Інтегрований урок з біології та фізики
Поки дихаю сподіваюся.
(Латинське вислів)
Наявність атмосфери - одна з головних умов життя на Землі. Мають значення все її властивості: співвідношення основних компонентів, прозорість, динаміка повітряних мас, насиченість електромагнітним випромінюванням, кількість і якість домішок. Навіть невеликі відхилення в складі атмосфери здатні викликати далекосяжні наслідки. Дуже важливу роль відіграють зміни товщини озонового шару, що поглинає «Б-діапазон» ультрафіолетового випромінювання, що згубно діє на все живе.
Істотні зміни в складі атмосфери відбуваються під впливом природних факторів, наприклад вивержень вулканів, фотосинтезу рослин і т.п. Однак і господарська діяльність людини, пов'язана зі споживанням кисню, викидами пилу, газу, органіки і випромінюванням електромагнітних полів, може помітно впливати на стан атмосфери.
Чисте повітря потрібен і для промислових цілей: тільки за цієї умови можливе виробництво вакцин, антибіотиків, напівпровідників і точних приладів.
Для природного чистого повітря атмосфери прийнятий наступний газовий склад (за обсягом): азот - 78,08%, кисень - 20,95%, аргон - 0,93%, вуглекислий газ - 0,03%. Крім газоподібних складових в повітрі завжди містяться в підвішеному стані частки пилу природного походження. Вони є невід'ємною частиною атмосфери і не можуть вважатися забруднюючими речовинами.
Пил бере участь в ряді природних процесів, що протікають в атмосфері. Зважені в повітрі частинки служать ядрами конденсації водяної пари, від змісту пилу в значній мірі залежать оптичні властивості атмосфери. Зважені тверді частинки поглинають сонячну радіацію і одночасно зменшують земне випромінювання. Цим вони захищають поверхню Землі від надмірного прогрівання і перешкоджають зайвій тепловіддачі. Присутність пилу збільшує турбулентність тропосфери, сприяючи її перемішування. Таким чином, пил природного походження є необхідним складовим елементом атмосфери, що забезпечує природний хід природних процесів і явищ.
Природні джерела поповнення пилу дуже різноманітні. Щорічно з космосу у вигляді пилу в атмосферу надходить 106 т речовини. Велика кількість пилу викидають в повітря вулкани. При сильному виверженні одного вулкана обсяг викинутих частинок може досягати 75 млн м 3. Пил морського походження утворюється при випаровуванні крапель морської води. При цьому в атмосферу потрапляють частинки морської солі. Органічна пил складається з бактерій, грибків і інших різноманітних частинок живого і рослинного походження. Величезна кількість твердих частинок потрапляє в повітря в результаті вивітрювання гірських порід, видування грунту, від лісових і степових пожеж.
З другої половини XIX в. в зв'язку з інтенсивним розвитком промислового виробництва, почав змінюватися пиловий і газовий склад атмосфери. Ці зміни в природному складі атмосфери, викликані діяльністю людини, є забрудненням повітря.
Промислова революція, вирубка лісів і розорювання земель, ерозія грунтів, лісові та степові пожежі - все це супроводжувалося зростанням запиленості повітря. З кінця XIX в. по наші дні кількість пилу в атмосфері зросла майже в 20 разів. При спалюванні палива в атмосферу потрапляє величезна кількість золи. П'ята частина цементу при його виробництві викидається через заводські труби. Мільйони тонн пилу утворюються на металургійних заводах, при електрозварювання, при зносі труться металевих деталей і конструкцій. Розпорошується в повітря асфальт і бетон доріг, гума покришок автомобілів. Хімізація сільського господарства супроводжується потраплянням в атмосферу все більшої кількості хімічних речовин.
З кожним роком збільшується газове забруднення атмосфери підприємствами і автотранспортом. Найбільш небезпечні викиди сірчистих сполук. Вугілля, нафтопродукти, газ при спалюванні виділяють величезну кількість окису вуглецю і сірчистого ангідриду, який, з'єднуючись з водою повітря, утворює крапельки сірчаної кислоти. Розчини сірчаної кислоти можуть довго триматися в повітрі у вигляді крапельок туману або випадати разом з дощем на землю. Ці розчини роз'їдають метали, фарби, синтетичні з'єднання, тканини, згубно діють на рослини і тварин. Потрапляючи на землю, сірчана кислота підкисляє ґрунт, що негативно позначається на врожаї.
Гази, що викидаються в атмосферу, вступають в реакції, часто абсолютно непередбачувані. Тому атмосферу іноді називають некерованим реактором. Значна частина аерозолів виникає в результаті перетворення газових домішок. З сірчистого газу, оксидів азоту, кисню, водяної пари за рахунок фотохімічних реакцій утворюються частинки твердих речовин. Таким чином, зростання газового забруднення призводить до зростання запилення повітря (див. Табл.).
Таблиця. Кількість аерозолів, що надходять від різних джерел
Викиди теплових електростанцій, металургійних виробництв і транспорту містять велику кількість діоксиду сірки. У країнах Західної Європи на кожного жителя припадає понад 46 кг сірки. Кислотні дощі пригнічують рослинність, знижують приріст лісу і врожайність сільськогосподарських культур, прискорюють корозію металів, руйнують будівлі. Збиток від кислотних дощів в індустріальних країнах становить до 4% валового національного продукту. У Західній Європі цей збиток в грошовому виразі оцінюється в 1,1 млрд доларів на рік.
Сільськогосподарське виробництво також забруднює атмосферу. Так, пил, що піднімається важкою технікою, виявлена на висоті 10 км над поверхнею землі. Велика рогата худоба виділяє в атмосферу близько 50 млн т метану.
Серед інших газів в атмосферу надходить близько 1 млн т фреонів. Вони використовуються в холодильних установках, аерозолях, при збагаченні руд кольорових металів. Разом з оксидами азоту і хлорорганическими сполуками фреони, потрапляючи у верхні шари атмосфери, руйнують озоновий шар. Так, величина озонової діри над Антарктидою становить 5 млн км 2. Зменшення товщини озонового шару відзначається і над великими містами.
Промисловість споживає все більше і більше кисню (наприклад, Конаковская ГРЕС щохвилини споживає 20 т кисню). Експерти ЮНЕСКО підрахували, що в даний час на Землі споживається кількість кисню, достатню для дихання 40-50 млрд чоловік.
Підвищення концентрації вуглекислого газу в атмосфері посилює парниковий ефект. Суть цього ефекту в тому, що молекули двоокису вуглецю пропускають короткохвильову частину спектру сонячного світла, яка поглинається поверхнею Землі і нагріває її. Нагріта поверхня Землі випромінює електромагнітні хвилі інфрачервоного діапазону, але вуглекислий газ їх добре поглинає і перешкоджає виходу енергії у вигляді випромінювання в світовий простір. Чим вище концентрація СО2 в атмосфері, тим вище середня температура повітря у земної поверхні.
Відомо, що підвищення середніх температур приземного шару в 1930-і рр. на 0,4 о С супроводжувалося скороченням площі льодів в Арктиці на 10%. У ті роки багато країн постраждали від жорстоких посух. У 1940-і рр. незважаючи на подальше зростання вмісту СО2 в атмосфері, потепління змінилося похолоданням. Це явище пов'язують із зростанням запиленості атмосфери.
Зелені насадження в місті набагато покращують мікроклімат.
У міських парках в жаркий день температура на 6-8 ° С нижче, ніж на вулицях. Навіть на газонах за рахунок випаровування рослинами вологи на 2-3 о С прохолодніше, ніж на тротуарі. Помітно змінюється і склад міського повітря. Одне дерево дає стільки кисню, скільки потрібно для дихання чотирьох чоловік. Крім того, рослини поглинають домішки деяких отруйних газів і виділяють леткі речовини - фітонциди, згубні для бактерій. Один гектар парку з листяних дерев затримує за рік до 100 т пилу. У містах з інтенсивним промисловістю рекомендують висаджувати особливо газоустойчівості дерева і чагарники: різні тополі, тую західну, клен американський, черемху, бузину червону.
«Життя - це горіння». Ці слова належать знаменитим французьким вченим XVIII в. А.Лавуазье і П.Лаплас. Дійсно, чим, крім горіння, можна пояснити те, що температура нашого тіла постійна і майже завжди вище температури навколишнього середовища? Лавуазьє і Лаплас вважали, що «піч», обігріває людини, знаходиться в легенях, де вуглець живої тканини, як у звичайній пічці, вступає в хімічну реакцію з киснем повітря, утворюючи вуглекислий газ, в результаті чого виділяється необхідне тепло.
Насправді реакція, в якій бере участь кисень, відбувається не тільки в клітинах легенів, але і у всіх клітинах організму, куди його доставляє кров. За теорією, запропонованою Лавуазьє і Лапласа, легким в цій «грубці» відводиться роль піддувала, через яке надходить кисень, і труби, призначеної для виходу вуглекислого газу. Цікаво, що ще в XVII ст. відомий англійський фізик Р. Бойль, який відкрив один з газових законів, стверджував, що, проходячи через легені, кров «звільняється від шкідливих випарів». Як легким, обсяг яких не перевищує 5% обсягу всього тіла, вдається виконати це завдання?
Повітроносні шляхи складаються з носової порожнини, де вдихаємо повітря підігрівається і зволожується, гортані, трахеї і двох бронхів, що підводять повітря до правого і лівого легкого (рис. 1). Кожен бронх може 15 і більше разів галузитися на більш дрібних бронхи (бронхіоли), перш ніж закінчиться мікроскопічними мішечками (альвеолами), оточеними густою мережею кровоносних судин. Альвеоли, яких налічується у дорослої людини близько 300 млн, являють собою бульбашки, наповнені повітрям.
Середній діаметр альвеоли становить приблизно 0,1 мм, а товщина їх стінок - 0,4 мкм. Загальна поверхня альвеол в легенях людини становить близько 90 м 2. У кожен момент часу в кровоносних судинах, що обплітають альвеоли, знаходиться приблизно 70 мл крові, з якої в альвеоли дифундує вуглекислий газ, а в зворотному напрямку - кисень. Величезна поверхню альвеол дає можливість зменшити товщину шару крові, що обмінюється газами з повітрям всередині альвеол до 1 мкм, що дозволяє менш ніж за 1 з наситити це кількість крові киснем і звільнити її від надлишку вуглекислоти. У людини в диханні беруть участь не тільки легкі, але і вся поверхня тіла - шкіра від п'ят до голови. Особливо сильно «дихає» шкіра на грудях, спині і животі.
У біографії великого італійського художника XVI ст. Рафаеля описаний такий випадок.
У 1515 р флорентійський багач Лоренцо Медічі влаштовував пишне свято на честь свого родича, римського папи Льва Х. В урочистій ході повинні були рухатися колісниці з групами, що зображали сцени з міфології. Колісниця ці прикрашали кращі художники Італії.
Один з учнів Рафаеля запропонував знайти гарненького хлопчика, покрити його золотою фарбою і поставити на п'єдестал як живу статую - зображення «золотого століття». Витівка ця була схвалена, і в той же вечір дочка бідного каменяра з приміського села призвела до художника свого п'ятирічного братика.
«Ось Паоло, - сказала дівчина. - Він найкрасивіший малюк у всьому селу. Ви можете його пофарбувати, якщо дасте нам трохи грошей ». Незабаром на вулицю вибіг голий хлопчик, весь золотий, з ніг до голови. Він радісно стрибав і кричав: «Дивись, Аннунциата! Я став зовсім золотий! Я весь зі справжнього золота. Ось тепер мене можна продати ще дорожче ».
Але радість Паоло була недовгою. Поступово він став відчувати якусь незрозумілу важкість. Все тіло його щось стягувало, ставало важко дихати. Всю ніч він неспокійно метався в ліжку і вранці піднявся зовсім хворим. Насилу вистояв Паоло на своїй колісниці довгий хід. Коли ж свято скінчилося, сили залишили його. Всіма забутий він лежав на землі і стогнав. Позолота давила його нестерпно. Хлопчикові здавалося, що страшне золото душить його, він втрачав створення і марив.
Шкіра людини пронизана дрібними отворами - порами, через які вона дихає. Крім того, в шкірі приховано безліч крихітних залозок. Одні з них весь час виділяють пом'якшувальний шкіру жир, інші - крапельки поту, що забирають з організму шкідливі речовини і охолоджуючі шкіру, коли нам жарко. А у Паоло фарба закрила наглухо все пори, і його шкіра стала немов мертвою.
Під ранок хлопчик тремтів від холоду. Вкрита густий позолотою, шкіра його тепер не зігрівала. Коли перелякана сестра розшукала, нарешті, художника і отримала у нього змиває фарбу склад, було вже пізно: «золотий хлопчик» помер від запалення легенів.
Бруд і пил також часом забивають пори шкіри. Вона перестає дихати, стає млявою, гірше захищає організм від холоду. Брудна шкіра - притулок для мікробів. Недарма ще в стародавні часи російські воїни перед боєм милися і надягали чисту білизну. Віковий досвід підказував, що на чистому тілі рані не гниють і швидше загоюються.