Читать книгу "Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить"

Всё – яд, всё – лекарство; то и другое определяет доза.

Парацельс

Если взять весь воздух на нашей планете и положить на гигантские весы, то стрелка покажет 5,27×10¹⁸ кг. Столько же весят 878 триллионов саванных слонов, самых крупных из ныне живущих наземных животных. Кстати, если взвесить всю Землю целиком, выйдет в миллион раз тяжелее – 5,98×10²⁴ кг.

Долгое время ученые считали воздух единой субстанцией. То, что это не отдельное вещество, а смесь различных газов, выяснил шотландский физик и химик Джозеф Блэк в 1754 году. Он же открыл и углекислый газ. Сегодня состав воздуха находится в состоянии динамического равновесия. Его можно разделить на постоянные и переменные компоненты. Концентрация постоянных компонентов практически не меняется до высоты 90 км. До этого уровня газы хорошо перемешаны и представляют собой однородный коктейль. Выше состав меняется, так как газы начинают разделяться по плотности.

В этой книге мы рассматриваем воздух, окружающий нас, то есть существующий на высоте до 90 км. Газовый состав сухого воздуха таков:

■ азот – 78,08 %;

■ кислород – 20,95 %;

■ аргон – 0,93 %;

■ углекислый газ – 0,03 %;

■ неон, криптон, метан, гелий, водород и ксенон – незначительное количество.

Однако важно учитывать, что воздух, которым мы дышим, далек от этого идеального постоянного состава. Он включает в себя еще и переменные компоненты: твердые частицы, пыль, токсические газы. И, самое главное, он далеко не сухой, а очень даже влажный, ведь в нем содержится вода. Влажность играет огромную роль. Содержание водяного пара во влажном воздухе колеблется от 0,2 % в полярных широтах до 2,5 % на экваторе. В отдельных случаях количество влаги может достигать 4 %. Как же вода попадает в воздух? Она испаряется с поверхности Мирового океана, водоемов, почвы. Растения, животные и даже тело человека выделяют влагу. Например, когда человек спит, он теряет 40 г влаги в час. А при тяжелых нагрузках в спортзале – все 300 г.

Воздух в разных местах земного шара при неодинаковых погодных условиях будет немного различаться. Например, на закрытой автомобильной парковке в торговом центре он совсем не похож на воздух в лесу. Когда топливо сгорает, концентрация углекислого газа повышается. На этом фоне незначительно снижается относительное содержание азота и общее содержание кислорода. Воздух в лесу и на берегу моря тоже неодинаковый. Разница заключается в содержании влаги, частичек соли или, например, пыльцы растений. Даже в вашей комнате вчера и сегодня он разный. Ведь вы могли открыть окно, развесить белье на просушку, заболеть или покрасить стену. На состав окружающего воздуха влияет всё: влага, испарения от почв, аэрозоли, растения, люди, животные.

Каким бы ни был переменчивым воздух, в нем постоянно одно – практически идеальная для жизни комбинация газов. Я хочу, чтобы вы поняли и прочувствовали важность каждого из них. Атмосфера сформировалась так, а не иначе. Нам очень сильно повезло. Только представьте, каков был шанс и какое это счастье, что он выпал именно нашей планете. Сделайте глубокий вдох. Чувствуете? Так пахнет преимущество.

Глава 3
Агент номер 7
Азот

Атомный номер химического элемента – 7

Формула вещества – N₂

Температура кипения вещества – –195,8 ℃

Бесцветен. Не имеет ни вкуса, ни запаха.

Азота в воздухе больше всего: 75,50 % по массе и 78,08 % по объему. Тогда почему говорят, что дышим мы кислородом, а не азотом? Дело в том, что человек не умеет усваивать этот газ из атмосферы. При нормальных условиях он попадает в легкие с вдохом и покидает их с выдохом. Другие организмы тоже не взаимодействуют с атмосферным азотом. Казалось бы, можно списывать его со счетов и заканчивать главу, если бы не одно «но». Из химических соединений азота состоит всё живое на Земле, и мы в том числе.

Он входит в состав аминокислот, образует пептиды и белки. В составе нуклеотидов образует ДНК и РНК. N₂ есть даже в гемоглобине, который помогает органам и тканям получать кислород.

Растения питаются азотом, это важнейший элемент для всех растительных организмов. Однако они, как и люди, не способны усваивать его из атмосферы. Растения делают это с помощью корневой системы, поэтому от соединений азота зависит плодородность почвы. При их недостатке грунт быстро истощается, растения теряют листья и прекращают расти.

Азот плохо вступает в химические реакции. В чистом виде он бесполезен для дыхания живых существ, но в то же время, как мы выяснили выше, без него никак нельзя. Чтобы организмы могли воспользоваться азотом, его необходимо связать. Не спешите хвататься за веревку, связыванием называют химический процесс, при котором простой азот превращается в сложные азотсодержащие соединения. Для их образования необходимо прочную молекулу N₂ разделить на два атома и соединить с другими элементами.

Частично связыванием занимаются бактерии. Да, и здесь без них не обошлось. Другая часть образуется во время дождя с грозой. Немаленькую долю связанного азота природа получает искусственным путем от человека при помощи чудес химической промышленности. Давайте рассмотрим подробнее каждый способ.

Начнем с самого необычного, в чем принимают участие дождь и гроза. Вы только представьте масштабы и объемы этого процесса. На Земле каждую секунду вспыхивает 100 молний[1]1
  Стекольников И. С. Физика молнии и грозозащита. – М.; Л.: Изд-во Академии наук СССР, 1943.


[Закрыть]. В месте удара молнии воздух прогревается до +30 000 ℃. От такой сумасшедшей температуры и энергии молекулы азота начинают реагировать с молекулами кислорода – происходит реакция. В капельках дождевой влаги свежеполученные оксиды превращаются в азотную и азотистую кислоту. Те, в свою очередь, вместе с дождем попадают в почву, где становятся кормом для растений и оказываются в пищевой цепочке. По ней азот попадает в животных, в человека – везде, где без него не обойтись.

Но не всё на нашей планете происходит со спецэффектами. Большая часть метаморфоз представляет собой рутину, на которую требуется достаточно много времени. Терпения, как всегда, хватило бактериям. Трудяги запускают круговорот азота в природе и разлагают организмы после гибели обратно на азотсодержащие соединения. Эти соединения попадают в новые организмы. Круг замыкается, азот дарит новую жизнь.

Помимо бактерий, ответственных за перегной, существуют и другие. Я их называю независимыми заводами азота. Например, клубеньковые бактерии, которые живут на корнях бобовых растений. Они умеют брать азот прямо из атмосферы и сразу же, напрямую, превращать его в азотсодержащие соединения. Почва обогащается, плодородность повышается, урожаи растут. Бобовые растения, с точки зрения экологичности, отличный способ обогатить землю без использования удобрений. Кстати, так поступала моя бабушка, она всегда сажала горох между грядками.

Однако в рамках промышленности способом моей бабули пользоваться неэффективно. Фермеры для увеличения урожая обычно применяют азотные удобрения. Так что наравне с грозами и бактериями огромное количество связанного азота производит человек – для сельскохозяйственных нужд.

Казалось бы, здорово, но опасение вызывают масштабы. Дело в том, что искусственное обогащение почв азотом смещает природный баланс. Да, удобрения помогают выращивать тыквы размером с грузовик, но химические соединения еще и загрязняют окружающую среду, когда вымываются дождями, грунтовыми водами и попадают в водоемы. Остатки удобрений могут переноситься на дальние расстояния по воздуху, проникать в пищу животных или человека. Это вызывает отравления и различные мутации.

Чтобы защитить себя, никогда не пейте воду из незнакомых источников, особенно вблизи огородов и полей. Тщательно выбирайте и мойте овощи, а также замачивайте зелень в воде. И главное, помните: всё хорошо в меру.

Про жизнь азота в качестве химических соединений мы поговорили. Но в воздухе он содержится в виде простого вещества. Где человек применяет его как газ? В промышленности, потому что главная ценность азота – спокойный и мирный нрав. Из-за того, что атомы в молекуле связаны очень тесно, он крайне плохо вступает в химические реакции и не поддерживает горение. Благодаря этому азот отлично изолирует. С его помощью создают специальные газовые среды, в которых хранят продукты и лекарства. А еще в металлургии, чтобы предотвратить окисление металлов при обработке.

Жидкий азот подходит для криозакаливания металлов и воздействия на них холодом. Все верно, азот может быть жидким, как и любой другой газ. Заметили в начале главы температуру кипения: –195,8 ℃? Именно при такой низкой температуре он становится жидкостью и начинает кипеть.

В жидком виде газы легко хранить и транспортировать, ведь они занимают гораздо меньше места. Сжиженный азот применяют в медицине и косметологии. Вам когда-нибудь прижигали бородавки? С помощью него устраивают фокусы и спецэффекты. А может, вы слышали про модную молекулярную кухню? Повара-затейники умудряются делать мороженое и другие холодные необычные блюда.

При нормальных условиях и атмосферном давлении человек азот не усваивает. Однако, если спуститься на глубину с аквалангом и подышать смесью газов, куда входит азот, или же подать его для дыхания в виде определенных соединений, может случиться токсическое опьянение. Другие названия этого состояния – «глубинная болезнь», «азотное отравление», «азотный наркоз». Центральная нервная система человека начинает работать неправильно. Возникает слабость, ухудшается зрение, могут быть галлюцинации. Пострадавший не способен здраво мыслить, перемещаться и отвечать за свои поступки. Опасно, когда подобное случается под водой, поэтому водолазы с особой осторожностью опускаются на глубину более 25 м и тщательно следят за составом дыхательных смесей и состоянием своего здоровья.

Очень странно, когда одни люди пытаются чего-то избежать, а другие специально этого добиваются. Вы наверняка видели, как посетителям ночного клуба предлагают купить шарики с «веселящим газом». Продавцы широко улыбаются и рассказывают про эйфорию, которую можно получить. «Это не наркотик, ничего страшного не случится», – заверяют они. Водолазы бы сейчас возмутились, а вместе с ними и я. Ничего веселого здесь нет, ведь это не эйфория, а банальное отравление.

Газ из шарика называется закись (оксид) азота, его химическая формула – N₂O. Закись азота – медицинский газ, разработанный для проведения наркоза. При вдыхании он действует на нервную систему: вы бредите, кружится голова, хочется спать, болевые ощущения снижаются. Оксид азота всегда применяют с осторожностью, так как он имеет свойство накапливаться в легких. Чтобы пациент не пострадал, во время выхода из такого наркоза ему подают чистый кислород для дыхания. А кто предоставит кислород купившему такой шарик в шумном ночном клубе? Мой вам совет – не рискуйте. Не ныряйте без подготовки на глубину с аквалангом. Не вдыхайте сомнительные газы на вечеринке.

Итак, подведем итог: в атмосфере азота больше всего. В обычных условиях он не вступает почти ни в какие реакции, в том числе и в реакции горения.

Глава 4
Газ с горячим нравом
Кислород

Атомный номер химического элемента – 8

Формула вещества – O₂

Температура кипения вещества – –182,96 ℃

Бесцветен. Не имеет ни вкуса, ни запаха.

Дышите свежим воздухом в санатории! Покупайте новый крем с молекулами O₂, который омолодит кожу! Нет ничего лучше для здоровья, чем кислородный коктейль! Казалось бы, кислорода много не бывает. И почему его так мало в атмосфере, всего 20,95 % по объему и 23,15 % по массе? Могло бы быть и больше. Тогда нам бы не пришлось ездить на природу и платить за это деньги. Ах, если бы он наполнил воздух на 100 %! Всё бы начало утопать в зелени, а здоровый цвет наших лиц можно было бы разглядеть из космоса!

Представьте, что это произошло. Воздух – чистейший кислород. Как же хорошо дышится. Только вот подозрительно пахнет гарью. А еще какие-то странные хлопки, взрывы, пожары. Хотели зажечь спичку? Вспыхнул весь коробок, а потом и дом. Да, как-то часто и интенсивно стало всё гореть. Такое чувство, что сам воздух… Погодите. Воздух горит? Такое может быть?!

Кислород не загорается сам по себе, он не горючий газ, но сильнейший окислитель. А процесс горения – это реакция окисления. Вот и получается, что кислород поддерживает и усиливает горение. Если огонь отлично разгорается на нашей планете и сейчас, то представляете, как всё начнет полыхать, если воздух станет чистым кислородом? Большинство веществ в такой атмосфере окажутся настоящей угрозой.

Хорошо, что в реальной жизни его горячий нрав сдерживает азот, который, как вы помните из прошлой главы, наоборот, очень плохо вступает в реакции и обладает изолирующим свойством. Пока комбинация кислород плюс азот составляет практически 99 % состава воздуха, и азот в ней лидирует – мы в безопасности.

История Земли делится на докислородный и кислородный периоды. Цианобактерии один раз очень хорошо постарались и совершили настоящую кислородную революцию, так что хорошо бы не потерять результат их трудов. К счастью, в наши дни запасы O₂ находятся в балансе: не только постоянно расходуются, но и пополняются. Главный способ сохранять кислородный состав атмосферы Земли сегодня – это фотосинтез. Растения при помощи воды, углекислого газа и энергии света получают глюкозу. Побочный продукт этого процесса – кислород. Впрочем, кому побочный, а кому и живительный.

Можно ли в таком случае считать леса легкими планеты? Это красивое, но не совсем корректное выражение, потому что леса, в том числе и тропические, хоть и очень важны, но производят всего около 30 % кислорода на Земле. Как вы понимаете, это большой вклад, но далеко не основной. Так происходит потому, что растения, как практически все живые существа, дышат – поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Кислород необходим животным, птицам и другим обитателям леса, а еще для реакций разложения органики, поэтому получается, что большая часть созданного во время фотосинтеза O₂ расходуется в том же лесу.

Кто же еще производит кислород на Земле? Вы, наверное, удивитесь, но основные творцы кислорода по-прежнему, как и в доисторическую эпоху, бактерии и микроорганизмы! Находятся они не на суше, а в воде. Зеленые водоросли и фитопланктон также занимаются фотосинтезом и производят огромное количество кислорода. Из-за того, что газы плохо растворяются в жидкостях, он не поглощается Мировым океаном и накапливается в атмосфере.

Кстати, а можно ли существовать без кислорода? Живые организмы делятся на два типа: аэробов – тех, кто нуждается в атмосферном кислороде, и на анаэробов, которые живут себе припеваючи и без него. К анаэробам относятся некоторые простейшие, грибы, водоросли, гельминты. Аэробы – животные, растения, человек. Поэтому да, теоретически без кислорода жить можно, но не всем.

Везде, где нет или недостаточно воздуха для дыхания: на глубине, в медицине, авиации, космонавтике. Этот газ используют для производства дыхательных смесей. Кроме того, промышленность сильно ценит O₂. Чистый кислород увеличивает интенсивность горения, поэтому ему нашли применение в энергетических установках и тепловых станциях при сжигании топлива. Его задействуют в газопламенной резке и сварке металлов. Температура пламени становится такой высокой, что металл поддается обработке. Чаще всего кислород используют в газообразном виде, однако перевозят и хранят его в жидком состоянии. Его температура кипения в условиях нормального атмосферного давления составляет –182,96 ℃.

Кислород пригодился и в космической промышленности. Например, на корабле «Союз» есть отдельный бак с жидким кислородом, а в качестве ракетного топлива выступает керосин. Еще один пример – американский многоразовый космический корабль системы «Спейс Шаттл»: в его внешнем топливном баке содержится горючее – водород и окислитель – кислород. Чистый кислород усиливает горение топлива, что позволяет добиться необходимой скорости и вывести корабль на орбиту.

С этим газом нужно обращаться осторожно. Кислородные производства и установки – зоны повышенной опасности. Также необходимо правильно хранить, транспортировать и эксплуатировать баллоны. Нарушение правил может привести к взрыву и пожару. Одна из катастроф, связанных с неаккуратным применением кислорода, – взрыв космического корабля «Аполлон» во время подготовки к первому полету миссии «Аполлон-1».

В кораблях «Аполлон» для уменьшения веса конструкции использовался чистый кислород при пониженном давлении. Однако есть один важный момент: это хорошо лишь во время полета, но никак не на Земле в ходе подготовки и тренировок. Стенки корабля не были рассчитаны на наружное давление, ведь в открытом космосе оно близко к нулю. На Земле во время испытаний, чтобы нивелировать наружное давление, пришлось увеличить давление внутри корабля, сделать его выше, чем атмосферное. Именно так получилось, что в «Аполлоне» скопился кислород при повышенном давлении. NASA не придало этому значения, а кроме того, основываясь на опыте работы с кислородной средой, не посчитало нужным использовать азотно-кислородную смесь. И это стало первым звеном в цепи трагических последствий.

Второй роковой случайностью послужила возможная неполадка и замыкание в электропроводке. Искра стала причиной сильнейшего возгорания, которое охватило корабль. У астронавтов не было шанса выбраться и открыть люк изнутри из-за его сложной конструкции. Все три члена экипажа: Эдвард Уайт, Вирджил Гриссом, Роджер Чаффи – погибли за считаные секунды после начала пожара. Если бы давление кислорода не было бы таким высоким или же его горячий нрав, как в атмосфере Земли, сдерживал азот, катастрофа, возможно, не случилась бы.

Однако гораздо чаще кислород приносит пользу. В пищевой промышленности он используется как упаковочный газ, чтобы продукты дольше сохраняли товарный вид. Благодаря кислороду на наших прилавках яркое красное мясо, а не пугающие синюшные отрубы, свежие хрустящие фрукты и овощи вместо вялых плодов. В качестве пищевой добавки его обозначают как E948.

Кислород применяют в медицине в качестве смеси для наркоза, а также в экстренных ситуациях, когда человек не может дышать сам.

Еще его используют для оздоровительных и укрепляющих процедур, в косметологии. Один из интересных способов употребления внутрь – кислородные коктейли. Да, кислород можно пить, если правильно приготовить.

Кислород – это хорошо, но большое его количество может быть опасно. Помимо того, что всё начнет гореть, им можно отравиться. Конечно, это не происходит во время прогулки на свежем воздухе. Отравление случается в условиях переизбытка этого газа: на производстве, при лечебных мероприятиях, водолазных погружениях. Одним словом, везде, где много чистого кислорода и давление отличается от атмосферного. Кислород имеет свойство задерживаться в тканях организма, что приводит к нарушениям работы центральной нервной системы, органов дыхания и кровообращения.

Итак, подведем итог: кислород жизненно необходим для аэробных организмов. Он сильнейший окислитель, поддерживает и усиливает горение, на Земле возобновляется благодаря процессу фотосинтеза.

Глава 5
Лакомство растений
Углекислый газ

Формула вещества – СO₂

Температура сублимации – –78,45 ℃

Бесцветен. Без запаха, со слегка кисловатым вкусом.

Из школьных уроков биологии вы, наверное, помните, что человек вдыхает кислород, а выдыхает углекислый газ. Всё так, но я бы не противопоставляла их друг другу. Давайте узнаем больше об углекислом газе, ведь он заслуживает не только нашего выдоха, но и внимания.

Воздух содержит 0,03 % углекислого газа по объему и 0,04 % по массе. Думаете, мало? Посмотрите на Венеру, где всё с точностью наоборот. Ее атмосфера состоит из углекислого газа на 96,5 % и поэтому имеет температуру +464 ℃. Вот это погодка у них там, ни один кондиционер не справится!

Дело в том, что диоксид углерода – газ не простой, а парниковый. Он поглощает тепловое излучение планеты, тем самым не давая ей остывать. Здесь как никогда важна концентрация. Если парникового эффекта не будет вовсе – мы заледенеем. А если он начнет усиливаться, тепловой баланс планеты сместится в противоположную сторону и Земля превратится в гигантскую теплицу. Поэтому за количеством углекислого газа в атмосфере необходимо следить и не допускать сильных изменений.