الهواء عبارة عن خليط من الغازات التي تحيط بالأرض وتشكل غلافها الجوي. الهواء غير مرئي ولا طعم له وعادة ما يكون عديم الرائحة. للهواء وزن، ويمكن أن يتمدد أو يضغط، ويكون تحت الحد الأقصى درجات الحرارة المنخفضةيمكن أن يتحول إلى سائل أو حتى صلب. نحن نسمي الهواء المتحرك بالرياح. لديها ما يكفي من القوة لتشغيل شفرات الطاحونة وتحريك السفن عبر البحر.

تكوين الهواء معقد للغاية، على الرغم من أن مكوناته الرئيسية هي النيتروجين - حوالي 78٪ والأكسجين - حوالي 21٪. يحتوي الهواء أيضًا على الأرجون وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء والنيون والهيليوم والميثان والكريبتون والأوزون.

الأكسجين الموجود في الهواء أمر حيوي لجميع الحيوانات والنباتات الأرضية. من خلال التنفس، تحصل الحيوانات والنباتات على الأكسجين وتستخدمه للحصول على الطاقة من الغذاء وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون في عملية التمثيل الضوئي، حيث تحصل النباتات خلالها على الطاقة وتطلق الأكسجين.

يشكل ثاني أكسيد الكربون 0.03% فقط من حجم الهواء. يتشكل ليس فقط أثناء الاحتراق، ولكن أيضًا أثناء احتراق وتحلل المواد العضوية.

يحتوي الهواء أيضًا على الماء في صورة غازية. وتسمى نسبة الماء في الهواء بالرطوبة. قد تختلف الرطوبة حسب الارتفاع ودرجة الحرارة.

يحتوي الهواء أيضًا عادةً على العديد من الجسيمات الصغيرة، مثل الغبار البركاني وحبوب اللقاح والعفن وجراثيم الطحالب والبكتيريا والسخام والغبار. على سبيل المثال، يمكن رؤية جزيئات الغبار في غرفة مضاءة بنور الشمس. وينتج عن تشتت ضوء الشمس لون الشمس أثناء شروق الشمس وغروبها.

الهواء له كثافة وضغط. عند مستوى سطح البحر تبلغ كثافة الغلاف الجوي حوالي 1.3 كجم/م3. يبلغ الضغط الجوي عند مستوى سطح البحر 101.3 كيلو باسكال. وهذا الضغط هو "جو واحد" - وهي وحدة ضغط تقاس بإطارات السيارات على سبيل المثال. ومع زيادة الارتفاع، ينخفض ​​الضغط. على ارتفاع 6 كم، يكون ضغط الهواء أقل مرتين (حوالي 50 كيلو باسكال). يتم قياس ضغط الهواء باستخدام جهاز خاص - البارومتر.

لقد تم استخدام الهواء المضغوط منذ فترة طويلة في مجالات مختلفة، على سبيل المثال، لتشغيل آلات ثقب الصخور، والرافعات، والرافعات، وآلات القولبة، وأجهزة التثبيت، والأدوات الطبية. ويستخدم الهواء المضغوط أيضًا في آلات السفع الرملي لتنظيف الأجزاء، وكذلك حفر الزجاج والمعادن والخرسانة. مرة أخرى في أواخر الخمسينيات، الأول عربةعلى وسادة هوائية تتحرك على طول طبقة من الهواء المضغوط الناتج.

لنقم بالحجز على الفور: يمتص النيتروجين الموجود في الهواء معظم، لكن التركيب الكيميائيالحصة المتبقية مثيرة للاهتمام ومتنوعة للغاية. باختصار، قائمة العناصر الرئيسية هي كما يلي.

ولكننا سنقدم أيضًا بعض التوضيحات حول وظائف هذه العناصر الكيميائية.

1. النيتروجين

يبلغ محتوى النيتروجين في الهواء 78% من حيث الحجم و75% من حيث الكتلة، أي أن هذا العنصر يهيمن على الغلاف الجوي، ويحمل لقب أحد أكثر العناصر شيوعًا على الأرض، وبالإضافة إلى ذلك، فهو موجود خارج سكن الإنسان المنطقة - على أورانوس ونبتون وفي الفضاءات بين النجوم. لذلك، لقد اكتشفنا بالفعل مقدار النيتروجين الموجود في الهواء، ولكن يبقى السؤال حول وظيفته. النيتروجين ضروري لوجود الكائنات الحية، فهو جزء من:

• البروتينات.
• أحماض أمينية؛
• احماض نووية؛
• الكلوروفيل؛
• الهيموجلوبين، الخ.

في المتوسط، يتكون حوالي 2% من الخلية الحية من ذرات النيتروجين، وهو ما يفسر وجود الكثير من النيتروجين في الهواء كنسبة مئوية من الحجم والكتلة.
يعد النيتروجين أيضًا أحد الغازات الخاملة المستخرجة من الهواء الجوي. ويتم تصنيع الأمونيا منها واستخدامها للتبريد ولأغراض أخرى.

2. الأكسجين

يعد محتوى الأكسجين في الهواء أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا. للحفاظ على المؤامرات، دعونا نصرف أنفسنا بواحدة حقيقة ممتعة: تم اكتشاف الأكسجين مرتين - في عامي 1771 و1774، ولكن بسبب الاختلافات في منشورات الاكتشاف، ذهب شرف اكتشاف العنصر إلى الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي، الذي قام بالفعل بعزل الأكسجين ثانياً. لذا فإن نسبة الأكسجين في الهواء تتقلب بحوالي 21% من حيث الحجم و23% من حيث الكتلة. يشكل هذان الغازان مع النيتروجين 99% من الهواء الموجود على الأرض. إلا أن نسبة الأكسجين في الهواء أقل من نسبة النيتروجين، ورغم ذلك لا نواجه مشاكل في التنفس. والحقيقة هي أن كمية الأكسجين في الهواء يتم حسابها على النحو الأمثل خصيصًا للتنفس الطبيعي شكل نقيويعمل هذا الغاز في الجسم كالسم ويؤدي إلى صعوبات في العمل الجهاز العصبي، مشاكل في الجهاز التنفسي والدورة الدموية. وفي الوقت نفسه، يؤثر نقص الأكسجين أيضًا سلبًا على الصحة، مما يسبب جوع الأكسجين وكل ما يرتبط به أعراض غير سارة. لذلك، فإن كمية الأكسجين الموجودة في الهواء هي ما نحتاجه للتنفس الصحي والكامل.

3. الأرجون

يحتل الأرجون المرتبة الثالثة في الهواء، فهو عديم الرائحة، ولا لون، ولا طعم له. بارِز الدور البيولوجيولم يتم الكشف عن هذا الغاز، لكن له تأثير مخدر، بل ويعتبر منشطًا. ويستخدم الأرجون المستخرج من الجو في الصناعة والطب لخلق جو اصطناعي، التوليف الكيميائيوإطفاء الحرائق وإنشاء أشعة الليزر وما إلى ذلك.

4. ثاني أكسيد الكربون

ويشكل ثاني أكسيد الكربون الغلاف الجوي لكوكبي الزهرة والمريخ، ونسبته في هواء الأرض أقل بكثير. في الوقت نفسه، يحتوي المحيط على كمية هائلة من ثاني أكسيد الكربون، ويتم توفيره بانتظام من قبل جميع الكائنات الحية التي تتنفس، ويتم إطلاقها بسبب عمل الصناعة. في حياة الإنسان، يستخدم ثاني أكسيد الكربون في مكافحة الحرائق، وصناعة المواد الغذائية كغاز وكما إمداد غذائي E290 - مادة حافظة ومخمرة. وفي حالته الصلبة، يعد ثاني أكسيد الكربون أحد أكثر مواد التبريد المعروفة، "الثلج الجاف".

5. النيون

نفس الضوء الغامض لأضواء الديسكو واللافتات الساطعة والمصابيح الأمامية الحديثة هو الخامس الأكثر شيوعًا عنصر كيميائيوالذي يستنشقه الإنسان أيضًا – النيون. مثل العديد من الغازات الخاملة، للنيون تأثير مخدر على الإنسان عند ضغط معين، ولكن هذا الغاز هو الذي يستخدم في تدريب الغواصين وغيرهم من الأشخاص الذين يعملون تحت ضغط معين. ضغط دم مرتفع. كما تستخدم مخاليط النيون والهيليوم في الطب لعلاج اضطرابات الجهاز التنفسي، ويستخدم النيون نفسه للتبريد، وفي إنتاج أضواء الإشارة ومصابيح النيون نفسها. ومع ذلك، خلافًا للصورة النمطية، فإن ضوء النيون ليس أزرقًا، بل أحمر. يتم إنتاج جميع الألوان الأخرى بواسطة المصابيح مع الغازات الأخرى.

6. الميثان

الميثان والهواء لديهما جدا التاريخ القديم: في الغلاف الجوي الأساسي، حتى قبل ظهور الإنسان، كان الميثان بكميات أكبر بكثير. يتم الآن استخراجه واستخدامه كوقود ومواد خام في التصنيع، وهذا الغاز ليس منتشرًا على نطاق واسع في الغلاف الجوي، ولكنه لا يزال يُطلق من الأرض. تحدد الأبحاث الحديثة دور الميثان في التنفس والوظائف الحيوية لجسم الإنسان، ولكن لا توجد بيانات موثوقة حول هذا الموضوع حتى الآن.

7. الهيليوم

بالنظر إلى مقدار الهيليوم الموجود في الهواء، سوف يفهم أي شخص أن هذا الغاز ليس من أهم الغازات. في الواقع، من الصعب تحديد ذلك الأهمية البيولوجيةهذا الغاز. بصرف النظر عن التشويه المضحك للصوت عند استنشاق الهيليوم من بالون :) ومع ذلك، يستخدم الهيليوم على نطاق واسع في الصناعة: في صناعة المعادن، وصناعة المواد الغذائية، لملء الطائرات وبالونات الطقس، وفي الليزر، والمفاعلات النووية، وما إلى ذلك.

8. الكريبتون

نحن لا نتحدث عن موطن سوبرمان :) الكريبتون هو غاز خامل أثقل ثلاث مرات من الهواء، خامل كيميائيا، مستخرج من الهواء، يستخدم في المصابيح المتوهجة، وأشعة الليزر وما زال قيد الدراسة بنشاط. من بين الخصائص المثيرة للاهتمام للكريبتون، تجدر الإشارة إلى أنه عند ضغط 3.5 أجواء يكون له تأثير مخدر على البشر، وعند 6 أجواء يكتسب رائحة نفاذة.

9. الهيدروجين

يحتل الهيدروجين في الهواء نسبة 0.00005% من حيث الحجم و0.00008% من حيث الكتلة، ولكنه في الوقت نفسه هو العنصر الأكثر شيوعًا في الكون. من الممكن تمامًا كتابة مقال منفصل عن تاريخه وإنتاجه وتطبيقه، لذا سنقتصر الآن على قائمة صغيرة من الصناعات: الصناعات الكيميائية والوقود والصناعات الغذائية والطيران والأرصاد الجوية والطاقة الكهربائية.

10. زينون

هذا الأخير هو أحد مكونات الهواء، والذي كان يعتبر في البداية مجرد خليط من الكريبتون. يُترجم اسمها على أنه "كائن فضائي"، كما أن نسبة المحتوى الموجود على الأرض وخارجها ضئيلة للغاية، مما أدى إلى ارتفاع تكلفتها. في الوقت الحاضر لا يمكنهم الاستغناء عن الزينون: إنتاج مصادر الضوء القوية والنبضية، والتشخيص والتخدير في الطب، ومحركات المركبات الفضائية، ووقود الصواريخ. بالإضافة إلى ذلك، عند استنشاق الزينون، فإنه يخفض الصوت بشكل ملحوظ (التأثير المعاكس للهيليوم)، ومؤخرًا تم إدراج استنشاق هذا الغاز في قائمة المنشطات.

يحتوي هواء الجنوب الحار المشمس والشمال البارد القاسي على نفس كمية الأكسجين.

يحتوي لتر واحد من الهواء دائمًا على 210 سم مكعب من الأكسجين، وهو ما يمثل 21 بالمائة من حيث الحجم.

ويوجد معظم النيتروجين في الهواء بمقدار 780 سم مكعب لكل لتر، أو 78 بالمائة من حيث الحجم. هناك أيضًا كمية صغيرة من الغازات الخاملة في الهواء. تسمى هذه الغازات خاملة لأنها لا تتحد مع العناصر الأخرى.

من بين الغازات الخاملة الموجودة في الهواء، يعتبر الأرجون هو الأكثر وفرة - حيث يوجد حوالي 9 سم مكعب لكل لتر. ويوجد النيون بكميات أقل بكثير في الهواء: إذ يوجد 0.02 سنتيمتر مكعب في لتر من الهواء. يوجد هيليوم أقل - فقط 0.005 سم مكعب. الكريبتون أقل بخمس مرات من الهيليوم - 0.001 سنتيمتر مكعب، وزينون صغير جدًا - 0.00008 سنتيمتر مكعب.

ويحتوي الهواء أيضًا على مركبات كيميائية غازية، مثل ثاني أكسيد الكربون أو ثاني أكسيد الكربون (CO 2). كمية ثاني أكسيد الكربونفي الهواء يتراوح من 0.3 إلى 0.4 سم مكعب لكل لتر. محتوى بخار الماء في الهواء متغير أيضًا. يوجد عدد أقل منهم في الطقس الجاف والحار، وأكثر في الطقس الممطر.

يمكن أيضًا التعبير عن تكوين الهواء كنسبة مئوية بالوزن. بمعرفة وزن 1 لتر من الهواء والثقل النوعي لكل غاز يدخل في تركيبته، فمن السهل الانتقال من القيم الحجمية إلى القيم الوزنية. يحتوي النيتروجين في الهواء على حوالي 75.5 والأكسجين - 23.1 والأرجون - 1.3 وثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) -0.04 بالمائة بالوزن.

يرجع الفرق بين نسب الوزن والحجم إلى اختلاف الثقل النوعي للنيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون.

الأكسجين، على سبيل المثال، يتأكسد النحاس بسهولة عند درجة حرارة عالية. لذلك، إذا قمت بتمرير الهواء عبر أنبوب مملوء ببرادة النحاس الساخنة، فعندما يغادر الأنبوب لن يحتوي على أكسجين. يمكنك أيضًا إزالة الأكسجين من الهواء باستخدام الفوسفور. أثناء الاحتراق، يتحد الفوسفور بشراهة مع الأكسجين، ويشكل أنهيدريد الفوسفور (P 2 O 5).

تم تحديد تكوين الهواء في عام 1775 من قبل لافوازييه.

أثناء تسخين كمية صغيرة من الزئبق المعدني في معوجة زجاجية، قام لافوازييه بوضع الطرف الضيق من المعوجة تحت جرس زجاجي، والذي تم وضعه في وعاء مملوء بالزئبق. واستمرت هذه التجربة اثني عشر يوما. أصبح الزئبق الموجود في المعوجة، الذي تم تسخينه حتى الغليان تقريبًا، مغطى أكثر فأكثر بأكسيد أحمر. وفي الوقت نفسه، بدأ مستوى الزئبق في الغطاء المقلوب في الارتفاع بشكل ملحوظ فوق مستوى الزئبق في الوعاء الذي يوجد فيه الغطاء. أخذ الزئبق الموجود في المعوجة، المؤكسد، المزيد والمزيد من الأكسجين من الهواء، وانخفض الضغط في المعوجة والجرس، وبدلاً من الأكسجين المستهلك، تم امتصاص الزئبق في الجرس.

وعندما تم استهلاك كل الأكسجين وتوقفت أكسدة الزئبق، توقف أيضًا امتصاص الزئبق في الجرس. تم قياس حجم الزئبق في الجرس. اتضح أنها تشكل جزءًا من الحجم الخامس للجرس والمعوجة.

الغاز المتبقي في الجرس والمعوجة لا يدعم الاحتراق أو الحياة. تم استدعاء هذا الجزء من الهواء، الذي احتل ما يقرب من 4/6 من الحجم نتروجين.

أثبتت التجارب الأكثر دقة في نهاية القرن الثامن عشر أن الهواء يحتوي على 21 بالمائة من الأكسجين و79 بالمائة من النيتروجين من حيث الحجم.

فقط في نهاية القرن التاسع عشر أصبح معروفًا أن الهواء يحتوي على الأرجون والهيليوم وغازات خاملة أخرى.

الواردة في الجدول. 1.1 يخضع تكوين الهواء الجوي لتغيرات مختلفة في الأماكن المغلقة. أولا، تتغير النسبة المئوية للمكونات الفردية المطلوبة، وثانيا، تظهر مكونات إضافية غير نموذجية هواء نظيفالشوائب. سنتحدث في هذه الفقرة عن التغيرات في تكوين الغاز وانحرافاته المسموح بها عن الطبيعي.

وأهم الغازات لحياة الإنسان هما الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، اللذين يشاركان في تبادل الغازات بين الإنسان و بيئة. يحدث تبادل الغازات هذا بشكل رئيسي في رئتي الإنسان أثناء التنفس. تبادل الغازات الذي يحدث من خلال سطح الجلد أقل بحوالي 100 مرة من تبادل الغازات من خلال الرئتين، إذ تبلغ مساحة جسم الإنسان البالغ حوالي 1.75 م2، وسطح الحويصلات الهوائية في الرئتين حوالي 200 م2. تترافق عملية التنفس مع تكوين حرارة في جسم الإنسان بكمية تتراوح من 4.69 إلى 5.047 (في المتوسط ​​4.879) سعرة حرارية لكل 1 لتر من الأكسجين الممتص (يتحول إلى ثاني أكسيد الكربون). تجدر الإشارة إلى أنه يتم امتصاص جزء صغير فقط من الأكسجين الموجود في الهواء المستنشق (حوالي 20٪). فإذا كان الهواء الجوي يحتوي على ما يقرب من 21% أكسجين، فإن الهواء الذي يزفره الإنسان سيحتوي على حوالي 17%. عادة، تكون كمية ثاني أكسيد الكربون التي يتم إخراجها أثناء الزفير أقل من كمية الأكسجين الممتصة. تسمى نسبة حجم ثاني أكسيد الكربون المنبعث من الشخص والأكسجين الممتص بمعامل الجهاز التنفسي (RQ)، والذي يتراوح عادة من 0.71 إلى 1. ومع ذلك، إذا كان الشخص في حالة إثارة قوية أو يقوم بعمل شاق للغاية ، يمكن أن يكون RQ أكبر من واحد.

إن كمية الأكسجين التي يحتاجها الإنسان للحفاظ على وظائفه الحياتية الطبيعية تعتمد بشكل أساسي على شدة العمل الذي يقوم به وتتحدد حسب درجة التوتر العصبي والعضلي. يحدث امتصاص الأكسجين في الدم بشكل أفضل عند ضغط جزئي يبلغ حوالي 160 ملم زئبق. الفن، أنه في الضغط الجوي 760 ملم زئبق فن. ويقابل النسبة الطبيعية للأكسجين في الهواء الجوي أي 21%.

ونظرًا لقدرة جسم الإنسان على التكيف، يمكن ملاحظة التنفس الطبيعي حتى مع وجود كميات أقل من الأكسجين.

إذا حدث انخفاض في محتوى الأكسجين في الهواء بسبب الغازات الخاملة (على سبيل المثال، النيتروجين)، فمن الممكن حدوث انخفاض كبير في كمية الأكسجين - ما يصل إلى 12٪.

ومع ذلك، في الأماكن المغلقة، لا يصاحب انخفاض محتوى الأكسجين زيادة في تركيز الغازات الخاملة، ولكن تراكم ثاني أكسيد الكربون. في ظل هذه الظروف، يجب أن يكون الحد الأدنى المسموح به لمحتوى الأكسجين في الهواء أعلى من ذلك بكثير. عادة، يتم أخذ محتوى الأكسجين بنسبة 17٪ من حيث الحجم كمعيار لهذا التركيز. بشكل عام، في الأماكن المغلقة، لا تنخفض نسبة الأكسجين أبدًا إلى هذا المعيار، لأن تركيز ثاني أكسيد الكربون يصل إلى القيمة الحدية قبل ذلك بكثير. ولذلك، من المهم عمليا وضع معايير قصوى مسموح بها لمحتوى ثاني أكسيد الكربون بدلا من الأكسجين في الأماكن المغلقة.

ثاني أكسيد الكربون CO2 هو غاز عديم اللون ذو طعم ورائحة حامضة باهتة؛ فهو أثقل من الهواء بمقدار 1.52 مرة وهو سام قليلاً. يؤدي تراكم ثاني أكسيد الكربون في هواء الأماكن المغلقة إلى الصداع والدوار والضعف وفقدان الحساسية وحتى فقدان الوعي.

ويعتقد أن كمية ثاني أكسيد الكربون في الهواء الجوي تبلغ 0.03% من حيث الحجم. وهذا صحيح بالنسبة للمناطق الريفية. في الهواء من المراكز الصناعية الكبيرة عادة ما يكون محتواه أعلى. لإجراء الحسابات، يتم أخذ تركيز 0.04٪. يحتوي الهواء الذي يزفره الإنسان على ما يقارب 4% من ثاني أكسيد الكربون.

ودون أي عواقب ضارة على جسم الإنسان، يمكن تحمل تركيزات ثاني أكسيد الكربون الأعلى بكثير من 0.04% في هواء الأماكن المغلقة.

يعتمد الحد الأقصى المسموح به لتركيز ثاني أكسيد الكربون على مدة بقاء الأشخاص في مكان مغلق معين وعلى نوع مهنتهم. على سبيل المثال، بالنسبة للملاجئ المغلقة، عند وضعها فيها الأشخاص الأصحاءلمدة لا تزيد عن 8 ساعات، يمكن قبول نسبة 2% كحد أقصى المسموح به لتركيز ثاني أكسيد الكربون. بالنسبة للإقامات قصيرة المدى، قد يتم زيادة هذا المعدل. إمكانية وجود الشخص في بيئة مع زيادة التركيزاتيرجع ثاني أكسيد الكربون إلى القدرة جسم الإنسانالتكيف مع الظروف المختلفة. عندما يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون أعلى من 1%، يبدأ الشخص في استنشاق كمية أكبر بكثير من الهواء. وهكذا، عند تركيز ثاني أكسيد الكربون بنسبة 3٪، يتضاعف التنفس حتى في حالة الراحة، وهو أمر في حد ذاته لا يسبب ملحوظة عواقب سلبيةمع إقامة قصيرة نسبيًا في مثل هذا الهواء البشري. إذا بقي الشخص في غرفة بها تركيز ثاني أكسيد الكربون 3% لفترة طويلة بما فيه الكفاية (3 أيام أو أكثر)، فإنه معرض لخطر فقدان الوعي.

عندما يبقى الناس في غرف مغلقة لفترة طويلة وعندما يقوم الناس بهذا العمل أو ذاك، يجب أن يكون الحد الأقصى المسموح به لتركيز ثاني أكسيد الكربون أقل بكثير من 2٪. يُسمح بالتقلب من 0.1 إلى 1٪. يمكن اعتبار محتوى ثاني أكسيد الكربون بنسبة 0.1٪ مقبولاً للمباني العادية غير المغلقة للمباني والهياكل لأغراض مختلفة. يجب وصف تركيز أقل لثاني أكسيد الكربون (حوالي 0.07-0.08) فقط لمباني المؤسسات الطبية ومؤسسات الأطفال.

وكما سيتضح مما يلي، فإن متطلبات محتوى ثاني أكسيد الكربون في الهواء الداخلي للمباني فوق الأرض عادة ما يتم استيفاؤها بسهولة إذا كان مصدر انبعاثه هو الأشخاص. وبخلاف ذلك، فإن السؤال هو متى يتراكم ثاني أكسيد الكربون مباني الإنتاجنتيجة لواحدة أو أخرى العمليات التكنولوجية، والتي تحدث، على سبيل المثال، في ورش الخميرة والتخمير والتحلل المائي. في هذه الحالة، يتم اعتبار 0.5٪ الحد الأقصى المسموح به لتركيز ثاني أكسيد الكربون.

تكوين الغازالهواء الجوي

يبدو تكوين الغاز في الهواء الذي نتنفسه كما يلي: 78% نيتروجين، 21% أكسجين و1% غازات أخرى. ولكن في أجواء المدن الصناعية الكبيرة غالبا ما تنتهك هذه النسبة. وتتكون نسبة كبيرة من الشوائب الضارة الناجمة عن الانبعاثات الصادرة عن المؤسسات والمركبات. يُدخل النقل الآلي العديد من الشوائب إلى الغلاف الجوي: الهيدروكربونات ذات التركيب غير المعروف، البنزو (أ) بيرين، ثاني أكسيد الكربون، مركبات الكبريت والنيتروجين، الرصاص، وأول أكسيد الكربون.

يتكون الغلاف الجوي من خليط من عدد من الغازات - الهواء الذي تعلق فيه الشوائب الغروية - الغبار والقطرات والبلورات وما إلى ذلك. يتغير تكوين الهواء الجوي قليلاً مع الارتفاع. لكن بدءاً من ارتفاع حوالي 100 كيلومتر، ومعه الأكسجين الجزيئي والنيتروجين، يظهر الأكسجين الذري أيضاً نتيجة تفكك الجزيئات، ويبدأ فصل الغازات بفعل الجاذبية. فوق 300 كيلومتر، يسود الأكسجين الذري في الغلاف الجوي، فوق 1000 كيلومتر - الهيليوم ثم الهيدروجين الذري. يتناقص الضغط الجوي وكثافته مع الارتفاع؛ ويتركز حوالي نصف إجمالي كتلة الغلاف الجوي في الـ 5 كيلومترات السفلية، و9/10 في الـ 20 كيلومترًا السفلية، و99.5% في الـ 80 كيلومترًا السفلية. وعلى ارتفاعات حوالي 750 كم، تنخفض كثافة الهواء إلى 10-10 جم/م3 (بينما سطح الأرضتبلغ حوالي 103 جم/م3)، ولكن حتى هذه الكثافة المنخفضة لا تزال كافية لحدوث الشفق القطبي. الغلاف الجوي ليس له حدود عليا حادة. كثافة الغازات المكونة لها

تشتمل تركيبة الهواء الجوي الذي يتنفسه كل منا على عدة غازات، أهمها: النيتروجين (78.09%)، الأكسجين (20.95%)، الهيدروجين (0.01%)، ثاني أكسيد الكربون (ثاني أكسيد الكربون) (0.03%) و الغازات الخاملة (0.93%). بالإضافة إلى ذلك، هناك دائمًا كمية معينة من بخار الماء في الهواء، وتتغير كميته دائمًا مع تغيرات درجة الحرارة: كلما ارتفعت درجة الحرارة، زاد محتوى البخار، والعكس صحيح. وبسبب التقلبات في كمية بخار الماء الموجودة في الهواء، فإن نسبة الغازات فيه ليست ثابتة أيضًا. جميع الغازات التي يتكون منها الهواء عديمة اللون والرائحة. يتغير وزن الهواء ليس فقط حسب درجة الحرارة، ولكن أيضًا وفقًا لمحتوى بخار الماء فيه. عند نفس درجة الحرارة يكون وزن الهواء الجاف أكبر من وزن الهواء الرطب، وذلك لأن بخار الماء أخف بكثير من بخار الهواء.

ويبين الجدول تركيب الغاز في الغلاف الجوي بنسبة الكتلة الحجمية، وكذلك عمر المكونات الرئيسية:

تتغير خصائص الغازات التي يتكون منها الهواء الجوي تحت الضغط.

على سبيل المثال: الأكسجين تحت ضغط أكثر من 2 أجواء له تأثير سام على الجسم.

النيتروجين تحت ضغط أعلى من 5 أجواء له تأثير مخدر (تسمم بالنيتروجين). يؤدي الارتفاع السريع من الأعماق إلى الإصابة بمرض تخفيف الضغط بسبب الإطلاق السريع لفقاعات النيتروجين من الدم، كما لو كانت تزبد.

- زيادة ثاني أكسيد الكربون بنسبة تزيد عن 3% في خليط الجهاز التنفسي تسبب الوفاة.

كل مكون من مكونات الهواء، مع زيادة الضغط إلى حدود معينة، يصبح سمًا يمكن أن يسمم الجسم.

دراسات تكوين الغاز في الغلاف الجوي. كيمياء الغلاف الجوي

بالنسبة لتاريخ التطور السريع لفرع علمي صغير نسبيًا يسمى كيمياء الغلاف الجوي، فإن مصطلح "الطفرة" (الرمي)، المستخدم في الرياضات عالية السرعة، هو الأكثر ملاءمة. ربما تم إطلاق مسدس البداية من خلال مقالتين نُشرتا في أوائل السبعينيات. تحدثوا عن التدمير المحتمل للأوزون الستراتوسفيري بواسطة أكاسيد النيتروجين - NO و NO 2. الأول ينتمي إلى المستقبل حائز على جائزة نوبلثم إلى أحد موظفي جامعة ستوكهولم، ب. كروتزن، الذي اعتبر أن المصدر المحتمل لأكاسيد النيتروجين في طبقة الستراتوسفير هو أكسيد النيتروز N2O الموجود بشكل طبيعي، والذي يتحلل تحت تأثير ضوء الشمس. اقترح مؤلف المقال الثاني، الكيميائي من جامعة كاليفورنيا في بيركلي جي جونستون، أن أكاسيد النيتروجين تظهر في طبقة الستراتوسفير نتيجة للنشاط البشري، أي أثناء انبعاثات منتجات الاحتراق من المحركات النفاثة للطائرات على ارتفاعات عالية.

وبطبيعة الحال، فإن الفرضيات المذكورة أعلاه لم تنشأ من العدم. النسبة حسب على الأقلالمكونات الرئيسية في الهواء الجوي - جزيئات النيتروجين والأكسجين وبخار الماء وما إلى ذلك - كانت معروفة قبل ذلك بكثير. بالفعل في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. وفي أوروبا، تم إجراء قياسات لتركيزات الأوزون في الهواء السطحي. وفي ثلاثينيات القرن العشرين، اكتشف العالم الإنجليزي س. تشابمان آلية تكوين الأوزون في جو أكسجيني خالص، مما يشير إلى مجموعة من التفاعلات بين ذرات وجزيئات الأكسجين، وكذلك الأوزون، في غياب أي مكونات هوائية أخرى. ومع ذلك، في أواخر الخمسينيات، أظهرت القياسات باستخدام صواريخ الطقس أن هناك كمية أقل بكثير من الأوزون في طبقة الستراتوسفير مما ينبغي أن يكون وفقًا لدورة تفاعل تشابمان. وعلى الرغم من أن هذه الآلية لا تزال أساسية حتى يومنا هذا، إلا أنه أصبح من الواضح أن هناك بعض العمليات الأخرى التي تشارك أيضًا بشكل فعال في تكوين الأوزون الجوي.

ومن الجدير بالذكر أنه بحلول بداية السبعينيات، تم الحصول على المعرفة في مجال كيمياء الغلاف الجوي بشكل أساسي من خلال جهود العلماء الأفراد، الذين لم تكن أبحاثهم متحدة بأي مفهوم مهم اجتماعيا وكانت في أغلب الأحيان ذات طبيعة أكاديمية بحتة. عمل جونستون أمر مختلف: وفقًا لحساباته، يمكن لـ 500 طائرة، تحلق 7 ساعات يوميًا، أن تقلل كمية الأوزون الستراتوسفيري بنسبة لا تقل عن 10٪! وإذا كانت هذه التقييمات عادلة، فقد أصبحت المشكلة على الفور اجتماعية واقتصادية، لأنه في هذه الحالة يجب أن تخضع جميع برامج تطوير طيران النقل الأسرع من الصوت والبنية التحتية ذات الصلة لتعديلات كبيرة، وربما حتى الإغلاق. بالإضافة إلى ذلك، لأول مرة، نشأ السؤال حقا أن النشاط البشري يمكن أن يسبب كارثة محلية، ولكن عالمية. بطبيعة الحال، في الوضع الحالي، كانت النظرية بحاجة إلى التحقق الصعب للغاية وفي نفس الوقت التشغيلي.

ولنتذكر أن جوهر الفرضية المذكورة أعلاه هو أن أكسيد النيتروجين يتفاعل مع الأوزون NO + O 3 ® ® NO 2 + O 2 ثم يتفاعل ثاني أكسيد النيتروجين المتكون في هذا التفاعل مع ذرة الأكسجين NO 2 + O ® NO + O 2 ، وبالتالي استعادة وجود NO في الغلاف الجوي، في حين يتم فقدان جزيء الأوزون إلى الأبد. في هذه الحالة، يتكرر هذا الزوج من التفاعلات التي تشكل الدورة التحفيزية للنيتروجين لتدمير الأوزون، حتى تؤدي أي عمليات كيميائية أو فيزيائية إلى إزالة أكاسيد النيتروجين من الغلاف الجوي. على سبيل المثال، يتأكسد NO 2 إلى حمض النيتريك HNO 3، وهو شديد الذوبان في الماء، وبالتالي يتم إزالته من الغلاف الجوي عن طريق السحب وهطول الأمطار. تعتبر الدورة التحفيزية للنيتروجين فعالة للغاية: حيث يتمكن جزيء واحد من أكسيد النيتروجين أثناء وجوده في الغلاف الجوي من تدمير عشرات الآلاف من جزيئات الأوزون.

ولكن، كما تعلمون، المشاكل لا تأتي فرادى. وسرعان ما اكتشف خبراء من جامعات الولايات المتحدة - ميشيغان (ر. ستولارسكي و ر. سيسيرون) وهارفارد (س. ووفسي و م. ماكيلروي) - أن الأوزون قد يكون له عدو أكثر قسوة - مركبات الكلور. كانت الدورة الحفزية للكلور لتدمير الأوزون (تفاعلات Cl + O 3 ® ClO + O 2 و ClO + O ® Cl + O 2) ، وفقًا لتقديراتهم ، أكثر كفاءة بعدة مرات من دورة النيتروجين. وكان السبب الوحيد للتفاؤل الحذر هو أن كمية الكلور الموجودة طبيعيا في الغلاف الجوي صغيرة نسبيا، مما يعني أن التأثير الإجمالي لتأثيره على الأوزون قد لا يكون قويا للغاية. ومع ذلك، تغير الوضع بشكل كبير عندما أثبت موظفو جامعة كاليفورنيا في إيرفين س. رولاند وم. مولينا في عام 1974 أن مصدر الكلور في الستراتوسفير هو مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، المستخدمة على نطاق واسع في وحدات التبريد، وتغليف الأيروسول، إلخ. ولكون هذه المواد غير قابلة للاشتعال وغير سامة وسلبية كيميائيا، فإنها تنتقل ببطء عن طريق تيارات الهواء الصاعدة من سطح الأرض إلى طبقة الستراتوسفير، حيث تتدمر جزيئاتها بفعل أشعة الشمس، مما يؤدي إلى إطلاق ذرات الكلور الحرة. الإنتاج الصناعيمركبات الكربون الكلورية فلورية، التي بدأت في الثلاثينيات، وتزايدت انبعاثاتها في الغلاف الجوي بشكل مطرد في جميع السنوات اللاحقة، وخاصة في السبعينيات والثمانينيات. وهكذا، ضمن جدا فترة قصيرةومنذ ذلك الحين، حدد المنظرون مشكلتين في كيمياء الغلاف الجوي ناجمة عن التلوث البشري الشديد.

ومع ذلك، ومن أجل اختبار صحة الفرضيات المطروحة، كان لا بد من القيام بالعديد من المهام.

أولاً،يوسع البحوث المختبريةويمكن خلالها تحديد أو توضيح معدلات التفاعلات الكيميائية الضوئية بين مختلف مكونات الهواء الجوي. يجب أن أقول أن البيانات الضئيلة للغاية حول هذه السرعات التي كانت موجودة في ذلك الوقت كانت تحتوي أيضًا على قدر لا بأس به من الخطأ (يصل إلى عدة مئات بالمائة). بالإضافة إلى ذلك، فإن الظروف التي أجريت فيها القياسات، كقاعدة عامة، لم تتوافق بشكل وثيق مع حقائق الغلاف الجوي، مما أدى إلى تفاقم الخطأ بشكل خطير، حيث أن شدة معظم التفاعلات تعتمد على درجة الحرارة وأحيانا على الضغط أو كثافة الغلاف الجوي. هواء.

ثانيًا،دراسة مكثفة للخصائص الإشعاعية الضوئية لعدد من الغازات الجوية الصغيرة ظروف المختبر. يتم تدمير جزيئات عدد كبير من مكونات الهواء الجوي بواسطة الأشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس (في تفاعلات التحلل الضوئي)، ومن بينها ليس فقط مركبات الكربون الكلورية فلورية المذكورة أعلاه، ولكن أيضًا الأكسجين الجزيئي والأوزون وأكاسيد النيتروجين وغيرها الكثير. لذلك، كانت تقديرات بارامترات كل تفاعل تحلل ضوئي ضرورية ومهمة للتكاثر الصحيح للعمليات الكيميائية الجوية مثل معدلات التفاعلات بين الجزيئات المختلفة.