Человек как обитатель наземно-воздушной среды постоянно взаимодействует с воздухом. Воздух, составляя земную атмосферу, состоит из смеси газов, водяного пара и аэрозолей. В нижней части атмосферы сухой воздух содержит: азота - 78%; кислорода - 20,9%, аргона - 0,9%, углекислого газа - 0,05%, следы метана, криптона, водорода и др. Следует отметить, что химический состав воздуха мало меняется в зависимости от высоты воздушного слоя. Так, на высоте 28 км в воздухе содержится 20,39% кислорода (на уровне моря - 20,9%).
В составе воздуха имеются компоненты и в переменных количествах - различные примеси природного происхождения и загрязнения, обусловленные деятельностью человека (водяной пар, углекислый газ, оксиды серы и азота и др.).
Химический состав атмосферного воздуха представлен на рис. 1.
В воздухе могут присутствовать до 30% природных примесей.
- Кислород (О2). Наиболее важным компонентом в составе воздуха является кислород. Кислород необходим для поддержания процессов горения, тления и других окислительных процессов, происходящих в природе, которые обеспечивают существование жизни на Земле. Кислород необходим для катаболизма. Человек потребляет в покое около 15-20 л кислорода в 1 ч., потребность в нем при физической работе возрастает до 150-200 л/ч.
Кислород в атмосфере содержится главным образом в молекулярном виде (О2), под влиянием ионизирующего излучения и электрических разрядов молний в воздухе появляется кислород атомарный (О) и трехатомный (О3 - озон). Озоновый слой располагается на высоте 25-50 км от поверхности земли в стратосфере. Он задерживает коротковолновую часть ультрафиолетового спектра (с длиной волны короче 280 нм), предохраняя живые организмы от гибели. Парциальное давление кислорода у поверхности земли составляет 160 мм рт. ст.
Все окислительные процессы в организме происходят при непосредственном участии кислорода. Отклонения в парциальном давлении и количественном отношении кислорода вызывают значительные нарушения окислительно-восстановительных процессов в организме, что наблюдается при различных патологических состояниях. При этом весьма важно установить, до какой степени возможно снижение количества кислорода в воздухе без нарушения физиологических функций организма. Естественно, что какие-то колебания в содержании кислорода в воздухе организмом переносятся безболезненно, т.к. организм обладает довольно мощными компенсаторными возможностями.
Снижение количества кислорода во вдыхаемом воздухе до 16 и даже 15% (при нормальном давлении) переносится организмом достаточно безболезненно, хотя компенсаторные механизмы при этом находятся в состоянии напряжения. При содержании кислорода в воздухе менее 14% наступает кислородное голодание, менее 8% - смерть Кратковременно человек может просуществовать даже в атмосфере с содержанием кислорода около 10%, а хорошо тренированные к кислородной недостаточности люди (летчики) - до 8-7%. Естественно, что при этом компенсаторные механизмы организма находятся в крайней степени напряжения. Дальнейшее снижение содержания кислорода во вдыхаемом воздухе приводит к быстрому истощению компенсаторных механизмов организма и его гибели. При низком парциальном давлении все эти явления усугубляются. Особенно чувствительна к недостатку кислорода центральная нервная система. Компенсация организмом кислородной недостаточности происходит за счет: усиления легочной вентиляции (учащение и углубление дыхательных движений); усиления циркуляции крови (увеличение систолического объема сердечных сокращений и увеличение их частоты); увеличения количества циркулирующей крови (за счет выхода ее из депо); увеличения количества форменных элементов крови, обеспечивающих функцию транспортировки кислорода (увеличение числа эритроцитов и гемоглобина в крови) и т.д.
Отсутствие эффективной вентиляции, скопление людей в закрытых помещениях или процесс горения топлива, в том числе газового, могут привести к значительному снижению концентрации кислорода в воздухе.
Вдыхание воздуха с повышенным содержанием кислорода переносится организмом человека хорошо. Вдыхание даже чистого кислорода (при нормальном давлении) не приводит к возникновению патологических изменений в организме. Лишь при длительном дыхании чистым кислородом отмечается некоторое высушивающее действие его на слизистые оболочки дыхательных путей, что может привести к их раздражению и возникновению воспалительных явлений. Вдыхание же чистого кислорода под повышенным давлением (3-4 атмосферы и более) приводит к патологическим явлениям со стороны центральной нервной системы, проявляющимся в виде судорог (кислородная интоксикация). При обычных условиях жизни такие явления не встречаются, а могут возникнуть только при использовании кислородной аппаратуры в случае ее неисправности (подводные погружения).
Содержание озона (О3) в околоземном слое составляет в среднем 0,01-0,06 мг/м3. В стратосфере озона в десятки и сотни раз больше, наибольшая концентрация наблюдается на высотах 18 - 25 км, в так называемом “озоновом слое”, который защищает биосферу от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. В настоящее время установлено, что озон является промежуточным продуктом фотохимических реакций в загрязненной оксидами азота атмосфере, и как сильный окислитель, может приводить к образованию высокотоксичных соединений. Повышенное содержание озона в воздухе городов указывает на опасный уровень загрязнения.
Углекислый газ (СО2). Углекислого газа в воздухе весьма мало. В атмосферном воздухе его содержится всего 0,03-0,035%, а в воздухе помещений - до десятых долей процента. Однако он имеет очень большое значение.
Он стимулирует работу дыхательного центра, поэтому необходим газообмен, повышение концентрации до 0,1 % в воздухе нарушает внешнее дыхание. Если концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе превышает 3%, то существование в такой атмосфере становится опасным для здоровья. Концентрация СО2 порядка 10% считается опасной для жизни (потеря сознания наступает через несколько минут дыхания таким воздухом). При концентрации 20% происходит паралич дыхательного центра в течение нескольких секунд..
Диоксид углерода (углекислый газ) поступает в атмосферу в результате процессов дыхания, брожения, горения, окисления органических веществ и т.п. Содержание углекислого газа в атмосфере постоянно возрастет, что обусловливает появление “парникового эффекта” из-за способности этого газа удерживать у поверхности инфракрасное излучение Земли. В выдыхаемом воздухе углекислого газа в 100 раз больше, чем во вдыхаемом (3-5%). Человек в состоянии покоя выделяет в среднем 20 л углекислого газа в 1 час. При недостаточной вентиляции помещений, где присутствует много людей, содержание этого газа достигает 1% и более. При этом отмечаются ухудшение самочувствия, сонливость и другие симптомы. Углекислый газ тяжелее воздуха, поэтому в помещениях он скапливается в нижней части
Для воздуха помещений содержание углекислого газа имеет санитарно-показательное значение. В помещениях, где находятся люди, в воздух поступают разнообразные продукты жизнедеятельности человеческого организма - выдыхаемый воздух, насыщенный углекислотой и водяными парами; испарения с поверхности кожи и слизистых оболочек дыхательных путей, в составе которых присутствуют продукты разложения слизи, пота, кожного жира и т.д. В результате в воздухе увеличивается концентрация углекислоты, появляются аммиак, альдегиды, кетоны и другие дурно пахнущие газы, увеличивается влажность, пылевая и микробная загрязненность воздуха, что в целом характеризуется как душный (жилой) воздух, оказывающий влияние на самочувствие, работоспособность и здоровье людей. По концентрации углекислоты в таком воздухе можно определить степень общей его загрязненности. Поэтому углекислый газ служит санитарным показателем чистоты воздуха в жилых и общественных помещениях. Воздух считается свежим, если концентрация углекислоты в нем не превышает 0,1%. Эта величина и считается предельно допустимой для воздуха в жилых и общественных помещениях. Концентрация углекислого газа в воздухе помещений выше 0,1% свидетельствует о неэффективной работе вентиляции.
Диоксид углерода (углекислый газ) поступает в атмосферу в результате процессов дыхания, брожения, горения, окисления органических веществ и т.п. Содержание углекислого газа в атмосфере постоянно возрастет, что обусловливает появление “парникового эффекта” из-за способности этого газа удерживать у поверхности инфракрасное излучение Земли. В выдыхаемом воздухе углекислого газа в 100 раз больше, чем во вдыхаемом (3-5%). Человек в состоянии покоя выделяет в среднем 20 л углекислого газа в 1 час. При недостаточной вентиляции помещений, где присутствует много людей, содержание этого газа достигает 1% и более. При этом отмечаются ухудшение самочувствия, сонливость и другие симптомы. Концентрация углекислого газа в воздухе помещений выше 0,1% об. свидетельствует о неэффективной работе вентиляции.
- Азот. Преобладающим компонентом атмосферы является азот. Азот как инертный газ не принимает участия в обменных процессах живых организмов и служит разбавителем кислорода, так как жизнь в чистом кислороде невозможна. При нормальном давлении влияния не оказывает, при повышенном давлении создает наркотический эффект, вызывает эйфорию, что нужно учитывать при кессонных работах.
Другие инертные газы - аргон, неон, гелий, криптон, ксенон также не имеют физиологического значения.