Какие слои составляют атмосферный воздух, как он устроен и какие признаки существуют

Физические свойства. Атмосферное давление

Основные свойства атмосферы:

• плотность воздуха над поверхностью моря – 1,2 кг/м3;
• давление при нулевой температуре – 101,325 кПа;
• масса водяных паров в составе воздуха – 1,27х1016 кг.

Атмосферное давление – сила, с которой вся газовая оболочка воздействует на поверхность

Атмосферное давление, как одно из свойств воздушной оболочки, заслуживает особого внимания. Это сила, с которой весь воздух действует на поверхность Земли, а также все расположенные на ней объекты.

Так как воздух имеет существенный вес, на него действует гравитационная сила. За счет этого и образуется давление. Его показатель нестабильный по нескольким причинам. Например, один из факторов состоит в том, что масса воздуха вокруг планеты всюду разная. На это влияет атмосферная циркуляция.

Также давление зависит от состава атмосферы, ведь у каждого газа своя плотность. С высотой слой атмосферы становится все тоньше, снижается его плотность и падает давление.

Термосфера

Начинается на высоте около 90 км и заканчивается ближе к 800 км. Характеризуется интенсивным возрастанием температуры с высотой (до 300 км, затем остается стабильно высокой). Но ввиду неоднородной солнечной активности, поглощения УФ излучения, ее показатель колеблется в пределах 200-2000 К.

“Спутник-1” – первый в мире искусственный спутник (СССР, 1957)

Здесь летают беспилотные спутники, пилотируемые космические аппараты. Так как воздух в термосфере сильно разрежен, высокая температура не наносит летательным аппаратам вреда. Также на данной высоте наблюдается полярное сияние.

Процесс окисления

При соединении кислорода с водородом или углеродом, совершается реакция, именуемая окислением. Этот процесс заставляет органические молекулы, являющиеся основанием жизни, распадаться. В человеческом организме окисление проходит следующим образом. Эритроциты крови собирают кислород из легких и разносят его по всему телу. Происходит процесс разрушения молекул еды, которую мы употребляем. Этот процесс освобождает энергию, воду и оставляет диосксид углерода. Последний выводится клетками крови обратно в легкие, и мы выдыхаем его в воздух. Человек может задохнуться, если ему помешать дышать дольше, чем 5 минут.

Планетарный пограничный слой

Самый нижний шар тропосферы. Его толщина составляет 1-2 км. Состояние атмосферы в этой области и различные ее изменения напрямую зависят от земной поверхности или, как ее еще называют, подстилающей. Данный слой также разделяют на 3 дополнительных (по возрастанию):

• слой шероховатости;
• приземный;
• Экмана.

Из чего состоит атмосфера

Атмосфера Земли состоит из множества газов. В основном это азот, который занимает 77 %. Газ, без которого немыслима жизнь на Земле, занимает гораздо меньший объем, содержание кислорода в воздухе равно 21 % от всего объема атмосферы. Последние 2 % – смесь различных газов, включая аргон, диоксид углерода, гелий, неон, криптон и другие.

Атмосфера Земли поднимается на высоту 8 тыс. км. Воздух, пригодный для дыхания, есть только в нижнем слое атмосферы, в тропосфере, достигающей на полюсах – 8 км, ввысь, а над экватором – 16 км. С увеличением высоты воздух становится более разреженным и тем больше ощутима нехватка кислорода. Чтобы рассмотреть, какое содержание кислорода в воздухе бывает на разной высоте, приведем пример. На пике Эвереста (высота 8848 м) воздух вмещает этого газа в 3 раза меньше, чем над уровнем моря. Поэтому покорители высокогорных вершин – альпинисты – могут подняться на его вершину только в кислородных масках.

Сколько весит атмосфера?

Хоть мы и не ощущаем воздух, он состоит из молекул, как любое тело

Весь воздух на нашей планете весит (5,1–5,3) х1018 кг. При этом он состоит непосредственно из сухого воздуха, а также из водяных паров. Человечество узнало о том, что воздух не невесомый, благодаря опыту Эванджелиста Торричелли в 1643 году с ртутью и стеклянной емкостью. Он состоит из атомов и молекул, как и любые тела.

Кислород – главное условие выживания на планете

В начале существования Земли воздух, который ее окружал, не имел этого газа в своем составе. Это вполне подходило для жизни простейших – одноклеточных молекул, которые плавали в океане. Им кислород не был нужен. Процесс начался примерно 2 млн лет назад, когда первые живые организмы в результате реакции фотосинтеза начали выделять малые дозы этого газа, полученного в результате химических реакций, сначала в океан, затем в атмосферу. Жизнь развилась на планете и приняла разнообразные формы, большинство из которых не дожили до наших времен. Некоторые организмы со временем приспособились к жизни с новым газом.

Они научились использовать его силу безопасно внутри клетки, где она выступала в роли электростанции, для того чтобы добывать энергию из еды. Такой способ использования кислорода называется дыханием, и мы это делаем ежесекундно. Именно дыхание дало возможность для появления более сложных организмов и людей. За миллионы лет содержание в воздухе кислорода взлетело до современного уровня – около 21 %. Накопление этого газа в атмосфере способствовало созданию озонового слоя на высоте 8–30 км от поверхности земли. Вместе с этим планета получила защиту от пагубного действия ультрафиолетовых лучей. Дальнейшая эволюция жизненных форм на воде и на суше стремительно возросла в результате увеличения фотосинтеза.

Какой кислородный уровень оптимален для жизни

Преждевременно рожденные малыши, легкие которых еще не полностью раскрыты для дыхания, попадают в специальные инкубаторы. В них содержание кислорода в воздухе по объему выше, и вместо обычных 21 % здесь установлен его уровень 30-40 %. Малыши, имеющие серьезные проблемы дыхания, окружаются воздухом со стопроцентным уровнем кислорода, чтобы предотвратить повреждение детского мозга. Нахождение в таких обстоятельствах совершенствует кислородный режим тканей, пребывающих в состоянии гипоксии, приводит в норму их жизненные функции. Но его чрезмерное количество в воздухе так же опасно, как и недостаток. Чрезмерное количество кислорода в крови ребенка может привести к повреждению кровеносных сосудов в глазах и спровоцировать утрату зрения. Это показывает двойственность свойств газа. Мы должны дышать им, чтобы жить, но его избыток иногда может стать отравой для организма.

Мезосфера

Начинается выше 50 км и заканчивается на высоте примерно 80-90 км. Чем выше, тем сильнее опускается температура. Холоднее всего рядом со следующим пограничным слоем – около -80℃.

Мезосфера состоит на 80% из азота и на 20% из кислорода. Метеорные тела, попадая в это пространство, светятся и сгорают. Также здесь иногда формируются серебристые облака. Это очень редкое явление, возникающее в летний период из-за низких температур.

Откуда берется кислород?

Еще со школьной скамьи наверняка каждый знает о том, что кислород поступает в атмосферу благодаря непрекращающейся работе растений. Поэтому постоянно актуальной является проблема уничтожения лесов и их восстановление. При этом потребность в кислороде с каждым годом возрастает.

Кислород вырабатывается растениями в результате сложного химического процесса – фотосинтеза. В ходе него энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию. Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, который в данной реакции является побочным продуктом, а также органические вещества. Учеными подсчитано, что зеленые растения выделяют около 6 тонн кислорода на каждую тонну, которая требуется для их дыхания.

Это, безусловно, существенные показатели, но стоит знать, что кислород, выделенный наземными растениями, составляет лишь 20% от общего его количества. Поступление остальных 80% кислорода обеспечивается морскими и океаническими водорослями, которые имеют общее название – фитопланктон. По этой причине океан неофициально называют «легкими» нашей планеты.

Фитопланктон в Чёрном море. Май 2004 года

Реакция фотосинтеза протекает преимущественно в сине-зеленых водорослях. В упрощенной схеме данной реакции это выглядит следующим образом. Углекислый газ сочетается с водой и в результате получается два вещества – глюкоза и кислород. Последний, к слову, фитопланктон расценивает как ненужный, поэтому излишки кислорода выделяются в воду, а потом в атмосферу. Водорослям при этом требуется энергия для осуществления реакции. Они получают ее из солнечного света, который попадает в воду.

Интересный факт: почему именно растения (наземные и подводные) производят кислород? Потому что в них есть специальный пигмент – хлорофилл, при участии которого осуществляется фотосинтез. И именно благодаря данному пигменту растения окрашены в зеленый цвет.

Что первично для организма

В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме. Но сейчас маятник выбора качнулся в сторону углекислого газа. Постепенно пришли к выводу, что первичным, запускающим, механизмом является накопление в организме углекислого газа.

Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму. Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты. При этом венозная кровь окрашена с помощью углекислого газа в темно-красный цвет, а артериальная кровь с помощью кислорода — в ярко-красный.

Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).

Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).

В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.

Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.

Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.

В этой ситуации имеется некоторая аналогия с поведением спасателя при остановке сердца: он должен повернуть пострадавшего на спину и нанести ему удар ребром руки по грудной клетке. Цель — сотрясение грудной клетки, что должно привести к запуску остановившегося сердца.

Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.

Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.

Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека. В разных методиках это достигается или за счет задержки дыхания после вдоха либо после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций. Иными словами, нужно, чтобы фаза выдоха существенно превышала вдох.

Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.

В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть! Но далее неожиданно выясняется, что очень редкое дыхание йогов может быть связано с повышенной ролью у них кожного дыхания.

И действительно, в этом что-то есть. Площадь кожи человека, покрытая 5 миллионами волосков, составляет 1,5–2 м2. А суммарная площадь 600 миллионов альвеол в легких — около 100 м2. Грубо получается, что на уровне 1–2% кожа может выполнять дыхательную функцию. Измерения показали, что через кожу выделяется около 2% углекислого газа и поглощается примерно 1% кислорода. Более того, через кожу выводится из организма порядка 800 граммов водяных паров — даже больше, чем из легких!

Стратосфера

Следующий базовый слой – стратосфера, расположенная на высоте 11-50 км. Условия в этом шаре постоянно меняются с высотой. Например, в промежутке 11-25 км температура начинает повышаться практически незначительно. Выше 25 км (до 40 км) она резко увеличивается до 0℃, а далее остается относительно стабильной.

С стратосфере располагается озоновый слой, который защищает Землю от УФ излучения

В отличие от тропосферы, местная среда более однородная. Водяные пары в ней практически отсутствуют. Именно здесь располагается озоновый слой. Его примерная высота от 15-20 км и до 55-60. Озон активнее всего формируется на 30-километровой высоте. Северное сияние, зарница и другие явления, связанные со светом, происходят в стратосфере.

Интересный факт: осваивать стратосферу люди начали в 30-х годах. В 1931 О. Пикар и П. Кипфер поднялись на высоту 16,2 км на первом стратостате – FNRS-1. Вдохновившись этим достижением, советские исследователи построили собственные стратостаты. В 1933 «СССР-1» поднялся на 19 км вверх, тем самым установив новый рекорд.

Линия Кармана

Еще выше мезопаузы проходит линия Кармана (условная) – на высоте 100 км, согласно данным Международной авиационной федерации. Она служит границей между земной атмосферой и открытым космосом, хотя воздушная оболочка здесь еще не заканчивается. Также на данной высоте заканчиваются границы всех государств.

Интересный факт: впервые линию Кармана преодолела немецкая ракета «Фау-2» в 1944. А первыми млекопитающими, которые успешно пересекли линию и вернулись обратно, стали собаки с кличками Дезик и Цыган (СССР, 1951 год).

Как образовалась атмосфера?

Согласно самой распространенной теории, земная атмосфера находилась в 3-х разных фазах. Изначально она представляла собой смесь гелия и водорода – легких газов. На этом этапе атмосферу называют первичной.

Затем в составе оболочки появились новые газы: аммиак, пары воды, углекислый газ. Их накоплению поспособствовала высокая вулканическая активность. Это вторичная атмосфера.

Третичная атмосфера появилась в результате нескольких процессов. Во-первых, в ее пределах происходили различные химические реакции, вызванные грозами, УФ излучением и прочими явлениями.

Во-вторых, если на первом этапе оболочка захватывала легкие газы из космического пространства, то теперь они наоборот начали улетучиваться. Таким образом, в составе стало больше углекислого газа, азота и меньше водорода.

Интересный факт: ученые считают, что более 2 миллиардов лет назад на Земле произошла кислородная катастрофа. В результате сложных процессов кислород начал накапливаться в атмосфере. Это привело к развитию аэробных организмов и резкому изменению состава атмосферы.

Состав и границы

Оболочка, исходя из названия, состоит из смеси определенных газов. Стоит отметить, что ее изначальный химический состав определяется свойствами Солнца, когда планета находится на начальной стадии формирования. Затем наличие и количество тех или иных веществ меняется вследствие эволюции.

Химический состав атмосферы

В состав атмосферы Земли входят преимущественно газы, а также разные примеси, например, частицы воды, пыль, лед, продукты горения и др. На 78% оболочка состоит из азота, на 21% – из кислорода. Среди прочих компонентов присутствуют аргон, углекислый газ, гелий, водород и др.

Интересный факт: если содержание большинства компонентов атмосферы Земли не меняется в течение многих лет, то концентрация углекислого газа постепенно растет, начиная с 19-го века. В настоящее время его показатель – около 0,04%.

Несмотря на плавный переход в космическое пространство, ученые утверждают, что заканчиваются границы оболочки в экзосфере (примерная высота – 500-1000 км). В авиации и космонавтике имеются свои представления о том, где заканчивается атмосфера.

Так, Международная авиационная федерация называет пограничной отметкой высоту в 100 км. Самолеты не поднимаются выше данного предела. А космические корабли, шаттлы, достигая высоты 122 км, переключаются на аэродинамическое управление. Поэтому NASA предлагает такую отметку в качестве границы.

Дыхание

Рассмотрим содержание кислорода во вдыхаемом воздухе. Атмосферный воздух, попадающий извне в легкие при вдыхании, именуется вдыхаемым, а воздух, который выходит наружу через дыхательную систему при выдохе, – выдыхаемым.

Он представляет собой смесь воздуха, заполнявшего альвеолы, с тем, который находится в дыхательных путях. Химический состав воздуха, который здоровый человек вдыхает и выдыхает в естественных условиях, практически не меняется и выражается такими цифрами.

Содержание газов (в %)

Кислород – главная для жизни составляющая воздуха. Изменения количества этого газа в атмосфере невелики. Если у моря содержание в воздухе кислорода вмещает до 20,99 %, то даже в очень загрязненном воздухе индустриальных городов его уровень не падает ниже 20,5 %. Такие изменения не выявляют воздействия на человеческий организм. Физиологические нарушения проявляются тогда, когда процентное содержание кислорода в воздухе падает до 16-17 %. При этом наблюдается явная кислородная недостаточность, которая ведет к резкому падению жизнедеятельности, а при содержании в воздухе кислорода 7-8 % возможен летальный исход.

Атмосферы других планет

На других планетах также есть газовые оболочки, однако они существенно отличаются от земной атмосферы по составу и свойствам.

Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа и азота. Плотность ее намного выше, а температура близится к 500℃. Облака образованы сернистым газом и кислотой. Присутствует парниковый эффект.

Глобальная пылевая буря на Марсе

Атмосфера Меркурия разреженная – давление в 5 х 1011 ниже, чем на Земле. Ее составляющие рассеиваются в космическом пространстве из-за недостатка гравитационной силы и магнитного поля.

Газовая оболочка Марса состоит, преимущественно, из углекислого газа. Она в 200 раз меньше земной, а давление ниже (примерно, как на высоте 35 км). На Марсе бывают осадки в виде тумана, дождя, снега. Случаются полярные сияния, пылевые бури.

Интересный факт: атмосфера есть и у Луны. Она почти не оказывает влияния на спутник из-за разреженности, низкого давления. В составе обнаружены водород, гелий, неон и другие газы.

Большое красное пятно на Юпитере

У Юпитера самая крупная атмосфера среди других планет Солнечной системы. Основу состава представляют водород и гелий, как и химический состав самой планеты. Газовая оболочка тоже состоит из нескольких слоев. Интерес ученых вызывает Большое красное пятно – атмосферный вихрь, самый крупный в нашей Солнечной системе.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Взгляд снаружи

Эти данные соответствуют диапазону жизнедеятельности человека на уровне моря. По мере подъема в горы давление снижается, что наглядно отражают кривые атмосферного давления и парциального давления кислорода (рис. 1).

Оценка времени развития кислородной недостаточности при нахождении в замкнутом объеме. В качестве примера рассмотрим несколько ситуаций с людьми, находящимися в замкнутом объеме: один человек, застрявший в лифте объемом V = 2 м3; два человека в комнате с V = 30 м3; сто человек, застрявшие в остановившемся вагоне метро с V = 250 м3.

В каждом случае найдем, за какое время Δt в замкнутом объеме V в процессе спокойного дыхания людей концентрация кислорода снижается от первоначального уровня 21% до начала кислородной недостаточности, т.е. до 14%. Подчеркнем — спокойного, поскольку при панике это время сильно снижается. Спокойному дыханию соответствует потребление кислорода на уровне 0,25 литра в минуту. Поскольку 1 литр O2 соответствует 5 ккал энергии, то 0,25 л/мин сообщает организму за сутки 0,25 × 5 × 60 × 24 ккал = 1800 ккал энергии. Так как плотность человеческого организма около 1000 кг/м3, тело массой 70 кг занимает объем 0,07 м3, или 70 литров. Добавив одежду, получим оценку объема, вытесняемого из замкнутого помещения, в 100 литров, или 0,1 кубометра на человека.

Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота. По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.

Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет

Лифт. Свободный объем, занятый воздухом, равен 1,9 м3. Изменение уровня содержания CO2 в воздухе от 0,04% до 0,1% займет

Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.

Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?

Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.

Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.

Накопление угарного газа в замкнутом помещении. Казалось бы, откуда взяться угарному газу (СО) в замкнутом помещении, если нет рядом дровяной печки или камина с неидеальной вытяжкой? Но в литературе приводятся следующие данные: наряду с углекислым газом человек выдыхает также и угарный газ — в количестве примерно 1,6 мл/ч (при нормальных условиях); предельно допустимая для человека концентрация угарного газа составляет 1 мг/м3.

Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Для СО молярная масса равна 28 г, поэтому 1 мл СО имеет массу 1,25 мг, а значит, 1,6 мл/ч выдыхаемого СО одним человеком соответствует появлению в воздухе 2 мг/ч угарного газа.

В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.

Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2

Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.

Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:

Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м3 воздуха за час. Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10−4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.

В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2018 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру. Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться. Особенности проплыва через щель показаны на рисунке 3. Спасателям пришлось непрерывно откачивать воду из пещеры. Поэтому в ней находилось большое количество спасателей, помогавших откачивать воду и готовить детей к выходу.

В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода. Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.

Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.

Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны. Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа). Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!

Стратопауза

Пограничный слой между мезосферой и стратосферой. По отношению к уровню моря стратопауза находится на высоте 50-55 км. Температура здесь равна 0℃. Там, где показатель температуры падает, уже начинается мезосфера. Такой пограничный слой имеется и на других планетах с атмосферой.

Интересное видео об атмосфере Земли

Нет, однако, никаких гарантий, что уровень кислорода останется на века таким же, как сейчас. Возрастает количество выбрасываемой в атмосферу двуокиси углерода. Источником ее является ископаемое жидкое топливо, например бензин, мазут, при сгорании которых образуется углекислый азот. В то же время леса, зеленые легкие Земли, уничтожаются все возрастающими темпами. За одну минуту вырубается несколько гектаров леса. Такое сочетание предопределяет уменьшение содержания кислорода в атмосфере, и ученые ломают голову над тем, как сократить наносимый ей ущерб.

Взгляд изнутри

На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1–2% (исключение — эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации CO2 в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием. На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации CO2 время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов. В результате желательная концентрация CO2 в клетках должна быть 6% и даже немного больше. Примерное содержание кислорода и углекислого газа в различных частях организма человека, приведенное в таблице 3, подтверждает вышеуказанные цифры.

Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа

В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы — концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые оплетены сетью капилляров (рис. 5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно 100 м2) осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие. Более точно, в среднем за сутки из альвеолярного воздуха в кровь поступает 500 литров кислорода и выделяется 430 литров углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.

Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К. Ю. Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).

Значение атмосферы

Без воздушной оболочки на нашей планете не было бы живых организмов. От нее и связанных процессов напрямую зависит органическая жизнь. Наиболее важными компонентами атмосферы являются кислород, водяной пар, азот, озон и углекислый газ.

Кислород является неотъемлемой частью жизни на Земле

Значение атмосферных газов:

• Кислород – обеспечивает существование аэробных организмов за счет окисления органических веществ и образования энергии.
• Углекислый газ – поглощается растениями, которые участвуют в процессе фотосинтеза и продуцируют органические вещества.
• Азот – требуется для питания растений.
• Озон – поглощает ультрафиолетовое излучение и защищает живые организмы от солнечной радиации.
• Водяной пар – конденсируется, превращается в облака, способствует выпадению осадков.

Изучение атмосферы

На всех континентах нашей планеты, а также на многих островах расположены постоянно активные метеорологические станции, посты. С их помощью ведется непрекращающееся наблюдение за атмосферой и процессами, которые в ней происходят.

Специалисты собирают данные о состоянии воздуха (влажности, температуре), осадках, облачности, ветре, атмосферном давлении и т.п. На актинометрических станциях наблюдают за солнечной радиацией.

Также исследуются различные группы атмосферных явлений, описанные ранее, измеряется химический состав воздуха. А на аэрологических станциях проводятся измерения на большой высоте – до 35 км.

Специалисты ведут наблюдения, как на суше, так и в океане, где располагаются так называемые «суда погоды». Постепенно возрастает объем данных, получаемых с метеорологических спутников. Специальные приборы делают снимки облаков, измеряют солнечную радиацию (микроволновую, ультрафиолетовую, инфракрасную).

Меняется ли количество кислорода в течение года?

Воздух состоит из большого количества разных газов. При этом кислород занимает около 21% по объему, а 78% приходится на азот. Остальные компоненты по мере снижения объема – аргон, углекислый газ, неон и др. Если взять отдельные небольшие территории, то можно заметить, что где-то дышать труднее, где-то легче. Например, в пределах большого города выше уровень углекислого газа из-за производств, множества транспортных средств и т.д. В лесу, наоборот, высокая интенсивность кислорода, а CO₂ меньше. Однако в целом объем кислорода в атмосфере всегда остается стабильным в пределах 21%, поскольку происходит постоянное и равномерное смешивание всех газов.

Опасность избытка кислорода и окисление

Избыток кислорода так же опасен, как и его недостаток. Большое количество кислорода в газовой смеси и большая концентрация его в крови могут разрушить клетки тканей глаз ребенка и стать причиной потери зрения. Этот факт подчеркивает двойственную природу кислорода. Чтобы жить, мы должны вдыхать кислород, но и сам кислород — яд для живых организмов. Когда кислород воздуха взаимодействует с другими элементами, такими, как водород и углерод, происходит реакция, называемая окислением. Окисление разрушает органические молекулы, которые составляют основу жизни. При обычной температуре кислород медленно реагирует с другими элементами, и выделяющееся при этом тепло столь незначительно, что мы его не ощущаем.

Температура и окисление

Однако реакции окисления стремительно ускоряются при повышении температуры. Чиркните спичкой о коробок. Трение между спичечной головкой и абразивной полоской на коробке нагревает головку спички. Реакция окисления в этом случае протекает быстро, и спичка стремительно вспыхивает пламенем. Вы видите свет и ощущаете тепло, выделившееся в ходе реакции окисления. В наших организмах окисление протекает не столь драматично. Красные кровяные клетки поглощают кислород из воздуха в легких и разносят его по всему организму. Кислород в живых клетках в строго контролируемых условиях намного медленнее и не так жарко, как в случае сгоревшей спички, окисляет пищу, которую мы едим. При таком окислении пища расщепляется, в результате освобождается энергия, и образуются вода и углекислый газ. Углекислый газ с кровью приносится в легкие и из них улетучивается в атмосферу с выдыхаемым воздухом.

Слои атмосферы Земли

Интересный факт: страницы книг желтеют, потому что они окисляются, то есть медленно сгорают.

Дышать достаточным количеством кислорода — безусловная жизненная необходимость. Огонь можно загасить толстым одеялом, перекрыв доступ кислорода к огню. Мы можем задохнуться, если по какой – то причине не будем вдыхать кислород больше пяти минут. Идеальный уровень кислорода во вдыхаемой газовой смеси — 21 процент, то есть тот, который мы имеем в атмосфере. Но даже и тогда кислород часто обнаруживает свой свирепый нрав. Например, сухая трава может вспыхнуть от одной искры. Равновесие кислорода и других газов поддерживается в природе жизненными циклами растений и животных. Животные при дыхании выдыхают углекислый газ, а растения поглощают его и взамен выделяют кислород.

Чему подчиняется уровень его в воздухе

Активное поглощение его из атмосферы может быть вызвано передвижением ледников. Отодвигаясь, они открывают гигантские площади органических пластов, потребляющих кислород. Еще одним поводом может быть остывание вод Мирового океана: его бактерии при пониженной температуре активнее поглощают кислород. Исследователи утверждают, что индустриальный скачок и вместе с ним сжигание огромного количества топлива особенного воздействия при этом не оказывают. Мировой океан охлаждается в течение 15 миллионов лет, и количество жизненно важного в атмосфере уменьшилось независимо от воздействия человека. Вероятно, на Земле совершаются некоторые природные процессы, ведущие к тому, что потребление кислорода становится выше его производства.

Анаэробная жизнь

Хотя некоторые организмы адаптировались к повышающемуся уровню выделяемого газа, многие из простейших форм жизни, которые существовали на Земле, исчезли. Другие организмы выжили, прячась от кислорода. Некоторые из них сегодня живут в корнях бобовых, используя азот из воздуха для построения аминокислот для растений. Смертельный организм ботулизма – еще один “беженец” от кислорода. Он спокойно выживает в вакуумных упаковках с консервированными продуктами.

Слои атмосферы Земли в порядке возрастания

Основные слои атмосферы

Ученые выделяют основные и дополнительные, пограничные слои в составе атмосферы. В порядке возрастания они располагаются следующим образом:

• планетарный пограничный слой;
• тропосфера;
• тропопауза;
• стратосфера;
• стратопауза;
• мезосфера;
• мезопауза;
• линия Кармана;
• термосфера;
• термопауза;
• экзосфера.

Состав атмосферы Земли

Земная атмосфера — смесь многих газов. Основную ее часть составляет азот — 77 процентов, старый добрый кислород добавляет еще 21 процент, оставшиеся 2 процента состоят из смеси следов газов — аргона, двуокиси углерода, гелия, неона, криптона, ксенона, закиси азота, угарного газа и других. В атмосфере также содержится водяной пар в различных концентрациях. Наш любимый газ — кислород, так как мы живем благодаря этому газу.

Недоношенных детей, легкие которых недостаточно развиты, иногда помещают в кислородные емкости, в которых ребенок дышит смесью с повышенным содержанием кислорода.

Вместо обычного 21 процента концентрация кислорода в такой емкости достигает 30 – 40 процентов. Если у ребенка тяжелые расстройства дыхания, то он дышит чистым кислородом во избежание повреждения клеток головного мозга.

Интересный факт: большой избыток кислорода во вдыхаемой газовой смеси так же опасен, как и его дефицит.

Кислород зимой

В зимний период кислорода в воздухе действительно становится меньше на 0,01%. Однако процент его снижения настолько мал, что для людей и прочих живых организмов эти изменения остаются незамеченными, а потому и вполне безопасными. Зимой лиственные растения, конечно, прекращают принимать участие в процессе вырабатывания кислорода, но все еще остаются хвойные, а также фитопланктон, которым минусовые температуры не страшны.

Каким же образом ученые измеряют уровень кислорода. Активно заниматься этими исследованиями начали в 90-х годах. Для этого используют метеостанции, установленные в разных уголках планеты для чистоты эксперимента. На метеостанциях регулярно проводят забор воздуха, а затем полученные образцы сравнивают с контрольными. Отслеживают изменения не только кислорода, но и азота.

Данные эксперименты дают четкие результаты. Установлено, что в Северном полушарии Земли колебания кислорода более заметны, чем в Южном. Зимой объем кислорода здесь снижается на 24 части на миллион, а поскольку общее его количество составляет около 210000 на миллион, то колебания действительно несущественны.

Зимой кислорода в воздухе действительно становится меньше. Он поступает в атмосферу благодаря растениям. Листья зимой опадают, поэтому при наступлении холодов снижается объем кислорода в воздухе. Тем не менее, остаются хвойные растения, а большая часть кислорода (80%) поступает из подводных растений – фитопланктона. Таким образом, снижение объема кислорода зимой незначительно – всего 0,01%. Для всех живых организмов эти колебания незаметны и безопасны.

Атмосфера в разные эпохи

Состав атмосферы всегда оказывал воздействие на эволюцию. В разные геологические времена из-за природных катаклизмов наблюдались подъемы или падения уровня кислорода, и это влекло за собой изменение биосистемы. Примерно 300 миллионов лет назад содержание его в атмосфере поднялось до 35 %, при этом наблюдалось заселение планеты насекомыми гигантских размеров. Наибольшее вымирание живых существ в истории Земли случилось около 250 миллионов лет назад. Во время него более чем 90 % обитателей океана и 75 % жителей суши погибло. Одна из версий массового вымирания гласит, что виной тому оказалось низкое содержание в воздухе кислорода. Количество этого газа упало до 12 %, и это – в нижнем слое атмосферы до высоты 5300 метров. В нашу эпоху содержание кислорода в атмосферном воздухе доходит до 20,9 %, что на 0,7 % ниже, чем 800 тысяч лет назад. Эти цифры подтверждены учеными из Принстонского университета, которые исследовали пробы Гренландского и Атлантического льда, образовавшегося в то время. Замерзшая вода сберегла пузырьки воздуха, и этот факт помогает вычислить уровень кислорода в атмосфере.

Тропосфера

Тропосфера – первый из базовых слоев. Располагается на высоте от 6 до 20 км (зависит от широты: ниже в полярных, выше – в тропических широтах). В целом летом тропосфера находится выше, чем зимой.

Тропосфера – область образования облаков

С этим шаром мы знакомы лучше всего, поскольку именно здесь формируются погодные условия: атмосферные фронты, облака, циклоны, антициклоны и др. Состав тропосферы неоднородный. В ней содержится около 80% атмосферного воздуха, 90% водяного пара. Также здесь возникают такие явления, как конвекция и турбулентность.

Интересный факт: при подъеме на каждые 100 метров температура в тропосфере понижается приблизительно на 0,65 градуса.

Воздействие человека на состав атмосферы

Поговорим о влиянии человека на состав воздуха. Тот уровень, который мы сегодня имеем, идеально подходит для живых существ, содержание кислорода в воздухе составляет 21 %. Баланс его и других газов определяется жизненным циклом в природе: животные выдыхают диоксид углерода, растения используют его и выделяют кислород.

Но не существует гарантии, что такой уровень будет постоянным всегда. Повышается количество диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу. Это происходит из-за использования топлива человечеством. А оно, как известно, образовалось из окаменелостей органического происхождения и в воздух попадает диоксид углерода. А тем временем самые большие растения нашей планеты, деревья, уничтожаются с нарастающей скоростью. За минуту исчезают километры леса. Это значит, что часть кислорода в воздухе постепенно падает и ученые уже сейчас бьют тревогу. Земная атмосфера – не безграничная кладовая и кислород в нее извне не поступает. Он все время вырабатывался вместе с развитием Земли. Нужно постоянно помнить, что этот газ производится растительностью в процессе фотосинтеза за счет потребления углекислого газа. И любое существенное уменьшение растительности в виде уничтожения лесов, неотвратимо снижает попадание кислорода в атмосферу, тем самым, нарушая его баланс.

Анатолий Минеев
«Квант» №4, 2020

В данной статье речь пойдет о воздействии на человека кислорода и углекислого газа — по отдельности и вместе. Некоторую настоящую интригу придает взгляд на проблему как извне — со стороны вдыхаемого воздуха, так и изнутри — внутри самого организма. Или, более научно, как со стороны внешнего дыхания — обмена между атмосферой и клетками в легких, так и внутреннего дыхания — процессы в клетках и тканях организма.

Среднее значение давления земной атмосферы на уровне моря примерно равно pатм = 760 мм рт. ст. На долю кислорода приходится 160 мм рт. ст. или приблизительно 21%. Кислород частично усваивается организмом, углекислый газ образуется в результате химических реакций окисления. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приведен в таблице.

Таблица 1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха

Чем интересны эти цифры? Азот и аргон не используются организмом человека (являются инертными). Степень усвоения кислорода невелика, около 0,25. После вдоха организм выдыхает обратно основную часть кислорода. Углекислый газ практически отсутствует во вдыхаемом воздухе и активно образуется при окислительных реакциях в организме. Процент поглощения организмом кислорода (21% − 16% = 5%) оказывается близким к проценту образования углекислого газа (4%).

Инертность азота и аргона при обменных процессах в организме привела к соблазну вообще отказаться от них в условиях длительного пребывания в замкнутом пространстве. По этому пути пошли американские астронавты в первых космических полетах, перейдя на дыхание чистым кислородом. При этом давление в случае использования только O2 было существенно ниже атмосферного и составляло 260–280 мм рт. ст. Однако по мере увеличения длительности космических полетов в такой чисто кислородной атмосфере у астронавтов стали появляться проблемы с дыхательными путями. К тому же, чисто кислородная атмосфера пожароопасна. Российские космонавты с самого начала использовали состав воздуха, близкий к земному, что потребовало более сложной системы регенерации воздуха. В настоящее время при полетах в космосе и в плавании на подводных лодках используется земной состав атмосферы.

Какие природные явления происходят в атмосфере?

Все природные явления, происходящие в атмосфере, можно разделить на 5 категорий:

• осадки (гидрометеоры);
• оптические явления;
• литометеоры;
• электрические явления;
• остальные явления.

Все виды выпадающих осадков называются гидрометеорами. Дожди, снегопады, град возникают из-за того, что в воздухе может находиться ограниченное количество водяного пара.

При этом охлаждение ненасыщенного воздуха становится причиной его перенасыщения. В результате частицы воды конденсируются и выпадают на поверхность. В эту же группу относят осадки, конденсирующиеся на поверхности (туман, гололед, иней, роса и др.).

К оптическим атмосферным явлениям относится радуга, мираж, заря, зеленый луч и др. Полярное сияние не входит в данную категорию, так как имеет другую природу происхождения.

Самым известным явлением считается радуга. Она возникает вследствие преломления солнечного света атмосферой. Белый свет состоит из множества волн, а из-за преломления он раскладывается на несколько разноцветных лучей.

Зеленый луч возникает в момент восхода или захода солнца при условии открытого горизонта и отсутствия облаков. Причина явления также кроется в преломлении солнечных лучей. Но, в отличие от радуги, здесь лучи накладываются друг на друга и в течение нескольких секунд можно увидеть зеленый луч или верхнюю часть солнечного диска.

Разные виды миражей происходят, когда свет преломляется на границе между воздушными слоями с разной температурой и плотностью. При этом можно увидеть реальный объект, расположенный вдали, и его отражение в атмосфере.

Мираж в пустыне

Заря бывает утренней и вечерней. Так называют свечение неба, когда солнце восходит и заходит за горизонт. Возникает заря из-за отражения лучей света от атмосферных слоев. Она постепенно меняет цвета в зависимости от положения солнца.

Третья категория литометеоров представлена явлениями, которые связаны с мелкими частицами, например, песком, пылью. Сюда относятся песчаные бури, пыльные бури, пыльная мгла и др. Данные явления свойственны пустынным территориям.

К электрическим явлениям относятся молнии, грозы, полярное сияние. Грозы сопровождаются молниями и громом. При этом электрические разряды возникают внутри облаков либо между землей и облаками. Сюда же относится шаровая молния, природа которой все еще не изучена.

Полярное сияние (северное и южное) образуется в верхних слоях атмосферы, расположенных в зонах вокруг магнитных полюсов Земли. Мы видим свечение вследствие взаимодействия слоев атмосферы с ионизированными частицами солнечного ветра.

Стив – разновидность полярного сияния в виде фиолетового луча. Открыта в 2017 году

Интересный факт: полярное сияние бывает и на других планетах. Оно было обнаружено на Венере, Марсе, Сатурне, Юпитере, Уране, Нептуне. Ученые фиксируют эти явления при помощи внеатмосферных телескопов (например «Хаббл»).

В пятую категорию входят все те явления, которые невозможно отнести в четыре предыдущие. В частности речь идет об ураганах, шквалах, смерчах – то есть ветровых явлениях.