 |
|
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА.
ЗАНЯТИЕ 2. МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Атмосфера Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар), газовая оболочка, окружающая Землю. Атмосферу принято считать ту область вокруг Земли, в которой газовая среда вращается вместе с Землёй как единое целое. Масса атмосферы составляет около 5,15-1015т. А. обеспечивает возможность жизни на Земле и оказывает большое влияние на разные стороны жизни человечества, является одним из важных факторов климатообра-зования, ее состояние определяет циркуляцию воздушных масс, способствует формированию облаков и атмосферных осадков.
Свойства атмосферы на различных высотах неодинаковы, поэтому она условно разделяется на несколько слоев: тропосфера, стратосфера, мезосфера, ионосфера, экзосфера и магнитосфера.
Строение атмосферы:
1. Тропосфера: (др.-греч. τρόπος — «поворот», «изменение» и σφαῖρα — «шар») - наиболее плотные воздушные слои, прилегающие к земной поверхности. Её верхняя граница находится на высоте 8—10 км в полярных, 10—12 км в умеренных и 16—18 км в тропических широтах. Нижний, основной слой атмосферы содержит более 80 % всей массы атмосферного воздуха и около 90 % всего имеющегося в атмосфере водяного пара. В тропосфере сильно развиты турбулентность и конвекция, возникают облака, наблюдаются все метеорологические явления (образование туманов, облаков; выпадение осадков - дождя, снега). Именно в тропосфере в силу активного перемещения воздушных масс формируется погода. Химический состав воздуха в тропосфере постоянен. На состоянии тропосферы отражаются все процессы, совершающиеся на земной поверхности.
Тропопауза: (от греч. τροπος — поворот, изменение и παῦσις — остановка, прекращение) Переходный слой от тропосферы к стратосфере, слой атмосферы, в котором прекращается снижение температуры с высотой.
2. Стратосфера: (от лат. stratum — настил, слой) Слой атмосферы, располагающийся на высоте от 11 до 50 км. Характеризуется значительной разреженностью воздуха, очень малой влажностью, почти полным отсутствием облаков, пыли земного происхождения и особым температурным режимом. Особый температурный режим стратосферы связан с образованием озона (О3) под действием ультрафиолетового излучения Солнца. Этот процесс сопровождается большим выделением тепла. Образованию озона в стратосфере способствует также космическое излучение и коротковолновое излучение Солнца. Рассеянный слой озона в стратосфере простирается от 16 до 32 км. Содержание озона в озоновом слое в 10 раз выше, чем у пов-ти Земли. Озон выполняет серьезную экологическую функцию в стратосфере, поглощая короткий ультрафиолет. Озоновая дыра - это значительное пространство в озоновом слое Земли с заметно меньшим содержанием озона. Исследователи связывают изменение содержания озона в стратосфере с антропогенными выбросами, в частности фреонов, так называемых хлорфторуглеводородов.
Стратопауза: Пограничный слой атмосферы между стратосферой и мезосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место максимум (около 0 °C).
3. Мезосфера: (от греч. μεσο- — «средний» и σφαῖρα — «шар», «сфера») занимает пространство от 40 до 80 км и содержит около 5 % всего атмосферного воздуха. Основным энергетическим процессом является лучистый теплообмен. Сложные фотохимические процессы с участием свободных радикалов, колебательно возбуждённых молекул и т. д. обусловливают свечение атмосферы.
Мезопауза: Переходный слой между мезосферой и термосферой. В вертикальном распределении температуры имеет место минимум (около —90 °C).
4. Ионосфе́ра - верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизирующаяся вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца, т.о. состоит из сильно разреженных газов с малой плотностью и большой электропроводностью.
5.Экзосфера: (от др.-греч. ἐξω — «снаружи», «вне» и σφαῖρα — «шар», «сфера») — зона рассеяния, расположенная выше 700 км. Газ в экзосфере сильно разрежён, и отсюда идёт утечка его частиц в межпланетное пространство (диссипация). До высоты 100 км атмосфера представляет собой гомогенную хорошо перемешанную смесь газов. В более высоких слоях распределение газов по высоте зависит от их молекулярных масс, концентрация более тяжёлых газов убывает быстрее по мере удаления от поверхности Земли. На высоте около 2000—3500 км экзосфера постепенно переходит в так называемый ближнекосмический вакуум, который заполнен сильно разрежёнными частицами межпланетного газа.
6. Магнитосфе́ра — область пространства вокруг небесного тела, в которой поведение окружающей тело плазмы определяется магнитным полем этого тела.
Альтернативное определение: Магнитосфе́ра — область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела. В магнитосфере формируются пояса радиации. За верхнюю границу земной атмосферы можно принять высоту 50 000 км от поверхности Земли. Это толщина газовой оболочки нашей планеты.
Значение. Атмосферный воздух является одним из важнейших элементов окружающей среды. Это необходимое условие поддержания жизни на Земле. Воздушная среда необходима для дыхания человека, животных и растений, она является также резервуаром, принимающим газообразные продукты их обмена.
В процессе эволюции человек приспособился к существованию в воздушной среде, которая имеет определенные свойства, и поэтому изменение химического состава этой среды или ее физических свойств сказывается на состоянии здоровья, самочувствии и работоспособности человека.
Атмосферные факторы и их влияние на организм человека
В процессе своей жизнедеятельности человек постоянно соприкасается со многими факторами внешней среды, и эти факторы, естественно, оказывают на организм человека определенное влияние. Одним из таких факторов является воздушная среда. Воздух играет самую важную роль в повседневном обмене веществ в организме человека. Человек может в течение длительного времени существовать без пищи и воды, но без воздуха может прожить всего несколько минут. Поэтому важнейшим условием здоровой окружающей среды является наличие чистого и комфортного по своим характеристикам воздуха.
Показателями качества воздуха являются: его физические свойства (температура, влажность, скорость движения, барометрическое давление, электрическое состояние и радиоактивность), химический и бактериальный состав. На качество воздуха влияют такие факторы, как высота над уровнем моря, характер подстилающей поверхности, хозяйственная и производственная деятельность человека.
По своему химическому составу воздух тропосферы, т. е. прилегающего к земле воздушного слоя высотой в 9 — 11 км, представляет собой механическую смесь газов, количество которых довольно разнообразно. Так, содержание в ней азота равняется 78,09%, кислорода — 20,95% и двуокиси углерода — 0,03%. Сумма же всех остальных газов несколько меньше 1%, к ним относятся аргон, гелий, неон, криптон, ксенон, радон, водород, закись азота, озон и водяные пары. Среди постоянных примесей природного происхождения необходимо также указать на некоторые газообразные продукты, образующиеся в результате как химических, так и биологических процессов. Среди них заслуживает специального упоминания аммиак, содержание которого вдали от населенных мест равняется 0,003 — 0,005 мг/м3, метан, уровень которого в среднем 0,0002%, окислы азота, концентрация которых в атмосфере достигает примерно 0,0015 мг/м3, сероводород и др. Кроме газообразных и парообразных примесей, в воздухе, как правило, содержится пыль космического происхождения, выпадающая на земную поверхность в течение года в количестве 0,00007 т/км2, а также пылевые частицы, поступающие при извержении вулканов. Однако наибольшее значение для естественного загрязнения тропосферы имеет так называемая наземная пыль (почвенная, растительная, дым лесных пожаров), которой особенно много в континентальных воздушных массах из пустынь Африки и Центральной Азии. Таким образом, идеально чистая воздушная среда является в действительности только теоретически существующим понятием.
При этом естественное изменение состава атмосферы обычно играет весьма небольшую роль по сравнению с возможными последствиями его искусственного нарушения. Это нарушение, преимущественно связанное с производственной деятельностью населения, устройствами для бытового обслуживания и транспортом, в состоянии приводить даже к денатурации воздушной среды, т. е. к выраженным отличиям ее свойств и состава от соответствующих показателей природной атмосферы.
В тропосфере постоянно находится большое количество взвешенных твёрдых и жидких частиц (аэрозоль). Аэрозо́ль — дисперсная система, состоящая из взвешенных в газовой среде (дисперсной среде), обычно в воздухе, мелких частиц (дисперсной фазы). Аэрозоли, дисперсная фаза которых состоит из капелек жидкости, называются туманами, а в случае твёрдых частиц, если они не выпадают осадок, говорят о дымах (свободнодисперсных аэрозолях), либо о пыли (грубодисперсной аэрозоли).
Размеры частиц в аэрозолях изменяются от нескольких миллиметров до 10−7 мм.
Аэрозоли образуются при механическом измельчении и распылении твёрдых тел или жидкостей: при дроблении, истирании, взрывах, горении, распылении в пульверизаторах.
Влияние составных частей атмосферного воздуха на организм человека.
Азот (N2). Считают, что азот — газ индифферентный и в воздухе играет роль наполнителя. Однако такое представление является правильным лишь при нормальном давлении. При вдыхании воздуха под повышенным давлением азот начинает оказывать наркотическое действие. Наиболее отчетливо это действие проявляется при давлении воздуха 9 и более атмосфер. Это имеет большое значение, т.к. при работе водолазов на больших глубинах воздух им приходится подавать под высоким давлением, иногда превышающим 10 атмосфер. При работе в таких условиях в поведении водолазов отмечается беспричинная веселость, нарушение координации движений, излишняя болтливость и другие проявления наступившей эйфории. Это и есть проявления наркотического действия азота. В настоящее время при работах водолазов на больших глубинах для дыхания пользуются не воздухом, а специально приготовленной гелиево-кислородной смесью, т.е. азот в воздухе заменяют более инертным газом).
Кислород (О2). Наиболее важным компонентом в составе воздуха является кислород. Кислород необходим для поддержания процессов горения, тления и других окислительных процессов, происходящих в природе, которые обеспечивают существование жизни на Земле. Кислород в атмосфере содержится главным образом в молекулярном виде (О2), под влиянием ионизирующего излучения и электрических разрядов молний в воздухе появляется кислород атомарный (О) и трехатомный (О3 — озон). Озоновый слой располагается на высоте 45—50 км от поверхности земли в стратосфере. Он задерживает коротковолновую часть ультрафиолетового спектра (с длиной волны короче 280 нм), предохраняя живые организмы от гибели.
Парциальное давление кислорода составляет 160 мм рт. ст. Из всех химических факторов воздуха абсолютное значение имеет для жизни кислород. Все окислительные процессы в организме происходят при непосредственном участии кислорода. Отклонения в парциальном давлении и количественном отношении кислорода вызывают значительные нарушения окислительно-восстановительных процессов в организме, что наблюдается при различных патологических состояниях. Кратковременно человек может просуществовать даже в атмосфере с содержанием кислорода около 10%, а хорошо тренированные к кислородной недостаточности люди (летчики) — до 8-7%. Особенно чувствительна к недостатку кислорода центральная нервная система. Компенсация организмом кислородной недостаточности происходит за счет: усиления легочной вентиляции (учащение и углубление дыхательных движений); усиления циркуляции крови (увеличение систолического объема сердечных сокращений и увеличение их частоты); увеличения количества циркулирующей крови (за счет выхода ее из депо); увеличения количества форменных элементов крови, обеспечивающих функцию транспортировки кислорода (увеличение числа эритроцитов и гемоглобина в крови) и т.д.
Вдыхание воздуха с повышенным содержанием кислорода переносится организмом человека хорошо. Вдыхание даже чистого кислорода (при нормальном давлении) не приводит к возникновению патологических изменений в организме. Лишь при длительном дыхании чистым кислородом отмечается некоторое высушивающее действие его на слизистые оболочки дыхательных путей, что может привести к их раздражению и возникновению воспалительных явлений. Вдыхание же чистого кислорода под повышенным давлением (3-4 атмосферы и более) приводит к патологическим явлениям со стороны центральной нервной системы, проявляющимся в виде судорог (кислородная интоксикация). При обычных условиях жизни такие явления не встречаются, а могут возникнуть только при использовании кислородной аппаратуры в случае ее неисправности (подводные погружения)
Углекислый газ (СO2). Углекислого газа в воздухе весьма мало. В атмосферном воздухе его содержится всего 0,04—0,05%, а в воздухе помещений — до десятых долей процента. Однако он имеет очень большое значение.
Для воздуха помещений содержание углекислого газа имеет санитарно-показательное значение. В помещениях, где находятся люди, в воздух поступают разнообразные продукты жизнедеятельности человеческого организма — выдыхаемый воздух, насыщенный углекислотой и водяными парами; испарения с поверхности кожи и слизистых оболочек дыхательных путей, в составе которых присутствуют продукты разложения слизи, пота, кожного жира и т.д. В результате в воздухе увеличивается концентрация углекислоты, появляются аммиак, альдегиды, кетоны и другие дурно пахнущие газы, увеличивается влажность, пылевая и микробная загрязненность воздуха, что в целом характеризуется как душный (жилой) воздух, оказывающий влияние на самочувствие, работоспособность и здоровье людей. По концентрации углекислоты в таком воздухе можно определить степень общей его загрязненности. Поэтому углекислый газ служит санитарным показателем чистоты воздуха в жилых и общественных помещениях. Воздух считается свежим, если концентрация углекислоты в нем не превышает 0,1%. Эта величина и считается предельно допустимой для воздуха в жилых и общественных помещениях.
Если концентрация углекислого газа во вдыхаемом воздухе превышает 3%, то существование в такой атмосфере становится опасным для здоровья. Концентрация СО, порядка 10% считается опасной для жизни (потеря сознания наступает через несколько минут дыхания таким воздухом ). При концентрации 20% происходит паралич дыхательного центра в течение нескольких секунд.
Абиотические (от греч. – безжизненные) факторы – это компоненты и явления неживой, неорганической природы, прямо или косвенно воздействующие на живые организмы.
К абиотическим факторам атмосферы относят климатические: солнечная радиация, свет и световой режим, температура, влажность, атмосферные осадки, ветер, давление и др.
Солнечное излучение служит основным источником энергии для всех процессов, происходящих на Земле. В спектре солнечного излучения выделяют области, различные по биологическому действию: ультрафиолетовая, видимая и инфракрасная. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 0,290 мкм губительны для всего живого. Это излучение задерживается озоновым слоем атмосферы, и до поверхности Земли доходит лишь часть ультрафиолетовых лучей (0,300–0,400 мкм), в небольших дозах благотворно влияющих на организмы. Ультрафиолетовые лучи с большей длиной волны (0,3—0,4 мкм) достигают поверхности Земли и в умеренных дозах оказывают благоприятное воздействие на животных — стимулируют синтез витамина В, пигментов кожи (загар) и др.Ритмические изменения активности светового потока, связанные с вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, заметно отражаются на живой природе. Реакция организмов на продолжительность светового дня, выражающаяся в изменении интенсивности физиологические процессов, называется фотопериодизмом. С фотопериодизмом связаны основные приспособительные реакции и сезонные изменения у всех живых организмов. У человека обнаружены суточные колебания свыше трехсот показателей. Так, температура тела выше в дневные часы, достигает максимального значения к 18 часам, а ночью снижается. Самый низкий уровень температуры наблюдается между 1 часом ночи и 5 часами утра. Артериальное давление днем выше, а ночью ниже. В дневное время свертываемость крови выше, в периферической крови увеличено содержание кровяных пластинок, эритроцитов, лейкоцитов, адреналина и др. К нарушению привычных суточных ритмов приводит, например, преодоление на воздушном транспорте больших расстояний. При этом происходит перемещение пассажиров на несколько часовых поясов. Для сохранения высокой работоспособности в таких условиях необходимо заблаговременно вырабатывать новый суточный биоритм.
Важным абиотическим фактором является температура, от которой в значительной степени зависит существование, развитие и распространение живых существ. Колебания температуры на земном шаре достигают широких пределов: от + 50—60 °С в пустынях до —70—80 °С в Антарктиде, однако жизнь существует и в таких экстремальных условиях (водоросли в горячих источниках, пингвины в Антарктиде). У большинства же организмов процессы жизнедеятельности протекают при температурах от —4°С до + 40... + 45 °С.
Влажность атмосферного воздуха, связанна с насыщением его водяными парами. Наиболее богаты влагой нижние слои атмосферы (50% до высоты 1,5–2 км). Обычно насыщение воздуха парами не достигает максимального порога и разность между максимальным и реальным насыщением носит название дефицита влажности. Дефицит влажности – важнейший экологический параметр, поскольку он характеризует сразу две величины: температуру и влажность. На анализе дефицита влажности основаны многие способы прогнозирования в мире живых организмов.
Осадки тесно связаны с влажностью воздуха и являются результатом конденсации водяных паров. Режим осадков – важнейший фактор, определяющий миграцию загрязняющих веществ в биосфере. Осадки – одно из звеньев в круговороте воды на Земле, причем в их выпадении прослеживается резкая неравномерность. Максимальное количество осадков (до 2.000 мм/год) выпадает в зоне тропических лесов, а в пустынях тропического пояса – только 0,18 мм/год. Зоны с количеством осадков меньше 250 мм/год считаются засушливыми.
Газовый состав атмосферы относительно постоянен и включает главным образом азот (N2) и кислород (H2), также углекислый газ (CO2) и некоторые другие газы. В атмосферном воздухе присутствуют как твердые, так и жидкие частицы (вода, различные оксиды, пыль и дымы). В верхних слоях атмосферы содержится озон (О3).
Движение воздушных масс обусловлено деятельностью ветра. Причина возникновения ветра – неодинаковый нагрев земной поверхности, связанный с перепадами давления. Ветровой поток направлен в сторону меньшего давления (туда, где воздух больше прогрет). Ветер – важнейший фактор переноса и распределения примесей в атмосферном воздухе.
Давление атмосферы. Средняя величина атмосферного давления («нормальное» атмосферное давление над ур.м. при температуре 0°С на широте 45°) соответствует 760 мм ртутного столба; на уровне около 5 км над поверхностью Земли она убывает примерно наполовину. На Земле существуют более-менее постоянные области высокого и низкого давления (например, субтропические азорский и гавайский барические максимумы, минимумы умеренных и полярных широт).
Периодически возникающие области пониженного давления, характеризующиеся мощными потоками воздуха, стремящегося к перемещению по спирали к центру, носит название циклонов.
Биотические факторы Под биотическими факторами среды понимают компоненты живой природы, прямо или косвенно действующие на организм. Данный организм также воздействует на другие живые существа и на абиотические факторы. Все виды взаимоотношений между организмами можно подразделить на конкуренцию, хищничество, антибиоз и симбиоз.
Конкурентные взаимоотношения возникают между организмами в том случае, если для их существования необходимы одинаковые или сходные условия. (сосны — за свет, разные виды хищников — за жертву).
Хищничестве наблюдается прямое уничтожение жертвы и, как правило, использование ее в качестве пищи. Хищники есть среди животных всех классов хордовых (акулы, крокодилы, орлы, волки) и среди других типов, например гидра, планария, морские звезды, божьи коровки и др. Есть хищники и среди растений (росянка). Разновидностью хищничества является каннибализм (внутривидовое хищничество) — поедание одними особями других своего же вида. Например, самка паука каракурта поедает самца после спаривания.
Антибиозом понимают такие взаимоотношения между организмами разных видов, когда особи одного вида, чаще путем выделения особых веществ, оказывают угнетающее воздействие на особей других видов. Эти вещества имеют разную химическую природу, но общее название — антибиотики. Антибиотики, продуцируемые грибами, бактериями и другими организмами (пенициллин, стрептомицин, биомицин и др.), нашли широкое применение для лечения разнообразных инфекционных болезней.
Симбиозом является любое сожительство организмов разных видов, приносящее пользу хотя бы одному из них. Выделяют следующие формы симбиоза: мутуализм, синойкию, комменсализм и паразитизм.
Мутуализм (взаимовыгодный симбиоз) — это совместное сожительство организмов разных видов, приносящее взаимную пользу. Например, лишайники являются симбиотическими организмами, тело которых построено из водорослей и грибов.
Синойкия (квартирантство) — сожительство, при котором особь одного вида использует особь другого вида только как жилище, не принося своему «живому дому» ни пользы, ни вреда. Например, пресноводная рыбка горчак откладывает икринки в мантийную полость двухстворчатых моллюсков.
Комменсализм (нахлебничество) — совместное сожительство организмов разных видов, при котором один организм использует другой как жилище и источник питания, но не причиняет вреда партнеру. Например, некоторые морские полипы, поселяясь на крупных рыбах, в качестве пищи используют их испражнения. В желудочно-кишечном тракте чело века находится большое количество бактерий и простейших, питающихся остатками пищи и не причиняющих вреда хозяину.
Паразитизм — это форма антагонистического сожительства организмов, относящихся к разным видам, при котором один организм (паразит), поселяясь на теле или в теле другого организма (хозяина), питается за его счет и причиняет вред.
Солнечная радиация имеет чрезвычайно большое биологическое и гигиеническое значение. Под солнечной радиацией понимают весь испускаемый Солнцем интегральный (суммарный) поток радиации, который представляет собой электромагнитные колебания с различной длиной волны.
В гигиеническом отношении особый интерес представляет оптическая часть солнечного спектра, которая включает электромагнитные поля и излучения с длиной волны выше 100 нм. В этой части солнечного спектра различают три вида излучения ("неионизи-рующее излучение"):
- ультрафиолетовое (УФ)-сдлиной волны 290-400 нм;
- видимое-сдлиной волны 400-760 нм;
- инфракрасное (ИК)-сдлиной волны 760-2800 нм. Солнечные лучи, прежде чем достигнуть земной поверхности, должны пройти сквозь мощный слой атмосферы. Интенсивность солнечного излучения, достигающего земной атмосферы, вероятно, была бы смертельной для большинства живых организмов на Земле, если бы отсутствовало экранирование, обеспечиваемое атмосферой. Солнечное излучение поглощается, рассеивается при прохождении через атмосферу водяными парами, молекулами газов, частицами пыли и т. д. Наиболее важным процессом является поглощение УФ-части солнечного спектра молекулярным кислородом и озоном. Озоновый слой препятствует тому, чтобы УФ-излучение с длиной волн 280 (290) нм достигало земной поверхности.
Около 30 % солнечной радиации не достигает земной поверхности. Так, если на границе земной атмосферы ультрафиолетовая часть солнечного спектра составляет 5 %, видимая часть - 52 % и инфракрасная часть - 43 %, то у поверхности Земли ультрафиолетовая часть составляет 1 %, видимая - 40 % и инфракрасная часть солнечного спектра - 59 %.
В результате интенсивность солнечной радиации на поверхности Земли всегда будет меньше напряжения солнечной радиации на границе земной атмосферы. Интенсивность солнечной радиации зависит от многих факторов: широты местности, сезона года и времени суток, качества атмосферы, особенностей подстилающей поверхности. Именно широта местности определяет угол падения солнечных лучей на поверхность.
Наличие облачного покрова, загрязнения воздуха, дымки или даже рассеянных облаков играет значительную роль в ослаблении солнечного излучения. При сплошном покрытии неба облаками интенсивность УФ-излучения снижается на 72 %, при половинном покрытии облаками - на 44 %. В экстремальных условиях облачный покров может снижать интенсивность УФ-излучения более чем на 90 %.
Важную экологическую функцию выполняет озон стратосферы. Озон и кислород полностью поглощают коротковолновое УФ-излучение (длина волны 290-100 нм), предохраняя все живое от его пагубного воздействия. Изменения в озоновом слое Земли сказываются только на процессе поглощения УФ-В-спектра (средневолнового), избыток которого способствует активному образованию свободных радикалов, перекисных соединений и кислых валентностей, увеличивая агрессивность тропосферы.
Снежный покров обладает избирательной отражающей способностью и отражает большую часть коротковолновых УФ-лучей и почти полностью тепловую радиацию. Вследствие этого возможны световые ожоги глаз, УФ-лучевая световая офтальмия.
Солнечная радиация является мощным оздоровительным и профилактическим фактором.
Вся совокупность биохимических, физиологических реакций, протекающих при участии энергии света, носит название фотобиологических процессов. Фотобиологические процессы в зависимости от их функциональной роли могут быть условно разделены на три группы. Первая группа обеспечивает синтез биологически важных соединений (например, фотосинтез). Ко второй группе относятся фотобиологические процессы, служащие для получения информации и позволяющие ориентироваться в окружающей обстановке (зрение, фототаксис, фотопериодизм). Третья группа - процессы, сопровождающиеся вредными для организма последствиями (например, разрушение белков, витаминов, ферментов, появление вредных мутаций, онкогенный эффект). Известны стимулирующие эффекты фотобиологических процессов (синтез пигментов, витаминов, фотостимуляция клеточного состава). Активно изучается проблема фотосенсибилизирующего эффекта. Изучение особенностей взаимодействия света с биологическими структурами создало возможность для использования лазерной техники в офтальмологии, хирургии и т. д.
Температура является важнейшим экологическим фактором. Температура оказывает огромное влияние на многие стороны жизнедеятельности организмов их географии распространения, размножения и другие биологические свойства организмов зависящие в основном от температуры. Температура на земной поверхности зависит от географической широты и высоты над уровнем моря, а также времени года. Для человека в легкой одежде комфортной будет температура воздуха + 19…20°С, без одежды — + 28…31°С.
Когда температурные параметры изменяются, человеческим организмом вырабатывает специфические реакции приспособление относительно каждого фактора, то есть адаптируется.
Адаптация к изменениям температуры. Основные холодовые и тепловые рецепторы кожи обеспечивает терморегуляцию организма. При различных температурных воздействиях сигналы в центральную нервную систему поступают не отдельных рецепторов, а от целых зон кожи, так называемых рецепторных полей, размеры которых непостоянны и зависят от температуры тела и окружающей среды.
Температура тела в большей или меньшей степени влияет на весь организм (на все органы и системы). Соотношение температуры внешней среды и температуры тела определяет характер деятельности системы терморегуляции.
Температура окружающей среды преимущество ниже температуры тела. Вследствие этого между средой и организмом человека постоянно происходит обмен теплом благодаря его отдаче поверхностью тела и через дыхательные пути в окружающее пространство. Этот процесс принято называть теплоотдачей. Образование же тепла в организме человека в результате окислительных процессов называют теплообразованием. В состоянии покоя при нормальном самочувствии величина теплообразования равняется величине теплоотдачи. В жарком или холодном климате, при физических нагрузках организма, заболеваниях, стрессе и т.д. Уровень теплообразования и теплоотдачи может изменяться.
Адаптация к низкой температуре. Условия, при которых организм человека адаптируется к холоду, могут быть различными (например, работа в неотапливаемых помещениях, холодильных установках, на улице зимой). При этом действие холода не постоянное, а чередующееся с нормальным для организма человека температурным режимом. Адаптация в таких условиях выражена нечетко. В первые дни, реагируя на низкую температуру, теплообразование возрастает неэкономно, теплоотдача еще недостаточно ограничена. После адаптации процессы теплообразования становятся более интенсивными, а теплоотдача снижается.
Иначе происходит адаптация к условиям жизни в северных широтах, где на человека влияют не только низкие температуры, но и свойственные этим широтам режим освещения и уровень солнечной радиации.
Вследствие раздражения холодовых рецепторов изменяются рефлекторные реакции, регулирующие сохранение тепла: сужаются кровеносные сосуды кожи, что на треть уменьшает теплоотдачу организма. Важно, чтобы процессы теплообразования и теплоотдачи были сбалансированными. Преобладание теплоотдачи над теплообразованием приводит к понижению температуры тела и нарушению функций организма. При температуре тела 35°С наблюдается нарушение психики. Дальнейшее понижение температуры замедляет кровообращение, обмен веществ, а при температуре ниже 25°С останавливается дыхание.
Одним из факторов интенсификации энергетических процессов является липидный обмен. Например, полярные исследователи, у которых в условиях низкой температуры воздуха замедляется обмен веществ, учитывают необходимость компенсировать энергетические затраты. Их рационы отличаются высокой энергетической ценностью (калорийностью). У жителей северных районов более интенсивный обмен веществ. Основную массу их рациона составляют белки и жиры. Поэтому в их крови содержание жирных кислот повышено, а уровень сахара несколько понижен.
У людей, приспосабливающихся к влажному, холодному климату и кислородной недостаточности Севера, также повышенный газообмен, высокое содержание холестерина в сыворотке крови и минерализация костей скелета, более утолщенный слой подкожного жира (выполняющего функцию теплоизолятора).
Однако не все люди в одинаковой степени способны к адаптации. В частности, у некоторых людей в условиях Севера защитные механизмы и адаптивная перестройка организма могут вызвать дезадаптацию — целый ряд патологических изменений, называемых «полярной болезнью». Одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих адаптацию человека к условиям Крайнего Севера, является потребность организма в аскорбиновой кислоте (витамин С), повышающей устойчивость организма к различного рода инфекциям.
Адаптация к воздействию высокой температуры. Тропические условия могут оказывать вредное влияние на организм человека. Отрицательные эффекты могут быть результатом агрессивных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое облучение, экстремальная жара, резкие смены температуры и тропические штормы. У метеочувствительных людей экспозиция к тропическим условиям среды увеличивает риск острых болезней, в том числе ишемической болезни сердца, астматических приступов и почечных камней. Отрицательные эффекты могут быть усилены внезапной сменой климата, например, при путешествии воздухом. Выделяют два вида перегревания — гипертермия и судорожная болезнь. При гипертермии различают три степени: а) легкая, б) умеренная, в) тяжелая (тепловой удар). Судорожная болезнь возникает из-за резкого снижения в крови и тканях организма хлоридов, которые теряются при интенсивном потении.
Высокая температура может влиять на организм человека в искусственных и естественных условиях. В первом случае имеется в виду работа в помещениях с высокой температурой, чередующаяся с пребыванием в условиях комфортной температуры.
Высокая температура среды возбуждает тепловые рецепторы, импульсы которых включают рефлекторные реакции, направленные на повышение теплоотдачи. При этом расширяются сосуды кожи, ускоряется движение крови по сосудам, теплопроводность периферических тканей увеличивается в 5-6 раз. Если для поддержания теплового равновесия этого недостаточно, повышается температура кожи и начинается рефлекторное потоотделение — самый эффективный способ отдачи тепла (наибольшее количество потовых желез на коже рук, лица, подмышек). У коренных жителей Юга средняя масса тела меньше, чем у жителей Севера, подкожный жир не очень развит. Особенно ярко проявляются морфологические и физиологические особенности у популяций, живущих в условиях высокой температуры и недостатка влаги (в пустынях и полупустынях, районах, прилегающих к ним). Например, аборигены Центральной Африки, Южной Индии и других регионов с жарким сухим климатом имеют длинные худощавые конечности, небольшую массу тела.
Интенсивное потоотделение во время пребывания человека в жарком климате приводит к понижению количества воды в организме. Чтобы компенсировать потерю воды, нужно увеличить ее потребление. Местное население более адаптировано к этим условиям, чем люди, приехавшие из умеренной зоны. У аборигенов вдвое-втрое меньше суточная потребность в воде, а также в белках и жирах, так как они имеют высокий энергетический потенциал, и усиливает жажду. Поскольку в результате интенсивного потоотделения в плазме крови уменьшается содержание аскорбиновой кислоты и других водорастворимых витаминов, в рационах местного населения преобладают углеводы, увеличивающие выносливость организма, и витамины, позволяющие выполнять тяжелую физическую работу в течение длительного времени.
Восприятие температуры. Наиболее чувствительно усиливает температурное ощущение ветер. При сильном ветре холодные дни кажутся еще холоднее, а жаркие — еще жарче. На восприятие организмом температуры влияет также влажность. При повышенной влажности температура воздуха кажется более низкой, чем в действительности, а при пониженной влажности — наоборот.
Восприятие температуры индивидуально. Одним людям нравятся холодные морозные зимы, а другим — теплые и сухие. Это зависит от физиологических и психологических особенностей человека, а также эмоционального восприятия климата, в котором прошло его детство.
Влажность как экологический фактор.
Влажность - это параметр характеризующий содержание водяного пара в воздухе. Абсолютная влажность - это количество водяного пара в воздухе и зависит от температуры и давления. Это количество называется относительной влажностью (т.е. соотношение количества водяного пара в воздухе к насыщенному количеству пара при определенных условиях температуры и давления.)
В природе существует суточный ритм влажности. Влажность колеблется по вертикали и горизонтали. Этот фактор наряду со светом и температурой играет большую роль в регулировании активности организмов. Влажность изменяет и эффект температуры.
Оптимальный уровень влажности, при которой человек чувствует себя комфортно 60-70%. Между тем, летом в сухую погоду она редко превышает 40%, а зимой падает до 25-30%. Ведь холодный воздух содержит мало влаги, поэтому, когда зимой мы проветриваем комнату, воздух в ней становится суше. Недостаток влажности приводит к сухости и раннему старению кожи, раздражению слизистой оболочки, что открывает путь для инфекций и повышает вероятность различных респираторных заболеваний.
Особенно важен режим влажности для маленьких и грудных детей, ведь в первые месяцы и годы жизни у них очень нежная и чувствительная кожа, слизистая оболочка рта и носа. Поэтому влажность в комнате, где спит новорожденный, должна быть не ниже 50%. Сухой воздух в целом более пыльный, ведь в нем повисает мельчайшая пыль, которая в обычном состоянии «связана» влажностью.
В условиях сухости у людей появляется сонливость и рассеянность, повышается утомляемость, ухудшается общее самочувствие, снижается работоспособность и иммунитет. В помещении с сухим воздухом повышается вероятность подхватить респираторную инфекцию. От недостатка влажности в первую очередь страдают дети и люди с заболеваниями дыхательных путей, астматики и аллергики. Кроме того, известно, что сухой воздух содержит избыточное количество положительно заряженных ионов, что в свою очередь способствует развитию такого распространенного заболевания как стресс. Сухой воздух является одной из главных причин возникновения аллергии. В нем активно распространяются аллергены (возбудители аллергических реакций). Кроме того, он приводит к ослаблению иммунной системы человека.
Движение воздуха. В результате неравномерного нагревания земной поверхности создаются места с повышенным и пониженным атмосферным давлением, что, в свою очередь, приводит к перемещению воздушных масс (ветру). Ветер характеризуется направлением, силой и скоростью. Направление ветра определяется той стороной света, откуда он дует. Скорость или сила ветра измеряется узлами, баллами или метрами в секунду.
Причиной ветра является разница в давлении: воздух перемещается из области с высоким давлением в места с низким давлением. Чем больше разница в давлении, тем сильнее ветер. Резкое кратковременное усиление ветра до 20 м/с и выше называется шквалом.
Наибольшим действием на центральную нервную систему обладает скорость ветра и парциальное давление. Известно, что усиление ветра может способствовать повышению возбудимости ЦНС, вызывать головные боли, ощущение тревоги и страха. Особенно это проявляется у лиц с функциональными расстройствами ЦНС. При увеличении скорости ветра свыше 8 м/с увеличивается активность сывороточных холинэстераз, падает экскреция с мочой адреналина и 17-оксикортикостероидов. Однако умеренный ветер (до 4 м/с) оказывает тонизирующее влияние. При низких температурах ветер усиливает теплоотдачу, что может привести к переохлаждению организма. Чем ниже температура, тем тяжелее переносится ветер. В жаркое время ветер усиливает испарение и улучшает самочувствие.
Скорость движения воздуха — существенный фактор, оказывающий влияние на теплообмен человека наряду с температурой и влажностью воздуха. При низкой температуре большая скорость движения воздуха способствует охлаждению организма. Ветер вытесняет из-под одежды нагретый воздух и усиливает его движение вокруг тела. При высокой температуре движущийся воздух увеличивает отдачу тепла за счет конвекции и испарения пота. Однако это благоприятное влияние ветра наблюдается в случаях, когда температура воздуха ниже температуры тела. Если температура воздуха превышает температуру тела, движущийся воздух вместо охлаждения способствует нагреванию организма.
Скорость движения воздуха оказывает определенное нервно-психическое действие. Прохладный и умеренной силы ветер тонизирует организм, а сильный и продолжительный вызывает возбуждение и раздражение. Неприятен также для человека и постоянный шум ветра. Сильный встречный ветер препятствует передвижению спортсменов при ходьбе, беге, езде на велосипеде, гребле и т. п. Он также затрудняет дыхание в этих условиях.
При наиболее благоприятном сочетании температуры, влажности, скорости движения воздуха и других факторов человек испытывает приятное теплоощущение, у него отмечается тепловое равновесие и нормальное течение всех физиологических функций. Такие метеорологические условия принято называть комфортом. И наоборот, сочетания метеорологических факторов, которые нарушают теплорегуляцию организма, называют дискомфортом.
Одним из физических факторов воздушной среды является атмосферное электричество. В это понятие входят ионизация воздуха, электрическое и магнитное поле земной атмосферы.
Ионизация воздуха постоянно происходит в нижних слоях атмосферы. Она заключается в том, что под действием ионизаторов (о них дальше) молекуле или атому сообщается энергия, достаточная для отделения одного из внешних электронов. Выбитый электрон присоединяется к нейтральному атому или молекуле, образуя отрицательный ион, а оставшаяся часть атома или молекулы становится положительным ионом. Образованные таким образом ионы присоединяют к себе другие молекулы и образуют стойкие соединения с электрическим зарядом, которые называются легкими или быстрыми ионами. Последние соединяются в воздухе с пылевыми частицами и капельками воды. При этом образуются средние и тяжелые ионы. Наряду с образованием ионов происходит и обратный процесс, в ходе которого ионы с разными зарядами взаимно нейтрализуются (рекомбинация). Кроме того, ионы адсорбируются на различных поверхностях и всевозможных частицах.
Основными ионизаторами являются излучения радиоактивных веществ, находящихся в почве, воде и воздухе, а также проникающие из мирового пространства рентгеновские и космические лучи. Образование ионов воздуха может происходить также при распылении воды у водопадов, фонтанов, при действии грозовых разрядов, под влиянием ультрафиолетовых лучей и т. п.
Ионизированный воздух оказывает на многие физиологические функции организма влияние, зависящее от полярности и подвижности ионов, их концентрации, продолжительности действия и др.
В воздушной среде, лишенной ионов, у людей ухудшается общее состояние, появляется слабость, головная боль, сонливость, повышается кровяное давление и др. Небольшие концентрации легких ионов (3000—4000 в 1 см3 воздуха) с преобладанием отрицательных благоприятно влияют на состояние здоровья и самочувствие больных. Если же в воздухе больше положительных ионов, то происходит обратное действие.
Искусственно ионизированный воздух (в определенных концентрациях и с преобладанием отрицательных ионов) используется для лечения различных заболеваний (гипертония, бронхиальная астма, неврозы и др.). Аэроионизацию применяют также для профилактических целей. Так, установлено, что ионизированный воздух повышает неспецифическую сопротивляемость организма. При гигиенических исследованиях степень ионизации воздуха может служить характеристикой состояния воздушной среды в городах, жилых и спортивных помещениях. Это связано с тем, что параллельно с ухудшением гигиенического состояния воздуха значительно снижается количество легких и повышается количество тяжелых ио
В спортивной практике ионизированный воздух целесообразно использовать для укрепления и повышения работоспособности спортсменов.
Электрическое поле атмосферы существует между воздухом и земной поверхностью. Оно характеризуется напряженностью, измеряемой величиной потенциала (Вольт) на единицу длины (метр). Эта величина называется градиентом электрического потенциала. У поверхности Земли его среднее значение составляет 120 В/м, с высотой величина градиента уменьшается. Обычно отмечаются значительные колебания напряженности электрического поля атмосферы в зависимости от времени года, состояния погоды, атмосферного давления, скорости движения воздуха, географических и других факторов. В электрическом поле Земли человек подвергается воздействию разности потенциалов между уровнем головы и подошвами примерно в 200—250 В. Биологическое воздействие электрического поля Земли изучено еще недостаточно.
Радиоактивность – самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер. Ядра, подверженные таким превращениям, называют радиоактивными, а процесс превращения – радиоактивным распадом.
В обычных условиях человек постоянно подвергается воздействию небольших доз ионизирующего излучения. Естественный радиоактивный фон обусловливается влиянием космических лучей и радиоактивных веществ, содержащихся в воздухе, почве, горных породах, воде. Естественная радиоактивность воздуха зависит главным образом от содержания в нем таких газов, как радон, актион и торон — продуктов распада радия, актиния и тория, которые имеются в земных породах. Вместе с этим в воздухе содержатся углерод-14, аргон-41, фтор-18 и некоторые другие изотопы, образующиеся при воздействии космических лучей на атомы кислорода, водорода и азота. Вместе с радиоактивными аэрозолями в атмосферу могут попадать и незначительные количества естественных радиоактивных веществ, что наблюдается при разрушении земных пород, разложении органических веществ и т. п.
Естественная радиоактивность воздуха постоянно колеблется. При этом на суше она несколько выше, чем над водной поверхностью. Человек может подвергаться внутреннему облучению за счет вдыхания содержащихся в воздухе радиоактивных веществ, а также внешнему воздействию их (почва, космические лучи). Общая суммарная доза облучения человека может достигать 175 мбэр/год. Эта величина может подвергаться значительным колебаниям в зависимости от концентрации радиоактивных элементов в почве.
В воздухе наряду с естественными радиоактивными элементами могут появляться также радиоактивные элементы (вследствие атомных взрывов при испытании ядерного оружия или же при использовании радиоактивных веществ в народном хозяйстве). Наиболее опасны долгоживущие изотопы, которые накапливаются в организме. Среди них первое место по опасности занимает стронций-90, период полураспада которого почти 30 лет. В тех странах, где часто производятся взрывы ядерного оружия, его количество в воздухе во много раз больше.
В настоящее время, разработаны и применяются нормы радиационной безопасности, призванные предупреждать случайные поражения ионизирующей радиацией. Работают специальные радиологические лаборатории, которые осуществляют дозиметрический контроль в различных учреждениях, где используются источники ионизирующей радиации, проводят исследования воздуха, воды и пищевых продуктов для выявления радиоактивных изотопов.
Еще в 1963 г. по инициативе СССР был подписан международный договор о запрещении наземных испытаний атомного оружия. Это имело важное значение для обеспечения радиационной безопасности.
Атмосферный воздух представляет собой динамически подвижную смесь нескольких газообразных и парообразных химических соединений органического и неорганического состава.
К постоянным химическим составляющим относятся азот, кислород, углекислый газ, неон, гелий, криптон, ксенон, аммиак, метан, озон, диоксид серы, сероводород, фосфор, водород, углерод.
Атмосфера принимает участие в биогеохимическом обмене азота, кислорода, углекислого газа, фосфора, серы.
Азот (массовая доля 75, 6%) – один из важнейших биогенных элементов, так как он является компонентом жизненно важных органических и неорганических соединений.
Кислород (массовая доля 20,74%) – важнейший для жизнедеятельности химический элемент. Поступление молекулярного кислорода в живые организмы обеспечивает процессы биологического окисления органических веществ. В результате этих процессов освобождается энергия, идущая на обеспечение жизнедеятельности организма.
Углерод (массовая доля 0,032% по объему). Участвует в большинстве биохимических и биогеохимических процессах, происходящих в биосфере.
В атмосфере присутствуют также инертные или благородные газы (аргон, неон, криптон и другие). Хотя их считают биологически индифферентными, Вернадский указывал на их существенное значение в биогеохимическом круговороте веществ и энергии.
Сера в атмосферном воздухе присутствует в виде восстановленных соединений, двуокиси и в виде сульфатной серы. Доказано, что в стратосфере существует сульфатный слой. Химия серы в стратосфере тесно связана с химией азота и углерода.
Под действием физических факторов, таких как электромагнитное поле, ионизирующие виды излучения, распыление воды, грозовые разряды и другие, происходит образование аэроионов. Аэроионы являются продуктом расщепления газообразных и парообразных химических соединений воздуха.
Первично образуются легкие «-» и «+» аэроионы. Вторичные продукты – это тяжелые аэроионы, которые появляются после присоединения к легким аэроионом пылинок, молекул воды, микробных клеток.
Разность потенциалов между воздухом и землей на расстоянии одного метра от земли составляет 200 – 300 Вольт. Земля заряжена отрицательно, поэтому положительные заряды устремлены к поверхности Земли.
Доказано, что «-» и «+» аэроионы оказывают разное действие на организм.
Отрицательные легкие аэроионы приводят
к снижению скорости оседания эритроцитов
уменьшается вязкость и свертываемость крови
усиливается иммунный ответ
стабилизируется рост клеток
усиливают эпителизацию ран.
Все физические и химические факторы не постоянны. Их параметры изменяются в течение суток, недели, месяца, сезона, года и т.д.
За 200 лет наблюдения за параметрами атмосферы были зарегистрированы их максимальные отклонения. Температура от +58 до –82, скорость ветра – до 110 м/с, а количество осадков – до 24 м. в месяц.
Биологические факторы
Живые организмы в атмосфере создают свой биоценоз.
В приземном слое постоянно обитают насекомые и птицы. Особый интерес представляют вирусы, которые лишены раздражимости, способности синтезировать белки. Существуют только в других живых организмах. Размеры вируса в 100 раз меньше бактерий. Вирусы необычайно устойчивы: выживают в 1000 воде, спирте, феноле. Вирусы выполняют в атмосфере особую функцию. Чаще они проникают в слабые особи и способствуют выживанию наиболее приспособленных.
Особое место в атмосфере отводится безъядерным клеткам – прокариотам. Наиболее древними представителями прокариот являются археобактерии, способные поглощать кванты света.
Цианобактерии – подцарство прокариотов, могут подстраиваться к различным спектральным составам солнечного излучения за счет двух фотосинтезирующих пигментов – фикоцианика и фикоэритика. Помимо того, что они очень активно синтезируют кислород, цианобактерии еще и способны фиксировать свободный азот атмосферы.
В атмосфере непрерывно протекают различные физические процессы: изменяется температура, влажность, происходит конденсация водяных паров, возникают туманы, облака, выпадают осадки или происходит испарение облачных капель; солнечные лучи нагревают атмосферу, ионизируют ее и т.д.
Так, методами исследования и оценки факторов атмосферы являются:
ми исследования атмосферы и океана являются:
1. Натурные наблюдения (основной метод). Они производятся:
- на опорных гидрометеостанциях (ГМС)
-в экспедициях, которые проводят комплексные исследования атмосферы с научно-исследовательских судов и на полярных станциях;
- с искусственных спутников Земли (ИСЗ).
2. Эксперимент. К числу метеорологических экспериментов относятся опыты осаждения облаков и рассеяние туманов путем различных физико-химических воздействий на них. Такие опыты предусматривают практические цели, но они позволяют также глубже разобраться в природе явления Насаждение лесных полос, создание водохранилищ, сооружение плотин в морских проливах, орошение местности и т.п. вносят некоторые изменения в состояние приземного слоя воздуха, тем самим и они в которой степени являются средствами метеорологического эксперимента.
3. Синоптический метод. На карту условными значками наносятся результаты натурных наблюдений опорной сети за один и тот же срок. Такая карта называется синоптической. Она позволяет видеть, как распределились условия погоды и каковы были свойства атмосферы и характер атмосферных процессов в этот момент над большой территорией. Составляя синоптические карты для последовательных сроков наблюдений можно проследить развитие атмосферных процессов во времени и пространстве и делать выводы о будущей погоде. В основу этого метода положено учение о погодообразующих системах атмосферы: воздушных массах, атмосферных фронтах, циклонах, антициклонах.
4. Теоретический метод. На основе законов физики составляются системы дифференциальных уравнений, описывавших атмосферные процессы. Подставляя в эти уравнения исходные натурные данные, полученные из наблюдений, решив систему уравнений, можно найти количественные значения атмосферных параметров на будущее, т.е. спрогнозировать их значение.
5. Климатология. Оперирует многолетними данными, например: средняя температура, среднее количество осадков, дни с туманами и т.п. Если нанести на карты результаты статистической обработки многолетних наблюдений, то получаются климатологические карты. Климатологические карты облегчают дальнейший анализ фактов, позволяют делать выводы о пространственном распределении особенностей или типов климата.