Что тяжелее со2 или кислород
Углекислый газ легче или же тяжелее воздуха? Характеристика газа
Содержание:
Углекислый газ, или диоксид углерода, или оксид углерода (IV) СО2 – бесцветный газ с кисловатым запахом и вкусом. Замороженный углекислый газ – «сухой лед», который используется для создания густой пелены тумана в эффектных шоу и при транспортировке продуктов. Углекислый газ не горит, поэтому применяется при тушении пожаров.
Характеристика углекислого газа
Углекислый газ участвует в обменных процессах клетки. Он образуется при окислительных реакциях животных и высвобождается при дыхании. Углекислый газ – главный источник углерода для растительных организмов. Растения при фотосинтезе поглощают диоксид углерода и выделяют кислород, которым дышат животные и человек. Существует ошибочное мнение, что растения выделяют только кислород. Но на самом деле они при отсутствии света выделяют небольшой процент углекислого газа.
Диоксид углерода не токсичен, но при высоких концентрациях приводит к удушьям. Но также он участвует в регуляции сосудистого тонуса. В промышленности углекислый газ применятся как консервант, и на упаковках обозначается как Е290.
Углекислый газ легче или тяжелее воздуха
Диоксид углерода состоит только из двух элементов – углерода и кислорода. Молекулярная масса углекислого газа:
Mr (CO2) = Ar (C) + 2 Ar (O) = 12 + 2 * 16 = 44
Таким образом, молекулярная масса воздуха ниже, чем углекислого газа. Это указывает на то, что воздух легче углекислого газа.
Какой газ тяжелее воздуха
Хлор тяжелее воздуха.
Mr (Cl2) = 2 * 35,5 = 71
Какой газ легче воздуха
Гелий также легче воздуха.
Диоксид углерода иногда оседает в нижних слоях атмосферы из-за того, что углекислый газ тяжелее воздуха. Существует эффект «собачьей пещеры», при котором диоксид углерод оседает на высоте полутора метров от поверхности земли. Взрослый человек не почувствует избыток углекислого газа в воздухе, а собаки из-за своего небольшого роста оказываются в слое диоксида углерода и, таким образом, отравляются.
Что такое CO2
Что такое CO2
Что такое диоксид углерода
Диоксид углерода известен в основном в своем газообразном состоянии, т.е. в качестве углекислого газа с простой химической формулой CO2. В таком виде он существует в нормальных условиях – при атмосферном давлении и «обычных» температурах. Но при повышенном давлении, свыше 5 850 кПа (таково, например, давление на морской глубине около 600 м), этот газ превращается в жидкость. А при сильном охлаждении (минус 78,5°С) он кристаллизуется и становится так называемым сухим льдом, который широко используется в торговле для хранения замороженных продуктов в рефрижераторах.
Жидкая углекислота и сухой лед получаются и применяются в человеческой деятельности, но эти формы неустойчивы и легко распадаются.
А вот газообразный диоксид углерода распространен повсюду: он выделяется в процессе дыхания животных и растений и является важной составляющей частью химического состава атмосферы и океана.
Свойства углекислого газа
Углекислый газ CO2 не имеет цвета и запаха. В обычных условиях он не имеет и вкуса. Однако при вдыхании высоких концентраций диоксида углерода можно почувствовать во рту кисловатый привкус, вызванный тем, что углекислый газ растворяется на слизистых и в слюне, образуя слабый раствор угольной кислоты.
Кстати, именно способность диоксида углерода растворяться в воде используется для изготовления газированных вод. Пузырьки лимонада – тот самый углекислый газ. Первый аппарат для насыщения воды CO2 был изобретен еще в 1770 г., а уже в 1783 г. предприимчивый швейцарец Якоб Швепп начал промышленное производство газировки (торговая марка Schweppes существует до сих пор).
Углекислый газ тяжелее воздуха в 1,5 раза, поэтому имеет тенденцию «оседать» в его нижних слоях, если помещение плохо вентилируется. Известен эффект «собачьей пещеры», где CO2 выделяется прямо из земли и накапливается на высоте около полуметра. Взрослый человек, попадая в такую пещеру, на высоте своего роста не ощущает избытка углекислого газа, а вот собаки оказываются прямо в густом слое диоксида углерода и подвергаются отравлению.
CO2 не поддерживает горение, поэтому его используют в огнетушителях и системах пожаротушения. Фокус с тушением горящей свечки содержимым якобы пустого стакана (а на самом деле — углекислым газом) основан именно на этом свойстве диоксида углерода.
Углекислый газ в природе: естественные источники
Углекислый газ в природе образуется из различных источников:
Углекислый газ «хранится» в природе в виде углеродных соединений в полезных ископаемых: угле, нефти, торфе, известняке. Гигантские запасы CO2 содержатся в растворенном виде в мировом океане.
Выброс углекислого газа из открытого водоема может привести к лимнологической катастрофе, как это случалось, например, в 1984 и 1986 гг. в озерах Манун и Ньос в Камеруне. Оба озера образовались на месте вулканических кратеров – ныне они потухли, однако в глубине вулканическая магма все еще выделяет углекислый газ, который поднимается к водам озер и растворяется в них. В результате ряда климатических и геологических процессов концентрация углекислоты в водах превысила критическое значение. В атмосферу было выброшено огромное количество углекислого газа, который наподобие лавины спустился по горным склонам. Жертвами лимнологических катастроф на камерунских озерах стали около 1 800 человек.
Искусственные источники углекислого газа
Основными антропогенными источниками диоксида углерода являются:
Несмотря на то, что доля экологичного транспорта в мире растет, подавляющая часть населения планеты еще не скоро будет иметь возможность (или желание) перейти на новые автомобили.
Активное сведение лесов в промышленных целях также ведет к повышению концентрации углекислого газа СО2 в воздухе.
Углекислый газ в организме человека
CO2 – один из конечных продуктов метаболизма (расщепления глюкозы и жиров). Он выделяется в тканях и переносится при помощи гемоглобина к легким, через которые выдыхается. В выдыхаемом человеком воздухе около 4,5% диоксида углерода (45 000 ppm) – в 60-110 раз больше, чем во вдыхаемом.
Углекислый газ играет большую роль в регуляции кровоснабжения и дыхания. Повышение уровня CO2 в крови приводит к тому, что капилляры расширяются, пропуская большее количество крови, которое доставляет к тканям кислород и выводит углекислоту.
Дыхательная система тоже стимулируется повышением содержания углекислого газа, а не нехваткой кислорода, как может показаться. В действительности нехватка кислорода долго не ощущается организмом и вполне возможна ситуация, когда в разреженном воздухе человек потеряет сознание раньше, чем почувствует нехватку воздуха. Стимулирующее свойство CO2 используется в аппаратах искусственного дыхания: там углекислый газ подмешивается к кислороду, чтобы «запустить» дыхательную систему.
Углекислый газ и мы: чем опасен СO2
Углекислый газ необходим человеческому организму так же, как кислород. Но так же, как с кислородом, переизбыток углекислого газа вредит нашему самочувствию.
Большая концентрация CO2 в воздухе приводит к интоксикации организма и вызывает состояние гиперкапнии. При гиперкапнии человек испытывает трудности с дыханием, тошноту, головную боль и может даже потерять сознание. Если содержание углекислого газа не снижается, то далее наступает черед гипоксии – кислородного голодания. Дело в том, что и углекислый газ, и кислород перемещаются по организму на одном и том же «транспорте» – гемоглобине. В норме они «путешествуют» вместе, прикрепляясь к разным местам молекулы гемоглобина. Однако повышенная концентрация углекислого газа в крови понижает способность кислорода связываться с гемоглобином. Количество кислорода в крови уменьшается и наступает гипоксия.
Такие нездоровые для организма последствия наступают при вдыхании воздуха с содержанием CO2 больше 5 000 ppm (таким может быть воздух в шахтах, например). Справедливости ради, в обычной жизни мы практически не сталкиваемся с таким воздухом. Однако и намного меньшая концентрация диоксида углерода отражается на здоровье не лучшим образом.
Согласно выводам некоторых исследований, уже 1 000 ppm CO2 вызывает у половины испытуемых утомление и головную боль. Духоту и дискомфорт многие люди начинают ощущать еще раньше. При дальнейшем повышении концентрации углекислого газа до 1 500 – 2 500 ppm критически снижается работоспособность, мозг «ленится» проявлять инициативу, обрабатывать информацию и принимать решения.
И если уровень 5 000 ppm почти невозможен в повседневной жизни, то 1 000 и даже 2 500 ppm легко могут быть частью реальности современного человека. Наш эксперимент в школе показал, что в редко проветриваемых школьных классах уровень CO2 значительную часть времени держится на отметке выше 1 500 ppm, а иногда подскакивает выше 2 000 ppm. Есть все основания предполагать, что во многих офисах и даже квартирах ситуация похожая.
Безопасным для самочувствия человека уровнем углекислого газа физиологи считают 800 ppm.
Еще одно исследование обнаружило связь между уровнем CO2 и окислительным стрессом: чем выше уровень диоксида углерода, тем больше мы страдаем от окислительного стресса, который разрушает клетки нашего организма.
Углекислый газ в доме. Найдена первопричина головной боли, недосыпания, ринитов и аллергии
Перед жителями городских квартир довольно часто встает проблема духоты в помещении. Горячие радиаторы центрального отопления прекрасно обогревают жилые сооружения в зимний период времени, но с наступлением весны в доме становится очень душно. Можно открыть окна, но облегчение наступает ненадолго. К тому же, если жилой дом находится на близком расстоянии от дороги, в квартиру начинают врываться шумы с улицы и опасные для здоровья газы и примеси, в т.ч. известный всем углекислый газ.
Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50 лет постоянно растет, особенно в крупных городах, за счет выхлопов автомобилей и промышленных выбросов. Уровень углекислого газа в атмосфере Земли на 2013 год составил
Согласно рейтингу:
Топ-60 «Самые экологически грязные города России на 2013 год»,
Екатеринбург занимает 14-ое место.
из них 83,9 % приходится на автомобили.
Лучше всего дышится на природе. В чистом загородном воздухе
360-400 ррm (0,036-0,04%) углекислого газа. Эта концентрация оптимальна для дыхания человека. Человек является основным источником углекислого газа в помещении, поскольку мы выдыхаем от 18 до 25 л/час этого газа. В виду чего повышенное содержание уровня СО2 может наблюдаться во всех помещениях, где находятся люди: в детских садах, школах, институтах, офисах и конечно же дома: в спальнях и детских комнатах.
То, что нам не хватает кислорода в душном помещении – это миф!
Отныне уже доказано, что вопреки существующему стереотипу, головная боль, слабость, бессонница, респираторные заболевания, аллергии у человека возникают в помещении не от недостатка кислорода, а именно от избытка углекислого газа!
Вопросы относительно духоты волнуют многих. Вот, например, что пишут на форумах некоторых сайтов:
— Почему в квартире может быть душно? Окна везде открыты. Может это из-за большого количества ковров? Сквозняк вроде, а все равно душно. Квартира угловая. Невозможно из-за этого там жить.
— В однокомнатной квартире очень душно, сухо. Маленький ребенок постоянно болеет. Что делать?
Тут же на форумах мы встречаем следующие рекомендации:
— А просто проветривать не пробовали? Ребёнок постоянно в застоявшемся воздухе. Вы не думаете, что он болеет из-за этого?
— Оставляйте щелевое проветривание на кухне и открытыми двери на кухню и в комнату.
— Почитайте про вентиляционный клапан в стену. Ставьте КИВ.
— Закройте батареи одеялами или сделайте их регулируемыми.
— Купите «парогенератор» (точнее увлажнитель воздуха), с ним дышать легче.
— Можно установить современные деревянные окна, но они дороже.
— Можно принудительно увеличить объем вентиляции, поставив вентилятор на вытяжку.
— Может вентиляция забилась, или соседи сделали перепланировку?
— Установите приточно-вытяжную вентиляцию. Работает как на приток, так и на вытяжку. Зимой подает теплый воздух без затрат на подогрев.
Как видим, роль вентиляции в нынешних условиях оказалась огромной, и, к сожалению, пока еще недооцененной.
Вообще, «наш» человек, зачастую, не осведомлен о принципах работы коммуникаций многоквартирного жилища, и нередко с халатностью относится к ним. Въезжаем в уже построенный дом – разве нам кто-то объясняет, что и как в нем должно функционировать? Газ, свет, вода работает – и ладно.
Вентиляция в наших домах называется естественной, и происходит под действием термической тяги (как в печной трубе). Эффективно работает она только в отопительный сезон, когда за окном температура воздуха ниже +5 ºC. В чем ее принцип? Прохладный свежий воздух засасывается в теплую квартиру, согревается, загрязняется и через вентиляционные решетки, которые есть в каждой квартире в кухне и санузле, попадает в вентиляционные шахты (вместе с запахами, влажностью и углекислым газом), откуда выходит на улицу. Практически во всех жилых домах воздухообмен происходит таким образом. Откуда должен поступать к нам свежий приточный воздух? Из открытых окон, форточек, а если окна закрыты, то он проникает через щели в рамах. «В СНИПах всегда нормировалась кубатура по вытяжке, и всегда стояли прочерки по притоку воздуха, потому что это были непредсказуемые цифры. Представьте себе мелкие щели, распределенные по периметру окна. В старых сталинских домах, если все эти щели старой «столярки» собрать в одно место, мы получим постоянную дыру размером 200 кв.см. А учитывая, что отверстие примерно в 1 кв.см при термической тяге 10 Па обеспечивает приток 1 куб.м/час, то это 200 куб.м/час свежего воздуха (при нормативах 40-60 куб.м/чел*час )». Таким образом, старые деревянные окна обеспечивали постоянный и достаточный приток воздуха.
Закрытые герметичные окна нарушают движение воздуха в наших домах. Свежему воздуху просто неоткуда проникнуть внутрь – это приводит к отсутствию тяги, и загрязненный воздух не может выйти из помещения. В доме повышается влажность, накапливается углекислый газ, появляется плесень. Фенол, формальдегид, аммиак, ацетальдегид и им подобные вещества – примеры химических загрязнений в квартире. Выделяют эту «вредность» элементы мебели, отделки, лакокрасочные покрытия, пыль, которая накапливается внутри помещения. Так же по квартире «летают» споры плесени, микроскопические клещи. Их высокая концентрация приводит к аллергии, заболеваниям дыхательных путей.
Избавиться от всей этой «нечисти» возможно только при постоянном обновлении воздуха – вентиляции.
Современный человек почти 90% времени находится в помещении, где воздействие загрязненного воздуха особенно сильно. Иммунная система на 80% загружена борьбой с негативными последствиями вдыхания грязного воздуха. Ведь когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи.
В норме кислотность (рН) крови человека равна примерно 7,4.
Наш организм настроен на эту цифру, она необходима для работы всех ферментных и биологических систем организма. Логично предположить, что даже небольшие постоянные изменения кислотности крови могут оказывать очень сильное воздействие на живое существо.
Основными симптомами при ацидозе являются: кратковременная тошнота, рвота, общее недомогание, усиление сердцебиения, одышка, сердечные аритмии, повышение кровяного давления, расстройство функций центральной нервной системы (сонливость, спутанность сознания, головокружение, потеря сознания, заторможенность), шоковые состояния. Следует отметить, что при легких формах ацидоза симптомы могут не проявляться вовсе.
Как организм управляет уровнем кислотности?
При длительных отклонениях от равновесия в кислую сторону, скелет, как депо кальция и магния, может быть привлечен к компенсаторным процессам, т.к. поддержание кислотно-щелочного равновесия в организме с участием скелета высокопроизводительно. Организм не допускает выхода pH крови за заданные пределы. Но достигается это дорогой ценой. В жертву приносится скелет: в целях ощелачивания, вымываются из костей щелочные буферы – кальций и магний.
По данным последних мировых научных исследований:
1) Кости сначала теряют магний, затем кальций. Отсюда ускоренное развитие остеопороза.
2) Разрушаются мышцы. Хроническая слабость и боли в мышцах отмечаются уже в молодом возрасте.
3) Слабость костей и мышц ведет к деградации суставов.
4) Кислая реакция мочи создает идеальные условия для образования камней в почках. Это принимает характер эпидемии. Хроническое нарушение работы почек вызывает развитие воспалительных заболеваний и почечной недостаточности.
5) Кислая реакция слюны разрушает зубы и способствует развитию стоматитов.
6) Хроническое закисление может вызывать головные боли, тревожность, бессонницу, задержку жидкости в организме.
При избыточном кислотном рационе питания большое количество магния, кальция, калия и других нейтрализующих кислоты элементов постоянно истощается, изымается из тканей, и они должны быть обязательно восполнены, иначе очень скоро последуют симптомы болезней.
По оценкам экологов, домашний воздух в 4-6 раз «грязнее» и в 8-10 раз токсичнее наружного.
Жители крупного мегаполиса подвергаются негативному влиянию повышенного уровня углекислого газа круглосуточно. Сначала в переполненном общественном транспорте и в собственных автомобилях, которые подолгу стоят в пробках. Затем на работе, где часто бывает душно и нечем дышать.
Так же очень важно поддерживать хорошее качество воздуха и в собственном доме, особенно в спальне, там мы проводим треть своей жизни. Для того, чтобы хорошо выспаться, гораздо важнее чистый воздух, чем продолжительность сна, а уровень СО2 в спальнях и детских комнатах должен быть ниже 600 ppm. Высокий уровень СО2 в этих помещениях может стать причиной таких симптомов, как заложенность носа, раздражение горла и глаз, головной боли и бессонницы.
Финские ученые нашли способ решения этой проблемы, исходя из аксиомы, что если в природе уровень углекислого газа составляет 350-400 ppm, то и в помещениях он должен быть приближен к этому уровню.
*Все указанные в таблице уровни вполне нормальны и допустимы время от времени.
Для того, чтобы понять в каких пределах находится концентрация СО2, мы произвели следующие замеры:
на улице в доме без вентиляции
В городской квартире без вентиляции:
утром в спальне начало проветривания окончание проветривания
В офисе с вентиляцией:
У тех, кто заботится о своём здоровье и здоровье своих близких, наверняка, после прочтения этой статьи возникнет желание проверить концентрацию СО2 в квартире или офисе. Теперь при заказе в компании Интелл Хаус вентиляционного оборудования, наши сотрудники дополнительно произведут замеры СО2 до и после монтажа вентиляции, совершенно бесплатно!
Наши решения для вентиляции в квартире:
Дышите на здоровье!
В данной статье речь пойдет о воздействии на человека кислорода и углекислого газа — по отдельности и вместе. Некоторую настоящую интригу придает взгляд на проблему как извне — со стороны вдыхаемого воздуха, так и изнутри — внутри самого организма. Или, более научно, как со стороны внешнего дыхания — обмена между атмосферой и клетками в легких, так и внутреннего дыхания — процессы в клетках и тканях организма.
Среднее значение давления земной атмосферы на уровне моря примерно равно pатм = 760 мм рт. ст. На долю кислорода приходится 160 мм рт. ст. или приблизительно 21%. Кислород частично усваивается организмом, углекислый газ образуется в результате химических реакций окисления. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха приведен в таблице.
Таблица 1. Состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха
Чем интересны эти цифры? Азот и аргон не используются организмом человека (являются инертными). Степень усвоения кислорода невелика, около 0,25. После вдоха организм выдыхает обратно основную часть кислорода. Углекислый газ практически отсутствует во вдыхаемом воздухе и активно образуется при окислительных реакциях в организме. Процент поглощения организмом кислорода (21% − 16% = 5%) оказывается близким к проценту образования углекислого газа (4%).
Инертность азота и аргона при обменных процессах в организме привела к соблазну вообще отказаться от них в условиях длительного пребывания в замкнутом пространстве. По этому пути пошли американские астронавты в первых космических полетах, перейдя на дыхание чистым кислородом. При этом давление в случае использования только O2 было существенно ниже атмосферного и составляло 260–280 мм рт. ст. Однако по мере увеличения длительности космических полетов в такой чисто кислородной атмосфере у астронавтов стали появляться проблемы с дыхательными путями. К тому же, чисто кислородная атмосфера пожароопасна. Российские космонавты с самого начала использовали состав воздуха, близкий к земному, что потребовало более сложной системы регенерации воздуха. В настоящее время при полетах в космосе и в плавании на подводных лодках используется земной состав атмосферы.
Взгляд снаружи
Диапазон концентрации кислорода в воздухе, пригодный для жизни. Диапазон содержания кислорода в воздухе \( p_<\text
90–100 мм рт. ст. Рис. 1. Зависимость атмосферного давления и парциального давления кислорода (мм рт. ст.) от высоты местности над уровнем моря (метры). Показаны высоты альпинистских лагерей, гор Кавказа, Эльбруса и Эвереста
Видно, что начиная с высот 4,5–5 км давление кислорода становится ниже допустимой нижней границы давления в 90 мм рт. ст. При этом давление воздуха в альвеолах составляет 105–110 мм рт. ст., что также близко к нижней границе. По мере уменьшения давления кислорода до уровня 100 мм рт. ст. замедляются обменные процессы в организме, дыхание и сердцебиение учащаются, ухудшаются зрение и работа мозга. Вот почему высоко в горах люди постоянно жить не могут. В то же время вблизи верхней границы давления кислород начинает раздражать верхние дыхательные пути, появляется сухость в горле, кашель.
Во всех указанных случаях (если нет паники) время развития кислородной недостаточности очень велико. Однако, такой вывод находится в противоречии с житейским опытом: в метро и застрявшем лифте бывает душно и даже после сна в комнате с закрытой форточкой наутро ощущается духота. По всей видимости, имеет место другой, более мощный механизм развития неблагоприятных ощущений в процессе дыхания при нахождении в замкнутом объеме, не связанный с потерей кислорода из воздуха. Оказывается, таким механизмом является накопление углекислого газа.
Концентрация углекислого газа в воздухе, пригодная для жизни. Диапазон допустимого содержания CO2 в воздухе составляет
Это уже ближе к житейским ощущениям и оправдывает присутствие вентиляции на потолке лифтов, необходимость проветривания комнат в домах, в школьных классах после каждого урока, а также наличие системы вентиляции в метро.
Таким образом, именно накопление углекислого газа в замкнутых помещениях в первую очередь действует угнетающе на человека. В чем это проявляется?
В литературе отмечается два типа воздействия: кратковременное (часы) и длительное (регулярно, более нескольких часов в день). Симптомы при кратковременном воздействии при уровне вдыхаемого углекислого газа выше 0,1% — это усталость, головная боль, ухудшение концентрации внимания, плохой сон. При длительном воздействии при уровне CO2 выше 0,1% появляются проблемы с дыхательной системой (сухой кашель, риниты. ), снижение иммунитета, ухудшение работы сердечно-сосудистой системы. При уровне выше 0,2% еще больше ухудшается концентрация внимания, растет количество совершаемых ошибок и т.д. по нарастающей. Возможно, требуется более жесткое ограничение на допустимый уровень CO2 во вдыхаемом воздухе — порядка 0,06–0,08%. Это еще сильнее ограничит длительность нахождения в помещениях без вентиляции.
Еще одна проблема помещений без вентиляции — возможность расслоения воздуха на фракции. Поскольку углекислый газ в полтора раза тяжелее воздуха, он может опуститься ближе к полу и его концентрация там увеличится. Но процесс этот медленный, и любое движение воздуха перемешивает фракции.
Наконец, использование растений, казалось бы, должно помочь — ведь они выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Однако, это происходит только днем, а вечером и ночью (когда свежий воздух особенно нужен) растения выделяют углекислый газ, усугубляя проблему с его накоплением.
Этих данных достаточно, чтобы снова провести оценки времени накопления предельной концентрации угарного газа для людей в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для этого перейдем от объема к массе образовывающегося угарного газа, воспользовавшись известным соотношением: один моль любого газа при нормальных условиях занимает объем 22,4 л. Для СО молярная масса равна 28 г, поэтому 1 мл СО имеет массу 1,25 мг, а значит, 1,6 мл/ч выдыхаемого СО одним человеком соответствует появлению в воздухе 2 мг/ч угарного газа.
В таблице 2 приведены значения времени накопления CO2 и СО до опасной концентрации, а также времени развития кислородной недостаточности в лифте, комнате, вагоне метро и школьном классе. Для детей принята половинная величина выдыхаемого СО и CO2.
Таблица 2. Сопоставление времени снижения концентрации O2, накопления СО и CO2
Видно, что накопление углекислого газа примерно на порядок опаснее накопления угарного газа и еще на порядок опаснее снижения концентрации кислорода.
Мощность систем вентиляции. Как оценить мощность систем вентиляции qвент, необходимую для поддержания нормального состава воздуха? Если отвлечься от переходных процессов установления и выравнивания потоков воздуха, то конечный результат выглядит очень просто:
Много это или мало? Как обеспечить такой приток свежего воздуха? Например, если приоткрыть дверь, то через каждый квадратный сантиметр щели при перепаде давлений по обе стороны двери Δp = 10 Па проходит в час один кубометр воздуха. Это означает, что при указанном Δp через сантиметровую щель в двери высотой два метра проходит 200 м 3 воздуха за час. Отметим, что принятый уровень перепада давлений 10 Па довольно мал (это 10 −4 от атмосферного) и вполне может быть достигнут. Еще более мощный эффект вентиляции оказывает проветривание при открытии окон и дверей в течение хотя бы нескольких минут.
В качестве примера рассмотрим ситуацию с кислородом и углекислым газом при спасении детей в пещере Таиланда, частично затопленной водой. В 2018 году весь мир следил за спасением футбольной команды из 12 школьников и их тренера, ушедших на экскурсию в пещеру Кхао Луанг и застрявших в ней на 18 дней (23 июня — 10 июля) из-за дождей, затопивших вход в пещеру. Они укрылись в воздушном кармане, полностью перекрытом водой и удаленном от выхода из пещеры на 5 километров. Задача заключалась в высвобождении ослабевших детей и тренера из пещеры. Ситуация осложнялась наличием узкой щели — на рисунке 2 она обозначена как «опасная точка», через которую предстояло выбираться. Особенности проплыва через щель показаны на рисунке 3. Спасателям пришлось непрерывно откачивать воду из пещеры. Поэтому в ней находилось большое количество спасателей, помогавших откачивать воду и готовить детей к выходу.
Рис. 2. Характерный вид пещеры Кхао Луанг. Слева — школьники и тренер, запертые в воздушной полости, справа — спасатели
Рис. 3. Узкая щель («опасная точка»). Для проплыва через щель было необходимо снять акваланг, поэтому каждого ребенка спасали два дайвера
В этой ситуации оказались важны все отмеченные выше особенности поведения кислорода и углекислого газа в замкнутом объеме. Для борьбы с постепенным уменьшением количества кислорода в пещере была организована доставка кислорода с помощью специального трубопровода. Было решено, что накопление углекислого газа в пещере представляет существенно большую опасность, чем нехватка кислорода. Закачкой кислорода по трубопроводу в верхнюю часть пещеры вытесняли углекислый газ. Учитывалось также расслоение воздуха на фракции — CO2 скапливался в нижней части пещеры. Вот почему дети и тренер скрылись в верхней ее части.
Поиски ребят и подготовительные работы заняли почти две недели. За это время известный изобретатель и организатор исследований Илон Маск (космические корабли, электрокары) успел из запчастей к ракете изготовить миниатюрную подводную лодку на одного человека и доставить ее в Таиланд. Но из-за узкой щели от ее использования отказались.
Ситуация с каждым днем становилась все более сложной. Необходимо было постоянное присутствие людей, занятых на откачке воды из пещеры (иначе пещера полностью заполнилась бы водой) и установке труб для подачи кислорода. Более десятка аквалангистов доставляли в пещеру воду, еду и кислородные баллоны. Там постоянно присутствовали врачи и те, кто готовили спасательную операцию. При дыхании этих взрослых спасателей состав воздуха ухудшался еще стремительнее. Наступил момент, когда из-за накопления углекислого газа дальше ждать было нельзя. Множество кислородных баллонов было расставлено по всему маршруту из пещеры к выходу (каждый баллон рассчитан на работу только в течение часа). Тысяча спасателей снаружи, включая сто дайверов, начали операцию. В первый день 13 дайверов спасли четырех подростков. Во второй день 18 дайверов (и 70 аквалангистов сопровождения) спасли еще четверых. Наконец, в третий день были спасены оставшиеся четверо детей и их тренер, а также 4 человека, остававшиеся в пещере. Молодцы!
Взгляд изнутри
На уровне клеток организма состав воздушной среды совершенно иной. Содержание кислорода в клетках организма около 1–2% (исключение — эритроциты, в которых может содержаться до 96–98% кислорода), углекислого газа в клетках около 6%. Если концентрации CO2 в клетках уменьшается, то появляется все больше проблем с дыханием. На рисунке 4 приведена зависимость характерного времени, в течение которого человек (не рекордсмен) способен задержать дыхание, частоты пульса и степени ухудшения кровоснабжения органов от концентрации углекислого газа. Общий вывод таков: при уменьшении концентрации CO2 время задержки дыхания уменьшается и, если она приближается к 3%, клетки гибнут; быстро растет частота пульса; ухудшается кровоснабжение органов. В результате желательная концентрация CO2 в клетках должна быть 6% и даже немного больше. Примерное содержание кислорода и углекислого газа в различных частях организма человека, приведенное в таблице 3, подтверждает вышеуказанные цифры.
Рис. 4. Характерная зависимость времени задержки дыхания (секунды), частоты пульса (количество ударов в минуту) и степени ухудшения кровоснабжения (проценты) от концентрации углекислого газа в крови
Таблица 3. Содержание кислорода и углекислого газа
В легких происходит обмен кислорода и углекислого газа между альвеолами и кровью. Альвеолы — концевые образования в легких, имеющие вид пузырьков, которые оплетены сетью капилляров (рис. 5). Через стенки альвеол (их диаметр около 0,3 мм, количество альвеол в легких человека около миллиарда, а общая поверхность приблизительно 100 м 2 ) осуществляется газообмен: кислород переходит в кровь и примерно столько же углекислого газа из крови поступает в легкие. Более точно, в среднем за сутки из альвеолярного воздуха в кровь поступает 500 литров кислорода и выделяется 430 литров углекислого газа из крови в альвеолярный воздух.
Рис. 5. Вид альвеолы, опутанной капиллярами. Показаны пути поступления кислорода в эритроциты и выхода углекислого газа из эритроцитов
Более подробно о свойствах альвеол рассказано в книге К. Ю. Богданова «Физик в гостях у биолога» (Библиотечка «Квант», выпуски 49, 133).
Что первично для организма: O2 или CO2?
Помните известный парадокс: что было раньше – курица или яйцо? Он не разрешим, если не привлекать во внимание процесс эволюции и образование новых видов. Но если привлечь, то у яйца оказывается некоторый приоритет, он древнее. Так, еще динозавры откладывали яйца, а птицы произошли от одной из ветвей динозавров. Получается, что яйцо древнее птицы и в этом, эволюционном, смысле первично.
В нашем случае проблема выбора — что первично (иными словами, что запускает процессы в человеческом организме): кислород или углекислый газ — решается следующим образом. Раньше первичным считался кислород — ведь он основной источник энергии, дающий толчок всем процессам в организме. Но сейчас маятник выбора качнулся в сторону углекислого газа. Постепенно пришли к выводу, что первичным, запускающим, механизмом является накопление в организме углекислого газа.
Накопление CO2 в организме в ходе расщепления в клетках жиров и белков дает сигнал мозгу о том, что углекислый газ нужно выводить из клеток — он «садится» на эритроциты и перемещается к альвеолам легких. На освободившиеся места в «поезде» эритроцитов «усаживается» O2 и разносится по организму. Поэтому современный взгляд на процесс дыхания таков: сначала выдыхается углекислый газ, а потом вдыхается кислород. При этом вместе с углекислым газом выдыхаются и излишки кислорода. Для дыхания необходимы оба газа, попеременно «седлающие» эритроциты. При этом венозная кровь окрашена с помощью углекислого газа в темно-красный цвет, а артериальная кровь с помощью кислорода — в ярко-красный.
Среднее соотношение между количеством углекислого газа и кислорода в организме здорового человека примерно 3:1 (6% CO2 и 2% O2).
Взаимодействие «снаружи» и «изнутри». Итак, углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. Важно и поддержание определенного уровня CO2 в организме. А его недостаток и избыток вредны. Слишком высокое накопление CO2 возможно в плохо проветриваемых помещениях: при большом проценте (более 0,08–0,1%) его уровень в организме также растет (последствия этой ситуации обсуждались выше). Нехватка углекислого газа в крови (менее 4%) тоже опасна (см. рис. 4).
В каких случаях может возникнуть такая нехватка? Типичный пример — учащенное дыхание: слишком много CO2 выдыхается и мало остается в организме. При недостатке углекислого газа кислород прочно «прикреплен» к эритроцитам. И даже когда кислорода в крови много, он оказывается связанным и плохо поступает в ткани организма. Если в такой ситуации дышать еще чаще, то это только усугубит ситуацию.
Что делать? Движение, гимнастика, спорт на воздухе или в хорошо проветриваемом помещении — все это увеличивает содержание CO2. Капилляры расширяются и даже образуются новые сети капилляров, кровоток усиливается, кислород лучше отделяется от гемоглобина и поступает в клетки.
Приведем еще один пример важности более редкого дыхания. Стайерам во время бега рекомендуют в случае, когда уже не хватает сил, как можно дольше задержать дыхание для того, чтобы открылось «второе дыхание» и он мог бежать дальше.
Оказание первой помощи. Дыхание «рот в рот». При оказании первой доврачебной помощи человеку в случае исчезновения дыхания одним из действенных методов является искусственное дыхание методом «рот в рот» вместе с непрямым массажем сердца.
В рот пострадавшего через марлю или носовой платок спасатель должен выдыхать воздух с частотой 12–15 раз в минуту. Казалось бы, это бессмысленно. Ведь в начале статьи мы много раз повторяли, каков должен быть состав вдыхаемого воздуха (21% кислорода и 0,4% углекислого газа). А тут выходит, что пострадавший вынужден принудительно получать воздух «на выдохе» (16% O2 и 4% CO2). Тем не менее, оказывается, что и в выдыхаемом воздухе еще есть остатки кислорода в концентрации, превышающей минимально допустимую (16% > 13–14%). А большая концентрация CO2 оказывается полезной для стимуляции центра головного мозга, который вызывает дыхательный рефлекс, приводящий к раскрытию альвеол.
Так что роль CO2 при остановке дыхания несколько иная, чем при обычном, спокойном дыхании.
Способы увеличения концентрации выдыхаемого углекислого газа. Человек в повседневной жизни «в автоматическом режиме» делает примерно 15 циклов вдох-выдох в минуту (каждый цикл имеет длительность приблизительно 4 секунды). Обычное отношение длительности вдоха и выдоха 1 : 1,3.
Смысл основных дыхательных гимнастик заключается в повышении содержания в крови углекислого газа за счет задержки, ослабления, замедления или искусственного затруднения дыхания. При этом повышение концентрации CO2 (до определенного предела, около 8%) улучшает усвоение кислорода организмом человека. В разных методиках это достигается или за счет задержки дыхания после вдоха либо после выдоха, или за счет удлиненного выдоха, или за счет удлиненного вдоха, или их комбинаций. Иными словами, нужно, чтобы фаза выдоха существенно превышала вдох.
Наиболее последовательной из современных методик является система Бутейко — поверхностное дыхание с задержкой. Она направлена на уменьшение потребления кислорода и насыщение организма углекислым газом. По этой системе усилием воли вдох занимает 2 секунды, выдох — 4 секунды, за которым следует 4-х секундная задержка дыхания. Всего цикл длится 10 секунд, укладываясь в 6 циклов в минуту.
В практике йоги правильным считается весьма продолжительный выдох с отношением длительности вдоха и выдоха 1 : 5. Утверждается, что йог в состоянии глубокой медитации может «обходиться» всего двумя-тремя циклами вдох-выдох в минуту. Первая реакция на это — не может быть! Но далее неожиданно выясняется, что очень редкое дыхание йогов может быть связано с повышенной ролью у них кожного дыхания.