Концентрация углекислого газа в атмосфере увеличивается

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.

Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере – каковы последствия?

Углекислый газ – постоянный обитатель атмосферы. Если бы мы за одну ночь ликвидировали все выбросы CO2, источником которых является человек, атмосфера продолжалась бы нагреваться в течение 100 лет или даже дольше. Однако деятельность человека, приводящая к увеличению концентрации СО2 в атмосфере, значительно ускоряет этот процесс, что приводит ко многим негативным последствиям.

Увеличение содержания углекислого газа в глобальном масштабе приводит к повышению газоизоляции во всем мире, что вызывает глобальное потепление. Это приводит к череде катастрофических событий, таких как изменение среднего уровня океанов, изменение климатических условий и режима осадков. При вдыхании более высокой концентрации CO2 люди и животные также могут испытывать одышку.

Концентрация углекислого газа в атмосфере Земли постоянно увеличивается. Растения реагируют на изменение концентрации CO2. Это важное сырье для фотосинтеза, которое имеет решающее значение для поддержания всей системы жизни на этой планете. Способность растений поглощать СО2 во время фотосинтеза, а затем накапливать углерод в своей структуре, может замедлять скорость увеличения концентрации углекислого газа в атмосфере.

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.

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).

Эффект «насыщения полосы»

Однако энергетический баланс никогда не становится абсолютно нечувствительным к дальнейшим добавлениям СО2. Большее количество СО2 всегда сделает его теплее, даже при давлении в 70 атмосфер СО2 в атмосфере Венеры. Отчасти это происходит потому, что с увеличением концентрации СО2 полоса поглощения (см. рис. 6) становится шире, даже если она не может стать глубже. Середина полосы поглощения насыщена, но края ненасыщенные.

Центр полосы поглощения насыщается, но полоса продолжает становится шире при добавлении СО2.

Из всех парниковых газов только вода конденсируется и выпадает в осадки.

Итак, мы пришли к выводу, что углекислый газ обладает необычайно широкими полномочиями в атмосфере, руководит круговоротом углерода на всей Земле и, самое главное, даже самое небольшое изменение его в атмосфере может привести к удивительным последствиям, не связанным с количеством тонн и молекул, которыми он представлен.

Насыщение полосы поглощения приводит к тому, что эффективная оптическая толща углекислого газа с увеличением его концентрации растет не линейно, а примерно логарифмически — так «работают» края полосы. Это значит, что величина парникового эффекта (то есть в конечном счете и наша температура воздуха) меняется одинаково с каждым удвоением СО2. Не имеет значения, сколько его было вначале, 10 или 100 гигатонн, радиационный эффект от удвоения 100 или 1000 ppm будет тот же.

Задуматься нужно над тем, что у нас очень мало СО2 в атмосфере сейчас. И удвоить его очень легко. Если бы мы переселились к динозаврам, то сделать это было бы практически невозможно. Вот тут и разгадка, почему в меловом периоде было так много СО2, «и ничего»! В этом смысле человечеству повезло, что оно пришло в мир с СО2 в 270 ppm, если бы оно было ниже, антропогенные температуры росли бы еще стремительнее.

Формулу подсчета увеличения температуры с ростом СО2 в атмосфере мы обсудим в следующий раз. И посмотрим, как всё это работало в голоцене.

Литература
1. Kasting J. F., Catling D. Evolution of a Habitable Planet // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 2003; 41(1): 429–63.
2. Urey H. C. On the Early Chemical History of the Earth and the Origin of Life // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1952; 38(4):351–63.
3. Kellogg L. H., Turcotte D. L., Lokavarapu H. On the Role of the Urey Reaction in Extracting Carbon From the Earth’s Atmosphere and Adding It to the Continental Crust // Frontiers in Astronomy and Space Sciences. 2019; 6(62).
4. Wedepohl Hans K. The composition of the continental crust // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1995; 59(7): 1217–32.
5. Делюсина И. Лёд, СО2 и время // ТрВ — Наука, № 2 (296) за 28.01.2020.
6. Aiuppa A., Fischer T. P., Plank T., Bani P. СО2 flux emissions from the Earth’s most actively degassing volcanoes, 2005–2015 // Scientific Reports. 2019; 9(1): 5442.
7. Joos F., et al., 2013: Carbon dioxide and climate impulse response functions for the computation of greenhouse gas metrics: A multi-model analysis // Atmos. Chem. Phys., 13, 2793–2825.
8. Archer D., et al., 2009: Atmospheric lifetime of fossil fuel carbon dioxide // Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 37, 117–134.
9. Hunten D. M. Atmospheric evolution of the terrestrial planets // Science. 1993; 259(5097): 915–20.
10.Archer D. Global Warming. Understanding the Forecast. Wiley, 2012.
11. Langmuir Ch., Broecker W. How to Build a Habitable Planet, Princeton University Press. 718 p, 2012.
12. IPCC Report.
13. Lacis A. A., Schmidt G. A., Rind D., Ruedy R. A. Atmospheric CO2: Principal Control Knob Governing Earth’s Temperature // Science. 2010; 330(6002): 356–9.
14. Toth R. A., Brown L. R., Miller C. E., Malathy Devi V., Benner D. C. Spectroscopic database of CO2 line parameters: 4300–7000 cm−1 // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2008; 109(6): 906–21.
15. Greenhouse Gases. NOAA Climate Monitoring.

* В данном случае мы не рассматриваем углерод, запертый в земной мантии и ядре: однако нужно помнить, что поверхностные резервуары содержат только небольшую долю углерода на Земле. Основными резервуарами углерода в настоящее время являются, по убывающей, ядро, мантия и континентальная кора. По существующим оценкам, масса углерода в ядре составляет 4×109 гигатонн (3), в мантии — 2×108 гигатонн (3), в коре — 4,2×107 гигатонн (6).

** Роль этой реакции в поддержании низкой концентрации СО2 в атмосфере Земли, была сформулирована Юри (1952). «С тех пор, как сформировался углекислый газ, он реагирует с силикатами с образованием известняка. Конечно, силикаты могли иметь различный минералогический состав, но давление СО2 всегда поддерживалось на низком уровне благодаря этой реакции или подобным реакциям, точно так же, как сейчас».

Парниковый эффект и СО2

Согревающий эффект парниковых газов является фундаментальным фактом физики, а не вопросом «веры» или политического спора.

В атмосфере Земли СО2 уступает только воде по своим свойствам парникового газа. Но как мы уже знаем, в атмосфере его предельно мало, особенно по сравнению с водой, которая считается парниковым газом номер один. Мы должны разобраться теперь, почему даже при незначительных концентрациях СО2 в нынешней атмосфере Земли он оказывается основным, да еще и антропогенным фактором изменения климата.

Что происходит с углекислым газом после того, как он попадает в атмосферу?

Тогда что выдвигает СО2 на первую роль по сравнению с водой, если воды много и она очень мощный парниковый газ, а СО2 мало и он действует только в узком диапазоне?

Чтобы понять это последнее утверждение, нам нужно разобраться в графике на рис. 5.

«На рисунке гладкие кривые показывают спектры черного тела для температур в диапазоне от 300 К, температуры поверхности в жаркий летний день, до 220 К, что является примерно самым низким значением температур на верхней границе тропосферы на высоте около 10 км. Ломаная линия показывает интенсивность излучения, которую инфракрасный спектрометр увидел бы, находясь на орбите над Землей и смотря вниз. Спектр излучения, покидающего Землю, уходящего в космос, колеблется между двумя различными спектрами черного тела: самым теплым около 270 К и самым холодным около 220 К. Части спектра, в особенности широкая, гладкая часть около 850–1000 циклов/см, соответствует теплому спектру черного тела. Так как не бывает газов в атмосфере, которые поглощают или излучают на этой частоте, значит, этот ИК-свет исходит непосредственно от Земли. Поскольку парниковые газы в атмосфере прозрачны для инфракрасного света в этой полосе частот, этот диапазон называется атмосферным окном» (см. рис. 5).

Температурные кривые черного тела подобны шкале температуры на термометре. По этой шкале можно определить температуру инфракрасного источника по его интенсивности.

Вы видите на рис. 5 большой провал в спектре, вызванный СО2 около 700 циклов/см. ИК-излучение и его поглощение являются симметричными, поэтому СО2 поглощает интенсивный, «теплый» спектр ИК от Земли на этой частоте и повторно излучает ту же частоту, возникает диффузия фотонов, из-за которой во внешних слоях атмосферы фотонов меньше, соответственно температура и интенсивность излучения снаружи меньше. Атмосфера получается «оптически толстой» в диапазоне частот изгиба СО2 и «оптически тонкой» в атмосферном окне. График построен таким образом, что площадь под кривой спектра пропорциональна общему потоку энергии. Можно судить об изменении энергии в соответствии с изменением площади. Площади кривых абсолютно черного тела возрастают пропорционально температуре в четвертой степени по уравнению Стефана — Больцмана. Это работает также с «ломаным» спектром, представляющим общую потерю энергии планеты в космос. Эффект полосы поглощения состоит в том, чтобы уменьшить спектр черного тела поверхности Земли, уменьшая площадь и, следовательно, уменьшая поток восходящей энергии.

Метан поглощает инфракрасный свет в полосе около 1300 циклов/см. В то время как крупный «изгиб» СО2 поглощает прямо на пике спектра черного тела Земли, а метан поглощает один из хвостов спектра. В конкуренции между СО2 и метаном за право быть сильнейшим парниковым газом преимущество остается за СО2. Сейчас мы наконец поймем, почему.

Как промышленность справляется с повышением уровня углекислого газа?

Несколько факторов несут ответственность за загрязнение, например, рост численности населения, незапланированная урбанизация и вырубка лесов, а также технический прогресс. В развитых странах граждане потребляют больше продуктов питания, используют больше пестицидов, инсектицидов, удобрений, топлива, минералов, автомобилей и многих других продуктов всех видов. Большая часть этой продукции производится на заводах. Неконтролируемое производство в последние десятилетия привело к значительному увеличению уровня загрязнения окружающей среды. Бороться с ним чрезвычайно сложно, дорого и в то же время необходимо.

В настоящее время промышленность уделяет все больше внимания ограничению выбросов в атмосферу вредных соединений, в том числе углекислого газа. С этой целью она ищет новые альтернативные способы уменьшения выбросов углекислого газа, такие как:

• использование энергии из возобновляемых источников – это позволяет сократить производство энергии из каменного угля;
• использование котлов на биомассе, которые служат для сжигания побочных продуктов;
• замена системы освещения с традиционной на светодиодную – такой вид освещения позволяет использовать меньше энергии, а значит, снижает количество парниковых газов, выделяемых в процессе производства;
• замена транспортных средств, движущихся по территории промышленного предприятия, например, электрические погрузчики вместо дизельных вилочных погрузчиков;
• внедрение низкоуглеродных технологий;
• оптимизация маршрута перевозки готовых материалов;
• модернизация устройств и установок, отвечающих строгим экологическим нормам;
• снижение энергозатратности процессов.

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.

Очевидно, что мы не можем остановить тектонический термостат Земли, но можем его поломать.

Как? Разве наших малых сил может хватить на то, чтобы помешать такой махине?

Группа PCC – экологические решения компании

Группа PCC, заботясь о благе окружающей среды и стремясь сократить выбросы углекислого газа, создала серию продуктов Greenline®, которые соответствуют тенденции зеленой химии. Чтобы противодействовать ухудшению состояния окружающей среды, важно, чтобы химическая промышленность стремилась к новым, более экологичным производственным решениям. Сегмент Greenline® расширил предложение Группы PCC, включая продукты, для производства которых энергия поступает исключительно из возобновляемых источников энергии. Это приводит к значительному снижению выбросов углекислого газа в окружающую среду. Кроме того, в их производстве используется мембранный электролиз, который считается самой современной технологией в мире. По сравнению с другими методами, он потребляет гораздо меньше энергии. Благодаря этим аспектам «зеленые» продукты имеют отраслевые сертификаты, подтверждающие их безопасность для людей и окружающей среды, а также высочайшее качество. Помимо производственных методов, Группа PCC также использует железнодорожный транспорт, который намного экологичнее автомобильного. Использование зеленого транспорта (Greenway) – это еще один шаг компании навстречу устойчивому развитию.

Каким будет наша среда и какие изменения произойдут в ней через несколько десятков лет, зависит от нашего выбора сейчас. Поэтому важным аспектом являются продуманные действия, которые не повлияют негативно на удовлетворение потребностей будущих поколений, а также на мир растений и животных.

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!