Введение        

Роль углекислого газа, как составной части атмосферного воздуха        

Проблема СО2 в школах        

Что нужно знать об углекислом газе        

Методика исследования        

Измерение содержания углекислого газа в различных помещениях школы        

Заключение        

Список литературы        

Введение

Современный человек почти 90% времени находится в помещении. Малышей мамы отправляют в детский сад, где группы часто бывают переполнены, школьники и студенты сидят в классах по 40 человек и больше, а взрослые проводят на рабочих местах гораздо дольше положенных восьми часов в день. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода». Это неверно — кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа. Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно?

Очень важно то, каким воздухом дышит ребенок во время своего развития, ведь организм ребенка более подвержен негативному влиянию отравляющих веществ. За последние два десятилетия в развитых европейских странах количество аллергических и астматических заболеваний удвоилось. В 2004 году была высказана гипотеза о том, что основной причиной увеличения заболеваний является негативное воздействие загрязненного воздуха и повышенного уровня углекислого газа во внутренних помещениях. Исследования, проведенные в рамках ЕЭС, подтвердили эту гипотезу. Углекислый газ в школьном классе повышает заболеваемость и снижает успеваемость учащихся.

Без углекислого газа, как и без кислорода, жизнь человека невозможна. Углекислота стимулирует защитные системы нашего организма, помогая справляться с физическими и интеллектуальными нагрузками. Но только в определенных дозах. Когда же наступает момент, при котором углекислый газ начинает нас медленно убивать? Выяснено, что даже в низких концентрациях углекислый газ в помещении становится токсичным, поскольку воздействует на клеточную мембрану и в крови человека происходят биохимические изменения, такие, как ацидоз (изменение кислотно-щелочного равновесия в организме). Длительный ацидоз в свою очередь приводит к заболеванию сердечнососудистой системы, прибавлению в весе, снижению иммунитета, заболеванию почек, появление суставных и головных болей, к общей слабости. Высокое содержание углекислого газа в помещении может являться причиной головной боли, воспаления глаз, проблем с носоглоткой, негативно влиять на респираторную систему и вызывать общее чувство усталости.

Цель нашей работы: определить содержание углекислого газа в школьных помещениях.

Задачи:

1. Выяснить роль углекислого газа, как составную часть атмосферного воздуха.
2. Измерить содержание углекислого газа в различных помещениях школы.
3. Проанализировать количественные показатели содержания углекислого газа в урочное и неурочное время.

Роль углекислого газа, как составной части атмосферного воздуха

Чистый атмосферный воздух у поверхности Земли имеет следующий химический состав: азот – 78,1%, кислород – 20,93%, углекислота – 0,03–0,04%, аргон, гелий, криптон и др. – около 1%. Содержание указанных частей в чистом воздухе постоянно. Изменения происходят чаще всего за счет ее загрязнения различными выбросами промышленных и сельскохозяйственных предприятий, выхлопными газами автотранспорта. В жилых помещениях изменения вызваны, прежде всего, газообразными продуктами жизнедеятельности людей и некоторыми бытовыми устройствами (газовые плиты). Так, в выдыхаемом человеком воздухе кислорода содержится на 25 % меньше, чем во вдыхаемом, а углекислого газа – в 100 раз больше.

Предметом наших исследований является двуокись углерода. Двуокись углерода (или углекислый газ) образуется в результате окислительно-восстановительных процессов, протекающих в организме людей и животных, горения топлива, гниения органических веществ.

Количество углекислого газа в атмосфере колеблется. В чистом загородном воздухе 380-400 ppm углекислого газа, т.е. 0,038-0,04%. Эти концентрации оптимальны для дыхания человека. Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50 лет увеличилось на 20% и постоянно продолжает расти — особенно в крупных городах за счет выхлопов автомобилей и промышленных выбросов. В воздухе городов концентрация углекислого газа увеличивается до 0,045%, в жилых и общественных зданиях (при плохой вентиляции) – до 0,6–0,8%.

В закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Замеры показывают, что, даже когда в школьном классе уровень СО2 достигает 1000 ppm (0,1%), содержание кислорода практически не меняется. Конечно, увеличение углекислого газа зависит от количества людей в этом помещении, от их веса и того, что они при этом делают. Взрослый человек в покое выделяет в среднем 22 л углекислоты в час, а при физической работе — в 2–3 раза больше.

Таблица 1. Количество выдыхаемого углекислого газа при различных видах деятельности.

Исследователи знают, что существует связь между концентрацией СО2 и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 0,08%, т.е. 800 ppm.

Признаки ухудшения самочувствия у человека появляются только при продолжительном вдыхании воздуха, содержащего 1,0–1,5% углекислого газа, выраженные функциональные изменения – при концентрации 2,0–2,5% и резко выраженные симптомы (головная боль, общая слабость, одышка, сердцебиение, понижение работоспособности) – при 3–4%.

Гигиеническое значение углекислого газа заключается в том, что он служит косвенным показателем общего загрязнения воздушной среды помещений. Параллельно с увеличением его содержания повышаются температура, относительная влажность, запыленность воздуха, изменяется его ионный состав, главным образом за счет увеличения положительных ионов.

Гигиенической нормой содержания углекислого газа в воздухе жилых и служебных помещений, спортивных залов считается концентрация 0,1%.

Проблема СО2 в школах

Ученые ЕС проверили самочувствие школьников в помещении с концентрацией углекислоты  >1000 ррm, или 0,1% (таких классов на Западе почти две трети, причем во вполне благополучных странах — в Швеции, Норвегии, Дании и Франции). В медико-биологических тестах оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников в возрасте от 9 до 10 лет. Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СO2, в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом.

Корейские ученые также исследовали влияние СO2 на астматиков. Выборка — 181 ребенок моложе 14 лет из 110 домов и квартир Сеула. В помещениях замеряли уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха: СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СO2. Ученые сделали вывод, что только повышенные концентрации СO2 учащали приступы астмы у детей. Кстати, респираторные инфекции и астма считаются основными заболеваниями школьников.

Если мы вспомним первичные признаки ацидоза, то поймем, почему вялые и сонливые школьники плохо воспринимают новый материал.

В 2006 году вышла книга «Климат, качество атмосферного воздуха и здоровье москвичей» в которой приведены данные исследований о росте заболеваемости органов дыхания у детей и взрослых в результате влияния загрязнения атмосферного воздуха. Особый интерес представляет работа «Психофизические показатели как критерий оценки экологической безопасности места проживания», выполненная Институтом биохимической физики им. Н.М.Эмануэля РАН под руководством Н.И.Хорсевой. В этой работе, в частности говорится о том, что в России медики давно констатируют факт снижения здоровья детского населения и что сформировались устойчивые негативные тенденции – рост распространенности факторов риска, формирования нарушения здоровья и развития, увеличение заболеваемости детей. В исследовании приняли участие 3,5 тысяч детей, проживающих в различных районах Москвы, городах Химки и Сходня Московской области. Исследования проводились на основе компьютерной диагностики психофизиологических показателей[1].

Согласно исследованиям, у учащихся двух школ, которые находились далеко от промышленной зоны, но близко к автомагистралям (МКАД и Ленинградское шоссе), были отмечены показатели утомляемости и скорости зрительного различения хуже, чем у школьников, проживающих в промышленной зоне. Можно только сожалеть, что во время упомянутых исследований в школьных помещениях не производились замеры уровня углекислого газа, хотя в том, что в уровень СО2 в школах, находящихся в непосредственной близости от автомагистралей, высокий – нет никаких сомнений. А значит рекомендованные СНиПом сквозные проветривания в таких школах, не могут снизить уровень углекислого газа в помещениях классов до нормального. Доктор медицинских наук Борис Ревич считает, что в российских классах трудно дышать еще и из-за пластиковых окон, которые устанавливают при ремонте школ. Комната, закрытая пластиком, превращается в закупоренную камеру, и углекислый газ в таких условиях может превышать нормативы во много раз[1].

По итогам Всероссийской диспансеризации 2002 года в докладе о состоянии здоровья детей в Российской Федерации также было отмечено, что в структуре заболеваемости детей доминируют болезни органов дыхания.

Проблема повышенного уровня СO2 характерна и для детских садов, причем особенно для спален.

Что нужно знать об углекислом газе

В школьных классах

Особое внимание следует уделить качеству воздуха, которым дышат дети в классах. Концентрация углекислого газа в воздухе классной комнаты может увеличиться в несколько раз к концу занятия.

У детей, обучающихся в классах с высокой концентрацией углекислого газа, часто наблюдается тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит, эти дети имеют ослабленную носоглотку.

Рост концентрации углекислого газа в помещении приводит к возникновению приступов астмы у детей-астматиков.

Из-за повышения концентрации углекислого газа в школах и высших учебных заведениях увеличивается число пропусков уроков учащимися по болезни. Респираторные инфекции и астма являются основными заболеваниями в таких школах.

Повышение концентрации углекислого газа в классе негативно влияет на результаты учебы детей, снижает их работоспособность.

Таблица 2. Негативные физиологические проявления при различных уровнях концентрации углекислого газа.

Наиболее подвержены негативному влиянию углекислого газа в помещении дети, страдающие аллергией, астмой и другими заболеваниями дыхательных путей.

В спортзале

При физической деятельности в плохо проветриваемом помещении ребенок прежде всего почувствует гиперкапнию, чем гипоксию (нехватку кислорода). Гиперкапния – состояние организма, вызванное повышением парциального давления углекислого газа в артериальной крови. Длительная гиперкапния характеризуется расширением сосудов миокарда и головного мозга, что может привести к росту кислотности крови, вторичному спазму кровеносных сосудов, замедлению сердечных сокращений, различным болезненным состояниям. При наступлении гиперкапнии отмечается появление испарины, головная боль, головокружение и одышка, что, как правило, объясняется физическим утомлением и воспринимается, чуть ли не как доказательство двигательной активности.

Методика исследования

Экспресс-метод определения углекислого газа в воздухе. Содержание углекислого газа в воздухе служит косвенным показателем его чистоты. Для выполнения работы требуется: медицинский шприц на 100–150 мл; химический стакан, вместимостью 50–100 мл; 0,005% раствор карбоната натрия, для приготовления которого 1 г химически чистого безводного карбоната натрия растворяют в 200 мл свежеприготовленной дистиллированной воде, а затем добавляют 0,5 мл 1%-го раствора фенолфталеина. Этот раствор хранят в хорошо закупоренном флаконе, непосредственно перед исследованием из него готовят рабочий раствор, для чего 1 мл его помещают в мерную колбу на 100 мл, доводят объем дистиллированной водой до метки и перемешивают. При определении двуокиси углерода в шприц набирают 20 мл рабочего раствора карбоната натрия, затем оттягивают поршень и засасывают исследуемый воздух. После этого шприц встряхивают в течение одной минуты. Если раствор остается розовым, то воздух выталкивают из шприца, набирают новую порцию воздуха и опять встряхивают одну минуту. Новые порции воздуха продолжают добавлять до обесцвечивания раствора. Обычно эту операцию повторяют три–четыре раза, а затем воздух добавляют уже небольшими порциями (10–20 мл), каждый раз встряхивая шприц в течение 1 мин, до обесцвечивания. Если раствор обесцвечивается менее чем за 1 мин, то опыт повторяют с меньшим количеством воздуха. Ход реакции: Na2CO3+H2O+CO2→2NaHCO3.

Учитывая объем исследуемого воздуха, потребовавшийся для обесцвечивания раствора карбоната натрия, определяют по специальной таблице содержание двуокиси углерода в воздухе[3].

Таблица 3. Зависимость содержания углекислого газа (%) в воздухе от объема воздуха, обесцвечивающего 20 мл 0,005%-ного раствора соды.

Измерение содержания углекислого газа в различных помещениях школы

Мы измерили концентрацию углекислого газа в следующих помещениях: рекреация (1 этаж), рекреация (2 этаж), кабинет биологии, кабинет начальных классов, спортзал.

Измерения проводились в течение недели с понедельника (31 октября) по воскресенье (6 ноября). Временной промежуток был выбран нами не случайно, так как конец недели (с 3 ноября) попадал на каникулярные дни, и хотелось увидеть, как изменяется содержание углекислого газа между длительными промежутками времени учебных и неучебных дней.

Таблица 4. Концентрация углекислого газа (%) в школьных помещениях в течение недели.

На диаграммах видна динамика изменения содержания углекислого газа в различных школьных помещениях.

Анализ позволяет сделать несколько очевидных выводов. Во-первых, концентрация углекислого газа во всех школьных помещениях в течение всей недели, включая и неучебные дни, выше нормы. Причем в выходные дни она примерно в 1,4 раза больше, а максимум достигается в середине недели, что в 4,1 раза больше нормы.

Диаграмма 1. Содержание углекислого газа.

Во-вторых, наибольшее содержание углекислого газа в учебные дни наблюдается в помещениях, в которых происходит образовательный процесс. В них дети проводят большую часть времени.

Диаграмма 2. Изменение концентрации углекислого газа в кабинете биологии.

Диаграмма 3. Изменение концентрации углекислого газа в кабинете начальных классов.

В-третьих, пик концентрации углекислоты наблюдается в школьном спортзале, что очевидно связано с большой двигательной активностью учащихся.

Диаграмма 4. Изменение концентрации углекислого газа в спортзале.

В то же время наименьшая концентрация, в течение учебных дней, выявлена в помещениях, где образовательный процесс не ведется – это зоны отдыха на 1-2 этажах. Связано это конечно с тем, что такие помещения обязаны быть проветриваемыми во время уроков. И немаловажную роль в чистоте воздуха, конечно, играют растения. Но все-таки, концентрация и в рекреациях в 1,8-3 раза выше нормы.

Диаграмма 5. Изменение концентрации углекислого газа в рекреации (1 этаж).

Диаграмма 6. Изменение концентрации углекислого газа в рекреации (2 этаж).

Очевидно, что резкого изменения содержания углекислого газа между учебными и неучебными днями нет, она плавно увеличивается к середине недели и плавно уменьшается к концу.

Вывод: школьные помещения не проветриваются должным образом, что отрицательно сказывается на самочувствии учеников и учителей.

Заключение

Как же можно решить эту проблему? Во-первых, это длительное проветривание всех помещений. Кратковременное проветривание слабоэффективно и практически не уменьшает содержание углекислого газа в воздухе.

Во-вторых, с помощью комнатных растений. Но поглощение ими избыточной углекислоты из воздуха происходит только на свету.

В-третьих, углекислый газ можно удалять из воздуха помещения специальными приборами. Эти приборы называются абсорберами (поглотителями) углекислого газа[2]. В основе действия абсорбера углекислого газа заложен принцип захвата молекул СО2 специальным веществом.

В-четвертых, следует избегать установки пластиковых окон, это лишает помещение естественной вентиляции. В этом случае углекислый газ может накапливаться.

В-пятых, уровень углекислого газа необходимо контролировать как в атмосфере, так и в воздухе помещений, особенно это касается детских садов, школ, высших учебных заведений, во всех местах, где подолгу находятся большие группы людей.

Когда уровень CO2 в воздухе помещения поднимается выше определенной величины, человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Этот предел индивидуален для каждого человека, в зависимости от пола, возраста и состояния здоровья. Углекислый газ не обладает цветом, запахом, его негативное влияние постепенное и сказывается проявлением различных заболеваний. Необходимо внедрение в широкое пользование бытовых мониторов СО2, измерительных приборов, замеряющих уровень углекислого газа в помещениях. Только так может появиться возможность узнать, насколько вентиляция эффективно удаляет углекислый газ, или же пришла пора проветрить помещение.

Список литературы

1. И.В.Гурина. Безопасный уровень углекислого газа требует ревизии. Журнал «Экологический Вестник России» (№10, 2008).
2. Е.О.Шилькрот, Ю.Д.Губернский. Сколько воздуха нужно человеку для комфорта? Журнал «АВОК» (№4, 2008).
3. Биология. Дополнительные материалы к урокам и внеклассным мероприятиям по биологии и экологии в 10-11 классах / авт.-сост. М.М.Боднарук, Н.В.Ковылина. – 2-е изд., стереотип. – Волгоград: Учитель, 2008 г.
4. http://www.enontek.ru.