Химический состав

Атмосфера Земли возникла в результате выделения газов при вулканических извержениях. С появлением океанов и биосферы она формировалась и за счёт газообмена с водой, растениями, животными и продуктами их разложения в почвах и болотах.

В настоящее время атмосфера Земли состоит в основном из газов и различных примесей (пыль, капли воды, кристаллы льда, морские соли, продукты горения).

Концентрация газов, составляющих атмосферу, практически постоянна, за исключением воды (H 2 O) и углекислого газа (CO 2).

Кроме указанных в таблице газов, в атмосфере содержатся SO 2 , NH 3 , СО, озон, углеводороды, HCl, HF, пары Hg, I 2 , а также NO и многие другие газы в незначительных количествах. В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль).

Углекислый газ в атмосфере Земли , по состоянию на 2011 год, представлен в количестве 392 ppm или 0,0392 %. Роль углекислого газа (CO 2 , двуокись или диоксид углерода ) в жизнедеятельности биосферы состоит прежде всего в поддержании процесса фотосинтеза, который осуществляется растениями. Являясь парниковым газом, двуокись углерода в воздухе оказывает влияние на теплообмен планеты с окружающим пространством, эффективно блокируя переизлучамое тепло на ряде частот, и таким образом участвует в формировании климата планеты.

В связи с активным использованием человечеством ископаемых энергоносителей в качестве топлива, происходит быстрое увеличение концентрации этого газа в атмосфере. Впервые антропогенное влияние на концентрацию двуокиси углерода отмечается с середины XIX века. Начиная с этого времени, темп её роста увеличивался и в конце 2000-х происходил со скоростью 2,20±0,01 ppm/год или 1,7 % за год. Согласно отдельным исследованиям, современный уровень CO 2 в атмосфере является максимальным за последние 800 тыс. лет и, возможно, за последние 20 млн лет.

Роль в парниковом эффекте

Несмотря на относительно небольшую концентрацию в воздухе, CO 2 является важной компонентой земной атмосферы, поскольку он поглощает и переизлучает инфракрасное излучение на различных длинах волн, включая длину волны 4,26 мкм (вибрационный режим - асимметричное растяжение молекулы) и 14,99 мкм (изгибные колебания). Данный процесс исключает или снижает излучение Земли в космос на этих длинах волн, что приводит к парниковому эффекту. Текущее изменение концентрации атмосферного CO 2 сказывается в полосах поглощения, где его современное влияние на спектр переизлучения Земли приводит только к частичному поглощению.

Кроме парниковых свойств двуокиси углерода, также имеет значение тот факт, что она является более тяжелым газом по сравнению с воздухом. Так как средняя относительная молярная масса воздуха составляет 28,98 г/моль, а молярная масса CO 2 - 44,01 г/моль, то увеличение доли углекислого газа приводит к увеличению плотности воздуха и, соответственно, к изменению профиля его давления в зависимости от высоты. В силу физической природы парникового эффекта, такое изменение свойств атмосферы приводит к увеличению средней температуры на поверхности.

В целом, увеличение концентрации с доиндустриального уровня 280 ppm до современного 392 ppm эквивалентно дополнительному выделению 1,8 Вт на каждый квадратный метр поверхности планеты. Данный газ также обладает уникальным свойством долговременного воздействия на климат, которое после прекращения вызвавшей его эмиссии остается в значительной степени постоянным на протяжении до тысячи лет. Другие парниковые газы, такие как метан и оксид азота, существуют в свободном состоянии в атмосфере на протяжении более короткого времени.

Источники углекислого газа

К естественным источникам двуокиси углерода в атмосфере относятся вулканические извержения, сгорание органических веществ в воздухе и дыхание представителей животного мира (Аэробные организмы). Также углекислый газ производится некоторыми микроорганизмами в результате процесса брожения, клеточного дыхания и в процессе перегнивания органических останков в воздухе. К антропогенным источникам эмиссии CO 2 в атмосферу относятся: сжигание ископаемых энергоносителей для получения тепла, производства электроэнергии, транспортировки людей и грузов. К значительному выделению CO 2 приводят некоторые виды промышленной активности, такие, например, как производство цемента и утилизация газов путем их сжигания в факелах.

Растения преобразуют получаемый углекислый газ в углеводы в ходе фотосинтеза, который осуществляется посредством пигмента хлорофилла, использующего энергию солнечного излучения. Получаемый газ, кислород, высвобождается в атмосферу Земли и используется для дыхания гетеротрофными организмами и другими растениями, формируя таким образом цикл углерода.

Антропогенная эмиссия

Эмиссия углерода в атмосферу в результате пром. активности в 1800 – 2004 гг.

С наступлением промышленной революции в середине XIX века происходило поступательное увеличение антропогенных выбросов двуокиси углерода в атмосферу, что привело к нарушению баланса углеродного цикла и росту концентрации CO 2 . В настоящее время около 57 % производимого человечеством углекислого газа удаляется из атмосферы растениями и океанами. Соотношение увеличения количества CO 2 в атмосфере ко всему выделенному CO 2 составляет постоянную величину порядка 45 % и претерпевает коротко­период­ические колебания и колебания с периодом в пять лет.

Сжигание ископаемых топлив, таких как уголь, нефть и природный газ, является основной причиной эмиссии антропогенного CO 2 , вырубка лесов является второй по значимости причиной. В 2008 году в результате сжигания ископаемого топлива в атмосферу было выделено 8,67 млрд тонн углерода (31,8 млрд тонн CO 2), в то время как в 1990 году годовая эмиссия углерода составляла 6,14 млрд тонн. Сводка лесов под землепользование привела к увеличению содержания атмосферной двуокиси углерода эквивалентную сжиганию 1,2 млрд тонн угля в 2008 году (1,64 млрд тонн в 1990). Суммарное увеличение за 18 лет составляет 3 % от ежегодного естественного цикла CO 2 , что достаточно для выведения системы из равновесия и для ускоренного роста уровня CO 2 . Как результат, двуокись углерода постепенно аккумулировалась в атмосфере и в 2009 году её концентрация на 39 % превосходила доиндустриальное значение.

Таким образом, несмотря на то, что (по состоянию на 2011 год) суммарное антропогенное выделение CO 2 не превосходит 8 % от его естественного годового цикла, наблюдается увеличение концентрации, обусловленное не только уровнем антропогенных выбросов, но и постоянным ростом уровня выбросов со временем.

Похоже, Земля переступила знаковый порог на фоне глобального потепления.

Обычно в сентябре показатели содержания углекислого газа (СО2) в атмосфере бывают минимальные. Эта концентрация является эталонной планкой, по которой измеряют колебания уровня парниковых газов весь следующий год. Но в сентябре текущего год уровень СО2 остается высоким, составляя примерно 400 миллионных долей, и многие ученые считают, что при нашей жизни концентрация парниковых газов не опустится ниже этого порогового значения.

Земля стабильно накапливает СО2 в атмосфере со времен промышленной революции, однако уровень в 400 миллионных долей создает новую норму, какой на нашей планете не было миллионы лет.

«Последний раз содержание СО2 в атмосфере нашей планеты составляло 400 миллионных долей около трех с половиной миллионов лет назад, и климат в то время очень сильно отличался от сегодняшнего», — сообщил по электронной почте Christian Science Monitor адъюнкт-профессор Школы по изучению моря и атмосферных явлений при Университете штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Дэвид Блэк (David Black).

«В частности, в Арктике (севернее 60-й широты) было значительно теплее, чем сегодня, а уровень моря на планете был на 5-27 метров выше нынешнего», — отметил Блэк.

«Тогда атмосфере понадобились миллионы лет, чтобы уровень СО2 в ней достиг 400 миллионных долей. А чтобы он упал до 280 миллионных долей (такой показатель был накануне промышленной революции), понадобились еще миллионы лет. Климатологов очень тревожит, что люди всего за несколько столетий сделали то, что природа сделала за миллионы лет, причем большая часть этих изменений приходится на последние 50-60 лет».

Глобальная концентрация СО2 уже несколько лет периодически поднимается выше 400 миллионных долей; но в летний сезон вегетации значительная часть углекислого газа в атмосфере поглощается в процессе фотосинтеза, и поэтому большую часть года уровень СО2 ниже этой отметки.

Контекст

Безумие парникового эффекта

Мир плохо подготовлен к глобальному потеплению

Климатическая катастрофа в Европе

Пора заняться климатом

Ядовитый климат

«Возможно ли, чтобы в октябре 2016 года месячный показатель был ниже сентябрьского, опустившись ниже 400 миллионных долей? Практически нет», — написал на прошлой неделе в своей статье директор программы из Института океанографии им. Скрипс Ральф Килинг (Ralph Keeling).

В прошлом бывали случаи, когда уровень СО2 падал ниже прежних сентябрьских значений, но они крайне редки. По словам ученых, даже если мир прямо с завтрашнего дня полностью прекратит выбрасывать углекислый газ в атмосферу, его концентрация еще несколько лет будет оставаться выше 400 миллионных долей.

«В лучшем случае (при таком сценарии) можно ждать стабилизации в ближайшей перспективе, а поэтому уровень СО2 вряд ли сильно изменится. Но лет через 10 или около того он начнет снижаться, — сказал изданию Climate Central главный климатолог НАСА Гэвин Шмидт (Gavin Schmidt). — На мой взгляд, мы больше не увидим месячный показатель ниже 400 миллионных долей».

Хотя рост концентрации СО2 в атмосфере дает повод для озабоченности, следует отметить, что сама по себе отметка в 400 миллионных долей это в большей степени маршрутный ориентир, чем жесткий показатель, предвещающий миру климатический апокалипсис.

«Людям нравятся округленные числа, — говорит профессор экологии из Университета Конкордия в Монреале Дэймон Мэтьюз (Damon Matthews). — Также весьма символично и то, что параллельно с увеличением СО2 мировая температура на один градус превысила доиндустриальный уровень».

Конечно, эти показатели в основном символические, но они являются реальной иллюстрацией той траектории, которой следует земной климат.

«Концентрация СО2 это в некоторой степени обратимый показатель, потому что растения поглощают углекислый газ, — отмечает доктор Мэтьюз. — А вот температура, возникающая на основе таких изменений, в отсутствие человеческих усилий необратима».

Двуокись углерода в виде парникового газа не только способствует глобальному потеплению, но и негативно влияет на состояние мирового океана из-за его подкисления. Когда углекислый газ в больших объемах растворяется в воде, часть его превращается в углекислоту, которая вступает в реакцию с молекулами воды, производя ионы водорода, что повышает кислотность среды океана. Это в свою очередь ведет к обесцвечиванию кораллов и создает помехи жизненному циклу мелких организмов, что также негативно отражается на организмах покрупнее, расположенных далее в пищевой цепочке.

Новость о пороге в 400 миллионных долей появилась в момент, когда мировые лидеры сделали ряд шагов к ратификации Парижского соглашения по климатическим изменениям, которое направлено на систематическое уменьшение углеродных выбросов во всем мире, начиная с 2020 года.

Ратифицирующим соглашение странам предстоит большая работа.

«Чтобы снизить уровень СО2 в атмосфере во временном масштабе нескольких столетий, нам надо не только использовать и разрабатывать источники энергии не на основе углерода; нам нужно также физическими, химическими и биологическими методами удалять СО2 из атмосферы, — говорит Блэк. — Технология удаления атмосферного СО2 есть, но в масштабах существующей проблемы она пока неприменима».

О проблеме превышения содержания углекислого газа в воздухе помещений говорят все чаще в последние 20 лет. Выходят новые исследования и публикуются новые данные. Поспевают ли за ними строительные нормы для зданий, в которых мы живем и работаем?

Самочувствие и работоспособность человека тесно связаны с качеством воздуха там, где он трудится и отдыхает. А качество воздуха можно определить по концентрации углекислого газа СО2.

Почему именно СО2?

• Этот газ есть везде, где есть люди.
• Концентрация углекислого газа в помещении напрямую зависит от процессов жизнедеятельности человека – ведь мы его выдыхаем.
• Превышение уровня углекислого газа вредно для состояния организма человека, поэтому за ним необходимо следить.
• Рост концентрации СО2 однозначно свидетельствует о проблемах с вентиляцией.
• Чем хуже вентиляция, тем больше загрязнителей концентрируется в воздухе. Поэтому рост содержания углекислого газа в помещении – признак того, что качество воздуха снижается.

В последние годы в профессиональных сообществах врачей и проектировщиков зданий появляются предложения пересмотреть методику определения качества воздуха и расширить перечень измеряемых веществ. Но пока ничего нагляднее изменения уровня CO2 не нашли.

Как узнать, является ли приемлемым уровень углекислого газа в помещении? Специалисты предлагают перечни нормативов, причем для зданий разных назначений они будут различными.

Нормы углекислого газа в жилых помещениях

Проектировщики многоквартирных и частных домов берут за основу ГОСТ 30494-2011 под названием «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях». Этот документ оптимальным для здоровья человека уровнем CO2 считает 800 — 1 000 ppm. Отметка на уровне 1 400 ppm – предел допустимого содержания углекислого газа в помещении. Если его больше, то качество воздуха считается низким.

Однако уже 1 000 ppm не признается вариантом нормы целым рядом исследований, посвященных зависимости состояния организма от уровня CO2. Их данные свидетельствует о том, что на отметке 1 000 ppm больше половины испытуемых ощущают ухудшения микроклимата: учащение пульса, головную боль, усталость и, конечно, пресловутое «нечем дышать».

Физиологи нормальным уровнем CO2 считают 600 – 800 ppm.

Хотя некоторые единичные жалобы на духоту возможны и при указанной концентрации.

Выходит, что строительные нормативы уровня СО2 вступают в противоречие с выводами исследователей-физиологов. В последние годы именно со стороны последних все громче раздаются призывы обновить допустимые пределы, но пока дальше призывов дело не идет. Чем ниже норма СО2, на которую ориентируются строители, тем дешевле обходится . А расплачиваться за это приходится тем, кто вынужден решать проблему вентилирования квартиры самостоятельно.

Нормы углекислого газа в школах

Чем больше углекислого газа в воздухе, тем сложнее сосредоточиться и справиться с учебной нагрузкой. Зная об этом, власти США рекомендуют школам поддерживать уровень СО2 не выше 600 ppm. В России отметка чуть выше: уже упомянутый ГОСТ считает оптимальным для детских учреждений 800 ppm и менее. Однако на практике не только американский, но и российский рекомендуемый уровень – голубая мечта для большинства школ.

Один из наших показал: больше половины учебного времени количество углекислого газа в воздухе превышает 1 500 ppm, а иногда приближается к 2 500 ppm! В таких условиях невозможно сосредоточиться, способность к восприятию информации критически снижается. Другие вероятные симптомы переизбытка СО2: гипервентиляция, потливость, воспаление глаз, заложенность носа, затрудненное дыхание.

Почему так происходит? Кабинеты редко проветриваются, потому что открытое окно – это простывшие дети и шум с улицы. Даже если школьное здание оснащено мощной центральной вентиляцией, она, как правило, либо шумная, либо устаревшая. Зато окна в большинстве школ современные – пластиковые, герметичные, не пропускающие воздух. При численности класса 25 человек в кабинете площадью 50–60 м2 c закрытым окном углекислый газ в воздухе подскакивает на 800 ppm за каких-то полчаса.

Нормы углекислого газа в офисах

В офисах наблюдаются те же проблемы, что и в школах: повышенная концентрация СО2 мешает сосредоточиться. Ошибки множатся, и производительность труда падает.

Нормативы содержания углекислого газа в воздухе для офисов в целом те же, что для квартир и домов: приемлемым считается 800 – 1 400 ppm. Однако, как мы уже выяснили, уже 1 000 ppm доставляет дискомфорт каждому второму.

К сожалению, во многих офисах проблема никак не решается. Где-то просто ничего о ней не знают, где-то ее сознательно игнорирует руководство, а где-то – пытается решить при помощи кондиционера. Струя прохладного воздуха действительно создает кратковременную иллюзию комфорта, однако углекислый газ никуда не исчезает и продолжает делать свое «черное дело».

Может быть и так, что офисное помещение построено с соблюдением всех нормативов, но эксплуатируется с нарушениями. Например, плотность размещения сотрудников слишком велика. Согласно строительным правилам, на одного человека должно приходиться от 4 до 6,5 м2 площади. Если сотрудников больше, то и углекислый газ в воздухе накапливается быстрее.

Выводы и выходы

Проблема с вентиляцией наиболее остро стоит в квартирах, офисных зданиях и детских учреждениях.
Тому есть две причины:

1. Расхождение между строительными нормативами и санитарно-гигиеническими рекомендациями.
Первые гласят: не выше 1 400 ppm CO2, вторые предупреждают: это слишком много.

2. Несоблюдение нормативов при возведении, реконструкции или эксплуатации здания.
Самый простой пример – установка пластиковых окон, которые не пропускают уличный воздух и усугубляют тем самым ситуацию с накоплением углекислого газа в помещении.

Является ли углекислый газ таким же загрязнителем воздуха, как автомобильные выхлопы или промышленные выбросы? Исследования на эту тему противоречивы. Есть много статей про вред СО2 (пример раз , пример два). Меньше исследований, согласно которым углекислый газ практически безвреден, но и такие есть (пример). Если вам интересна эта тема, пишите в комментариях. В будущем мы можем сделать подробный литобзор о влиянии СО2 на здоровье человека.

Наше мнение - углекислый газ однозначно влияет на самочувствие человека (вялость, утомляемость, сонливость). Вспомните, как вы чувствуете себя в душном офисе или квартире с закрытыми окнами. Усредненное влияние СО2 на человека выглядит примерно так:

Как измерить количество СО2 в воздухе?

В среднем по больнице получается такая картина:

• 300 ppm – норма на улице на природе
• 500 ppm – норма на улице в современном городе
• 700-1500 ppm – норма в помещении, причем ближе к 1500 ppm уже начинаются жалобы на духоту, головную боль, вялость и т.д.

Все, заканчиваем с введением. Приступаем непосредственно к измерением. Слово Михаилу Амелькину.

Транспорт

Трип начался с самолёта. Перелет Новосибирск-Москва, около 4 часов. Самолёт полный, аэробус А316. Весь полёт концентрация СО2 около 2000 ppm! Добавьте сюда слишком высокую температуру на борту (около 28°С) и пониженное давление (786 гПа против 1007 гПа на земле), и поймете, почему нас так «колбасит» после перелетов. Для сравнения, в аэропорту прилета около 700 ppm, то есть норма. На обратном пути летел в полупустом самолёте и ситуация была гораздо лучше – весь полёт до 1000 ppm, что приемлемо.

В метро все гораздо лучше. На самой станции под землёй 600 ppm. В старых, «дырявых» вагонах около 700 ppm. Вот в новых вагонах метро, где кондиционеры гоняют воздух по кругу, уже хуже – при неполной загрузке 1200 ppm. В набитом вагоне следует ожидать больше 2000 ppm. Но здесь стоит иметь в виду, что обычно в таких вагонах мы проводим мало времени, 10-20 минут, так что это не очень критично.

Улица

Сделал замер прямо на Красной Площади. Уровень около 450 ppm. Это выше, чем за городом, что, скорее всего, объясняется обилием транспорта, котельных и промышленности, которые активно выделяют в воздух СО2, создавая над городом «пузырь» углекислого газа. Но это не страшно. Пока.

Дом и отель

Мне повезло, и в моём номере всю ночь концентрация СО2 была меньше 600 ppm. Отлично! Я спал не в духоте. Это потому, что попросил номер с окном во двор и смог держать окно на микропроветривании, не просыпаясь от шума машин. Но вентиляции в номере нет, поэтому плата за свежий воздух тоже не малая - московский смог. Была бы вентиляшка с профессиональными фильтрами - было бы на пятерочку!

Надо сказать, что замеры в квартирах с закрытыми окнами часто показывают очень плохие результаты, пара человек в комнате запросто могут «надышать» 2000 ppm минут за 40-60. А окна обычно закрыты, чтобы не было сквозняков и шума с улицы. Вывод тот же, что и в случае с отелем – дома вентиляция must have. При этом проще и дешевле поставить компактные , чем заморачиваться с полноценной вентиляцией.

Рестораны и кинотеатры

Тут картина сильно разная, но одно очевидно (кто-то скажет, что это ясно и без приборов) – любят наши рестораторы экономить на вентиляшке! Например, у меня была деловая встреча в кофейне «Хлеб насущный» на Никольской. Место хорошее, но вот с воздухом беда – 2000 ppm! В такой атмосфере очень сложно думать и решать деловые вопросы. В «Чайхоне №1» на Пушкинской было чуть лучше, до 1500 ppm.

Но есть и хорошие места: в «Старбакс» на Площади революции и в «Пять звёзд» на Павелецкой 700 ppm и 800 ppm соответственно. А вот в самом кинозале этого замечательного кинотеатра было «не айс» - до 1500 ppm весь сеанс. При этом администрация не поскупилась на кондиционеры – в залах было прохладно и это «скрашивало» ситуацию. Но кондеи не заменяют вентиляцию! Температура – температурой, а кислород – кислородом, должно быть и то, и другое.

Пока это вся информация по Москве. Обязуюсь сделать обзорный трип в Новосибирске. Что можно сказать по итогу?

Выводы

• Используйте обдув, он есть в каждом самолёте на потолке или «в спинке впереди стоящего кресла». Оттуда воздух идет тоже с превышением по СО2 (проверено), но он хотя бы раздувает тот «пузырь» углекислого газа, который вы вокруг себя «надышали».
• Если в салоне жарко, раздевайтесь. Пусть будет чуть прохладно. Чем ниже температура тела, тем лучше кровь насыщается кислородом и выводится углекислота.
• Сведите активность к минимуму. Лучше спать или «медитировать». Постарайтесь не нервничать, не брать в уме тройные интегралы. Помните, мозг потребляет около 20% всего кислорода в крови!
• Если курите, лучше не курить за несколько часов до полёта. Это позволит очистить кровь от угарного газа и улучшит снабжение мозга кислородом. Лучше используйте никотиновые жвачки/таблетки/пластыри.
• После прилета проведите часок на улице, продышитесь, сделайте дыхательную гимнастику, нормализуйте биохимию в крови. Дайте мозгу прийти в себя!

В этот раз не получилось «поохотиться» на СО2 в школах, детсадах и офисах, но есть основания считать, что и там регулярно наблюдаются превышенные концентрации углекислого газа. Немного заспойлерю: уже сделали замеры СО2 в классе одной из новосибирских школ – больше 2000 ppm! А дети же там должны учиться и работать головой. А как требовать от ребенка концентрации и успеваемости, когда голова не варит просто физиологически?

Примечание Tion: скоро будет материал про наше мини-исследование в школе.