Биологическое значение воздуха. 
Загрязнение воздуха

Атмосферный воздух — это источник дыхания человека, животных и растительности, сырьё для процессов горения и синтеза химических веществ; он является материалом, применяемым для охлаждения различных промышленных и транспортных установок, а также средой, в которую выбрасываются отходы жизнедеятельности человека, высших и низших животных и растений.

Важную роль во всех природных процессах играет атмосфера. Она служит надежной защитой от вредных космических излучений, определяет климат данной местности и планеты в целом. Воздух атмосферы является одним из основных жизненно важных элементов окружающей среды, её животворным источником. Беречь его, сохранять в чистоте — значит сохранять жизнь на Земле.

Во Вселенной земная атмосфера — уникальное и удивительное явление. Она состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и других элементов. К бесценным богатствам нашей планеты следует отнести в первую очередь богатую кислородом и сбалансированную по газовому составу атмосферу.

Атмосфера является составной частью биосферы и представляет собой газообразную оболочку Земли, вращающуюся вместе с ней как единое целое. Эта оболочка слоиста. Каждый слой имеет своё название и характерные физико-химические особенности. Условно принято атмосферу делить на две большие составные части: верхнюю и нижнюю. Наибольший интерес представляет для нас нижняя часть атмосферы, главным образом тропосфера, поскольку в ней происходят основные метеорологические явления, влияющие на загрязнение атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух выступает своего рода посредником загрязнения всех других объектов природы, он способствует распространению больших масс загрязнений на большие расстояния. Промышленными выбросами, переносимыми по воздуху, загрязняется Мировой океан, окисляются почва и вода.

Таким образом, на территорию России ежегодно через западные границы вместе с воздушными массами поступает около 2 млн. тонн двуокиси серы и около 10 млн. тонн сульфатов.

Сжигание таких видов топлива, как уголь, нефть, сланцы, ведет к загрязнению воздуха сернистым газом — источником окисления почв и водоемов. Высвободившиеся при этом тепло рассеивается в окружающую среду и служит источником теплового загрязнения атмосферы.

Состав и строение атмосферы Атмосфера, или «воздушный океан», состоит из газов, необходимых для поддержания жизни на Земле. По высоте ее можно разделить на пять слоев, или оболочек, окружающих земной шар: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу. Их границы определяются по резким изменениям температуры, обусловленным различиями в поглощении солнечной радиации. С высотой также меняется плотность воздуха. В верхних слоях атмосферы воздух холодный и разреженный, а у поверхности Земли благодаря силе тяжести — более плотный. Загрязнены главным образом два нижних слоя атмосферы.

Тропосфера. Состав и строение нижнего слоя — тропосферы — определяется поступлением газов из земной коры и присутствием жизни на земной поверхности. Верхняя граница тропосферы располагается на высотах примерно 17 км над уровнем моря на экваторе и ок. 8 км на полюсах. Этот тонкий слой содержит два важных газообразных компонента: азот (N2) и кислород (О2), которые составляют соответственно 78 и 21% объема атмосферы.

Круговорот азота в природе (азотный цикл) играет очень важную роль в питании растений. Атмосферный азот связывается клубеньковыми бактериями, содержащимися в корневых утолщениях бобовых растений, с образованием многочисленных органических соединений, особенно белков. После этого другие специализированные бактерии в процессе минерализации разлагают и перерабатывают богатые азотом органические остатки в более простые неорганические вещества, например в аммиак (NH4). Наконец, нитрифицирующие бактерии снова превращают их в оксид (NO) и диоксид (NО2) азота, которые возвращаются в атмосферу. Затем цикл возобновляется.

Кислород образуется в процессе фотосинтеза растений и, в свою очередь, используется микрои макроорганизмами при дыхании, побочным продуктом которого является углекислый газ.

Помимо азота и кислорода в состав атмосферы входят аргон (Ar — 0,93%) и углекислый газ (СО2 — 0,036%), а также в незначительных количествах неон (Ne), гелий (Не), метан (СН4), криптон (Kr), водород (Н2), ксенон (Хе) и хлорфторуглеводороды (ХФУ) антропогенного происхождения.

Источником и необходимым компонентом жизни на Земле, способствующим, в частности, поддержанию температуры ее поверхности, является водяной пар (Н2О), который поступает в тропосферу главным образом в результате испарения воды с поверхности океана. Его содержание в атмосфере значительно меняется в зависимости от времени года и географического положения. Для живых организмов, состоящих в основном из органических соединений углерода с водородом и кислородом, первостепенную роль играют кислород, вода и углекислый газ. Вода и углекислый газ имеют определяющее значение для нагрева земной поверхности благодаря их способности поглощать солнечную радиацию.Стратосфера. Непосредственно над тропосферой на высотах от 18 до 48 км над земной поверхностью находится стратосфера. Хотя по составу эти оболочки очень сходны, в стратосфере содержание водяного пара приблизительно в 1000 раз меньше, а содержание озона — примерно в 1000 раз больше, чем в тропосфере. Озон образуется в стратосфере при взаимодействии молекул кислорода при разрядах молнии и ультрафиолетовом облучении Солнцем.

Состав веществ, загрязняющих атмосферу, значительно изменился после Второй мировой войны. В 1950;х годах на смену углю пришло дизельное топливо, а вскоре и природный газ. К 2000 большая часть домов обогревалась природным газом, самым чистым из всех видов ископаемого топлива. С другой стороны атмосферу все больше начали загрязнять выхлопные газы, образующиеся при работе двигателей внутреннего сгорания.

Одна из основных причин загрязнения воздуха — это сгорание природного топлива, например нефти, угля и природного газа. Эти горючие вещества используются для получения электроэнергии, заправки автомобильных двигателей, производства химикатов и пластмасс, для отопления домов, офисов, заводов… Отходы, образующиеся при сгорании природного топлива, выбрасываются в атмосферу через дымоходы и выхлопные трубы. Сюда относится угарный газ, молекулы которого представляют собой соединения равного количества атомов углерода и кислорода. Этот газ образуется, когда топливо сгорает при малом содержании воздуха, например, в автомобильных двигателях. Угарный газ — это токсичное вещество, которое губительно действует на живые организмы, препятствуя переносу кислорода красными кровяными клетками.

Диоксид серы — ещё один загрязнитель воздуха, получаемый в результате сгорания природного топлива, в первую очередь угля. Его присутствие в воздухе является основной причиной возникновения заболеваний дыхательной системы, таких как эмфизема лёгких и астма.

Твёрдые частицы — также являются источником загрязнения воздуха. Это крошечные частицы несгоревшего топлива (сажа) и других веществ, тоже образующиеся при работе двигателей и промышленных предприятий. Соединяясь с другими загрязнителями и пылью, они легко проникают в организм человека, оседая на легких, затрудняя дыхание и становясь причиной многих заболеваний.

Часть выхлопных газов от автомобилей образует соединения угольной кислоты. Эти не полностью сгоревшие частицы топлива вступают в реакцию с газом, называемым окисью азота, и под действием солнечного света окисляются озоном. Озоновый слой в верхних слоях атмосферы защищает всё живое на Земле от ультрафиолетового солнечного излучения, но на уровне земной поверхности соединения озона с другими газами вызывают раздражение глаз и лёгких, становятся причиной бронхитов, уничтожают посевы, наносят вред животному миру планеты. Газы, вызывающие загрязнение воздуха, невидимы, однако мы можем видеть твёрдые частицы выбросов в атмосферу.

Глобальные проблемы загрязнения воздуха Серьезную угрозу здоровью и процветанию человечества и других форм жизни представляют две глобальные проблемы окружающей среды, связанные с загрязнением воздуха: аномально высокие значения приходящей к земной поверхности ультрафиолетовой радиации Солнца, обусловленные снижением содержания озона в стратосфере, и изменения климата (глобальное потепление), вызванные поступлением в атмосферу большого количества т.н. парниковых газов.

Обе проблемы тесно взаимосвязаны, так как зависят от поступления в атмосферу практически одних и тех же газов антропогенного происхождения. Например, фторхлорсодержащие хладоны (хлорфторуглеводороды), способствуют разрушению озонового слоя и играют не последнюю роль в возникновении парникового эффекта.

Истощение озонового слоя. Стратосферный озон сконцентрирован в основном на высотах от 20 до 25 км. Поглощая 99% коротковолнового излучения Солнца, опасного для всего живого, озон предохраняет от него земную поверхность и тропосферу, защищая людей от солнечных ожогов, рака кожи и глаз, катаракты и проч. Кроме того, он не позволяет большей части тропосферного кислорода превратиться в озон.

Наряду с процессом образования озона в атмосфере происходит обратный процесс его распада, также протекающий при поглощении солнечного ультрафиолетового излучения. Находящиеся в атмосфере оксиды водорода (НОх), метан (СН4), газообразный водород (Н2) и оксиды азота (NОх) тоже могут разрушать стратосферный озон. Если антропогенное воздействие отсутствует, между образованием и распадом молекул озона существует определенное равновесие.

Глобальной химической бомбой замедленного действия являются искусственные хлорфторуглеводороды, которые способствуют снижению средней концентрации озона в тропосфере. Хлорфторуглеводороды, впервые синтезированные в 1928 и известные как фреоны, или хладоны, в 1940;х годах стали чудом химии. Химически инертные, нетоксичные, без запаха, невоспламеняющиеся, не разрушающие металлы и сплавы и недорогие в производстве, они очень быстро завоевали популярность и широко использовались в качестве хладагентов. Источниками хлорфторуглеводородов в атмосфере являются аэрозольные баллончики, испорченные холодильники, а также кондиционеры. Очевидно, что молекулы фреонов слишком инертны и не распадаются в тропосфере, а медленно поднимаются вверх и спустя 10−20 лет попадают в стратосферу. Там ультрафиолетовая радиация Солнца разрушает молекулы этих веществ (т.н. процесс фотолитического разложения), в результате чего освобождается атом хлора. Он вступает в реакцию с озоном с образованием атомарного кислорода (О) и молекулы кислорода (О2). Оксид хлора (Cl2O) нестабилен, вступает в реакцию со свободным атомом кислорода, в результате которой образуется молекула кислорода и свободный атом хлора. Поэтому единственный атом хлора, однажды образовавшийся при распаде хлорфторуглеводорода, может разрушить тысячи молекул озона.

Опасная для живой клетки коротковолновая ультрафиолетовая радиация Солнца из-за сезонных уменьшений концентрации озона (т.н. озоновых дыр), которые наблюдались, в частности, над Антарктидой и в меньшей степени над другими районами, может проникать к земной поверхности. По прогнозам, повышенные дозы ультрафиолетовой радиации приведут к увеличению числа пострадавших от солнечных ожогов, а также росту заболеваемости раком кожи (эта тенденция уже прослеживается в Австралии, Новой Зеландии, ЮАР, Аргентине и Чили), катарактой глаз и т. д.

В 1978 правительство США запретило использование хлорфторуглеводородов в качестве аэрозольных распылителей. В 1987 представители правительств 36 стран провели специальную встречу в Монреале и согласовали план (Монреальский протокол) сокращения выбросов хлорфторуглеводородов в атмосферу примерно на 35% за период с 1989 по 2000. На второй встрече в Копенгагене в 1992, состоявшейся в условиях нараставшей озабоченности по поводу разрушения озонового экрана, представители ряда стран договорились, что в дальнейшем необходимо: отказаться от производства галонов (класс фторуглеводородов, содержащих атомы брома) к 1 января 1994, а хлорфторуглеводородов и гидробромфторуглеводородов (заменителей галонов) — к 1 января 1996; на период до 1996 заморозить потребление гидрохлорфторуглеводородов на уровне 1991 и полностью исключить их использование к 2030. Было также отмечено, что достигнута бльшая часть поставленных ранее целей.

Парниковый эффект. В 1896 шведский химик Сванте Аррениус впервые высказал предположение о нагреве атмосферы и земной поверхности в результате парникового эффекта. В атмосферу Земли солнечная энергия проникает в виде коротковолновой радиации. Некоторая ее часть отражается в космическое пространство, другая поглощается молекулами воздуха и нагревает его и примерно половина достигает земной поверхности. Поверхность Земли нагревается и излучает длинноволновую радиацию, обладающую меньшей энергией, чем коротковолновая. После этого радиация проходит через атмосферу и частично теряется в космосе, а большая ее часть поглощается атмосферой и вторично отражается к поверхности Земли.

Этот процесс вторичного отражения радиации возможен из-за присутствия в воздухе, хотя и в небольших концентрациях, примесей многих газов (т.н. парниковых), имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение. Они пропускают коротковолновую радиацию, но поглощают или отражают длинноволновую. Количество удерживаемой тепловой энергии зависит от концентрации парниковых газов и продолжительности их пребывания в атмосфере.

Основные парниковые газы — водяной пар, углекислый газ, озон, метан, оксид азота и хлорфторуглеводороды. Несомненно, самым важным среди них является водяной пар, значителен и вклад углекислого газа. 90% углекислого газа, ежегодно поступающего в атмосферу, образуется при дыхании (окислении органических соединений клетками растений и животных). Однако это поступление компенсируется его потреблением зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Средняя концентрация углекислого газа в тропосфере за счет деятельности человека ежегодно возрастает примерно на 0,4%.

На основании компьютерного моделирования был сделан прогноз, согласно которому в результате роста содержания углекислого и других парниковых газов в тропосфере неизбежно произойдет глобальное потепление. Если он оправдается и средняя температура воздуха на Земле повысится всего на несколько градусов, последствия могут быть катастрофическими: изменятся климат и погода, существенно нарушатся условия произрастания растений, в том числе сельскохозяйственных культур, участятся засухи, начнут таять ледники и ледниковые покровы, что, в свою очередь, приведет к повышению уровня Мирового океана и затоплению приморских низменностей. атмосфера загрязнение воздух.