Атмосферне повітря — це фізична суміш газів, які у зв'язку зі зміною густини атмосфери на різних висотах змінюють лише свій парціальний тиск. Практично співвідношення різних газів атмосфери однакове до висоти 80— 100 км. Крім постійних складників атмосфери, у ній можуть міститися як різноманітні домішки природного походження, так і забруднення, зумовлені антропогенною дією. Постійний газовий склад атмосфери підтримується за рахунок біологічного колообігу речовин екологічних систем біосфери, невід'ємною складовою частиною якої є атмосфера, а також за рахунок безперервного переміщення мас повітря в горизонтальному і вертикальному напрямках.
Головними компонентами цієї складної суміші газів, які не є хімічною сполукою, слід вважати азот і кисень. Конкретніші відомості про хімічний склад атмосферного повітря наведено в табл. 2.Азот — безбарвний газ, без запаху і смаку, малоактивний, не підтримує дихання і горіння. Через це і називається "безжиттєвим". Але виявилося, що азот є важливою складовою амінокислот, які утворюють білки, а також відіграє незамінну роль у природному колообігу речовин. Бобові рослини за допомогою специфічних мікроорганізмів, бульбочкових та інших бактерій засвоюють азот безпосередньо з повітря і фіксують у ґрунті у вигляді азотно-кислих і амонійних солей. Звідси азот у зв'язаному вигляді надходить в організм травоїдних тварин і, таким чином, входить до складу тваринних білків, а згодом і білкових речовин людини. Азот потрапляє в атмосферу переважно під час розкладання рослин і викидів вулканів. Він належить до інертних газів. При підвищеному тиску азот є наркотиком.
Фізіологічна його роль визначається участю у створенні рівня атмосферного тиску, потрібного для життєво важливих процесів. Збільшення вмісту азоту в повітрі може призвести до гіпоксії і асфіксії внаслідок зниження парціального тиску кисню.
З підвищенням тиску розчинність азоту в крові і тканинах збільшується і це (наприклад, під час підводних робіт) спричинює у людей вкрай тяжкий стан, оскільки через швидкий перехід до нормального тиску азот утворює у крові дрібненькі пухирці, які закупорюють кровоносні судини, це є причиною розвитку кесонної хвороби.
У водолазів унаслідок занурення на велику глибину можуть спостерігатися зміна психіки, відчуття важкості в голові, забуття, плутання думки, провали пам'яті, галюцинації.
Кисень є основним складником повітря. Без нього неможливе життя. Це безбарвний газ, добре розчиняється у воді, і йому зобов'язане все живе на Землі своїм виникненням та існуванням. Кисень входить майже до всіх органічних речовин. Його наявність у повітрі потрібна для дихання, горіння і гниття. Джерелом кисню у природі є фотосинтез. Зелені рослини, використовуючи сонячну енергію, поглинають воду й діоксид вуглецю з повітря і виробляють вуглець, потрібний їм для харчування та росту. При цьому вони виробляють вільний кисень. Унаслідок фотосинтезу рослинність Землі утворює понад 100 млрд тонн органічних речовин. У процесі фотосинтезу засвоюється близько 200 млрд тонн діоксиду вуглецю і виділяється в навколишнє середовище приблизно 145 млрд тонн вільного кисню. Процесами фотосинтезу головним чином визначається колообіг кисню в природі і зберігається постійний склад атмосферного повітря. Слід також врахувати, що внаслідок згоряння великої кількості палива, корозії металів та інших хімічних процесів атмосфера Землі втрачає щорічно понад 10 млрд тонн кисню.
В організмі людини міститься 65% кисню. У стані спокою людина поглинає за годину 25 л кисню і виділяє 22,6 л вуглецю діоксиду. Усі тканини і клітини організму людини безперервно поглинають кисень. Добова потреба у кисні варіює в межах від 300 до 1000 л і більше залежно від фізичного навантаження. У табл. З наведено склад атмосферного і видихуваного повітря.Кисень надходить у тканини з кров'ю. Гемоглобін, з'єднуючись із киснем, утворює оксигемоглобін і, віддаючи його клітинам, відновлюється. Кисень, що споживається організмом, характеризує інтенсивність окисних процесів у всьому організмі. Споживання 1 л кисню відповідає виділенню енергії, що становить 4,7—5,9 ккал/год (19,7—-24,7 кДж), а енергія, що виділяється у здорової людини в стані спокою, становить 50—70 ккал/год (209—293 кДж). Процес насичення гемоглобіну киснем у легенях або дисоціація гемоглобіну в клітинах описується кривою, що має S-подібну форму, і її зміни вказують на важливі зрушення в організмі. Крива дисоціації оксигемоглобіну змінюється залежно від багатьох чинників, зокрема від рН середовища, температури, наявності у вдихуваному повітрі токсичних речовин. Класичним прикладом може служити утворення карбоксигемоглобіну — сполуки гемоглобіну з оксидом вуглецю, який витісняє кисень і замінює його в гемоглобіні, спричинюючи отруєння організму.
Оксигеноване повітря давно відоме як засіб для ліквідації кисневого голодування організму при серцево-судинних, легеневих захворюваннях, а вдихання кисню під підвищеним тиском, тобто гіпербарична оксигенація, дало змогу проводити багато унікальних операцій на серці і судинах.
Кисень переходить з альвеолярного повітря в кров і з крові в тканинну рідину за рахунок різниці парціального тиску. Якщо парціальний тиск кисню падає, у людини розвивається явище кисневого голодування.
Перші ознаки кисневого голодування можуть з'являтися за зниження парціального тиску до 140 мм рт. ст. Симптоми висотної хвороби проявляються при тиску кисню, що дорівнює 110 мм рт. ст. Зниження парціального тиску до 40—60 мм рт. ст. є небезпечним для життя (мал. 17).Зменшення вмісту кисню в повітрі до 10% є небезпечним. У людини в такому разі можуть розвиватися патологічні явища, нудота, блювання, ослаблення розумової діяльності. Особливо чутлива до нестачі кисню центральна нервова система (ЦНС), оскільки кора головного мозку споживає кисню в 30 разів більше, ніж периферійні нерви та м'язи. Кисневе голодування зменшує властивість організму розрізняти кольорові сигнали, погіршує гостроту зору і порушує м'язову рівновагу ока. Вміст кисню в повітрі, що знижується до 7—8%, призводить до асфіксії, зниження температури тіла, анурії тощо, які загрожують життю людини. У повітрі житлових і адміністративних приміщень кількість кисню переважно не змінюється, тому в умовах нормального існування й діяльності людини на Землі не виникає небезпеки для здоров'я, зумовленої недостатністю кисню в повітрі. Виняткові умови, коли різко змінюється кількість кисню, бувають, наприклад, у глибоких шахтах і копальнях, герметичних приміщеннях, у стічних канавах та глибоких колодязях. Ураховуючи певні характерні реакції організму на нестачу кисню, умовно можна поділити висоту повітряного середовища на кілька зон.
1. Індиферентна зона, що поширюється на 1500—2000 м над рівнем моря. Перебування у цій зоні безпечне для здоров'я.
2. Зона повної компенсації розташована на висоті віл 2000до 4000м над рівнем моря. Перебування в цій зоні супроводжується збільшенням легеневої вентиляції, хвилинного об'єму крові і перерозподілом кровотоку.
3. Зона неповної компенсації досягає 4000—5500 м над рівнем моря і характеризується погіршенням самопочуття людини: знижується працездатність, з'являються ейфорія, головний біль, сонливість, порушується увага.
4. Критична зона — від 5500 до 8000 м над рівнем моря. Спостерігається прогресивне погіршення загального стану здоров'я з більшою ймовірністю виникнення непритомності. Людина в такому разі повністю втрачає працездатність.
5. Непереносна зона розміщена вище ніж 8000 м над рівнем моря і характеризується дуже коротким резервним часом, після чого настає глибока непритомність, а потім смерть.
Якщо ж збільшити кількість кисню у повітрі, який людина вдихає, організм переносить це без негативних змін. Проте тривале перебування в атмосфері з великим відсотковим вмістом кисню є небажаним, оскільки може призвести згодом до набряку легенів. Особливо небезпечне вдихання чистого кисню під підвищеним тиском, що можливо у водолазів, які користуються кисневим апаратом. У такому разі може бути місцеве ураження легеневої тканини і ІДНС з явищами епілептиформних судом.
У звичайній лікувальній практиці у хворих кисень з лікувальною метою вживається в суміші з повітрям. (Суміш повітря з 30—50% вмістом кисню). Ця суміш вдихається при звичайному атмосферному тиску.
Вуглецю діоксид (С02) міститься в чистому атмосферному повітрі в кількості 0,03%. Це безбарвний газ, кислуватий на смак, зі своєрідним запахом, розчинний у воді. Джерелом вуглецю діоксиду служить в основному дихання людей, тварин, частинки рослин, процеси розкладання органічних речовин та виділення газу з ґрунту.
Велику роль у збереженні рівноваги вуглецю діоксиду в атмосфері відіграє відкрита поверхня морів і океанів. На вміст вуглецю діоксиду в атмосфері істотно впливає згорання палива. Нагромадження цього газу протягом останніх десятиріч досягло рівня, що становить щорічно 5 млрд тонн вуглецю. Ці додаткові кількості вуглецю діоксиду тягнуть за собою небажані наслідки. Оскільки вуглецю діоксид має властивість пропускати короткохвильову сонячну радіацію і затримувати вихідну довгохвильову радіацію, виникає так званий парниковий ефект, який призводить до розігрівання атмосфери. Крім того, змінюється прозорість атмосфери внаслідок підвищення вмісту аерозолю в повітрі, отже, змінюється радіаційний режим. Над містами утворюються "острови теплоти" з температурою повітря на 2 — 3 °С вищою, ніжу приміських зонах, а це, своєю чергою, негативно впливає на мікроклімат і біосферу навколишніх районів. Регулятором вмісту вуглецю діоксиду в атмосферному повітрі є рослинний світ. Великі нагромадження вуглецю діоксиду спостерігаються в герметично замкнених приміщеннях, у бродильних приміщеннях пивоварних заводів, у цехах цукрового та інших виробництв, у глибоких колодязях і шахтах.
Фізіологічна роль вуглецю діоксиду полягає в тому, що його вміст у повітрі легенів і крові впливає на нормальний процес дихання. Споживання кисню клітинами організму супроводжується утворенням вуглецю діоксиду, який під час дихання виділяється з організму. Кількісне відношення виділеного вуглецю діоксиду до вдихуваного кисню, тобто дихальний коефіцієнт, становить 0,7—1,0. Отже, вуглецю діоксид є антагоністом кисню в організмі і головним регулятором дихання.
Підвищення вмісту вуглецю діоксиду у вдихуваному повітрі негативно впливає на організм. За наявності 3% С02 у повітрі дихання людини прискорюється і поглиблюється, а поступове його підвищення спричинює відчуття тиску в голові і головний біль, шум у вухах, психічне збудження. Наявність у повітрі 20% вуглецю діоксиду через кілька секунд зумовлює параліч мозкових центрів.
Небезпека нагромадження вуглецю діоксиду в повітрі закритих приміщень збільшується у зв'язку з тим, що одночасно супроводжується зменшенням відсоткового вмісту кисню в повітрі.
Санітарно-гігієнічне значення вуглецю діоксиду, на думку професора М. Петенкофера, полягає в тім, що у повітрі житлових приміщень, навіть у разі антисанітарного їхнього утримання, кількість С02 не впливає шкідливо на організм людини. Одначе разом із накопиченням вуглецю діоксиду у повітрі паралельно нагромаджуються різні інші шкідливі газоподібні речовини, які зумовлюють виникнення неприємного "житлового повітря" і шкідливо впливають на організм людини. Отже, вуглецю діоксид є відносним показником токсичності повітря, спричиненої іншими речовинами, і тому гігієнічною нормою вуглецю діоксиду в повітрі житлових приміщень прийнято вважати зменшений його вміст, що досягає лише 1%. Таким чином, вуглецю діоксид є пасивним показником ступеня чистоти повітря житлових приміщень. Ця норма служить основою для розрахунків проектування і облаштування вентиляції приміщень.
Озон (03) міститься в атмосфері в незначній кількості. Він утворюється під час громовиці під впливом електричних розрядів, а також унаслідок фотохімічної дії на кисень УФ-сонячної радіації. Це проста речовина, що є видозміною кисню. Озон має своєрідний запах "електричного струму" і відрізняється сильною окисною дією. Внаслідок взаємодії з органічними речовинами озон дуже легко розпадається і при цьому виділяється атом кисню. Отже, озон активно окислює всі речовини, що забруднюють повітря, а тому служить показником чистоти повітря. Він характеризується знезаражувальною дією, отож застосовується для очищення повітря і води.
Шар озону, розміщений у верхніх шарах атмосфери на висоті до 50 км (озоносфера), захищає нас від небезпечного надміру УФ-променів і частково поглинає деяку частину інфрачервоного випромінювання. Відомо, що деякі речовини, зокрема фреон, які використовуються в холодильниках, можуть зумовлювати зменшення вмісту озону в стратосфері. Цей газ постійно є у фізіотерапевтичних і рентгенівських кабінетах, де він утворюється під впливом світла кварцових ламп тощо і може шкідливо впливати на персонал. Озон у незначних концентраціях подразнює слизові оболонки верхніх дихальних шляхів, призводить до запаморочення, виділення слини, посиленого потовиділення і прогресування втоми. Перебування в такій атмосфері є причиною поганого самопочуття, роздратування і головного болю. Великий вміст озону в повітрі, що сягає до 0,02 мг/л, може зумовлювати пневмонію, що незрідка призводить до смерті.
Інертні гази (гелій, неон, криптон, ксенон) є в атмосфері в незначній кількості і пов'язані з безперервними процесами природного радіоактивного розпаду.
У процесі життєдіяльності людини інертні гази не відіграють особливо важливої ролі.
Водень міститься в земній атмосфері в незначній кількості, як і гелій, безперервно втрачається цією атмосферою в міжпланетному просторі.
Метан виявляють частіше над болотами (болотяний газ). Він утворюється в процесі метанового бродіння під час анаеробного розпаду вуглецевих сполук.
Азоту закис практичного значення не має.
Азоту діоксид утворюється під час громовиці внаслідок активації азоту.
Аміак потрапляє в атмосферу внаслідок процесів розпаду органічних речовин, що містять азот.
Сірководень утворюється внаслідок процесів гниття білкових речовин.
В атмосфері містяться також водяна пара та інші колоїдні домішки.
Водяної пари міститься в атмосфері в середньому 0,42% за об'ємом і 0,2% — за масою. Джерелом її є випаровування із суші і водних басейнів. Концентрація водяної пари в атмосфері неоднакова в різних районах і в різні пори року. Унаслідок конденсації водяної пари в атмосфері утворюються хмари і випадають атмосферні опади. Поглинаючи сонячне довгохвильове випромінення, водяна пара відіграє роль у створенні теплового режиму Землі і нижніх шарів атмосфери.
Водяна пара впливає на тепловий баланс людини, про що йтиметься в розділі про вологість повітря.
В атмосфері міститься також порох космічного походження, до складу якого входять залізо, нікель та інші елементи і який проникає в атмосферу під дією гравітації, електромагнітного поля Землі і світлового тиску. В атмосферу може потрапляти порох і внаслідок викидів вулканів; Він характеризується великою дисперсністю і може розноситися повітряними течіями на великі відстані.
Велике практичне значення має наземний порох, а саме: ґрунтовий, рослинний, дим від лісових пожеж, морський порох.
Слід зазначити, що сформоване постійне співвідношення газів у складі атмосфери дуже часто порушується антропогенним вмістом. В атмосфері з'являються сторонні, невластиві їй хімічні та інші домішки, що забруднюють повітряний простір. Нині вплив цих чинників великий і різноманітний, тому потребує спеціального розгляду.