Стратосфера характеризуется значительной разреженностью воздуха, очень малой влажностью, почти полным отсутствием облаков, пыли земного происхождения и особым температурным режимом.
Так, на границе с тропосферой температура воздуха составляет – 56 °C и остается неизменной до высоты 30 км. Далее начинается подъем температуры воздушных масс, и на высоте 40 км она достигает 40 – 50 °C. Начиная с высоты 50 км температура воздуха вновь понижается. Особый температурный режим стратосферы связан с образованием озона (О3) под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Этот процесс сопровождается большим выделением тепла.
Образованию озона в стратосфере способствует также космическое излучение и коротковолновое излучение Солнца. Рассеянный слой озона в стратосфере простирается от 16 до 32 км. Однако максимальная его концентрация определена на высоте 20 – 25 км. Содержание озона в озоновом слое в 10 раз выше, чем у поверхности Земли. Озон выполняет серьезную экологическую функцию в стратосфере, поглощая короткий ультрафиолет.
Озоновая дыра – это значительное пространство в озоновом слое Земли с заметно меньшим содержанием озона. Причины этого пока недостаточно ясны. Исследователи связывают изменение содержания озона в стратосфере с антропогенными выбросами, в частности фреонов, так называемых хлорфторуглеводородов.
Мезосфера занимает пространство от 40 до 80 км и содержит около 5 % всего атмосферного воздуха. Многие исследователи не выделяют ее в самостоятельный слой и рассматривают как составную часть стратосферы.
Ионосфера, границы которой колеблются от 500 до 1000 км, – это зона сильно разреженных газов с малой плотностью и большой электропроводностью, что обусловлено значительной ионизацией газовых частиц за счет ультрафиолетовых и космических лучей.
Слой атмосферы, лежащий выше ионосферы и простирающийся до высоты 3000 км, составляет экзосферу, плотность которой практически не отличается от плотности безвоздушного космического пространства.
Еще сильнее разреженность газов в магнитосфере, протяженность которой от 2000 до 50 000 км. В магнитосфере формируются пояса радиации.
За верхнюю границу земной атмосферы можно принять высоту 50 000 км от поверхности Земли. Это толщина газовой оболочки нашей планеты.
3.2. ПРИРОДНЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
По химическому составу чистый атмосферный воздух представляет собой механическую смесь газов: кислорода, углекислого газа, азота, а также целого ряда инертных газов (аргон, гелий, криптон и др.). Сухой атмосферный воздух содержит: кислород – 20,95 %, азот – 78,09 %, углекислый газ – 0,03 % (в городах 0,04 %). В небольшом количестве в атмосферном воздухе содержатся озон, оксид азота, йод, метан, водяные пары и др.
Кроме постоянных составных частей атмосферы, в ней содержатся разнообразные загрязнения, вносимые в атмосферу производственной деятельностью человека.
В зависимости от своего состояния и условий выполняемой работы человек вдыхает разные количества воздуха. Учитывая, что площадь альвеол составляет около 100 м2, а взрослый человек в покое в 1 мин вдыхает в среднем от 7 до 9 л воздуха, то при легкой ходьбе эта цифра составит 13 – 17 л/мин, при легкой пробежке – 28 – 36 л/мин, плавании – 33 – 36 л/мин. За одни сутки в среднем человек вдыхает 17 – 20 м3 воздуха.
Поэтому любые изменения химического состава воздуха могут оказывать существенное влияние на здоровье и самочувствие людей. Эколого-гигиеническое значение кислорода. Важнейшей составной частью атмосферного воздуха является кислород, количество которого в земной атмосфере составляет около 1,18 · 1015 т. Постоянное содержание кислорода поддерживается за счет непрерывных процессов обмена его в природе. С одной стороны, кислород непрерывно потребляется при дыхании человека и животных, расходуется на поддержание процессов горения и окисления, с другой – поступает в атмосферу за счет процессов фотосинтеза. Наземные растения и фитопланктон океанов полностью восстанавливают естественную убыль кислорода. В результате интенсивного перемешивания воздушных масс концентрация кислорода в воздухе остается практически постоянной.
При падении парциального давления кислорода могут развиваться явления кислородного голодания, что наблюдается при подъеме на высоту. Критическим уровнем является парциальное давление кислорода ниже 110 мм рт. ст. Снижение парциального давления кислорода до 50 – 60 мм рт. ст. обычно несовместимо с жизнью. В то же время повышение парциального давления кислорода до 600 мм рт. ст. (гипероксия) также ведет к развитию патологических процессов в организме, что сопровождается уменьшением жизненной емкости легких, отеком легких и пневмонией.
Озон и его гигиеническое значение. В атмосферном воздухе под влиянием коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца молекулы кислорода диссоциируют с образованием атомарного кислорода. Вновь образованные атомы кислорода присоединяются к нейтральной молекуле кислорода, образуя озон. Одновременно с образованием озона происходит его распад. Общебиологическое значение озона велико. Он выполняет очень важные экологические функции, поглощает коротковолновое УФ-излучение, обладающее выраженным губительным действием на биологические объекты. Концентрация озона в атмосфере неравномерно распределяется по высоте. С приближением к поверхности Земли концентрация озона уменьшается, так как уменьшается интенсивность УФ-радиации, что снижает интенсивность процессов синтеза озона. Концентрации озона в атмосферном воздухе непостоянны и колеблются от 20 · 10– 6 до 60 · 10– 6 %. Весной концентрация озона выше, чем осенью. Озон обладает окислительными способностями, в загрязненном воздухе городов его концентрация ниже, чем в воздухе сельской местности. Поэтому его долгие годы рассматривали как показатель чистоты атмосферного воздуха. Однако отношение к этому показателю изменилось. Наличие значительных концентраций озона в крупных населенных пунктах, вблизи больших транспортных магистралей подтверждает его антропотехногенное происхождение.
Азот (N2), его эколого-гигиеническое значение. Считается, что азот – газ индифферентный. В атмосфере азота невозможна жизнь. Азот воздуха усваивается некоторыми видами почвенных бактерий, а также сине-зелеными водорослями. Под влиянием электрических разрядов азот превращается в оксиды азота, которые, выпадая с атмосферными осадками, обогащают почву солями азотной и азотистой кислоты. Последние усваиваются растениями и служат для образования белка. Наряду с усвоением азота происходит его выделение в атмосферу. Свободный азот образуется при процессах горения древесины, угля, нефти. В природе происходит непрерывный круговорот, в результате которого азот атмосферы превращается в органические соединения, восстанавливается и поступает в атмосферу, затем вновь связывается биологическими объектами.
Азот необходим как разбавитель кислорода, так как дыхание чистым кислородом приводит к необратимым изменениям в организме. Однако повышенное содержание азота во вдыхаемом воздухе способствует наступлению гипоксии вследствие снижения парциального давления кислорода. При увеличении содержания азота в воздухе до 93 % наступает смерть.
При вдыхании воздуха под повышенным давлением азот начинает оказывать наркотическое действие. Наиболее отчетливо это действие проявляется при давлении воздуха в 9 и более атмосфер. Это имеет большое значение при работе на больших глубинах, когда воздух приходится подавать под высоким давлением, иногда превышающим 10 атмосфер. В настоящее время при работах на больших глубинах для дыхания пользуются не воздухом, а специально приготовленной гелиево-кислородной смесью, т. е. азот в воздухе заменяют более инертным газом.
Диоксид углерода как косвенный показатель загрязнения воздуха закрытых помещений. Содержание диоксида углерода в атмосферном воздухе 0,03 – 0,04 %. Тем не менее он имеет очень большое эколого-гигиеническое значение.
В течение длительного времени окислительные и восстановительные процессы, происходящие в природе, взаимно друг друга уравновешивали, в силу чего состав воздуха практически не менялся. Основными источниками поступления диоксида углерода в атмосферу являются: дыхание человека, животных, растений (человек в спокойном состоянии в сутки выделяет до 500 л CO2); процессы биологического горения органических веществ; сжигание топлива; действующие вулканы и термальные источники, лесные пожары; большие водные поверхности, преимущественно морей и океанов.
Мощным аккумулятором CO2 являются моря и океаны. При уменьшении парциального давления CO2 в атмосферном воздухе поверхность морей и океанов выделяет диоксид углерода. При избыточном же содержании углекислого газа в атмосфере он активно поглощается морской поверхностью. Диффузия газов и постоянные ветры равномерно распределяют его в атмосферном воздухе.