Kitobni o'qish: «Воздух. Неожиданные факты о том, без чего нельзя прожить»

Научный редактор Олег Угольников

Редактор Светлана Гудкова

Главный редактор С. Турко

Руководитель проекта Е. Кунина

Арт-директор Ю. Буга

Корректоры Е. Чудинова, Е. Аксёнова

Компьютерная верстка К. Свищёв

Иллюстрация на обложке А. Черножукова

Дизайн обложки Д. Изотов

© Голубева Наталья, 2022

© Иллюстрации Анастасия Черножукова, 2022

© ООО «Альпина Паблишер», 2022

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Посвящаю эту книгу маме.

Я тебя очень люблю

Предисловие

Я всегда рядом.

Твой воздух

Долго ли человек проживет без еды? Смотря с чем сравнивать. Смерть от голода наступит на 45–75-й день, всё зависит от организма. Причины могут быть разными: сердечно-сосудистый коллапс, сепсис, прекращение работы иммунной системы или кишечная непроходимость. А как быстро наступит смерть без воды? Тоже не сразу: на 3–5-й день в жарком или 7–10-й день – в умеренном климате. Организм погибнет, если количество потерянной жидкости составит более 20 % массы тела. Однако состояние при голодании и обезвоживании ухудшается постепенно, и человеку может повезти попасть в больницу раньше критического срока. В таком случае его можно спасти: в медицинской практике широко используют различные внутривенные питательные смеси.

С воздухом всё обстоит иначе. Неподготовленный человек может задержать дыхание лишь на несколько минут. Если по истечении этого времени не появится возможность возобновить дыхание – он потеряет сознание и умрет от кислородного голодания мозга. Олимпийский чемпион по плаванию продержится несколько дольше. Но для спасения жизни этого времени критически мало. Врач должен проводить реанимацию, не теряя ни секунды, потому что всего лишь через 6 минут, вслед за клинической смертью, наступает смерть необратимая.

Воздух с нами всю жизнь. С первого крика. Хорошо ли мы его знаем? Обращаем ли вообще на него внимание? Человек делает около 20 тысяч вдохов и выдохов в сутки. Вы только представьте: каждый из нас пропускает через свои легкие от 13 до 40 килограммов воздуха в день – столько весит мешок картошки! Воздух нельзя пощупать или рассмотреть, но он с нами везде: на работе и дома, в спортивном зале и столовой, в ванной и спальне. С воздухом связаны здоровье и настроение, молодость и упругость кожи, работа мозга, румянец щек. Он изо дня в день без остановки проникает в организм и питает каждую его клетку, позволяет наслаждаться погодой, получать энергию, путешествовать. А еще развевает волосы и помогает романтично шептать друг другу: «Я без тебя как без воздуха».

Однажды в детстве мне приснился сон, будто на Земле закончился воздух. Я до сих пор помню пугающее ощущение духоты, бессилия и паники. Из тела уходила жизнь, оно становилось пустым, ноги не двигались, сил открыть рот и позвать на помощь не было. Вокруг бегали люди и пытались надышаться впрок. У них ничего не получалось, они задыхались, падали на асфальт и умирали. Это было так реалистично, что я застыла от страха, а потом резко вздрогнула и открыла глаза. Ничего не было видно из-за плотной пелены дыма. Оказалось, что, пока мне снился этот сон, в нашей спальне, в камине, начали тлеть угли. Заслонка дымохода была закрыта, поэтому смог повалил в комнату. Воздух в ту ночь действительно закончился, только не на планете целиком, а в моем доме.

Проснувшись первой, я разбудила родителей. Мы распахнули окна настежь, чтобы проветрить жилье. Холодный ночной воздух врывался в наши легкие. Он был потрясающе вкусный и свежий, с запахом сосен и дождя. Воздух заполнил спальню и – так получилось – всю мою дальнейшую жизнь.

Воздух. Кто-то полагает, что не может жить без любви или сладкого. Порой кажется, что невозможно пережить публичную неудачу или увольнение. Но вот то, без чего действительно нельзя выжить, – это дыхание. Мы обращаем внимание на что угодно, а про воздух совсем забыли. Еще тогда, в детстве, я решила, что должна узнать о воздухе всё, а также научиться создавать для него доступ, чтобы мой страшный сон никогда не сбылся.

Сегодня воздух – моя работа. Я инженер-проектировщик вентиляции. Помогаю людям дышать в прямом смысле этого слова: ведь не всегда и не везде можно открыть окно и проветрить. Я обеспечивала доступ воздуха на заводы и предприятия, в торговые центры, больницы, офисные здания. Самый крупный объект, в разработке которого я принимала участие, – стадион. Самый красивый проект – музей. Самый парадоксальный – корпус патологоанатомического отделения: проектировать вентиляцию в месте, где живых людей практически нет, – небанальная задача.

С помощью формул я рассчитываю, сколько воздуха необходимо подать в помещение. Подбираю его параметры: температуру и влажность. Проектирую, вычерчиваю, нахожу нужное оборудование и контролирую работу монтажной бригады: ведь проект необходимо не только придумать, но и воплотить в жизнь. Еще я разрабатываю дымоудаление – комплекс систем, которые включаются при пожаре. Они помогают очистить помещения от дыма, чтобы люди успели добраться до пожарной лестницы и спастись.

Я инженер, но меня занимает не только техническая сторона жизни. Мне всегда нравилось узнавать новое, а потом простым и понятным языком рассказывать об этом другим. Слово «инженер» происходит от латинского ingenium – способность, изобретательность. Именно это вдохновило меня взглянуть на профессию шире и написать книгу. В теме я не сомневалась ни секунды: книга будет о воздухе. Именно этим знанием я хочу поделиться с вами.

Цель моей книги – познакомить вас с воздухом поближе. С невидимым другом, который всегда рядом и никогда вас не подводил. Эта книга – не учебник, а набор интересных фактов, изложенных максимально просто. Я специально выбрала познавательный формат, чтобы каждый из вас, вне зависимости от образования и возраста, нашел для себя что-то интересное. Книга состоит из трех частей.

Первая часть «Что такое воздух», собственно, о том, что это такое и откуда он взялся. Его история, строение атмосферы, рассказ о каждом компоненте в отдельности – познавательно, но и не без юмора.

Вторая часть «Воздух и человек» посвящена нашему взаимодействию с ним. Как воздух попадает в организм? Чем опасен? Можно ли пить воздух? Как правильно дышать? У этих вопросов одна общая цель: научить вас грамотно обращаться с воздухом и сделать его главным союзником.

В третьей части, «Приручение воздуха. Как он работает на нас», вы узнаете, как человек научился применять воздух в своей жизни и как это делают в наши дни. Чем дышат в открытом космосе? Сколько энергии можно получить из ветра? Кроме того, в этой главе я расскажу вам про летательные аппараты, погоду, вентиляцию и медицинские эксперименты с воздухом.

Я инженер, поэтому знания – мой главный инструмент и основной ресурс. Чем меньше мы знаем про окружающий мир, тем меньше можем взять от него.

Воздух, пожалуй, самая важная базовая вещь на Земле. Благодаря воздуху мы равны, ведь он есть у всех. А вот знаний о нем зачастую не хватает. Я не хочу, чтобы вы упустили какие-то возможности из-за неведения. С помощью моей книги, я верю, вы не только расширите кругозор, но и сделаете свою жизнь лучше, а также научитесь использовать всё, что может дать воздух. Я называю это воздушным потенциалом, так что давайте уже им наконец воспользуемся на полную мощь.

А теперь вдохните глубже, начинаем наше путешествие!

Часть I
Что такое воздух?

Глава 1
Как появился воздух?
История возникновения атмосферы

Мы создали для тебя целый мир.

Бактерии

Когда вы последний раз были на море? Белый песок, лазурные волны, голубое небо. Если бы 4 миллиарда лет назад вы решили отправиться в свой законный отпуск на побережье, то перед глазами предстала бы другая картина. Черный песок из неокисленных горных пород. Оранжевое море, состоящее из всё тех же горных пород, но уже в расплавленном виде. Над водой стелется туман из метана и диоксида углерода, придавая небу зловещий огненный цвет. Ни о каком свежем воздухе не может быть и речи – на планете нет ни грамма свободного кислорода. Не существует и защиты от ультрафиолетовых лучей Солнца, потому что озонового слоя тоже нет. Чтобы не обуглиться и вернуться из такого отпуска живым, вам наверняка бы пригодился специальный купальный скафандр, титановый зонт и канистра крема от загара. Хорошо, что сейчас всё не так, правда?

В Солнечной системе восемь планет, и только на одной образовалась и существует по сей день атмосфера, пригодная для жизни. Если вы еще со времен школы помните, что в нашей родной системе их девять, то поясню: Плутон с 2006 года разжалован в карликовые планеты. Сейчас ведутся споры на этот счет, и, возможно, ему когда-нибудь вернут прежний статус.

Но давайте продолжим разговор об атмосфере Земли. То, что она получилось такой, какая есть сегодня, конечно, большое везение! Наша планета прошла весьма бурный путь становления. В ней менялось все, в том числе и состав воздуха. И этот воздух, которым вы дышите сейчас, сильно отличается от самого первого, который появился на планете.

Мнений об эволюции атмосферы достаточно много. Большинство из них противоречат друг другу. Я разделяю точку зрения палеонтолога Андрея Юрьевича Журавлева, профессора кафедры биологической эволюции биофака Московского государственного университета: нашу планету развила жизнь. Именно живые организмы внесли судьбоносный вклад в становление Земли, и им мы должны сказать спасибо за воздух, которым дышим.

А теперь давайте вернемся в прошлое.

4,5 миллиарда лет назад

Солнечная система еще только зарождается. Облако из космического газа и пыли начинает сжиматься. Солнце располагается в центре – основной массе этого облака. Вокруг Солнца из хаотично сталкивающихся между собой частиц начинают образовываться сгустки. Они постепенно увеличиваются и формируют планеты. Мы не знаем точного расположения планет в то время, поэтому будем опираться на тот порядок, который существует сейчас. Ближе к Солнцу находятся планеты земной группы: Меркурий, Венера, Земля, Марс. Они сравнительно небольшие и состоят в основном из твердых минералов. Летучих веществ, таких как гелий и водород, в них немного. Совсем по-другому устроены планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их массу образуют более легкие вещества: водород и гелий (Юпитер, Сатурн) и твердый лед под высоким давлением (Уран, Нептун).

Как дела у Земли? Она захватывает из космического пространства водород и гелий. Образуется первичная атмосфера, которая надолго не задерживается: легкие газы улетучиваются обратно в космос, а из-за постоянных извержений вулканов добавляются водяной пар, углекислый газ, метан и аммиак. Кислорода еще нет. Озона и озонового слоя тоже. Без озоновой защиты, под влиянием солнечного ультрафиолета на планете начинают протекать интенсивные химические реакции. Благодаря этому появляются органические вещества – основа будущей жизни. Сказать наверняка, когда зародилась жизнь на Земле, невозможно, но по наличию следов жизнедеятельности одноклеточных организмов можно утверждать, что 4 миллиарда лет назад она уже существовала – в виде бактерий.

Появление жизни на Земле меняет всё. Микроорганизмы перерабатывают одни вещества в другие, даже не подозревая, насколько велик их вклад. Бактерии, словно микроскопические фабрики, днем и ночью трудятся над новым составом атмосферы.

2,7 миллиарда лет назад

Атмосфера – парниковая, в ней много углекислого газа и метана. Модель солнечной эволюции, предложенная астрономами в XX веке, показала, что древнее Солнце было не таким горячим, как сейчас, и согревало земной шар лишь на 70 % от своей нынешней интенсивности. К этому пришли и советские ученые Л. М. Мухин и В. И. Мороз, и американские – Карл Саган и Джордж Маллен. Получается, раз Солнце грело слабо, на Земле должно было быть холодно? Тогда почему все геологические исследования показывают, что климат на Земле в древние времена был влажный и теплый? К сожалению, не осталось ни одного старца, который почешет свою миллиардолетнюю бороду и четко ответит на этот вопрос.

«Парадокс слабого молодого Солнца» – так называют этот феномен ученые. Земля не получала достаточного количества тепла от Солнца, но и не остывала при этом. Если энергию нельзя получить извне, значит, придется сохранять ту, что уже есть. Ученые приходят к выводу, что тепло на Земле удерживалось и накапливалось атмосферой, а значит, она не была похожа на современную.

Чтобы проверить эту гипотезу и выяснить, что же укрывало и согревало Землю, геофизики высчитали давление атмосферы того времени и сравнили его с тем, что есть сегодня. Благодаря этому выяснилось, что парниковым газом 2,7 миллиарда лет назад был метан.

Как можно исследовать атмосферу, которой давно нет, да еще и узнать ее давление? По каплям дождя. Вернее, по следам, которые остаются от них на вулканических породах при извержении вулканов. В XIX веке британский геолог Чарлз Лайель заметил связь между давлением атмосферы и диаметром следов дождевых капель. Конечно, никто не бегал по вулкану с линейкой и не замерял отпечатки отдельных брызг. Это сложный математический расчет с выводом среднестатистических значений. Именно он и показал, что диаметр следов дождевых капель 2,7 миллиарда лет назад был в два раза меньше. А значит, давление атмосферы было вдвое ниже, чем сейчас. Она была менее плотной и более разреженной.

Результат исследования позволил расшифровать состав парниковой атмосферы, которая существовала в то время. Углекислый газ в одиночку подобного эффекта создать не мог. Если бы ему помогали соединения азота, то их бы потребовалось большое количество, что в итоге дало бы существенно большее атмосферное давление, а оно, напротив, было аж в два раза ниже! Вызвать столь сильный парниковый эффект при общем низком давлении атмосферы мог лишь один газ – метан.

Откуда ему взяться в атмосфере того времени в таком большом количестве? Внутренние процессы планеты увеличивали концентрацию этого газа и раньше. Однако над Землей в то время висел настоящий метановый туман, а значит, случилось что-то по-настоящему масштабное, и метан стал поступать из другого источника. Этим источником считают жизнь: одноклеточные существа – метанопроизводящие бактерии. Именно благодаря их жизнедеятельности атмосфера Земли стала наполняться парниковым газом, свойства которого изолировали планету, укутали ее, словно шарфом, и не дали теплу уйти. Жизнь продолжила развиваться.

2,5 миллиарда лет назад

Появляется кислород. Кстати, если бы не он, Земля бы попросту перегрелась. К этому времени мощность излучения Солнца увеличилась, и тепла на нашу планету стало поступать значительно больше. Чрезмерно концентрированная парниковая атмосфера из метана перестала быть полезной.

На помощь снова пришла жизнь. Примерно 2,5 миллиарда лет назад появились синезеленые водоросли – цианобактерии. Они расщепляли воду, запасали органические вещества и выделяли побочный продукт своей жизнедеятельности – кислород. Конечно, удивительно называть такой важный газ побочным продуктом, ведь с его появлением началась новая, кислородная эра Земли, но с биологической точки зрения это именно так.

После появления кислорода концентрация метана снизилась, и парниковый эффект уменьшился. Кислород стал постепенно накапливаться и обогащать собой атмосферу. В более высоких слоях под действием солнечного ультрафиолета начал образовываться озоновый слой. Конечно же, всё это не происходило в одночасье и заняло миллионы лет. И вот, спустя еще каких-то пару миллиардов этих самых лет мы видим привычную нам картину.

Наши дни

Земля – настоящий зеленый оазис, полный жизни. Трудно говорить о всей Вселенной, но то, что в Солнечной системе сейчас такая планета одна, – это точно. Атмосфера Земли насыщена кислородом и сбалансирована по составу. Для нас с вами он самый удачный и лучший из всех, что был и когда-либо будет. Более подробно о нем мы поговорим дальше.

То, что состав атмосферы не сразу был пригодным для жизни, – факт. Но почему лучше уже не будет? Дело в том, что перемены не закончились. Жизнь продолжает вмешиваться в состав атмосферного воздуха, и в наши дни один из самых главных влияющих на него факторов – это человек. Химическая промышленность, транспорт, фабрики и заводы медленно, но верно меняют состав воздуха.

Конечно, полностью оценить всю силу вмешательства и сделать окончательный вывод – к чему это привело, можно только по прошествии миллионов, а может, и миллиардов лет. Но процесс идет довольно быстро, изменения заметны уже сегодня. Прогнозы неутешительные и намекают нам, что, возможно, в будущем оценивать атмосферу будет попросту некому.

Воздух сегодня – это что-то привычное, некая константа, существующая повсюду. Но, если на секундочку задуматься, можно поразиться, ведь в создании «просто воздуха» приняли участие все: начиная с космоса и заканчивая живыми организмами. Вы только представьте, благодаря каким сложным процессам он появился! Мы столько тысячелетий им пользуемся, так, возможно, стоит сказать хоть раз спасибо? И осознать, как он хрупок и как легко всё испортить?

Глава 2
Как устроен воздух?
Строение и состав атмосферы

Слоеный пирог из воздуха

Давайте ближе познакомимся с атмосферой, которая существует сегодня. Теперь вы знаете, насколько сложным был процесс ее образования, и могли подумать, что самое грандиозное позади. Поверьте, поводов для удивления еще достаточно. И один из них – ее строение.

Атмосфера – это газовая оболочка Земли, которая удерживается за счет гравитации и вращается с планетой как единое целое. Нижней ее границей считается поверхность Земли, верхней нет: переход в космическое пространство происходит плавно. Международная авиационная федерация предложила считать границей атмосферы линию Кáрмана, которая располагается на высоте 100 км.

Атмосферу нельзя назвать однородной. Она больше похожа на слоеный пирог, чем на однородное желе. По мере отдаления от поверхности Земли ее свойства меняются. Давайте рассмотрим каждый слой этого «пирога» и узнáем, что он собой представляет. Начнем с уровня земли.

■ ТРОПОСФЕРА. В ней находится 80 % всей массы воздуха Земли и практически весь водяной пар. Верхняя граница тропосферы меняет высоту в зависимости от широты и сезона года. Так, она может достигать 10 км в полярных широтах и 18 км в тропических. Именно в этом слое «пирога» образуются дождь, ветер и почти все привычные нашему взгляду облака. Здесь летают пассажирские самолеты. Вы наверняка помните слова капитана: «Наш экипаж приветствует вас на борту, время полета составит столько-то часов, температура за бортом – минус 50 градусов». Почему так холодно? Дело в том, что в тропосфере нет источников тепла. Она нагревается от поверхности Земли, поэтому по мере удаления от нее, с увеличением высоты, температура воздуха понижается: примерно на 6 градусов каждый километр.

■ СТРАТОСФЕРА. Располагается над тропосферой, верхняя граница находится на высоте около 50 км. В стратосфере температура сначала, где-то до ее середины – отметки 25 км, снижается, а затем повышается и достигает значения порядка 0 ℃. Так происходит, потому что примерно в 25 км от поверхности Земли располагается озоновый слой – прослойка атмосферы, в которой содержится большое количество озона (О₃), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Поглощенная озоном энергия переходит в тепло, поэтому в озоновом слое температура увеличивается.

Высота расположения озонового слоя, так же как и всё в атмосфере, не имеет четких границ. Максимальная плотность озона регистрируется на высоте 15–20 км в полярных широтах и 25–30 км в тропических.

■ МЕЗОСФЕРА. Располагается в пределах 50–90 км от уровня земли. Температура мезосферы ниже, чем в стратосфере, и может достигать –90 ℃. Существует интересная закономерность: летом в мезосфере высоких широт (условное название приполярных областей земного шара, ограниченных примерно 60° северной и южной широты) намного холоднее, чем зимой. Поэтому в так называемые холодные летние месяцы в мезосфере конденсируются маленькие льдинки и образуют красивое атмосферное явление: серебристые облака. Их можно наблюдать на сумеречном небе в виде серебристо-синего свечения. Серебристые облака – завораживающее зрелище, очень советую взглянуть на них. В интернете можно найти множество фотографий, сделанных в Якутии, Швеции, Эстонии, Санкт-Петербурге и Ленинградской области и даже в Москве.

■ ТЕРМОСФЕРА. Ее верхняя граница проходит на высоте примерно 800 км. Воздух здесь очень разреженный, увеличивается содержание легких газов, таких как водород и гелий. Термосфера названа так неспроста, ведь именно в ней происходят различные реакции под воздействием космических лучей и солнечной радиации, а воздух резко разогревается от –90 до +1500 ℃. Благодаря этому мы видим потрясающе красивое свечение атомов газов, известное как полярное сияние.

■ ЭКЗОСФЕРА. Самый верхний слой атмосферы Земли. Лежит в границах от 800 до нескольких тысяч километров, плавно рассеивается и переходит в космическое пространство. Толщина экзосферы зависит от солнечной активности и увеличивается с ее усилением. Верхний, граничный слой экзосферы в основном состоит из атомов ионизированного водорода, который улетучивается в космическое пространство.

Атмосфера, которая существует сегодня, – слаженный механизм, играющий важную защитную роль для Земли. То, что она довольно «толстая» и состоит из такого большого числа слоев, – огромная удача для нас. Ежедневно в пространство планеты вторгаются тонны космических тел: метеоритов, осколков комет, астероидов и мусора. Подавляющее большинство из-за трения о воздух полностью сгорают. Даже если часть такого тела и достигает поверхности Земли, его масса составляет считаные проценты от первоначальной.

Атмосфера защищает Землю от космической радиации, от разрушающего ультрафиолетового излучения Солнца. Кроме того, она регулирует тепловой баланс планеты и обеспечивает дыхание живых существ. Без атмосферы Земля была бы другой: безжизненной. Вот такой парадокс: без жизни не было бы атмосферы, а без атмосферы не было бы жизни. Вы еще сомневаетесь, что воздух – это что-то особенное?

Состав атмосферного воздуха

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.

Связывание азота

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 молний¹. 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.

Применение азота как газа

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.

Вреден ли азот?

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.

Невеселое веселье

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.

Источники кислорода на Земле

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.

Где применяют кислород?

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.

Когда он работает против нас?

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.

Кто его «надышал»?

То, что углекислого газа в атмосфере немного и это к лучшему, – понятно. А откуда он вообще взялся? Ну, во-первых, его образует сама планета во время извержения вулканов или сгорания органических веществ. Живые организмы тоже производят СO₂: аэробы во время жизнедеятельности, бактерии в процессе брожения и перегнивания. Человек пополняет запасы ежедневно, причем не столько своим дыханием, сколько сжиганием топлива, выхлопными газами, производствами. Так масса и набирается.

Углекислая диета

Диоксид углерода – один из важнейших источников питания растений. Куст шиповника садится ужинать, достает вилку и нож… Шучу. Растения поступают иначе: берут из воздуха углекислый газ, из почвы – воду и с помощью энергии солнечного света перерабатывают это всё в глюкозу, из которой потом строят себя. Помимо глюкозы получается еще и кислород. Ничего не напоминает? Всё правильно, это фотосинтез. С его помощью растения лакомятся углекислым газом, вовлекают его в круговорот веществ и не дают накапливаться в атмосфере.

А для чего он нужен человеку?

Например, для того, чтобы тушить пожары. Если заполнить углекислым газом полыхающее помещение – пламя потухнет. Так происходит потому, что CO₂ не участвует в горении, зато отлично вытесняет кислород, который, как вы помните из прошлой главы, его поддерживает. Огромный плюс этого способа – скорость и возможность полной автоматизации систем пожаротушения, а также безопасность для материальных ценностей: ни вода, ни пена, ни порошок не повредят окружающие предметы. Недостаток же – опасность для человека, поэтому перед началом тушения необходимо срочно эвакуировать людей: иначе, когда кислород будет вытеснен, все оставшиеся в помещении задохнутся. Такое пожаротушение обычно применяют на производствах, в местах хранения горючих материалов и жидкостей. Но, конечно, это не единственный способ использовать углекислый газ.

Если охладить углекислый газ до –78,45 ℃, он станет твердым и превратится в лед. Но это не тот обычный лед, который бросают в стакан с напитком. Особенность углекислого газа в том, что при атмосферном давлении он не существует в жидком состоянии. Из газообразной формы CO₂ превращается в так называемый сухой лед, а из этого сухого льда обратно в газ. Процесс, когда вещество переходит из твердой формы в газообразную, минуя жидкую фазу, называется сублимацией или возгонкой.

Ну и куда же девать этот немокрый лед? В том-то и дело, что его удобно применять везде. Подумайте: если он растает – не будет луж, которые нужно убирать, и влага не испортит ничего ценного. Именно поэтому сухой лед используют при охлаждении продуктов, при их транспортировке и хранении.

Кстати, с помощью такого льда производят некоторые спецэффекты, например дым или туман на концертах. В специальный прибор кладут твердый диоксид углерода, где он тает, благодаря чему образуется плотный пар, который загадочно и мистически стелется по сцене. Однако использование сухого льда в больших количествах в закрытых помещениях может быть опасно для человека. Когда он переходит в газообразное состояние, образуется много углекислого газа, вытесняющего кислород. Чем больше сухого льда – тем больше CO₂ переходит в воздух. Если кислорода для дыхания станет недостаточно, зрители могут потерять сознание и погибнуть от удушья. Хочу вас предостеречь от подобной роковой ошибки и напомнить, что все манипуляции с сухим льдом необходимо проводить аккуратно и только на свежем воздухе или в хорошо проветриваемых помещениях.

А теперь давайте перейдем к вкусненькому. Вы наверняка любите газировку? Чтобы получились такие любимые всеми пузырьки, в жидкость необходимо ввести углекислый газ. Да, и здесь без него не обошлось! Основная цель газации – продлить срок хранения напитков, ведь CO₂ – это консервант, который подавляет жизнедеятельность микроорганизмов в продукте. Диоксид углерода, он же пищевая добавка Е290, предотвращает развитие бактерий и грибков, а также регулирует кислотность напитков, минеральной воды или, например, лимонадов.

Однако добиться колючих пузырьков и продлить срок хранения можно и естественным способом. Природная газация используется при изготовлении шампанского, пива и кваса. Эти напитки объединяет технология изготовления, при которой дрожжи потребляют сахар, вступают в реакцию брожения и выделяют углекислый газ. Процесс происходит в закрытом герметичном сосуде, поэтому напитки накапливают в себе CO₂ и газируются естественным путем. Так получаются те самые приятные пузырьки, что щекочут нос.

Управление погодой

«Управление погодой» – звучит, как фраза из фантастических фильмов про будущее. Но на самом деле это реальность, человек может управлять погодой уже сегодня. Вы знали, что перед парадом разгоняют облака? В праздничный день рано утром в небо отправляется разведка и определяет погоду. Если на город надвигаются тучи или плотные облака, им навстречу вылетают самолеты и под высоким давлением распыляют реагенты. Это необходимо для того, чтобы осадки выпали раньше и не дошли до места, где должна быть хорошая погода. В качестве реагентов выступает азот или углекислый газ – всё зависит от типа облаков. Жидкий азот применяют для высоких дождевых туч, а для нижнего слоя облаков – углекислый газ в виде сухого льда.

Зло углекислого газа

Я уже упоминала, что занимаюсь системами вентиляции, так что знаю этот газ не понаслышке. Мы, инженеры, называем его «вредностью», содержание которой в воздухе помещения необходимо контролировать. Дело снова в том, что при увеличении концентрации углекислого газа содержание кислорода уменьшается. Если содержание СО₂ в воздухе выше 6 %, начинается кислородная недостаточность, удушье, хочется спать, начинает болеть голова. При еще больших концентрациях может наступить обморок. Откуда набираются эти 6 % углекислого газа, ведь в атмосфере его в норме меньше половины процента? Газ выделяют люди, оргтехника. «Спертый» воздух влияет на самочувствие и работоспособность. Именно поэтому необходимо регулярно открывать окна в помещениях, чтобы воздух обновлялся. Если такой возможности нет, нужна приточно-вытяжная вентиляция, которая будет освежать воздух принудительно.

Избыточная концентрация углекислого газа вне помещений тоже не представляет собой ничего хорошего. Парниковый газ СО₂ – одна из причин глобального потепления, повышения средней климатической температуры Земли. Если с источниками в помещениях более-менее понятно, то что же увеличивает его концентрацию на всей планете целиком? Ну не офисные же сотрудники?

Большое количество диоксида углерода производится в результате деятельности человека: всевозможная промышленность, фабрики и заводы, сжигание нефти, природного газа и угля вносят свою долю в потепление. Уничтожение лесов и изменение ландшафта также наносят планете существенный урон. Не подумайте, я вас не запугиваю, просто хочу обратить внимание на то, что очень важно держать количество углекислого газа на Земле под контролем. Мы ведь не хотим превратить нашу планету в Венеру, правда?

Итак, подведем итоги: углекислого газа на планете немного, но этого количества вполне достаточно, чтобы сохранять тепло, и больше точно не надо. Растениям он необходим для того, чтобы жить и расти. CO₂ вытесняет кислород, поэтому, чтобы быть здоровым и бодрым, помещение необходимо чаще проветривать.

Глава 6
Другие газы

Вот мы и разобрали основных «воздушных титанов». Однако в состав атмосферы входят и другие, не менее интересные и важные газы, несмотря на то что их концентрация достаточно мала. К ним относятся инертные газы, водород и метан.

Инертные газы

Гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr) и ксенон (Xe). При нормальных условиях они не имеют ни цвета, ни запаха. Инертные газы практически не вступают в химические реакции, не поддерживают горение. Нетоксичные, однако при большом скоплении вытесняют кислород, поэтому могут оказать удушающее действие.

АРГОН – самый распространенный среди инертных газов. Его содержание в атмосфере – 0,93 % по объему и 1,29 % по массе. Сильная сторона этого газа – умение изолировать, поэтому аргон применяют в металлургии, чтобы защитить расплавленные металлы от окружающего воздуха. И в люминесцентных лампах, чтобы разогретый вольфрамовый электрод не перегревался, например. В пищевой промышленности аргон работает как упаковочный газ. А еще у него низкая теплопроводность, поэтому им заполняют стеклопакеты.

НЕОНА на Земле совсем немного, около одной тысячной процента. Его применяют в криогенных установках, так как температура кипения газа составляет –246,6 ℃. Электропроводность неона высока, и если через него пропустить ток, газ начинает светиться красным цветом. Выражение «неоновый свет» возникло именно из-за этого свойства. Неоном наполняют всевозможные лампы, рекламные вывески, сигнальное оборудование.

КСЕНОН и КРИПТОН так же используют для заполнения лампочек, вывесок и автомобильных фар. Кстати, эти инертные газы обладают наркотическим действием. Неужели дворовые хулиганы читали химический справочник и поэтому бьют фары припаркованных во дворе автомобилей? Думаю, что вряд ли, скорее всего, это чистое хулиганство.

Из ГЕЛИЯ можно получить самую холодную жидкость при земном атмосферном давлении, температура кипения которой составляет –268,9 ℃. Именно поэтому его используют в криогенной технике и для достижения сверхпроводимости. Однако серьезный гелий может быть и забавным, если его вдохнуть. Дело в том, что плотность гелия значительно меньше плотности воздуха. Газ заставляет голосовые связки колебаться с более высокой частотой, поэтому после вдыхания вы услышите смешной писклявый голос. Вы наверняка видели, как клоуны вдыхают газ из шарика, чтобы рассмешить зрителей. Но хочу сразу предупредить, что вдыхание чистого гелия опасно и лучше этим не увлекаться: можно устроить себе кислородное голодание, потерю сознания, удушье и даже смерть.

Водород

Газа водорода на Земле ничтожно мало. В основном этот элемент находится на планете в виде химических соединений. С некоторыми из них мы знакомы вплотную, соприкасаемся каждый день и даже употребляем внутрь. Всё верно, я о воде. Состав незаменимой жидкости – два атома водорода и один атом кислорода. Кстати, распространенное вещество из домашней аптечки – перекись водорода – тоже результат взаимодействия водорода и кислорода (его формула H₂O₂). Но рассмотрим водород как двухатомный газ H₂.

Его, так же как и гелий, можно назвать рекордсменом. Это самый легкий газ, а при охлаждении – самая легкая жидкость на планете. Водород обладает поистине взрывным характером: в смеси с кислородом он становится взрывоопасной субстанцией, которую применяют в качестве ракетного топлива. Например, в космических кораблях серии «Спейс Шаттл», вы ведь помните?

Водород – важнейшее сырье для химической индустрии. Его используют для производства аммиака и метанола, в нефтепереработке и металлургии. H₂ на Земле в чистом виде просто так не раздобудешь, поэтому его приходится производить промышленным путем, а это довольно затратное и грязное производство.

Самый «чистый» и, как следствие, дорогой водород – полученный при помощи электролиза воды. Электролиз – это химическая реакция, при которой вода под воздействием электрического тока распадается на кислород и водород.

Самый популярный и дешевый, однако неэкологичный способ получить водород – паровой риформинг, или паровая конверсия. Так называют химическую реакцию, которая основывается на взаимодействии углеводородов и водяного пара. В качестве сырья выступают метан, природный газ, бензин, керосин и уголь. Большой потенциал имеют безопасные технологии получения водорода из мусора, бытовых отходов и биомасс, поэтому современная водородная промышленность активно развивается и в этом направлении.

Водород в наши дни – важный промышленный газ. Однако у него есть все шансы стать еще и топливом будущего. Уже сейчас на рынке представлены автомобили и автобусы, которые используют H₂ в качестве горючего. Вместо двигателя внутреннего сгорания в них находится топливный элемент, где протекает химическая реакция, в результате которой образуется вода и электрический ток. Благодаря этому транспорт совсем не производит выхлопных газов, а всё, что выделяется в атмосферу, – это лишь водяной пар и теплый воздух. Несмотря на эти преимущества водородные автомобили пока – настоящая редкость. Тормозит активное внедрение такого транспорта высокая стоимость технологий.

Метан

Известен любому, кто хоть раз готовил на газовой плите: он входит в состав природного газа и отлично горит. Метан также применяют в качестве топлива для транспорта и в химической промышленности, в том числе для получения водорода. Он не имеет цвета и запаха, нетоксичен, но взрывоопасен и при большом скоплении вытесняет кислород, поэтому с ним необходимо обращаться очень аккуратно.

Если метан не пахнет, то откуда взялся так хорошо известный «запах газа», при котором необходимо немедленно вызывать газовую службу? Для пахучести добавляют специальные газовые маркеры, которые называются одорантами. Одоранты обладают едким неприятным запахом, который и помогает отследить утечку газа. В маленькой концентрации они не опасны, однако в больших количествах токсичны и ядовиты. Чаще всего в качестве одорантов применяют этилмеркаптан, который пахнет несвежими яйцами, метилмеркаптан с запахом гнилой капусты, а также пропилмеркаптан с отчетливыми нотками тухлятины.

Метан тоже парниковый газ. Чтобы не навредить климату Земли и остановить глобальное потепление, его выбросы необходимо контролировать. На Земле метан содержится в почве, болотах, рисовых полях, водоемах, шахтах. Кроме того, его выделяют мусорные свалки, производства и промышленность. Некоторое количество метана имеет биологическое происхождение, его вырабатывает крупный рогатый скот, особенно коровы. Дело в том, что животные едят много травы. Переварить такой объем грубой пищи помогают специальные бактерии, которые живут в их желудках. Побочный эффект этого процесса – метеоризм, сопровождающийся переходом довольно приличного количества метана в атмосферу.

Чтобы вы представили количество газа, выходящего из коровы, вам следует узнать, что ее желудок состоит из четырех отделов. Первый отдел – рубец, где и живут пресловутые бактерии. У взрослой особи он может достигать 100–200 л. Второй отдел – сетка: 4–10 л. Далее идет «книжка» объемом 10–20 л. Четвертый отдел – сычуг размером 5–15 л. Это же сколько травы оказывается внутри и как сильно может пучить бедную корову! Животное отрыгивает и выпускает из-под хвоста 30–50 л кишечных газов в час. Вы не поверите, но исследователи и фермеры придумывают специальные диеты. Благодаря особому рациону вполне реально добиться легкости в коровьем животе.

Это, безусловно, забавный факт. Но давайте не будем сваливать общепланетарную метановую проблему на пищеварительную систему животных. Они действительно источают этот газ, однако вклад их не самый весомый. И раз уж речь зашла о необычных местах, где можно раздобыть метан, расскажу вам еще об одном.

Метан в Арктике

Под дном Арктики находятся залежи метангидратов – соединений метана с водой. По сути, это обычный лед, в который вкраплены молекулы CH₄. Для их существования необходимо высокое давление и низкая температура, поэтому арктическое дно – идеальное место расположения. При нагревании метангидрат тает, метан растворяется в воде, поднимается в ее толще, достигает атмосферы и переходит в воздух. Этого не происходит летом, так как теплый и легкий поверхностный слой воды не пускает холодные глубинные течения, насыщенные метаном, наверх. А вот осенью и зимой, когда поверхностный слой остывает, море эффективно перемешивается, что приводит к интенсивному выбросу газа в атмосферу. Скопление метана в Арктике крайне нежелательно, так как он удерживает тепло. Возможно, на экваторе это было бы не критично, но в полярных широтах повышение температуры даже на десятую градуса чревато активным таянием льдов – опаснейшим последствием глобального потепления.

Вот вы и узнали обо всех составляющих воздуха. Если в его составе учитываются только эти газы, он называется «сухим». Проблема в том, что такого воздуха не существует в природе. Каждый день мы с вами сталкиваемся с абсолютно другим – «влажным воздухом». Что это значит и кто его намочил? Об этом в следующей главе.

Глава 7
Влажность воздуха
Почему нельзя сушить белье в квартире?

Думаете, если в луже или стакане на первый взгляд ничего не происходит, то вода там совершенно спокойна? Вы ошибаетесь. Молекулы жидкости крайне непоседливы. Они хаотично движутся и активно перемещаются. Некоторые из них отрываются от водной поверхности и переходят в атмосферу, а затем поднимаются вверх с потоками воздуха и насыщают его влагой. Вода непрерывно испаряется с поверхности Земли и водоемов, с тел животных и человека, и совсем чуть-чуть – с ваших носков, которые сохнут на балконе. Только представьте, что каждую минуту улетучивается один миллиард тонн влаги.

Содержание воды в атмосфере определяет погоду и климат. С ней связаны потрясающе красивые природные явления. Давайте перечислим их и еще раз полюбуемся, хотя бы мысленно.

Облака и тучи формируются из мельчайших частиц воды. Они настолько маленькие, что в буквальном смысле парят в атмосфере, то есть падают на землю очень медленно. Когда они скапливаются в одном месте, образуются пушистые барашки, которые мы называем облаками или тучами.

ДОЖДЬ И ДРУГИЕ ОСАДКИ. В облаках постоянно циркулируют потоки воздуха. Из-за активного движения частицы влаги сталкиваются между собой и слипаются в большие капли. Те, в свою очередь, уже не могут свободно парить и обрушиваются вниз в виде осадков. Если частицы влаги из облаков притягиваются к гранулам пыли и замерзают – выпадает снег или град.

ТУМАН – это скопление частиц водяного пара. По сути, то же самое облако, просто у поверхности Земли.

РОСА – капли влаги, которые конденсируются из воздуха на охлажденных предметах.

Благодаря частицам воды в атмосфере мы иногда видим яркий оптический эффект – радугу. В основе радуги лежит физическое явление, дисперсия – исходящий от Солнца белый свет при отражении и преломлении в каплях воды раскладывается в спектр.

Влажность влияет не только на природные явления, но и на живые организмы. От нее зависит самочувствие практически всех существ на Земле, в том числе и человека. И если на улице ее отрегулировать невозможно, то внутри помещений она находится полностью в нашей власти. Так как человек большую часть своей жизни проводит в закрытых пространствах, советую начать отслеживать значение влажности при помощи специального прибора – гигрометра. Многие современные комнатные термометры им оснащены, поэтому показывают не только температуру, но и уровень влажности. Комфортное для организма значение находится в диапазоне от 40 до 60 %. Придерживайтесь его, если хотите быть здоровыми и хорошо себя чувствовать.

Стоит отметить, что влажность бывает абсолютная и относительная. Абсолютная влажность – это количество граммов влаги в одном кубическом метре воздуха. Если же уровень влажности приводится в процентах (как в этой главе), значит, речь идет об относительной влажности. Относительная влажность – это отношение абсолютной влажности при определенной температуре к влагоемкости (максимально возможной влажности) при этой же температуре. Именно об относительной влажности говорят в прогнозах погоды, и за ней имеет смысл следить.