Compozitia aerului ambiental

COMPOZITIA AERULUI AMBIENTAL

Invelisul gazos care inconjoara Pamantul, atmosfera are o compozitie determinata de fenomenele fizice care au loc in functie de altitudine, temperatura fiind determinanta.

Primul strat al atmosferei este troposfera cu o inaltime medie de 10 Km de la sol (este mai mare la ecuator, 17-18 Km si mai mica la poli, 8-9 Km). In aceasta zona se produc modificari permanente ale parametrilor fizici, astfel temperatura aerului scade In medie cu 0,5⁰C la 100m altitudine, iar presiunea cu 1mmHg la 10m. Aerul troposferic are cea mai mare importanta pentru organism si factorii de mediu, asigurand respiratia (prin compozitia chimica), termoreglarea (prin proprietatile fizice), autopurificarea, sau din contra poluarea aerului prin prezenta unor substante straine de compozitia naturala si care pot afecta starea de sanatate.

Stratosfera reprezinta al doilea strat (separat de troposfera prin tropopauza), care se Intinde pana la 50 Km si care este urmata apoi de mezosfera, termosfera si exosfera. Temperatura aerului este relativ constanta, datorita prezentei stratului de ozon, care absoarbe o buna parte din radiatia solara. Temperatura scade In mezosfera si atinge cele mai mari valori In termosfera (2000-3000⁰C). Aceste valori crescute ale temperaturii se datoreaza descompunerii O₂ In prezenta radiatiilor cu l= 135-175 nm si recombinarii sub forma de ozon cu degajare de energie.

Aerul este un amestec gazos cu urmatoarea compozitie: Oxigen 20,96% , Bioxid de carbon 0,04%, Azot 79%, la care se adauga concentratii foarte mici ale gazelor rare (argon, xenon, radon, cripton,), precum si vapori de apa, fungi, actinomicete.

Tabel 1. Compozitia procentuala a aerului

Compozitia aerului expirat variaza In functie de tipul respiratiilor (la respiratii ample compozitia se apropie de cea a aerului atmosferic), concentratia de CO₂fiind mai mica si de O₂ mai mare. Azotul este In procent mai mare ca In aerul atmosferic cu toate ca nu participa la procesele respiratorii, deoarece CO₂ din aerul expirat este In concentratie mai mica fata de oxigenul fixat in organism, iar cantitatea aerului expirat este mai mica si in consecinta concentratia % a azotului creste. Concentratia gazelor din aerul expirat este diferita de cea a aerului alveolar deoarece se amesteca cu aerul din spatiul mort din caile respiratorii.

Aerul alveolar are un continut mai mic de oxigen si mai mare de CO_{2 .}

Toate aceste gaze exercita o presiune partiala egala cu presiunea atmosferica (760 mm Hg- 5 mm Hg), care include si presiunea vaporilor de apa de 5 mm Hg. Presiunea partiala a fiecarui gaz se calculeaza in functie de concentratia % din aer si presiunea atmosferica, dupa formula:

PO₂ = 20,96% x (760-5) / 100 = 158 mm Hg

Schimburile gazoase la nivel alveolar sunt influentate de presiunea partiala a gazelor, dupa cum urmeaza:

Tabel 2 - Presiunea partiala a gazelor

In timpul unui inspir patrund 500 ml aer, din care doar 350 ml participa la schimburile gazoase alveolare, 150 ml raman in spatiul mort, iar la o frecventa de 16 resp/min in repaus este nevoie de 5-6 l/min. In efort fizic obisnuit in cadrul activitatii zilnice necesarul de aer este de 20-25 l/min.

ANALIZA: Geomorfologia climatica – caracteristici generale ANALIZA: Masivul gilau-muntele mare - elemente fizico-geografice

Modificarile de presiune partiala a gazelor produc o serie de tulburari in organism dupa cum urmeaza:

1. OXIGENUL

In natura se mentine un echilibru permanent intre producerea si consumul de oxigen. Astfel producerea de oxigen are loc in procesul de asimilatie clorofiliana a plantelor terestre si acvatice. La suprafata terestra cea mai mare cantitate de oxigen este produsa la nivelul padurilor, de aproape 50 de ori mai mare fata de restul vegetatiei. De exemplu, o suprafata de 1 hectar padure produce intr-un an cantitatea de oxigen necesara pentru 10 persoane (aproximativ 2500 kg). Defrisarile de paduri si poluarea apelor de suprafata afecteaza procesele de asimilatie clorofiliana si reduc cantitatea de oxigen. Consumul de oxigen se realizeaza in cadrul reactiilor oxidative cea mai mare pondere avand-o arderea combustibililor fosili, la care se adauga consumul de oxigen in procesul de respiratie. Cu toate acestea s-a estimat ca daca ar arde toate rezervele de combustibili existenti pe glob cantitatea de oxigen ar scadea doar cu 3%.

Scaderea presiunii partiale a oxigenului are ca efect instalarea hipoxiei tisulare, care este de mai multe tipuri:

-stagnanta, care apare in insuficienta circulatorie, colaps periferic, hipoxia aviatorilor la viraje mari;

-anoxica (hypoxica) prin leziuni pulmonare, sau la respiratia in aer rarefiat (hipobar);

-anemica din hemoragii, anemii, blocarea hemoglobinei de diferite substante;

-histotoxica, prin utilizarea insufficienta de O₂ la nivel tisular, din cauza actiunii antienzimatice a unor toxice).

Presiunea partiala a oxigenului scade prin :

Scaderea concentratiei de O₂ care se produce in spatii ermetic inchise (tip blindat), supraaglomerate si neventilate, unde pot aparea accidente chiar letale prin scaderea marcata a concentratiei de O In incaperi obisnuite, in aceleasi conditii aerul se poate vicia prin lipsa ventilatiei. Cu toate acestea are loc o ventilatie naturala prin porii materialelor de constructii si prin lipsa etanseitatii ferestrelor si usilor, asa incat nu se instaleaza fenomene de hipoxie.

Se considera ca este tolerata o scadere a concentratiei de oxigen pana la 18%. La valori mai mici (18-15%) apar manifestari compensatorii ale hipoxiei prin: cresterea frecventei si amplitudinii respiratiilor, cresterea debitului cardiac, mobilizarea hematiilor din rezerve si punerea lor in circulatie (poliglobulia).

La concentratii de 15-10% apar semnele de hipoxie cerebrala si alcaloza prin hiperventilatie (somnolenta, tulburari senzoriale, dispnee, tulburari cardiovasculare, convulsii, moarte).

Sub 10% viata nu e posibila.

Scaderea presiunii atmosferice, stiut fiind faptul ca la 10 m altitudine presiunea atmosferica scade cu 1mm Hg.

Pana la 3000 m altitudine se instaleaza fenomenele compensatorii ale hipoxiei, aceasta limita fiind in functie de conditia fizica si de efortul fizic depus, astfel pentru unele persoane limita poate fi de 2000 m si chiar 1500 m altitudine.

La altitudini de 3000-6000 m se instaleaza boala de ascensiune sau raul de munte, cand apar fenomene de suprasolicitare cardio-respiratorie, cianoza, lipotimie, epistaxis, hemoptizie.

La 6000-8000 m altitudine apar fenomene de hipoxie cerebrala si se administreaza oxigen cu intermitenta, pentru ca la altitudine peste 8000 m, viata este dependenta de administrarea continua de oxigen prin masca.

Raul de avion apare in zborul in cabine nepresurizate, datorita scaderii presiunii oxigenului, dar si a vibratiilor si golurilor de aer. Prin scaderea presiunii atmosferice se produce o distensie a gazelor din cavitati (sinusuri, ureche, articulatii, tub digestiv). Apar tulburari neurovegetative, anxietate, greturi, varsaturi.

La >10000 m este nevoie de echipament special si cabine presurizate.

Starea de rau a aviatorilor este un fenomen care apare la viraje accentuate prin deplasarea sangelui in zona pelvina datorita fortei centrifuge si aparitia unei hipoxii stagnante. Apare “valulul cenusiu” (intunecarea campului vizual prin presiunea mare a umorii sticloase cu comprimarea vaselor retiniene), tulburari cardio respiratorii, gastro-intestinale, neurologice urmate de pierderea cunostintei.

Terapia hipobara se recomanda in tratamentul astmului bronsic sau a tusei convulsive, la altitudini de 1000-2000 m, sau in conditii artificiale, in barocamere.

Un aspect particular in expunerea la presiuni scazute ale aerului este viata la altitudine (3000-5000 m). Este vorba de populatii, care traiesc in Himalaia, Anzi. In aceste conditii, datorita expunerii indelungate la presiune atmosferica scazuta a aparut fenomenul de aclimatizare. S-au produs o serie de modificari morfofunctionale si biochimice, care au devenit permanente (torace globulos, hiperpnee, poliglobulie, cresterea minut volumului cardiac, cresterea incarcarii cu hemoglobina a hematiilor).

Cresterea presiunii partiale a O₂ apare in:

Oxigenoterapie, cand se administreaza oxigen pana la 50% in amestec cu bioxid de carbon, care este excitantul centrului respirator. Amestecul este umidificat, deoarece oxigenul este un gaz uscat, iar presiunea este de o atmosfera (oxigenoterapie isobara). Sunt situatii cand trebuie realizata o deblocare rapida a hemoglobinei de unele substante toxice, pentru corectarea hipoxiei, in tratamentul infectiilor cu anaerobi si atunci se administreaza oxigen hiperbar (in incaperi speciale).

Exista unele riscuri in cadrul oxigenoterapiei indelungate, cum ar fi edemul pulmonar acut, prin cresterea permeabilitatii alveolo capilare, hemoragii alveolare, necroze endoteliale capilare, formarea de membrane hialine, fibroza interstitiala difuza, culminand cu saturarea neuronului in oxigen (hiperoxie).

BIOXIDUL DE CARBON

Desi se gaseste in concentratie foarte mica in aerul atmosferic are o importanta foarte mare atat la nivel ecologic, cat si individual. CO₂ este un gaz incolor si inodor, produs al arderii complete a carbonului in aer sau oxigen. Nu arde si nu intretine arderea (pe baza acestei proprietati se recunoaste prezenta lui). Are densitatea specifica de 1,55 in raport cu aerul. De aceea CO₂ se cumuleaza in zonele declive, puturi adanci, mine, existand riscul de intoxicatii letale, atunci cand concentratia lui este de 10%.

Principala sursa de producere o reprezinta arderea combustibililor si procesele de respiratie, iar la suprafata marilor si oceanelor transformarea bicarbonatilor in carbonati.

Tabel 3. Emisii de CO₂ in milioane tone

Consumul de CO₂ se realizeaza in cadrul fotosintezei si se elimina oxigen in atmosfera. Energia acestei reactii este asigurata de lumina solara. Lumina e absorbita de clorofila, care este fotosensibila, producandu-se o descompunere fotochimica a apei, in care hidrogenul este fixat pe un acceptor, iar oxigenul este eliberat.

In ultimii 100 de ani datorita proceselor de dezvoltare si a consumului mare de energie se observa o tendinta de crestere a concentratiei de CO₂ care sta alaturi de alte gaze la baza fenomenului de sera (green house), prin formarea unui strat izolator la nivelul atmosferei, care impiedeca racirea pamantului. Aceasta presupune cresterea temperaturii si a umiditatii aerului atmosferic. Fenomenul de sera este necesar mentinerii vietii pe Pamant, altfel acesta s-ar raci, ar ingheta apa marilor si oceanelor, iar viata ar disparea. Insa se observa o tendinta de exagerare a fenomenului de sera, datorita poluarii aerului in primul rand cu CO Astfel s-a inregistrat o crestere in medie cu 0,6sC a temperaturii aerului, iar in Europa tendinta de incalzire este usor mai mare, de 0,8⁰C si se estimeaza o crestere in continuare in urmatorii 50-100 ani cu 2-5sC, daca fenomenele de poluare nu se reduc.

Aceasta crestere de temperaturea ar determina topirea ghetarilor cu inaintarea apei in detrimentul uscatului, evaporarea apei si cresterea umiditatii aerului, afectarea vegetatiei si in primul rand al hranei.

In Europa regiunile vulnerabile sunt cele inchise sau sub nivelul marii (coastele Olandei, Germaniei, a Marii Negre), iar ca orase: Hamburg, Londra, Petersburg, Salonic, Venetia.

Acest fenomen de incalzire al troposferei influenteaza si depletia stratului de ozon prin racirea stratosferei.

Gazele care contribuie la realizarea fenomenului de sera sunt: bioxidul de carbon, metanul, oxizii de azot, clorofluorocarbonati (CFC).

Cresterea concentratiei de CO₂ are la baza dezvoltarea industriei termoenergetice si cresterea consumului de combustibili fosili, folositi in sistemele de incalzire locala precum si extinderea la tropice a culturilor pe terenuri arse in prealabil. De asemenea, creste concentratia metanului corelat cu cresterea numarului de animale si folosirea ingrasamintelor naturale, extinderea campurilor de orez, precum si emanatii de la nivelul puturilor de petrol si a zacamintelor de huila.

Anual cresterea concentratiei gazelor care produc fenomenul “green house” este in medie de:

CO₂………………………….. 0,4%

CH₄………………………….. 1 %

CFC (clorfluorocarbonati)….. 5 %

NO_x ………………………… 0,3%

Se estimeaza ca o crestere anuala a temperaturii cu 1,5⁰C pana in anul 2025 ar determina veri secetoase si calde, inundatii, uragane, acumularea apelor stagnante si eutrofizarea lor. S-ar produce modificari in productia agricola, schimbari in distributia bolilor transmisibile in special prin vectori, modificarea ratelor de morbiditate si mortalitate prin afectiuni influentate de regimul termic. Astfel schimbarile climatice globale vor creste frecventa valurilor de caldura, care vor determina veri mai calde si ierni mai blande. In Grecia s-a observat o mortalitate mai mica in zilele in care temperaturile au fost in jur de 23⁰C, iar in Olanda, unde regimul termic este mai scazut, cele mai mici rate de mortalitate  s-au observat la temperaturi in jur de 16⁰C. Rata cresterii mortalitatii in perioada de iarna este mai putin exagerata fata de cea corelata cu cresterea temperaturii pe timp de vara.

Excesul de mortalitate este atribuit bolilor cardiovasculare, cerebrovasculare, respiratorii.

Cresterea presiunii partiale a CO₂si efectelele la nivel individual.

Cresterea concentratiei de CO₂ poate apare in spatii aglomerate si neventilate, datorita respiratiei, atingand maxim 1%, cand se considera aerul viciat. In aceste situatii tulburarile care apar nu se datoreaza CO₂, ci modificarilor parametrilor fizici de calitate ale aerului viciat, care ingreuneaza procesele de termoreglare.

Cresterea concentratiei CO₂ la valori de 3-4% (de 100 de ori mai mare decit in mod natural), cand se egaleaza concentratia existenta in spatiul alveolar, produce o serie de tulburari ca: tahipnee, dispnee, senzatia de constrictie thoracica, hipertensiune arteriala, tulburari senzoriale. Peste aceste concentratii apar semne evidente de intoxicatie (cefalee, ameteli, greturi, varsaturi).

La concentratii de 8% se produce pierderea cunostintei, iar la 10% moartea. Daca expunerea este la concentratii de 20%, moartea se instaleaza rapid prin paralizia centrului respirator.

Concentratii crescute de CO₂ se pot cumula in: puturi adanci, pivnite, industria alimentara de fabricare a berii, zaharului, unde se produc procese de fermentatie si daca nu sunt ventilate. In aceste spatii se poate controla concentratia CO₂ cu o flacara aprinsa, care se stinge la concentratii ale CO₂ de 8%.  

Pentru a preveni riscul de producere al intoxicatiilor, trebuie asigurat un sistem eficient de ventilatie in spatiile in care exista surse de poluare cu CO₂, precum si educarea populatiei asupra riscurilor de intoxicatie prin coborare in puturi parasite, fantani, pivnite.

3. AZOTUL

Molecula de N₂ are o foarte mare stabilitate si de aici o reactivitate chimica extrem de mica. Compusii azotului au insa o reactivitate chimica mare. In organismele vii se gasesc o serie de substante organice pe baza de azot (proteine, acizi nucleici, clorofila, vitamine, hormoni). In cea mai mare concentratie azotul se intalneste in sol. Plantele fixeaza azotul, care se gaseste sub forma de amoniac sau azotati si-l transforma in compusi organici de tipul celor enumerati. Fixarea azotului din sol se face de catre microorganismele din genul nitrobacter ele fiind capabile de a asimila direct azotul in stare moleculara si sa-l transforme in compusi pe care sa-i foloseasca plantele.

Prin plante azotul trece in lantul trofic al animalelor si omului, pentru ca apoi sa ajunga din nou in sol dupa moartea acestora. In timpul putrezirii materiei organice intervin bacteriile de desaminare, care transforma azotul proteinelor in amoniac. Amoniacul este oxidat de bacteriile de nitrificare in azotati legati de Ca si K. Trecerea azotului anorganic din sol in plante si animale si reintoarecerea lui in sol reprezinta circuitul mic al azotului. Paralel cu activitatea acestor bacterii, intervin si bacteriile de denitrificare, care transforma amoniacul in molecule de N₂, care nu poate fi folosit ca atare de plante si animale. Prin urmare azotul asimilabil din natura ar dispare, daca nu  s-ar regenera prin interventia bacteriilor de asimilare si in procent foarte mic, in aer, in urma fenomenelor electrice atmosferice. Aceste transformari reprezinta circuitul mare al azotului in natura.

In aerul atmosferic azotul se gaseste in concentratie de 79% si are rolul de a dilua concentratia oxigenului. Datorita reactivitatii chimice scazute se gaseste in aceeasi concentratie in aerul inspirat si expirat. Are afinitate mare pentru tesutul adipos si nervos, datorita solubilitatii mari in lipide.

Manifestari patologice pot aparea la inspirarea aerului la presiuni mari, sau la scaderea brusca a presiunii atmosferice. Aceste situatii apar in conditii ocupationale la muncitorii care lucreaza in chesoane si la scafandri.

In apa presiunea creste cu o atmosfera la fiecare 10 m adancime. Crescand presiunea, creste si presiunea partiala a azotului, care nu se combina cu elementele din sange si se dizolva in sange, apoi trece in interstitiu pana la saturare. Pentru unele tesuturi saturarea este rapida (adipos si nervos). La scaderea presiunii partiale a azotului din sange, datorita scaderii presiunii aerului inspirat, azotul trece din tesuturi in sange si se elimina pe cale respiratorie.

Manifestarile patologice care apar sunt cunoscute ca:

• Sindromul de compresiune, sau narcoza hiperbara, care apare datorita  cresterii presiunii partiale a azotului din aerul inspirat, in timpul scufundarilor la mari adancimi. In aceste conditii se produce o saturare a neuronilor in azot. In prima faza apare o stare de excitatie, cu euforie, tahipnee, tahicardie, agitatie psihomotorie, dezorientare, apoi se instaleaza o stare de inhibitie cu somnolenta, bradicardie, bradipnee, exitus.
• Sindromul de decompresiune, care apare la o scadere brusca a presiunii (prin ridicarea brusca la suprafata), cand azotul trece din stare solvita in stare gazoasa, si apare riscul de embolii. Primele simptome care apar se datoreaza microemboliilor, la nivelul capilarelor si se manifesta cu: parestezii, crampe musculare, emfizem subcutanat. Pot sa apara si accidente majore prin interesarea vaselor mari (infarct miocardic, infarct pulmonar, paralizii, artrite, iar ca manifestari cronice, leziuni degenerative miocardice, ale nervilor optici, artroze).

Pentru prevenirea acestor manifestari se va face o buna selectie medicala a persoanelor care lucreaza in aceste conditii, fiind respinse persoanele obeze, sau cei cu o patologie cardio respiratorie. Va fi limitat timpul de lucru si se vor evita intreruperile mari in activitate, deoarece se pierde capacitatea de adaptare la presiuni redicate.

Pentru evitarea sindromului de decompresiune ridicarea la suprafata se va face in trepte (schema propusa de Haldane), care presupune reducerea la jumatate a presiunii cu o pauza de cateva minute pentru eliminarea prin respiratie a azotului, dupa care se reduce iarasi presiunea la jumatate, urmata de pauza.