8 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Огромный воздушный океан нашей атмосферы, в котором плавают бесчисленные острова облаков, заполнен частицами самого разнообразного химического состава. Общий вес атмосферы составляет приблизительно 5,3 • 1015 г. Из этого количества примерно 78% (по объему) составляет азот, почти 21 % — кислород и около 1 % — аргон. Остающийся 1 % от объема сухого воздуха составляют такие газы, как озон, метан, углекислый газ и многие другие. Мы не включили сюда хорошо всем известный водяной пар, потому что выражение «сухой воздух» означает воздух без водяных паров.

Говоря «воздух», мы подразумеваем фактически некоторую смесь газов. Тем не менее специалисты по атмосфере иногда пользуются термином «молекулы воздуха». Из того, что мы сейчас сказали, следует, что такой вещи на свете не существует. Откуда же тогда взялось такое название?

Причина, оправдывающая употребление термина «молекулы воздуха», лежит в том, что смесь газов, именуемая воздухом, ведет себя так, как если бы она представляла собой единый по химическому составу газ. Если вы никогда не занимались химией, то, чтобы понять это утверждение, вам потребуются некоторые объяснения.

Ученые издавна широко пользуются законом Бойля. Согласно этому закону, в идеальном газе, находящемся при постоянной температуре, произведение давления на объем также постоянно. Таким образом, если увеличить внутренний объем находящегося при постоянной температуре закрытого цилиндра (например, выдвинув из него поршень), то давление внутри цилиндра уменьшится. И наоборот, когда объем уменьшается, давление возрастает. Строго говоря, этот закон действителен только для идеального газа, но, проводя эксперименты с той смесью газа, которую называют воздухом, мы найдем, что она также следует закону Бойля. Воздух ведет себя подобно идеальному газу также и в некоторых других отношенияx. По этой причине удобно рассматривать воздух как единый газ.

Одной из важных количественных характеристик любого вещества является понятие молекулярного веса. Оно отражает отношение веса данного вещества к весу кислорода. Например, атомарный водород имеет вес 1,008, а атомный вес кислорода, принимаемый в качестве стандарта, равен 16,000. В атмосферном воздухе кислород содержится главным образом в молекулярной форме (О2). Молекула кислорода состоит из двух атомов и имеет молекулярный вес 32,000. Азот, которого в атмосферном воздухе гораздо больше, чем всех других газов, также имеет молекулу, состоящую из двух атомов (N2); его молекулярный вес равен 28,016.

Вещество, которое мы называем «сухим воздухом», имеет «молекулярный вес» 28,9. Эту величину легко получить, предположив для данного случая, что воздух состоит в точности из 78 % N2 и 22 % О2.

Когда оболочку воздушного шара наполняют водородом и освобождают от привязи, шар взмывает вверх. Причину этого легко понять. Вы могли бы сказать, что воздушный шар весит меньше воздуха и потому подымается вверх. Более правильно будет сказать, что он подымается по той причине, что на него действует подъемная сила. Подъемная сила равна разности между весом наполняющего воздушный шар водорода и весом вытесненного им воздуха. Но как определить эту разность? Это можно сделать, зная, что молекулярный вес водорода (Н2) равен 2,016, а молекулярный вес воздуха равен 28,9, т. е. почти в четырнадцать раз больше. Конечно, для того чтобы подняться вверх, водороду вовсе нет надобности обязательно находиться внутри воздушного шара, но в последнем случае он просто перемешается с другими газами.

Одним из наиболее важных веществ, содержащихся в атмосфере, является водяной пар. В атмосферу он попадает в результате испарения из океанов, озер и других водных поверхностей. Воду выделяют также растения, обогащая при этом атмосферу огромными количествами водяного пара. Из атмосферы водяной пар удаляется в результате процессов конденсации, которые обычно приводят к образованию облаков, состоящих из капелек воды и (или) кристалликов льда. Со временем облака могут разразиться дождем или снегом, и при этом вода возвращается на землю. Кроме того, некоторое количество водяного пара прохладными ранними утрами покидает атмосферу в виде росы. Наконец, в холодные ночи трава, деревья, изгороди и все находящиеся на открытом воздухе предметы покрываются инеем.

В отличие от тех газов, которые, как мы только что говорили, являются главными составными частями воздуха, водяной пар может содержаться во влажном воздухе в самых различных количествах, зависящих от географического местоположения и времени суток. В воздухе пустынь, как и в холодных массах воздуха, лежащих над внутренними областями континентов, его количество обычно невелико, а вот в теплом воздухе, лежащем над тропическими областями океанов, водяного пара очень много. Когда большие массы воздуха, движущегося из этих областей, захватывают сушу, все чувствуют себя не очень-то хорошо: воздух влажен и горяч, в нем слишком много водяных паров. При повышенной температуре воздуха человек потеет, этим обеспечивается усиленное охлаждение тела: если воздух сухой, то испарение пота с поверхности вашей кожи понижает ее температуру, но при повышенной влажности испарение происходит очень медленно. В результате пот не охлаждает кожу, а только заливает вам глаза, и вы чувствуете себя еще хуже.

Количество водяного пара в атмосферном воздухе порой достигает 3% по объему. Однако в большинстве случаев оно не превышает 1 %.

Что вы могли бы сказать относительно молекулярного веса водяного пара? Тяжелее он или легче, чем сухой воздух? Напомню вам, что термин — «водяной пар» относится к газу, состоящему из молекул воды, а не к облачку водяных капелек, которое мы видим над носиком кипящего чайника. Молекула воды (Н2О) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Следовательно, молекулярный вес водяного пара равен 2 + 16 = 18. Таким образом, водяной пар легче, чем сухой воздух, который, как мы уже говорили, имеет молекулярный вес около 29. Поэтому определенный объем влажного воздуха, т. е. смеси сухого воздуха с водяным паром, весит меньше, чем такой же объем сухого воздуха.

По ряду причин, о которых вы уже можете догадаться, весьма важно знать молекулярные веса газов, выбрасываемых нами в атмосферу. Газы, которые весят меньше воздуха, поднимаются вверх. Более тяжелые газы стелются над землей. Если тяжелый газ к тому же еще и токсичен, то выпускать его в атмосферу надо очень осторожно, иначе над землей образуется ядовитое облако, которое и будут вдыхать ничего не подозревающие люди и животные.

Помимо азота, кислорода, аргона и водяного пара, которые все вместе занимают около 99,96% от объема атмосферного воздуха, в нем содержатся большие количества других веществ. Остающиеся 0,04% составляют около 1,8 • 1012 т, т. е. 1,8 миллиона миллионов тонн. Такие большие числа даже трудно выговорить!

Специалисты по химии атмосферы привыкли выражать количества газов или твердых частиц, содержащихся в атмосфере, числам частей на миллион частей воздуха. Это особенно удобно, когда вещества содержатся в очень небольших, но тем не менее существенных количествах. Часто говорят, что в воздухе содержатся «следы» таких газов или твердых загрязняющих веществ. Гелий, например, содержится в атмосферном воздухе в количествах около 5 частей на миллион частей воздуха (по объему). Это означает, что в одном кубическом метре воздуха (1 миллион кубических сантиметров) содержится всего 5 кубических сантиметров гелия.

На первый взгляд может показаться, что когда содержание какого-либо газа составляет всего несколько частей на миллион частей воздуха, то он должен быть совершенно безвредным, но на самом деле это не всегда так.

Обычный состав атмосферы

Количество поступающего в атмосферу азота (N2) практически постоянно. Азот выделяется при гниении погибших растений и животных, а также при некоторых геологических явлениях. Большие количества азота попадают в воздух при вулканических извержениях. Азот выделяют некоторые типы горных пород. Свой вклад вносит также сгорание азотсодержащих топлив. С другой стороны, при биологических процессах, протекающих в наземных растениях и водорослях, азот извлекается из атмосферы. К тому же, но в меньшей степени приводит и солнечный свет, вызывающий образование соединений азота, которые затем дождь и снег вымывают из атмосферы.

Количество кислорода (О2) тоже почти не меняется. Главный источник атмосферного кислорода — это растения, которые в процессе обмена веществ выделяют его из углекислого газа. Воздушные течения несут кислород на просторы морей, и он растворяется в морской воде. Кислород легко вступает в химические реакции. Например, его соединение с железом вызывает появление ржавчины.

Человек и животные вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ (СO2). Этот газ присутствует в атмосфере в количестве около 300 частей на миллион (по объему), т. е. в атмосфере его примерно в 2600 раз меньше, чем азота. По-видимому, на всем протяжении истории Земли содержание углекислого газа в воздухе изменялось не слишком сильно, хотя и имели место отдельные отклонения. Но с начала XX века содержание углекислого газа в атмосфере повысилось приблизительно на 5 %. Причину этого надо искать прежде всего в колоссальном увеличении потребления минеральных топлив — угля, нефти и бензина. Эти источники пополнения атмосферы углекислым газом появились сравнительно недавно. Более старыми являются вулканы и гниющие органические вещества — растения, листва, трупы животных.

К счастью, углекислый газ легко растворяется в воде, а кроме того, его извлекает из воздуха подавляющее большинство растений: в противном случае увеличение его концентрации в воздухе могло бы привести к самым серьезным последствиям. Углекислый газ усиленно поглощает часть излучаемой земной поверхностью тепловой энергии, которая иначе могла бы уйти в мировое пространство. Вместе с тем он не препятствует солнечным .лучам достигать поверхности земли. Это означает, что по мере увеличения концентрации углекислого газа количество тепловой энергии вблизи земной поверхности постепенно возрастает.

За последние 40—50 лет на всей поверхности земного шара средняя температура медленно, но неуклонно повысилась примерно на 1°. Но столь, казалось бы, малое увеличение средней температуры уже привело к отступлению ледников, таянию полярной шапки льдов и некоторым другим изменениям климата. Имеется предположение, что общее наблюдаемое потепление климата в какой-то мере связано с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере. Справедливость этой точки зрения пока еще находится под сомнением. Продолжающееся потепление климата земли, сопровождаемое таянием полярных льдов, могло бы привести к катастрофическим последствиям для жителей морских побережий. Когда льды тают, уровень моря повышается. При сильном таянии полярных льдов под угрозой затопления окажутся обширные участки суши.

Все знают, что люди или животные не могут существовать без кислорода. Но когда мы говорим «кислород», то подразумеваем газ, молекула которого состоит из двух атомов кислорода. Как уже отмечалось, этот газ изображается символом О2. Во всей атмосфере до высоты около 75 км содержание кислорода фактически постоянно и составляет около 210 тыс. частей на миллион частей воздуха.

Однако атомы кислорода не всегда сочетаются попарно, образуя молекулы О2. Иногда между собой соединяются три атома, образуя молекулу газа, который называется озоном (О3). Не в пример своему родственнику О2 озон сильно ядовит. При достаточно высокой концентрации он вполне может убить человека, а в небольших количествах причиняет людям неприятности и губит растения. К счастью, основное количество озона находится в стратосфере, на высотах 16—50 км. Там его концентрация достигает 8 частей на миллион. Сравните это с условиями вблизи от поверхности земли, где средняя концентрация озона составляет 0,07 и лишь в некоторых районах, например в Южной Калифорнии во время смогов, достигает 0,5 частей на миллион. Уже такая концентрация озона может в течение получаса привести к гибели растений некоторых видов.

Мы с вами уже успели порадоваться тому обстоятельству, что основная часть ядовитого озона находится далеко от всего живого, в верхних слоях атмосферы. Это обстоятельство благоприятствует нам и в другом смысле, ибо вредоносный озон, находясь столь далеко от нас, превращается в нашего защитника. Дело в том, что он обладает свойством поглощать ультрафиолетовые лучи.

Если когда-нибудь вам придется подняться высоко-высоко, туда, где теперь летают вокруг Земли ее искусственные спутники, то не вздумайте там «греться на солнышке», иначе можете получить такой загар, что больше загорать вам не придется. Это произойдет не потому, что вы окажетесь ближе к Солнцу, хотя так оно, конечно, и будет, но по сравнению с расстоянием 150 млн. километров между Землей и Солнцем вы приблизитесь к нему на совершенно пустяковое расстояние. Настоящая причина солнечного ожога, который вы получите, будет в том, что вы лишитесь защиты атмосферы, изменяющей состав и ослабляющей интенсивность солнечного света.

Из всех атмосферных газов и частиц, участвующих в поглощении части солнечных лучей, наиболее активным является озон. В верхних слоях атмосферы значительная часть энергии солнечного света приходится на ультрафиолетовые лучи. Свое название они получили по тому месту, которое занимают в спектре солнечного света. Наблюдая радугу, вы можете заметить, что она состоит из правильно чередующегося ряда цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, синего и фиолетового. Все эти цвета появляются в результате разложения солнечного света. Радугу мы видим, когда несметные капельки дождя преломляют и отражают солнечный свет. Действуя как крохотные призмы, они разлагают его на составляющие цвета. Если считать свет состоящим из волн различной длины, легко можно объяснить, почему все это происходит.

Главную часть энергии солнечного света несут волны длиной 0,00001—0,0003 см. Но человеческий глаз воспринимает не все из них. Мы видим только свет, у которого длина волны лежит в пределах от 0,00004 до 0,00007 см. Первая цифра соответствует фиолетовому цвету, а вторая — красному. Свет, у которого длина волны меньше 0,00004 см (т. е. который располагается в спектре сразу же за фиолетовым цветом), и называется ультрафиолетом, или ультрафиолетовыми лучами. Ультрафиолетовые лучи лежат на границе спектра видимого света со стороны более коротких волн. Их мы не увидели бы невооруженным глазом, даже находясь за пределами атмосферы. Когда ультрафиолетовые лучи проходят через слой озона, он поглощает большую часть их энергии. При этом воздух нагревается, благодаря чему вокруг Земли на высоте около 50 км существует пояс повышенных температур. Поскольку ультрафиолет здесь поглощается, то земной поверхности достигает только очень малая его часть. Можно вычислить, что если бы не существовало слоя озона вокруг Земли, то мы загорали бы в 50 раз быстрее, чем сейчас в самый жаркий летний день. Но, помимо этого, ультрафиолетовые лучи оказывали бы вредное влияние на многие биологические процессы.

Без сомнения, жизнь на Земле приспособилась к наличию защитного слоя озона на большой высоте и благодаря этому процветает. Важно, что вблизи от Земли количество озона невелико. Источники появления этого газа на малых высотах имеют локальный характер. Очевидно, некоторое количество озона переходит из верхних слоев атмосферы при особых метеорологических условиях. В иных случаях он образуется таким же путем, как и в стратосфере, т. е. под воздействием солнечного света, а также при химических реакциях, протекающих с участием молекулярного и атомарного кислорода.

Заглядывая в ближайшее будущее, легко представить, что нам необходимо больше знать о слое озона. Сверхзвуковые транспортные самолеты, которые получат широкое распространение к середине 70-х годов, будут летать на тех высотах, где концентрация озона велика. Понадобятся меры предосторожности, чтобы предотвратить попадание озона в кабину самолета. Эта задача не кажется слишком трудной, но тут важно влияние озона на резину. В современных самолетах резина используется повсюду: для изоляции проводов, в уплотнении иллюминаторов и, разумеется, на гигантских колесах шасси. Озон вредно действует на резину: он вызывает ее растрескивание. Самый простой способ измерения концентрации озона в воздухе как раз в том и состоит, что резиновую трубку растягивают и измеряют время, через которое она начнет растрескиваться. Сейчас во всем мире метеорологи стали уделять внимание измерению концентрации озона в атмосфере.

Некоторые нежелательные газы

Помимо уже названных газов, есть еще много других, чье присутствие в атмосфере обычно обнаруживает только пытливый специалист. Некоторые из этих газов, например ксенон и криптон, присутствуют в воздухе в следовых концентрациях, не превышающих одной части на миллион. Такие концентрации нелегко измерить. Упомянутые газы относятся к классу элементов, получивших название «инертных». Это значит, что они лишь с большим трудом вступают в химические реакции с другими веществами. Отсюда ясно, что они могут оказывать очень малое влияние на другие газы или на живые существа, населяющие Землю.

Нам осталось рассмотреть еще одну категорию газов. Их мы оставили напоследок именно потому, что они представляют наибольшую потенциальную опасность. По большей части они попадают в атмосферу в результате деятельности человека.

Как мы неоднократно отмечали, главные источники нежелательных газов находятся в городах. Именно здесь сосредоточены огромные массы людей, а вместе с ними — печи, топки, заводы, химические и металлургические установки, различные двигатели и самое главное автомобили. Все эти устройства потребляют минеральные топлива — уголь, нефть, бензин, керосин. При этом они, понятно, выделяют массу дыма. Но самые серьезные проблемы возникают по той причине, что топливо обычно сгорает не полностью.

Некоторое количество газообразных продуктов сгорания неизбежно попадает в атмосферу, и именно они раздражают наши глаза, гортань и легкие, губят растения и портят даже такие, казалось бы, неразрушаемые вещи, как металл и камень. В составе наиболее вредных и ядовитых газов всегда можно найти серу, соединения азота и так называемые углеводороды.

Одним из важнейших побочных продуктов сгорания угля является сернистый газ. Имеется возможность предпринять некоторые меры для того, чтобы уменьшить его содержание в дыме, но если этого не сделать, то на каждые 10 т потребляемого угля будет приходиться около 1 т сернистого газа. В воздухе больших промышленных городов содержится до нескольких частей сернистого газа на миллион частей воздуха. Концентрации, превышающие примерно б частей на миллион, могут вызывать раздражение носовой полости и гортани. Некоторые авторитеты считают сернистый газ главным виновником гибели людей во время бедствий в Лондоне, Доноре и долине Мааса, о которых мы говорили выше.

Реагируя с водой, сернистый газ образует всем известную серную кислоту (H2SO4). Раствор серной кислоты, попадая на землю с дождем пли, что еще страшнее, в виде плавающих капелек тумана, может разъедать металлы, лакокрасочные покрытия и даже камень. Кроме того, капельки серной кислоты вызывают ускоренное изнашивание и порчу нейлонового белья.

Углеводороды попадают в атмосферу главным образом из выхлопных труб автомобилей. Всякий раз, когда бензин не полностью сгорает в двигателе, из выхлопной трубы вьется легкий дымок. Во время езды с большой скоростью по свободному шоссе коэффициент сгорания в двигателе относительно высок, но при движении по за-, битым улицам большого города водитель вынужден все время изменять положение дроссельной заслонки карбюратора и всякий раз при нажатии на педаль газа изменяется степень сгорания топлива, так что в атмосферу выходит какое-то количество дыма. Между прочим в этом дыме наряду с углеводородами содержится и угарный газ.

Если углеводороды попадают в атмосферу при ярком солнце, то они реагируют с окислами азота и образуют целый ряд довольно странных газов. Об их свойствах мы почти ничего не знаем. Но известно, что уже при концентрации в несколько частей на миллион они начинают раздражать слизистую оболочку глаз. При более высоких концентрациях возможны смертельные случаи. По некоторым данным в Лос-Анжелосе только автомобили ежедневно выбрасывают в атмосферу около 1000 т углеводородов. Свою долю, кончено, вносят гаражи, фабрики химической чистки и т. п.

К третьему важному классу газообразных загрязняющих веществ относятся окислы азота, о которых мы уже упоминали. Они образуются путем соединения азота и кислорода во время процессов сгорания, протекающих при высоких температурах. Идеальные условия для таких процессов существуют в цилиндрах мощных автомобильных двигателей. Двуокись азота состоит из одного атома азота и двух атомов кислорода. Это красновато-бурое газообразное вещество известно как сильный яд. В значительных дозах он смертелен. Трагические доказательства этого дал пожар в Кливлендской больнице, который слу­чился несколько лет назад. При этом пожаре загорелась рентгеновская пленка, и выделившаяся в значительном количестве двуокись азота убила 125 человек.

Концентрация окислов азота в выхлопных газах автомобиля может достигать 5 тысяч частей на миллион. Разумеется, эти газы рассеиваются в окружающем воздухе, так что в большом городе их концентрация может составлять порядка 1 части на миллион. Но совершенно очевидно, что по мере увеличения числа автомашин увеличивается и количество этих газов. А поскольку объем воздушного резервуара больших городов остается практически одним и тем же, то концентрация вредных газов неизбежно растет.

Заслуживают упоминания и другие загрязнения. При некоторых производственных процессах, например выделке кож и изготовлении искусственного шелка, выделяется сероводород, обладающий специфическим запахом тухлых яиц. По запаху его можно обнаружить уже при таких низких концентрациях, как 0,1 части на миллион, но, к счастью, даже такие концентрации сероводорода встречаются редко. Однако и при меньших концентрациях он вредно действует на некоторые лакокрасочные покрытия.

В атмосфере можно также обнаружить некоторые соединения фтора и хлора. Их выделяют в воздух главным образом специализированные химические установки, так что эти загрязнения имеют значение только для районов химических производств.

Химический состав загрязняющих воду частиц

В предыдущих главах мы рассмотрели некоторые свойства взвешенных в атмосферном воздухе частиц. Среди них наиболее известны капельки воды, частицы копоти, песчинки и частицы морской соли. В этом разделе мы остановимся на свойствах тех частиц, о которых большинство людей знают гораздо меньше.

Автомобиль, непрерывно выделяющий в атмосферу вредные газы, уже стал одним из отрицательных героев нашего рассказа. Но он к тому же загрязняет атмосферу и твердыми частицами. В выхлопных газах обычно содержится очень большое число крохотных частичек диаметром 0,02—0,06 мк и плюс к тому небольшое количество крупных частиц. В среднем общая масса этих твердых частиц составляет около 0,08% от массы потребляемого двигателем горючего.

Было обнаружено, что около половины твердого вещества в выхлопных газах, составляет свинец. Кроме того, в этом веществе имеются хлор, бром и углерод. Свинец, хлор и бром добавляют в бензин для того, чтобы увеличить его октановое число и тем самым улучшить рабочие характеристики двигателя. Свинец присутствует в бензине главным образом в виде различных химических соединений, содержащих упомянутые выше вещества. О том влиянии, которое содержащие свинец твердые частицы оказывают на здоровье человека, известно очень мало. Кроме того, легковые автомашины, грузовики, автобусы и пр. поставляют в атмосферу большое количество резины. При поворотах, торможении и пробуксовках покрышки медленно, но верно истираются. В среднем за два-три года любая новая покрышка совершенно «лысеет» и становится пригодной только в утиль. Подсчитано, что на улицах Лос-Анжелоса автомобили ежедневно оставляют около 50 т резины. Некоторое количество этой резины испаряется, но значительная часть попадает в атмосферу в виде мельчайших крупинок.

Фейт представил список, в который вошло свыше 21 вещества, обнаруженного в воздухе над Лос-Анжелосом в виде твердых частиц. Данные относятся к ноябрю 1954 года. В наибольших количествах найдены следующие вещества: свинец, железо, магний, натрий, соединения серы, соединения азота, органические вещества и углеводороды. Нередко встречаются частицы, состоящие из двух или более химических веществ.

В среднем содержание твердых частиц в кубическом метре воздуха составляет примерно 0,0005 г. Эта величина вовсе не столь мала, как кажется. При такой концентрации в одном кубическом километре воздуха будет содержаться 500 кг твердого вещества.

Если бы все эти частицы стали чрезвычайно быстро выпадать из атмосферы, то каждый месяц на квадратном километре территории осаждалось бы около 15 т твердого вещества, а ведь в таких больших городах, как Чикаго и Нью-Йорк, нередки и вдвое большие концентрации твердых частиц.