Электрическое состояние воздушной среды

Электрическое состояние атмосферного воздуха характеризуют его ионизация, электрическое поле земной атмосферы, грозовая электрика, естественная радиоактивность.

Под ионизацией воздуха понимают распад газовых молекул и атомов под влиянием ионизаторов. К ионизаторам относятся радиоактивное излучение почвы и воздуха, ультрафиолетовое и световое излучение солнца, космические излучения, распыление воды (баллоэлектрический эффект). Число ионов, образующихся в 1 мл газа в единицу времени, называется интенсивностью ионизации.

В результате ионизации от нейтрального атома отделяется электрон, который присоединяется к другому нейтральному атому, образуя отрицательный ион. Оставшаяся часть атома становится положительно заряженным ионом. К вновь образованным ионам присоединяются газовые молекулы, создавая более стойкие ионы с положительным или отрицательным зарядом. Это так называемые легкие аэроионы, скорость их передвижения составляет 1—2 см/с, время существования 1-2 мин. Они быстро рекомбинируются.

Легкие аэроионы могут присоединять к себе взвешенные пылевые частицы, микробные тела, превращаясь в средние, тяжелые и сверхтяжелые ионы. Тяжелые ионы менее подвижны, их скорость не превышает 0,0005 см/с, они проч-

88 * ГИГИЕНА <• Глава 4

но удерживают заряд. Наряду с образованием ионов в атмосфере происходят процессы их уничтожения в результате соединения ионов противоположного заряда. В атмосфере постоянно происходят процессы ионообразования и ионо-уничтожения и устанавливается определенное ионизационное равновесие. Количество легких ионов зависит от географических, геологических условий, погоды, уровня радиоактивности окружающей среды, загрязнения атмосферного воздуха. С увеличением влажности воздуха нарастает число тяжелых ионов из-за рекомбинации ионов с каплями влаги. Понижение атмосферного давления способствует выходу из почвы эманации радия, что приводит к увеличению количества легких ионов. Ионизирующее действие распыляемой воды проявляется в усилении ионизации воздуха, что особенно заметно у фонтанов, по берегам бурных рек, у водоемов. Ионизационный режим воздушной среды определяется отношением числа тяжелых ионов к числу легких ионов (N/n) и отношением количества положительных ионов к числу отрицательных ионов — коэффициентом униполярности (п⁺/п~).

Чем более загрязнен воздух, тем выше этот коэффициент. Например, в 1 см³ воздуха курортных местностей содержится 2000-3000 легких ионов, в 1 см³ воздуха промышленных городов число легких ионов уменьшается до 40. Уменьшение числа легких ионов говорит об ухудшении состояния атмосферного воздуха (рис. 4.1). Это подтверждается также наблюдением за ионизацией воз-

Рис 4.1. Ионизация воздушных пространств.

Гигиена воздушной среды * 89

духа в закрытых помещениях (школы, кинотеатры). Количество легких ионов уменьшается с ухудшением микроклиматических условий в помещениях и повышением содержания углекислоты в воздухе. Легкие ионы поглощаются в процессе дыхания, адсорбируются кожей, одеждой. С дыханием в воздух помещений выделяется много тяжелых ионов. Следовательно, изменение ионизационного режима является чувствительным показателем чистоты воздушной среды в жилых и общественных помещениях. В настоящее время доказано многостороннее действие аэрон нов на организм. Физиологический механизм действия ионизированного воздуха объясняется электрообменом в легочной ткани и нейрорефлекторными реакциями на раздражение аэроионами рецепторов кожи и слизистых оболочек.

Под действием высоких концентраций отрицательных легких ионов (до 100000 в 1 см³ воздуха) у людей происходят благоприятные изменения в газовом и минеральном обмене, стимулируются обменные процессы, ускоряется заживление ран. В настоящее время искусственная отрицательная ионизация воздуха используется для лечения гипертонической болезни, бронхиальной астмы, аллергических реакций. Положительные ионы оказывают угнетающее действие на человека, вызывая состояние сонливости, депрессию, снижают работоспособность. Легкие ионы являются показателями санитарного благополучия воздушной среды. Имеется опыт использования искусственных ионизаторов воздуха для создания благоприятного ионизационного режима в жилых и общественных зданиях. Широкое использование таких приборов на практике сдерживается отсутствием эффективных и простых методов контроля за ионизацией воздуха.

Одним из элементов электрического состояния воздушной среды является электрическое поле Земли. Атмосфера представляет собой положительный полюс. Напряженность электрического поля атмосферы измеряется потенциалом в вольтах на 1 м высоты, у поверхности земли она составляет 130 В/м. Разность напряжения между головой и ногами стоящего человека составляет около 250 В. Так как земля заряжена отрицательно, положительные ионы движутся к земной поверхности, отрицательные отталкиваются от нее. Таким образом в атмосфере образуется направленный по вертикали к земле ток. При градиенте потенциала 100 В/м сила этого тока составляет 2,2- 10~^|6А/см². Напряженность электрического поля атмосферы различна по сезонам года. В средних широтах она выше зимой. Например, зимой напряженность электрического поля составляет 260 В/м, летом 100 В/м. Погода (дождь, снег, туман) влияет на величину электрического поля атмосферы; с повышением атмосферного давления, появлением туманов электрическое поле атмосферы увеличивается в 2-5 раз. Особенно сильные изменения электрического поля атмосферы происходят во время грозы. Нередко в течение 1—2 ч градиент потенциала достигает огромных величин, причем величина поля может менять и свой знак, достигая значений от -2000 до +1800 В/м.

Биологическое действие электрического поля атмосферы изучено недостаточно. Имеются сведения о его влиянии на минеральный обмен между почвой и растениями. Установлено, что атмосферное электричество воздействует на организм и участвует в развитии метеотропных реакций при резком изменении погоды.

90 * ГИГИЕНА <- Глава 4

Вклад в электрическое состояние атмосферы вносит радиоактивность воздушной среды. Радиоактивность воздушной среды обусловлена присутствием в ней радиоактивных газов и веществ естественного и искусственного происхождения. Естественный радиоактивный фон создается за счет космического излучения и излучений от естественных радиоактивных веществ, находящихся в почве, воде и атмосфере. Благодаря постоянному круговороту веществ в природе человек вместе с пищей, водой и воздухом получает все естественные радиоактивные элементы. Ткани организма содержат ничтожно малые количества этих элементов.

Радиоактивные газы (радон, актинон, торон) являются продуктами распада естественных радиоактивных элементов (радия, актиния и тория), содержащихся в земных породах. Выход радиоактивных газов из почвы определяется условиями газообмена между почвенным воздухом и атмосферой. С увеличением барометрического давления и влажности воздуха выход газов из почвы уменьшается. С повышением температуры воздуха и усилением вертикальных конвекционных токов выход радиоактивных газов из почвы увеличивается. В связи с этим величина естественной радиоактивности воздуха колеблется в зависимости от времени года и местности. Зимой радиоактивность атмосферы меньше, чем летом. Наибольшая радиоактивность воздуха отмечается у поверхности земли, с поднятием на высоту она убывает.

Помимо радона, торона и актинона и продуктов их распада, в атмосферном воздухе находятся другие естественные инертные радиоактивные газы, которые образуются в результате бомбардировки атомов азота, водорода и кислорода частицами космического излучения. В атмосферном воздухе есть также ничтожное количество рассеянных естественных радиоактивных веществ (уран, радий, калий-40), поступающих в воздух с конвекционными токами в результате выветривания горных пород.

Из мирового пространства на поверхность земли приходит космическое излучение, которое образуется в ядерных процессах на поверхностях звезд и туманностей. Космическое излучение состоит из ядер легких атомов, несущих большую энергию в результате многочисленных ускорений в межзвездном пространстве. Естественная радиоактивность и космическое излучение являются природным фактором окружающей среды.

В литературе имеются сведения о действии естественных радиоактивных элементов на биологические объекты. Космическое излучение влияет на частоту мутаций и интенсивность клеточного деления. Некоторые растения резко отстают в росте при отсутствии в почве естественных радиоактивных элементов — урана, радия. При добавлении в почву минимальных количеств урана, особенно в период цветения, возрастает урожайность, в корнеплодах увеличивается количество углеводов. На земле есть области с более высоким уровнем естественной радиоактивности из-за залегания в почве повышенного количества естественных радиоактивных пород. Очевидно, доза как внешнего, так и внутреннего облучения за счет естественной радиоактивности не оказывает вредного влияния на организм и является постоянно действующим фактором окружающей среды. Как указывалось выше, радиоактивность окружающей среды определяется не только естественными радиоактивными элементами, но и радиоактивными веществами искусственного происхождения, появив-

Гигиена воздушной среды * 91

шимися в результате загрязнения среды при взрывах ядерных устройств и в связи с развитием атомной энергетики, использованием радиоактивных веществ в науке и на производстве. Наиболее мощные источники загрязнения воздушного океана планеты — взрывы атомных устройств и крупные аварии на атомных электростанциях. При этом образуется большое количество радиоактивных веществ с различным периодом полураспада- Короткоживущие радионуклиды с периодом полураспада до нескольких дней менее опасны как загрязнители окружающей среды. Согласно экспоненциальному закону радиоактивного распада, через 10 периодов полураспада они практически прекращают свое существование. Наибольшую опасность представляют долгожи-вущие радионуклиды — стронций-90 и цезий-137, период полураспада которых составляет соответственно 29 лет и 33 года. По физико-химическим свойствам стронций-90 подобен кальцию, цезий-137 — калию. В круговороте веществ в природе и в обменных процессах в организме они участвуют наравне со стабильными элементами — кальцием и калием. Стронций-90, попадая ворганизм, депонируется в костях, а цезий-137 равномерно распределяется по органам, что обеспечивает внутреннее облучение организма на долгие годы. При гигиенической оценке радиоактивного загрязнения окружающей среды имеет значение ряд условий: высота и мощность выбросов продуктов ядерного деления, направление и скорость ветра, дисперсный состав радиоактивной пыли, погодные условия в момент выброса — туман, осадки, струйные течения воздуха. В силу этих условий из атмосферного воздуха происходят выпадения радиоактивных веществ на почву, где происходят дальнейшие процессы миграции. Часть радиоактивных веществ поглощается верхними слоями почвы, остальная часть проникает в более глубокие слои почвы с атмосферными осадками и при обработке почвы и может достигать грунтовых вод. Выпадение радиоактивной пыли из воздуха приводит к загрязнению открытых водоемов, растительности, сельскохозяйственных угодий. Загрязнение почвы и воды способствует накоплению радиоактивных веществ в наземных и водных растениях, в кормах для животных, а следовательно, в их организме. При этом концентрация радиоактивных веществ в растениях, теле животных, рыб, обитателей водоемов во много раз превышает таковую в воздухе, почве и воде, что связано со способностью биологических объектов аккумулировать в своих структурах те или иные радиоактивные вещества. Следовательно, радиоактивные вещества попадают к человеку в основном через пищевые цепи. Число звеньев такой цепи может быть различным, например атмосфера-вода-человек; атмосфера-вода, водоемы-рыба—человек; атмосфера—почва-растения-домашние животные-молоко—мясо-человек. При гигиенической оценке радиоактивной загрязненности окружающей среды необходимо определять концентрации радиоактивных веществ не только в воздухе и почве, но и в воде водоемов, в продуктах питания животного и растительного происхождения. Современная искусственная радиоактивная зафязненность окружающей среды, как правило, не грозит населению соматическими повреждениями. Однако существует потенциальная опасность возрастания такого загрязнения, особенно в связи с возможными авариями на атомных электростанциях, при испытании и производстве атомного оружия. Договор о запрещении испытания ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой

92 * ГИГИЕНА о Глава 4

(1963) не только имеет политическое значение, но и является серьезной программой охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения. В этом же направлении действуют международные соглашения по контролю за работой АЭС, оповещению в случае аварии и международной помощи в ликвидации последствий таких аварий. Эффективность международного сотрудничества была подтверждена в совместной работе по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС в апреле-мае 1986 г. Большое значение имеет разработка ПДУ облучения населения, ПДК радиоактивных веществ в воде, почве, воздухе, продуктах питания, способов контроля за радиоактивными отходами и радиоактивным загрязнением окружающей среды.

Разрабатываются методы медицинского контроля за здоровьем населения, прогнозирования возможного ущерба здоровью населения и его поколению, широкой профилактики неблагоприятного действия радиоактивных веществ и их излучений на здоровье людей. Этими проблемами занимается самостоятельная гигиеническая наука — радиационная гигиена.