в час
воздуха и значение указывается со знаком
(-).

Например, если в
операционной кратность вентиляции
обозначается как + 10, -8, то это означает,
что каждый час в это помещение поступает
десятикратный, а извлекается
восьмикратный объем воздуха по отношению
к объему помещения.

Существует такое
понятие как воздушный куб.

Воздушный
куб –
это необходимый на одного человека
объем воздуха.

Норма
воздушного куба составляет
25-27 м” . Но как было рассчитано выше
на одного человека в час требуется
подавать объем воздуха 37 м3
, то есть при данной норме воздушного
куба (данном объеме помещения.) необходимая
кратность воздухообмена составляет
1.5 (37 м / 25 м = 1.5).

Соседние файлы в предмете Гигиена

санитарного
показателя загрязненности воздушной

На
загрязненность воздуха может указывать
изменение различных параметров.
Так, при пребывании в помещении людей
через некоторое время можно выявить
следующие изменения:

При
нахождении в помещении людей концентрация
углекислого газа постепенно
увеличивается, так как выдыхаемый
воздух содержит повышенное его
количество.

ПДК
углекислого газа в
воздухе жилых помещений равна:

•
0.07 % (0.7 %») – для
“чистых” помещений (больничных)
–
операционных, палат, перевязочных
и тд.

•
0.1 % (1 %«) – для обычных
жилых
помещений.

По
углекислому газу рассчитывают
необходимую’ величину вентиляции (см.
следующий вопрос).

Сколько
воздуха нужно человеку для нормального
существования?

Вентиляция
помещений обеспечивает своевременное
удаление избытка углекислого газа,
тепла, влаги, пыли, вредных веществ, в
общем, результатов различных бытовых
процессов и пребывания в помещении
людей.

Естественная
вентиляция может быть:

1.
Неорганизованная
(путем
фильтрации воздуха через щели)

2.
Организованная
(через
открытые форточки, окна и тд) –
проветривание.

1.
Приточная
–
искусственная подача наружного воздуха
в помещение.

2.
Вытяжная
–
искусственная
вытяжка воздуха из помещения.

3.
Приточно-вытяжная
–
искусственный приток и вытяжка.
Поступление воздуха происходит
через приточную камеру, где он
обогревается, фильтруется и удаляется
через вентиляцию.

Общий
принцип вентиляции заключается
в том, что

• В
чистых помещениях должен преобладать
приток
(чтобы
в них не поступал воздух из грязных
помещений).

Как
определить, сколько чистого воздуха
должно поступать в помещение в час на
одного человека, чтобы вентиляция была
достаточной?

Он
может быть определен по влажности,
температуре, но точнее всего определяется
по углекислому газу.

В
воздухе содержится 0.4 °А= углекислого
газа. Как уже упоминалось, для помещений,
требующих высокого уровня чистоты
(палаты, операционные), допускается
содержание углекислого газа в воздухе
не более 0.7 А° в обычных помещениях
допускается концентрация до 1 °А».

При
пребывании в помещении людей количество
углекислого газа увеличивается.
Один человек выделяет приблизительно
22.6 л углекислого газа в час. Сколько же
нужно подать воздуха на одного человека
в час, чтобы эти 22.6 литра разбавить так,
чтоб концентрация углекислого газа в
воздухе помещения не превысила бы
0.7 А- или 1 А»?

Каждый
литр подаваемого в помещение воздуха
содержит 0.4 А» углекислого газа, то
есть каждый литр этого воздуха содержит
0.4 мл углекислого газа и таким образом
может еще “принять” 0.3 мл (0.7 – 0.4)
для чистых помещений (до 0.7 мл в литре
или 0.7 А° ) и 0.6 мл (1 – 0.4) для обычных
помещений (до 1 мл в литре или 1 °А. ).

Так
как каждый час 1 человек выделяет 22.6 л
(22600 мл) углекислого газа, а каждый литр
подаваемого воздуха может “принять”
указанное выше число мл углекислого
газа, то количество литров воздуха,
которое необходимо подать в помещение
на 1 человека в час составляет

1)
Для
чистых помещений (палаты,
операционные) – 22600 / 0.3 = 75000 л = 75 м3
. То есть, 75 м3
воздуха на каждого человека в час
должно поступить в помещение для
того чтобы концентрация углекислого
газа в нем не превысила 0.7 А=.

Если
в помещении находится не один человек,
то указанные цифры ум- ‘ ножаются на
количество человек.

Выше
было подробно объяснено, как находится
величина вентиляционного объема
прямо на конкретных цифрах, вообще же
нетрудно догадаться, что общая формула
выглядит следующим образом:

L
= (К * N)
/ (Р – Р,) = (22.6 л * N)
/ (Р – 0.4%.) где

L
– объем вентиляции (м )

К –
количество углекислого газа, выдыхаемого
человеком за час (л)

N –
число людей в помещении

Р –
максимально допустимое содержание
углекислоты в помещении (А»)

Pi
– содержание углекислого газа в
атмосферном воздухе (А»)

По
данной формуле мы рассчитываем
необходимый объем подаваемого воздуха
(необходимый объем вентиляции). Для
того, чтобы рассчитать реальный
объем воздуха, который подается в
помещение за час (реальный
объем вентиляции) нужно
в формулу вместо Р (ПДК углекислого
газа – 1 А°, 0.7 /..) подставить реальную
концентрацию углекислого газа в данном
помещении в промилях:

L
реальный – реальный объем вентиляции

Для
определения’ концентрации углекислого
газа используют метод Суб-ботина-Нагорского
(основан на снижении титра едкого Ва,
наиболее точен), метод Реберга (также
использование едкого Ва, экспресс-метод),
метод Прохорова, фотоколориметрический
метод и др.

Кратность
вентиляции =
Объем
попядаемого (изилекяр.мого) в
час возпуха

Кратность
вентиляции может рассчитываться по
притоку (кратность по притоку), тогда
в формулу подставляется объем подаваемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (+), а может рассчитываться по
вытяжке (кратность по вытяжке), тогда
в формулу подставляется объем извлекаемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (-).

Например,
если в операционной кратность вентиляции
обозначается как + 10, -8, то это означает,
что каждый час в это помещение поступает
десятикратный, а извлекается
восьмикратный объем воздуха по отношению
к объему помещения.

Существует
такое понятие как воздушный куб.

Воздушный
куб –
это необходимый на одного человека
объем воздуха.

Норма
воздушного куба составляет
25-27 м” . Но как было рассчитано выше
на одного человека в час требуется
подавать объем воздуха 37 м3
, то есть при данной норме воздушного
куба (данном объеме помещения.)
необходимая
кратность воздухообмена составляет
1.5 (37 м / 25 м = 1.5).

По
углекислому газу рассчитывают необходимую’
величину вентиляции (см. следующий
вопрос).

Кратность
вентиляции может рассчитываться по
притоку (кратность по притоку), тогда в
формулу подставляется объем подаваемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (+), а может рассчитываться по
вытяжке (кратность по вытяжке), тогда в
формулу подставляется объем извлекаемого
в час воздуха и значение указывается
со знаком (-).

Санитарного показателя загрязненности воздушной

Среды различных помещений.

На загрязненность воздуха может указывать изменение различных параметров. Так, при пребывании в помещении людей через некоторое время можно выявить следующие изменения:

Увеличение концентрации углекислого газа Увеличение микробной обсемененности Увеличение концентрации антропотоксинов Увеличение концентрации тяжелых ионов Увеличение влажности воздуха Увеличение содержания пыли Уменьшение числа легких ионов Снижение концентрации кислорода

Однако, основным косвенным показателем загрязненности воздух жилых помещений служит углекислый газ (точнее его концентрация в воздухе).

При нахождении в помещении людей концентрация углекислого газа постепенно увеличивается, так как выдыхаемый воздух содержит повышенное его количество.

ПДК углекислого газа в воздухе жилых помещений равна:

• 0.07 % (0.7 %») – для “чистых” помещений (больничных) – операционных, палат, перевязочных и тд.

• 0.1 % (1 %«) – для обычных жилых помещений.

Нормирование содержания углекислого газа в воздухе связано с тем, что при увеличении его концентрации он оказывает неблагоприятное действие на человека. Так, при возрастании концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе до 2 % и более он оказывает токсическое действие, при концентрации – 3-4 % – сильное токсическое действие, а концентрация 7-8 % является летальной.

По углекислому газу рассчитывают необходимую’ величину вентиляции (см. следующий вопрос).

9. Гигиенические требования к вентиляции различных помещений. Воздушный куб. Нормы воздухообмена.

Сколько воздуха нужно человеку для нормального существования?

Вентиляция помещений обеспечивает своевременное удаление избытка углекислого газа, тепла, влаги, пыли, вредных веществ, в общем, результатов различных бытовых процессов и пребывания в помещении людей.

Круговорот углерода, СО2 и время

В предыдущем выпуске «ТрВ-Наука» Борис Штерн и Игорь Эзау уже дали важные объяснения парниковому эффекту.

И мы уже знаем, что СО2 играет чрезвычайно важную роль в регулировании температуры поверхности планеты. Чтобы понять роль углекислого газа в формировании климата Земли, нам придется проделать небольшой экскурс в ее механизм.

Как мы помним, Земля уникальна в Солнечной системе: здесь есть вода и свободный кислород, и поэтому долгосрочный климатический термостат связан с геохимическими циклами в твердой земле, их взаимодействием с атмосферой, составом атмосферы и составом морской воды. Климат-контроль — это не только наблюдения за погодой, т. е. за процессами, протекающими в нашей тропосфере (др.-греч. τρόπος — ‘поворот’ и σφαῖρα — ‘сфера’). Это контроль за круговоротом важнейших химических элементов, слагающих планету.

Каким образом углекислый газ выходит на такие важные позиции в нашем климате?

Количество углерода в атмосфере исчезающе мало по сравнению с огромным количеством углерода на суше и в океане. Большая часть этого углерода содержится в виде карбонатов кальция в осадочных породах (называемых геологами известняками), и часть — как нерастворимые осадки органических отложений (называемых геологами керогеном)*. Только небольшая часть, около шестидесяти атомов из каждого миллиона, в настоящее время находится в атмосфере почти исключительно в виде СО2. Для того, чтобы осесть на поверхности суши или в океане, СО2 должен либо в атмосфере вступить в соединение с водой, и тогда он выпадает вместе с дождем в виде угольной кислоты H2CO3, либо попасть в океан в растворенном виде. Как? Углерод циркулирует между атмосферой и твердой землей в результате разрушения и формирования пород земной коры. Как мы заметили выше, основными участниками в контексте климата являются Са и Si, и в качестве примера можно привести химическую реакцию расщепления Са-Si-компонента:

CaSiО3 + СО2 ⇔ CaCO3 + SiO2

CaSiО3 — это минерал волластонит, с самой простой формулой из всех силикатных пород (без нерастворимых минералов), наиболее распространенных в земной коре (силикатные породы образуются в результате тектонических процессов, т. е. при огромном давлении и температуре, при остывании магмы и лавы). Его реакция с СО2 — это пример процесса химического выветривания. А правая часть реакции — карбонат кальция и кремнезём .

Реакция эта идет в обе стороны, т. е. если посмотреть на уравнение справа налево, то кальцит вступает в реакцию с кремнеземом тогда, когда донные осадки океанической плитой переносятся в зоны субдукции, т. е. погружения под другую плиту. Там высокие температуры и давление вызывают перекристаллизацию минералов в процессе метаморфизма. Это реакция называется метаморфической декарбонизацией. Снова образуется CaSiО3 и остается в мантии до поры до времени, а вот освободившийся углерод после окисления и превращения в СО2 стремится вырваться наружу. Это процесс «дегазации», и происходит он или во время извержения вулканов, или через горячие источники и гейзеры. СО2 снова оказывается в атмосфере и снова начинает участвовать в процессе выветривания.

Если в процессе выветривания силикатные породы разрушаются на суше, растворяясь водой, то реками и ручьями или грунтовыми водами они переносятся в океан. После того, как растворенный кальцит и кремнезём достигают океана, морские организмы используют их для формирования своих панцирей и раковин (или скелетов — в случае с кораллами). Их количество регулирует поглощение СО2 из атмосферы и суши.

Да, у Земли существует механизм самобалансирования углерода.

Потоки СО2 в результате выветривания и дегазации малы по сравнению с другими потоками, но если бы они были разбалансированы, например, если бы прекратилась дегазация, весь СО2 в атмосфере был бы израсходован на химическое выветривание за несколько сотен тысяч лет. Земля старше четырех миллиардов, так что, если проследить всю ее историю, можно сделать вывод, что потоки СО2 из продуктов выветривания, идущие в океан, и из дегазации, идущие в атмосферу, должны были быть сбалансированы. Земле удается сбалансировать эти потоки, находя правильную концентрацию СО2, это механизм стабилизации климата, называемый СО2-термостатом силикатного выветривания, или силикатно-карбонатным балансом. Иными словами, химическое выветривание силикатных пород контролирует климат, поглощая атмосферный углекислый газ.

В холодном климате общее количество осадков меньше, и, следовательно, уровень образования СО2, поглощаемого реакциями выветривания, более медленный. Следовательно, окисленный углерод стремится превратиться в CaCO3.

Дисбаланс в потоках позволит СО2, не использованному на выветривание, накапливаться в атмосфере, нагревать климат, увеличивать скорость выветривания и возвращать потоки дегазации и выветривания обратно к равновесию.

Если климат слишком теплый, окисленный углерод стремится остаться в атмосфере в виде СО2 и не балансируется кальцитом, осажденным в глубоководных отложениях. Но тогда СО2 потребляется на химическое выветривание быстрее, чем выделяется СО2 при дегазации Земли. Планета охлаждается, стремясь к балансу углеродного потока.

Какой бальзам для отрицателей! Получается, что независимо от того, мало или много СО2 в атмосфере, Земля найдет способ сбалансировать последствия?

Да, механизм саморегуляции существует. Но термостат регулирует СО2 и климат в геологической временной шкале в сотни тысяч лет.

На протяжении геологической истории тектонический термостат регулировал баланс углерода в атмосфере. Но не всегда справлялся! Случались на Земле такие процессы, за которыми термостат не успевал. Эпизоды таких поражений заканчивались глобальными вымираниями. Как известно, их было пять. Но после катастрофы механизм перестраивался и возвращал СО2 до концентрации, которая в создавшихся условиях обеспечивала жизнь. И эти концентрации очень сильно отличались друг от друга (рис. 1).

Жить по 50 тыс. лет не могут даже самые лучшие из нас. Так что надежду на земную саморегуляцию происходящих сегодня процессов нужно пока оставить.

Понять термостат

Мы подошли к важному выводу: зная механизм круговорота углерода, можно изменить установку термостата, создавая парниковый мир, подобный миру динозавров, или холодный мир, подобный сегодняшнему.

Отрицательный баланс углерода — это реакции выветривания, которые поглощают СО2. Горная местность выветривается быстрее, чем плоская равнина, покрытая плодородной почвой, потому что почва изолирует силикатные породы от дождевой воды, необходимой для выветривания. Гималаи — самая высокая горная система на Земле, возникшая в результате континентальной коллизии Индостана и Азиатской плиты несколько десятков миллионов лет назад, — продолжают подниматься. Существует гипотеза, что поднятие Гималаев может быть ответственным за нашу нынешнюю относительно прохладную эру, в отличие от «тепличных» периодов, таких, как меловой, или оптимума раннего эоцена (рис. 1), когда в воздухе могло быть в десять раз больше СО2, чем сегодня. Растения могут влиять на климат Земли, закачивая СО2 в воздушные поры в почве. Благодаря растениям, концентрации СО2 в почвенном воздухе могут быть в десять раз выше, чем в атмосфере. Дополнительный СО2 имеет тенденцию повышать скорость химического выветривания и потому что СО2 является компонентом реакции выветривания, и потому что СО2 оказывается кислотой, которая растворяет горные породы.

Как видите, термостат планет Солнечной системы может быть сломан. Земле и нам вместе с ней повезло, у нас термостат работает, запущенный тектоническими процессами, он регулирует содержание углерода в разных ее резервуарах, поддерживая жизнь.