हवा: गुणधर्म आणि प्रदूषण

हवा हे आपल्या सभोवताली असणारे विविध वायूंचे नैसर्गिक मिश्रण आहे. पृथ्वीच्या पृष्ठभागापासून शेकडो किलोमीटर उंचीपर्यंत हवेचे आवरण पसरलेले आहे, ज्याला आपण वातावरण असे म्हणतो. सजीवांना श्वसनासाठी लागणारा ऑक्सिजन मिळवून देणे, पृथ्वीवरील तापमानाचे नियंत्रण करणे आणि जलचक्राचे नियमन करणे यांसारखी अत्यंत महत्त्वाची कार्ये हवेच्या माध्यमातून पार पडतात. स्पर्धा परीक्षांच्या दृष्टीने हवेचे घटक, तिचे भौतिक गुणधर्म आणि सद्यस्थितीत निर्माण झालेली हवा प्रदूषणाची समस्या या संकल्पना अत्यंत महत्त्वाच्या आहेत. या संपूर्ण घटकाचा सखोल अभ्यास आपण या लेखामध्ये करणार आहोत.

हवेचे घटक (Composition of Air)

हवा हा एकच एक पदार्थ नसून ते अनेक वायू आणि धुलीकण यांचे एक एकसंध मिश्रण आहे. हवेमध्ये वेगवेगळ्या वायूंचे प्रमाण ठराविक असते. वातावरणामध्ये प्रामुख्याने आढळणाऱ्या वायूंचे शेकडा प्रमाण खालीलप्रमाणे आहे.

नायट्रोजन (Nitrogen): हवेमध्ये नायट्रोजन वायूचे प्रमाण सर्वाधिक म्हणजेच तब्बल 78% असते. सजीवांना आवश्यक असणारी प्रथिने तयार करण्यासाठी नायट्रोजनची अप्रत्यक्ष मदत होते. हा वायू स्वतः जळत नाही आणि दुसऱ्याला जळण्यास मदतही करत नाही, त्यामुळे तो ज्वलनाचा वेग नियंत्रित ठेवण्याचे महत्त्वाचे कार्य करतो.
ऑक्सिजन (Oxygen): हवेमध्ये ऑक्सिजनचे प्रमाण साधारणपणे 21% असते. सर्व सजीवांना श्वसनासाठी (Respiration) ऑक्सिजनची अत्यंत आवश्यकता असते. याव्यतिरिक्त कोणतीही गोष्ट जळण्यासाठी म्हणजेच ज्वलनासाठी (Combustion) ऑक्सिजन हा साहाय्यक वायू म्हणून कार्य करतो. ऑक्सिजनशिवाय ज्वलन क्रिया शक्य नाही.
अर्गॉन (Argon): हा एक निष्क्रिय म्हणजेच राजवायू (Noble Gas) असून हवेत त्याचे प्रमाण साधारणपणे 0.9% असते. विजेच्या बल्बमध्ये या वायूचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो, कारण तो फिलामेंटचे ऑक्सिडीकरण होऊ देत नाही.
कार्बन डायऑक्साइड (Carbon Dioxide): हवेत याचे प्रमाण जरी केवळ 0.03% असले, तरी पृथ्वीवरील सजीव सृष्टीसाठी हा वायू अतिशय महत्त्वाचा आहे. वनस्पती स्वतःचे अन्न तयार करण्यासाठी म्हणजेच प्रकाशसंश्लेषण (Photosynthesis) प्रक्रियेसाठी हवेतील कार्बन डायऑक्साइड शोषून घेतात. तसेच पृथ्वीवरील उष्णता धरून ठेवण्याचे कार्यही हा वायू करतो.
इतर घटक: या प्रमुख वायूंसोबतच हवेमध्ये बाष्प (Water Vapor), ओझोन, हेलियम, निऑन, क्रिप्टॉन, झेनॉन हे वायू आणि अतिसूक्ष्म धुलीकण देखील अल्प प्रमाणात आढळतात. हवेतील बाष्पाच्या प्रमाणामुळेच हवेचा दमटपणा किंवा कोरडेपणा ठरत असतो.

हवेचे भौतिक गुणधर्म (Physical Properties of Air)

हवा आपल्याला डोळ्यांनी दिसत नाही, परंतु आपण तिचा स्पर्श अनुभवू शकतो. विज्ञान विषयांतर्गत हवेच्या विविध भौतिक गुणधर्मांवर आधारित अनेक उपयोजनात्मक प्रश्न परीक्षेत विचारले जातात. हवेचे प्रमुख भौतिक गुणधर्म खालीलप्रमाणे स्पष्ट करता येतील.

1. हवा जागा व्यापते (Air Occupies Space)

हवाला स्वतःचा आकार नसतो, परंतु ज्या वस्तूमध्ये ती भरली जाते, त्या वस्तूचा आकार ती धारण करते. हवा जागा व्यापते हे समजून घेण्यासाठी आपण एक साधे उदाहरण पाहू शकतो. एक रिकामी प्लास्टिकची बाटली जर आपण पाण्याने भरलेल्या बादलीत उभी उलटी दाबण्याचा प्रयत्न केला, तर पाणी बाटलीत शिरत नाही. याचे कारण असे की बाटली पूर्णपणे रिकामी नसून तीमध्ये आधीपासूनच हवा उपस्थित असते. जेव्हा आपण बाटली थोडी तिरपी करतो, तेव्हा हवेचे बुडबुडे बाहेर पडतात आणि रिकाम्या झालेल्या जागेत पाणी शिरू लागते. यावरून सिद्ध होते की हवा जागा व्यापते.

2. हवेला वजन आणि वस्तुमान असते (Air Has Weight and Mass)

हवा हे द्रव्याचे (Matter) वायू रूप असल्यामुळे तिला स्वतःचे निश्चित वस्तुमान आणि वजन असते. जर आपण एका काठीच्या दोन्ही टोकांना दोन सारखे फुगे बांधले आणि काठी मध्यभागी संतुलित केली, तर ती सरळ राहते. आता जर आपण त्यातील एका फुग्यामध्ये हवा भरली आणि तो पुन्हा तिथेच बांधला, तर हवा भरलेल्या फुग्याची बाजू खाली झुकते. या प्रयोगावरून हे स्पष्ट होते की हवेला वजन असते.

3. हवेचा दाब (Atmospheric Pressure)

हवेला वजन असल्यामुळे ती पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर आणि तिच्या संपर्कात येणाऱ्या प्रत्येक वस्तूवर विशिष्ट दाब निर्माण करते. या दाबालाच आपण वातावरणीय दाब (Atmospheric Pressure) असे म्हणतो.

बॅरोमीटर (Barometer): वातावरणीय दाब मोजण्यासाठी बॅरोमीटर या यंत्राचा वापर केला जातो. समुद्रसपाटीला हा दाब सर्वात जास्त असतो.
उंचीनुसार दाबातील बदल: जसे जसे आपण समुद्रसपाटीपासून वर उंच डोंगरावर किंवा वातावरणात वर जातो, तशी तशी हवा विरळ होत जाते. हवा विरळ झाल्यामुळे हवेचा दाब देखील उंचीनुसार कमी कमी होत जातो.

4. हवेचा दाब सर्व दिशांना सारखा असतो

हवेचा दाब केवळ खालच्या दिशेने नसून तो सर्व दिशांना सारखा कार्यरत असतो. जेव्हा आपण एखाद्या पेल्यामध्ये संपूर्ण पाणी भरून त्यावर एक कडक पुठ्ठा ठेवतो आणि पेला उलटा करतो, तेव्हा पुठ्ठा खाली पडत नाही आणि पाणीही सांडत नाही. याचे कारण असे की पुठ्ठ्यावर खालच्या बाजूने वरच्या दिशेने हवेचा दाब कार्य करत असतो, जो पानाच्या वजनापेक्षा जास्त असतो.

5. हवेचे प्रसरण आणि आकुंचन (Expansion and Contraction)

हवेला उष्णता दिली असता तिचे प्रसरण होते (ती पसरते) आणि ती हलकी होते. याउलट हवा थंड केली असता तिचे आकुंचन होते आणि ती जड होते.

उपयोजन: गरम झालेली हवा हलकी होऊन वरच्या दिशेने प्रवाहित होते. घरात शेगडी किंवा स्वयंपाकाचा धूर वर जाण्यासाठी छताजवळ व्हेंटिलेटर किंवा खिडक्या ठेवल्या जातात, याचे वैज्ञानिक कारण हेच आहे. तसेच, हवेच्या या गुणधर्मामुळेच हवेचे प्रवाह म्हणजेच वारे निर्माण होतात.

हवा प्रदूषण: कारणे, परिणाम व उपाय (Air Pollution)

नैसर्गिक किंवा मानवनिर्मित कारणांमुळे हवेच्या नैसर्गिक घटकांमध्ये बदल होऊन जेव्हा हवेमध्ये घातक, विषारी आणि अनिष्ट पदार्थांचे मिश्रण होते, तेव्हा त्या स्थितीला 'हवा प्रदूषण' असे म्हणतात. हवा प्रदूषणामुळे सजीवांच्या आरोग्याला आणि संपूर्ण पर्यावरणाला मोठा धोका निर्माण झाला आहे.

हवा प्रदूषणाची कारणे

हवा प्रदूषणाचे वर्गीकरण प्रामुख्याने दोन भागांत केले जाते:

अ) नैसर्गिक कारणे (Natural Causes)

ज्वालामुखीचा उद्रेक (Volcanic Eruption): ज्वालामुखीच्या उद्रेकातून मोठ्या प्रमाणावर हायड्रोजन सल्फाईड, सल्फर डायऑक्साइड, कार्बन डायऑक्साइड, अमोनियम क्लोराईड हे वायू आणि प्रचंड धूळ हवेत मिसळते.
वणवे (Forest Fires): जंगलांना अचानक लागणाऱ्या वणव्यांमुळे कार्बन मोनॉक्साइड, कार्बन डायऑक्साइड आणि धुराचे लोट हवेत मिसळतात, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणावर प्रदूषण होते.
धूळ वादळे (Dust Storms): वाळवंटी किंवा कोरड्या भागात येणाऱ्या मोठ्या वादळांमुळे जमिनीवरील माती आणि धुलीकण हवेत उंचापर्यंत पसरतात.

ब) मानवनिर्मित कारणे (Man-made Causes)

इंधनाचे ज्वलन (Combustion of Fuels): दगडी कोळसा, लाकूड, एलपीजी, पेट्रोल, डिझेल यांच्या अपूर्ण किंवा पूर्ण ज्वलनातून कार्बन मोनॉक्साइड, कार्बन डायऑक्साइड, सल्फर डायऑक्साइड आणि नायट्रोजन ऑक्साईड यांसारखे घातक वायू हवेत सोडले जातात.
औद्योगिकीकरण (Industrialization): विविध कारखान्यांच्या चिमण्यांमधून बाहेर पडणारा विषारी धूर, रसायनांची वाफ आणि गंधक हवेचे प्रचंड प्रदूषण करतात.
वाहनांचा धूर: वाहतुकीच्या साधनांमधून निघणाऱ्या धुरामध्ये शिसे (Lead), कार्बन मोनॉक्साइड आणि नायट्रोजनचे ऑक्साईड असतात, जे मानवी आरोग्यासाठी अत्यंत घातक आहेत.
अणू ऊर्जेचा वापर: अणुभट्ट्या किंवा अणुकrowच्या चाचण्यांमधून निघणारे किरणोत्सर्गी घटक हवेत मिसळून अत्यंत गंभीर स्वरूपाचे प्रदूषण निर्माण करतात.

हवा प्रदूषणाचे जागतिक परिणाम

हवा प्रदूषण हे केवळ स्थानिक पातळीपुरते मर्यादित नसून त्याचे जागतिक स्तरावर गंभीर परिणाम दिसून येत आहेत.

1. हरितगृह परिणाम आणि जागतिक तापमानवाढ (Greenhouse Effect & Global Warming)

वातावरणामध्ये कार्बन डायऑक्साइड, मिथेन, नायट्रस ऑक्साईड आणि जलबाष्प या वायूंचे प्रमाण वाढल्यामुळे पृथ्वीवरून परावर्तित होणारी उष्णता हे वायू शोषून घेतात आणि ती पुन्हा पृथ्वीकडे पाठवतात. या प्रक्रियेला 'हरितगृह परिणाम' म्हणतात. या वायूंचे प्रमाण गरजेपेक्षा जास्त वाढल्यामुळे पृथ्वीचे सरासरी तापमान सातत्याने वाढत आहे, ज्याला 'जागतिक तापमानवाढ' म्हणतात. यामुळे हिमनद्या वितळत असून समुद्राची पातळी वाढत आहे.

2. आम्ल पर्जन्य (Acid Rain)

कोळसा आणि पेट्रोलियम पदार्थांच्या ज्वलनातून सल्फर डायऑक्साइड $\mathrm{SO_2}$ आणि नायट्रोजन डायऑक्साइड $\mathrm{NO_2}$ हे वायू हवेत सोडले जातात. हे वायू हवेतील बाष्पाशी आणि पावसाच्या पाण्याशी रासायनिक अभिक्रिया करतात. या अभिक्रियेतून अनुक्रमे सल्फ्यूरिक आम्ल आणि नायट्रिक आम्ल तयार होते. हे आम्ल पावसाच्या पाण्यासोबत पृथ्वीवर पडते, यालाच 'आम्ल पर्जन्य' म्हणतात.

आम्ल पर्जन्याची रासायनिक प्रक्रिया खालील समीकरणांद्वारे समजून घेता येईल:

\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightarrow 2SO_3}

\mathrm{SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4 \quad (सल्फ्यूरिक \,\, आम्ल)}

\mathrm{4NO_2 + 2H_2O + O_2 \rightarrow 4HNO_3 \quad (नायट्रिक \,\, आम्ल)}

परिणाम: आम्ल पर्जन्यामुळे जमिनीची आणि जलाशयांची आम्लता वाढते, ज्यामुळे जलचर आणि वनस्पतींचे मोठे नुकसान होते. तसेच ऐतिहासिक वास्तू आणि इमारतींचे (उदा. ताजमहाल) क्षरण होते.

Fact Box: ओझोनचा थर (Ozone Layer)
वातावरणाच्या 'स्थितांबर' (Stratosphere) या दुसऱ्या थरामध्ये ओझोन $\mathrm{O_3}$ वायूचा एक पातळ थर आढळतो. हा थर सूर्यापासून निघणारी अतिशय घातक अतिनील किरणे (Ultraviolet Rays) स्वतःमध्ये शोषून घेतो आणि पृथ्वीवरील सजीवांचे रक्षण करतो. म्हणूनच ओझोन थराला 'पृथ्वीची संरक्षक छत्री' म्हटले जाते. परंतु, वातानुकूलित यंत्रे (AC) आणि फ्रिजमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या क्लोरोफ्लुरोकार्बन (CFC) सारख्या वायूमुळे ओझोनच्या थराला छिद्र पडत असून त्याचा ऱ्हास होत आहे.

उपयोजनात्मक विश्लेषण (Application-Based Analysis)

परीक्षांमध्ये थेट व्याख्या न विचारता संकल्पनांच्या उपयोजनावर आधारित प्रश्न विचारण्याचा कल वाढला आहे. काही महत्त्वाची उदाहरणे खालीलप्रमाणे आहेत:

फुगा फुगवल्यावर तो मोठा का होतो? जेव्हा आपण फुग्यात हवा फुंकतो, तेव्हा हवेचे कण फुग्याच्या आत सर्व बाजूंनी दाब निर्माण करतात. हवा जागा व्यापते आणि अंतर्गत भिंतींवर दाब देते, ज्यामुळे फुगा आकाराने मोठा होतो.
उंच डोंगरावर गेल्यावर श्वास घेण्यास त्रास का होतो? जसजसे आपण उंचावर जातो, तसतशी हवा विरळ होत जाते. हवेची घनता आणि वातावरणीय दाब कमी झाल्यामुळे हवेतील ऑक्सिजनचे प्रमाण देखील कमी होते. यामुळे फुफ्फुसांना पुरेशा प्रमाणात ऑक्सिजन मिळत नाही आणि श्वास घेण्यास त्रास होतो. म्हणूनच पर्वतारोही आपल्यासोबत ऑक्सिजनचे सिलिंडर घेऊन जातात.
चित्रीकरणाच्या वेळी किंवा पॅक बंद अन्नपदार्थांमध्ये कोणता वायू वापरतात? चिप्स किंवा कुरकुरे यांच्या पाकिटांमध्ये हवेतील ऑक्सिजन काढून त्याऐवजी नायट्रोजन वायू भरला जातो. नायट्रोजन हा निष्क्रिय असल्यामुळे तो अन्नपदार्थांचे ऑक्सिडीकरण रोखतो आणि अन्न दीर्घकाळ टिकून राहते, खराब होत नाही.

अध्यापनशास्त्रीय दृष्टीकोन (Pedagogical Approach)

प्राथमिक आणि उच्च प्राथमिक वर्गातील विद्यार्थ्यांना हवेचे गुणधर्म शिकवताना अमूर्त संकल्पना सांगण्याऐवजी साध्या आणि सोप्या प्रयोगांची मांडणी करावी.

हवेला दाब असतो हे स्पष्ट करण्यासाठी: विद्यार्थ्यांना एक काचेचा पेल्यामध्ये पाणी पूर्ण भरण्यास सांगावे. त्यावर एक गुळगुळीत पुठ्ठा ठेवून तो हाताने दाबून पेला झटकन उलटा करावा. हात काढून घेतल्यावरही पुठ्ठा पडत नाही. हा प्रयोग वर्गात करून दाखवल्यास विद्यार्थ्यांना 'हवेचा दाब खालून वरच्या दिशेने कार्य करतो' ही अमूर्त संकल्पना सहज समजेल.
हवा जागा व्यापते हे स्पष्ट करण्यासाठी: पाण्याचा टब आणि एक प्लास्टिकची पारदर्शक बाटली घ्यावी. बाटली उलटी पाण्यात दाबावी आणि नंतर तिरपी करावी. निघणारे बुडबुडे हे हवेचे आहेत आणि ती जागा आता पाण्याने घेतली आहे, हे प्रत्यक्ष दाखवावे. यामुळे विद्यार्थ्यांमध्ये निरीक्षण आणि निष्कर्ष काढण्याची वैज्ञानिक वृत्ती विकसित होते.

रिव्हिजन नोट्स (Quick Revision Points)

हवेमध्ये सर्वाधिक प्रमाणात आढळणारा वायू नायट्रोजन (78%) असून दुसऱ्या क्रमांकावर ऑक्सिजन (21%) आहे.
हवेचा दाब मोजण्यासाठी बॅरोमीटर हे उपकरण वापरतात आणि हा दाब समुद्रसपाटीला सर्वाधिक असतो.
उंची वाढल्यास वातावरणीय दाब आणि हवेची घनता कमी होते.
ओझोन वायूचा थर वातावरणाच्या स्थितांबर (Stratosphere) या थरात आढळतो.
ओझोन थराचा ऱ्हास करण्यासाठी प्रामुख्याने क्लोरोफ्लुरोकार्बन (CFC) हा वायू कारणीभूत आहे.
आम्ल पर्जन्यासाठी प्रामुख्याने सल्फर डायऑक्साइड $\mathrm{SO_2}$ आणि नायट्रोजन डायऑक्साइड $\mathrm{NO_2}$ हे वायू कारणीभूत असतात.
हवेला उष्णता दिली असता तिचे प्रसरण होते आणि ती हलकी होऊन वर जाते.