Человеческий организм достаточно хорошо приспособлен к разнообразным, но вполне определённым условиям среды обитания на земной поверхности. Однако полёты в земной атмосфере на воздушных шарах, начавшиеся в 1783 г., показали, что подъём на высоту может быть опасным для жизни. Человеку для совершения таких полётов необходимы специальные защитные средства. Для создания соответствующих эффективных средств потребовалось изучение особенностей условий полёта и способностей человека к преодолению воздействия неблагоприятных факторов.
Основные свойства земной атмосферы
Воздушная оболочка, образующая атмосферу Земли, по данным последних исследований, простирается до высот 2 .3 тыс. км [2]. Теоретическая граница атмосферы – граница удерживания земным притяжением газовых частиц – лежит на высоте 28 тыс. км над полюсами и 42 тыс. км над экватором. Масса земной атмосферы составляет одну миллионную долю массы Земли и оценивается в 5,27·1018 кг. В нижнем слое атмосферы высотой 5,5 км сосредоточена половина всей её массы, а в нижнем слое высотой 20 км – 94 %.
Земная атмосфера в основном состоит (без учёта водяных паров) из азота (78,09 % по объёму), кислорода (20,95 %), аргона (0,93 %) и углекислого газа (0,03 %). Такой состав сохраняется неизменным до высот 80 .100 км, в связи с чем данный слой называют гомосферой. Выше располагается гетеросфера – слой, где состав воздуха изменяется с изменением высоты. Под действием космического излучения молекулы компонентов воздуха разрушаются, и вещества переходят в атомарную и ионизированную форму. На высотах до 800 км главным газовым компонентом является атомарный кислород, а на высотах более 900 км преобладающими становятся водород и гелий, после чего земная атмосфера постепенно переходит в межпланетный газ.
Наличие водяных паров в самых нижних слоях атмосферы может быть весьма заметным. Во влажных тропиках водяной пар теоретически может занимать около 10 % объёма воздуха, соответственно тесня все остальные газовые компоненты. Решающим фактором, определяющим содержание водяного пара в воздухе, является сильная зависимость насыщающего влагосодержания от температуры. При +45 °С в воздухе может находиться в парообразном состоянии 65 г/м3 воды, при 0 °С – около 5 г/м3, при -50 °С – только 0,05 г/м3. Учитывая, что в нижних слоях атмосферы её температура быстро понижается с увеличением высоты (градиент равен -6,5 °С/км), можно легко объяснить факт присутствия в атмосфере водяных паров (в том числе и в виде облаков) лишь на малых высотах.
Следует отметить наличие в атмосфере озона – аллотропного видоизменения кислорода, отличающегося от обычной формы наличием трёх атомов в молекуле и образующегося из кислорода под действием коротковолновой ультрафиолетовой части спектра излучения Солнца на высотах 20 .60 км. Распределение озона в атмосфере неравномерно, оно зависит от географической широты и, кроме того, имеет четко выраженные сезонные и суточные изменения. В средних широтах максимум концентрации озона наблюдается на высотах 19 .21 км и составляет примерно 2,5·10-4 мг/л.
Озон весьма токсичен для человеческого организма: его предельно допустимая концентрация составляет 2·10-4 мг/л, что соответствует, например, предельно допустимой концентрации для отравляющего вещества фосгена. Отметим, что на высотах 19 .21 км концентрация озона в атмосфере превосходит предельно допустимую ещё до сжатия воздуха (в 7 .14 раз), необходимого для создания в кабине летательного аппарата требуемого давления. Следовательно, при полёте на этих высотах требуется защита человека от токсичного воздействия озона. Кроме того, под действием озона обесцвечиваются некоторые красители, а резиновые изделия разрушаются, рассыпаясь в порошок, при контакте в течение 2 .4 ч с озоном с концентрацией 0,02 .0,03 мг/л.
Экспериментально полученный график изменения температуры воздуха по высоте в атмосфере представлен на рис. 1. Следует отметить, что показанная на графике высокая температура воздуха на больших высотах (до 1000 К) отражает только высокую скорость движения микрочастиц воздуха на этих высотах (температура является мерой кинетической энергии атомов и молекул вещества) и не вызывает заметного нагрева поверхности летательных аппаратов из-за большой разрежённости газа. Более важными для авиации являются закономерности поведения температуры воздуха на малых и средних высотах.