Читать книгу Общая и военная гигиена - Коллектив авторов - Страница 19

Климат и погода

Необходимость изучения климатов и типов погоды обусловливается тем, что они в значительной мере влияют на расселение, условия жизни и здоровье населения, размещение промышленности. В известной мере климат оказал заметное влияние на развитие человечества. Ранние цивилизации процветали в районах, где средние годовые температуры были близки к 21 °C. И в настоящее время наиболее развитые страны сосредоточены в районах со среднегодовой температурой 14–16 °C.

Знание особенностей климата и его влияния на организм человека особенно необходимы для военного врача, поскольку военнослужащие проходят службу в различных климатических зонах. От состояния и изменчивости метеорологических факторов во многом зависит состояние здоровья личного состава войск, а также их боеспособность. История знает немало примеров больших потерь в армиях воюющих государств на территориях с экстремальными климатическими условиями.

Климатом называется длительная закономерная последовательность атмосферных процессов, обусловленных солнечной радиацией и перемещением воздушных масс при взаимодействии с подстилающей поверхностью. Термин «погода» определяет состояние приземного слоя атмосферы или общую тенденцию к изменению этого состояния в течение относительно короткого периода времени на конкретной территории. Важнейшими элементами метеорологического комплекса, определяющего погоду, являются: солнечная радиация, физические свойства воздуха (температура, влажность, давление), направление и скорость ветра, атмосферные осадки, а также ряд оптических и электрических явлений в атмосфере.

Основным климатообразующим фактором является, прежде всего, солнечная радиация. Она обусловливает перемещение воздушных масс и изменения погоды. Количество солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли, зависит преимущественно от географической широты местности (термин «климат» в переводе с греческого означает «наклон», т. е. угол падения солнечных лучей). Имеет значение также продолжительность дня и ночи, прозрачность атмосферы, содержание в ней водяных паров и др. У границы атмосферы солнечная радиация достигает своего предельного значения – 1,94 кал/см² · мин. Это так называемая солнечная постоянная. На земной поверхности интенсивность солнечного излучения редко превышает 1,5 кал/см² · мин.

Часть солнечных лучей, падающих на земную поверхность, поглощается и трансформируется в тепло, а часть – отражается. Процентное отношение радиации отраженной к радиации падающей называется альбедо. Наибольшей способностью отражения обладает чистый снег (80–90 %); зеленая трава отражает 26 %, светлые почвы – 22–32 % солнечных лучей. Наименьшим отражением и, следовательно, максимальным поглощением из всех почв обладает влажный чернозем (8 %).

Вторым важным климатообразующим фактором является циркуляция воздуха. Перемещение воздушных масс обусловливается разницей их температур и давлений, зависящих от неравномерного нагревания земной поверхности и воздуха. Степень нагрева воздуха (его температура) определяется температурой земной поверхности. Сама по себе атмосфера практически не нагревается солнечными лучами, нагрев ее происходит от соприкосновения с поверхностью почвы.

Наконец, характер подстилающей поверхности также оказывает влияние на климат и погоду в данной местности. Моря и океаны вследствие большой теплоемкости уменьшают годовые и суточные амплитуды колебаний температур воздуха. Кроме того, они повышают влажность проходящих над ними воздушных масс. Суша, особенно в безлесных районах, быстро прогреваясь и быстро охлаждаясь, обусловливает континентальность климата. Лесные массивы и горы часто являются препятствием на пути холодных воздушных масс или горячих суховеев. Снег и лед в северных арктических районах отражают большое количество тепла, поэтому температура воздуха здесь даже летом не превышает 10 °C.

Наиболее быстрая смена погоды с резким изменением температуры и влажности происходит при прохождении воздушного фронта, т. е. границы между двумя различными по своим свойствам воздушными массами. Как правило, прохождение фронта и смена воздушных масс сопровождается формированием циклонов или антициклонов, являющихся основными синоптическими состояниями атмосферы.

Антициклоны – это области высокого давления диаметром до 5–7 тыс. км с возрастанием атмосферного давления от периферии к центру. Погода в области антициклона преимущественно устойчивая, сухая, с незначительными колебаниями давления и температуры воздуха.

Циклоны – это области пониженного давления диаметром от нескольких сот до 2–3 тыс. км с падением атмосферного давления от периферии к центру. Погода в циклоне отличается неустойчивостью, повышенной влажностью воздуха, осадками, значительными перепадами давления и температуры. После прохождения центра циклона давление возрастает, температура воздуха снижается, наступает прояснение. Тропические циклоны, зарождающиеся над океанами, приносят штормовую погоду, сопровождаемую сильными ливнями и грозами. Скорость ветра в центре тропических циклонов может превышать 120 м/с, что нередко приводит к разрушениям и наводнениям.

Еще большей разрушительной силой обладают смерчи, образующиеся при неустойчивом состоянии атмосферы, когда воздух в ее нижних слоях теплый, а в верхних – холодный. При этом происходит очень интенсивный воздухообмен, сопровождаемый вихрем со скоростью до 150–200 км/ч. Внутри смерча образуется очень низкое давление, поэтому он втягивает в себя все, что встречается на его пути. Чаще всего смерчи принимают форму опрокинутой воронки. Диаметр их может достигать нескольких сот метров.

К числу климатообразующих факторов следует отнести и деятельность человека. Вырубка лесов, мелиоративные работы на значительных площадях, создание обширных по площади водохранилищ, выбросы в атмосферу «парниковых» газов – все эти процессы оказывают значительное влияние на характер погодных условий и климата в целом. Наблюдаемое в последние десятилетия постепенное потепление климата, наиболее выраженное в Северном полушарии, многие метеорологи связывают с нарастающим выбросом в атмосферу двуокиси углерода. Ярким примером антропогенного влияния на природу и климат является постепенная гибель Аральского моря.

Основные показатели климата представляют собой среднемесячные и среднегодовые величины температуры, атмосферного давления, влажности, количества выпадающих осадков, розу ветров, их скорости и ряд других критериев. В зависимости от устойчивого сочетания этих факторов выделяют климатические пояса и типы климатов. В самом общем виде земной шар можно разделить на три климатических пояса: тропический, умеренный и холодный. Линией, разделяющей тропический и умеренный пояса, является широта 25°; линией, разделяющей умеренный и холодный пояса, – широта 65°. На тропический пояс приходится 41,7 % общей площади Северного полушария, на умеренный пояс – 49 %, на холодный пояс – 9,3 %.

По уровню среднегодовой температуры воздуха земной шар делят на семь климатических поясов, расположенных параллельно экватору (табл. 2.8).

Таблица 2.8

Географическая широта и среднегодовая температура климатических поясов

Однако такое деление климата схематично, так как не всегда средняя температура широты совпадает с температурой, приведенной в табл. 2.8. Например, средняя температура в Исландии (65° с. ш.) и в Крыму (45° с. ш.) одинакова; в Мурманске (70° с. ш.) зимой теплее, чем во Владивостоке (45° с. ш.). На Фолклендских островах, лежащих в Южном полушарии на широте Курска, Воронежа и Саратова, летом так мало тепла, что не вызревает пшеница, тогда как все расположенные на этой широте местности в России производят пшеницу (Галанин Н. Ф., 1961).

Среди большого разнообразия климатов России с гигиенических позиций могут быть выделены три – четыре основные группы, а именно: умеренный климат европейской части страны; наиболее распространенные холодные климаты, занимающие ²/₃ территории (включая климат Заполярья с его световыми особенностями); жаркие (теплые) климаты. Своеобразной спецификой отличается горный климат. Выделяют также характерные ландшафтные зоны, характеризующиеся определенным сочетанием климата, рельефа, почв, растительности и вод. К ним относятся: зона влажных субтропиков (Южный Прикаспий), аридная зона степей и полупустынь, таежная и тундровая зоны Сибири и Северного Урала.

Существует несколько прикладных классификаций климата. Например, для нужд проектирования и строительства на территории России выделяются 4 основных климатических района, каждый из которых имеет от 3 до 5 климатических подрайонов.

Они сгруппированы с учетом среднемесячных температур января и июля, скорости ветра и влажности, характера снежного покрова.

I район: среднемесячная температура января от –14 до –32 °C, июля – от 0 до 21 °C, скорость ветра 5 м/с и более, относительная влажность – более 75 %; зима суровая, длительная и снежная.

II район: январь – от –4 до –14 °C, июль – от 8 до 21 °C, ветер 5 м/с и более, влажность 75 % и более; зима умеренная, лето нежаркое.

III район: январь – от 2 до –20 °C, июль – от 21 до 25 °C; зима холодная, лето жаркое.

IV район: январь – от 2 до –15 °C, июль – от 25 до 28 °C, влажность 50 % и более; зима короткая, лето – жаркое.

Указанные характеристики климатических районов необходимо учитывать при решении вопросов планировки и застройки населенных мест, ориентации зданий, глубины залегания фундаментов, толщины стен, расчета отопления и др.

В медицине с точки зрения возможного влияния климата на здоровье человека принято деление его на щадящий и раздражающий. К щадящему относят теплый климат, характеризующийся малыми амплитудами колебаний температуры воздуха, а также суточных, месячных и годовых величин других метеорологических факторов. Такой климат предъявляет минимальные требования к приспособительным механизмам организма человека. Щадящим является, например, лесной климат средней полосы России, климат южного берега Крыма. Раздражающий климат имеет значительные суточные и сезонные колебания метеорологических показателей, что требует известного напряжения адаптационных механизмов. Раздражающим является холодный климат северных областей, высокогорный климат и жаркий климат степей и пустынь.

Зоны холодного климата. Крайний Север европейской и азиатской частей России характеризуется холодным климатом, причем на некоторых островах Северного Ледовитого океана (Северная Земля, Земля Франца Иосифа, северная часть Новой Земли) температура никогда не поднимается выше нуля. Прибрежная часть Северного ледовитого океана имеет климат тундры. Зима в этом районе продолжительная и морозная. В зимние месяцы господствует полярная ночь. Лето холодное и короткое с характерным для этих районов непрерывным полярным днем. Осадков выпадает сравнительно мало, но туманных и пасмурных дней много. Почва промерзает на большую глубину, имеются обширные зоны вечной мерзлоты.

Область восточносибирской тайги, расположенная в бассейнах рек Лены (в нижнем течении), Индигирки и Колымы, характеризуется исключительно низкой температурой зимних месяцев (средняя температура января ниже –38 °C). Здесь, в районе Верхоянска, находится один из мировых полюсов холода, где температура воздуха зимой достигает 67,8 °C ниже нуля.

Второй характерной чертой климата данной зоны является резко выраженная континентальность. Абсолютная амплитуда температурных колебаний составляет 102 °C: от 34,2 °C летом до –67,8 °C зимой. Такой разницы не отмечено больше нигде на Земле. Лето здесь короткое, но теплое; осадки, хотя их немного, выпадают преимущественно летом.

Проживание в условиях холодного климата вызывает длительное напряжение механизма терморегуляции, что рассматривается как стрессовая реакция организма. При этом наблюдается перестройка обмена веществ, снижение тонуса центральной нервной системы, отрицательные психологические реакции, нередко сопровождаемые гипертензией.

Зоны жаркого климата. В зависимости от количества осадков различают зоны степей, полупустынь и пустынь. Климат в этих районах характеризуется высокими температурами воздуха летних месяцев (полуденные температуры могут достигать 40–45 °C), низкой относительной влажностью (20–40 %), малым количеством осадков (не более 200–300 мм в год). Отсутствие облачности обусловливает интенсивную отдачу тепла с поверхности земли в космос в ночное время, следствием чего являются резкие суточные колебания температуры воздуха, достигающие 30–40 °C. Почва летом сильно нагревается, высыхает, что создает условия для интенсивного пылеобразования. Однако зимы здесь холодные и ветреные. Абсолютные минимумы температур могут составлять от –30 до –40 °C.

Горный климат. Высокогорный климат (2000 м над уровнем моря и более) характеризуется пониженным атмосферным давлением, низкой температурой и сухостью воздуха, сильными ветрами, интенсивной солнечной радиацией. Вследствие пониженного парциального давления кислорода у неакклиматизированных людей нередко наступает кислородное голодание, сдвиг кислотно-щелочного равновесия в сторону алкалоза, световой дискомфорт. Длительное воздействие этих факторов на неподготовленных людей вызывает срыв механизмов адаптации с развитием различных патологических процессов.

Метеотропные реакции организма. Влияние климата и погоды на здоровье человека было известно с древнейших времен. Указания на это встречаются в трудах Аристотеля, Гиппократа, Авиценны и других ученых и врачей. Погодные и климатические условия влияют на биологические ритмы физиологических систем организма, нередко служат причиной возникновения и обострения многих заболеваний, определяют особенности течения патологических процессов, влияют на показатели заболеваемости и смертности.

Наиболее заметно связаны с сезонами года простудные заболевания (грипп, острые респираторные вирусные заболевания, воспалительные заболевания дыхательных путей и др.). Максимальное число этих заболеваний приходится на осень, зиму и раннюю весну. Заболевания пневмонией у детей до 1 года чаще регистрируются в январе и апреле, что совпадает с наиболее резкими колебаниями погоды. Весной и осенью чаще регистрируются обострения язвенной болезни 12-перстной кишки. В холодное время года повышается смертность.

С изменением погоды связывают ухудшение здоровья, снижение работоспособности и возникновение так называемых метеотропных реакций организма. Наиболее часто они отмечаются при резком изменении погоды, связанном с прохождением синоптических фронтов. В истории климатологии зафиксированы дни, когда подобное изменение погоды привело к появлению множества заболеваний и большому числу обострений у больных сердечно-сосудистой и бронхолегочной патологией.

Длительное время изменения в организме, обусловленные погодой, связывали с колебаниями атмосферного давления. В настоящее время данный фактор не считается основным. Доказано, что регистрируемые реакции (изменение частоты сердечных сокращений, минутного объема кровообращения, частоты и глубины дыхания) возникают при снижении атмосферного давления, соответствующего высоте 2–3 тыс. м над уровнем моря, тогда как естественные его колебания в течение суток равнозначны изменению высоты местности не более чем на 500 м. Фактически метеотропные реакции объясняются действием комплекса факторов, включающего как обычные метеорологические условия (температура, влажность, подвижность воздуха, атмосферное давление), так и геомагнитные изменения (магнитные бури, солнечная активность, ионизация атмосферы и др.). Все перечисленные факторы способствуют появлению патологических реакций у метеолабильных людей, отличающихся сниженными приспособительными и резервными возможностями организма. Так, при болезнях сердечно-сосудистой системы метеолабильность составляет от 20 до 90 %. Возрастает чувствительность к погодным условиям у женщин в период беременности, что выражается утяжелением токсикозов, увеличением числа угрожающих абортов и преждевременных родов. Эту зависимость необходимо учитывать в повседневной деятельности с целью профилактики метеопатических реакций, особенно у хронических больных.

По степени влияния на организм и вероятности возникновения метеотропных реакций различают три типа погоды: оптимальный, раздражающий и острый (табл. 2.9).

Таблица 2.9

Климатические типы погоды (Федоров Г. П., 1969)

Гигиенические проблемы акклиматизации человека

Под акклиматизацией понимается процесс приспособления человека к жизни в новых климатогеографических условиях. Физиологическую основу акклиматизации составляет процесс перестройки различных функций организма, что обеспечивает ему возможность сохранения нормального уровня здоровья и работоспособности. Следовательно, в физиологическом отношении акклиматизацию можно рассматривать как длительную адаптацию к новым климатическим условиям.

Акклиматизация наступает при условии, если климатические факторы не предъявляют чрезмерных требований к организму, выходящих за пределы функциональных возможностей и компенсаторных механизмов данного конкретного лица.

Существует три фазы акклиматизации.

Начальная фаза, при которой в организме происходят приспособительные реакции, обусловленные действием экстремальных климатогеографических факторов и обеспечивающие поддержание относительно удовлетворительной работоспособности.

Фаза перестройки динамического стереотипа, которая может развиваться благоприятно и неблагоприятно. При неблагоприятном течении второй фазы у человека наблюдаются выраженные дизадаптационные процессы в виде метеоневрозов, снижения работоспособности, обострения хронических заболеваний, развития невралгий и других патологических процессов. У таких людей третья фаза – устойчивой акклиматизации – не наступает.

Фаза устойчивой акклиматизации характеризуется стабильностью обменных процессов, обычным уровнем и характером заболеваемости, высокой работоспособностью, нормальной репродуктивной способностью.

Возможность акклиматизации человека определяется не только механизмами физиологического приспособления организма к новому климату, но и различными социально-экономическими и гигиеническими условиями. К ним относятся: наличие оптимальной для данного климата застройки населенных мест, планировки и благоустройства жилых, производственных и других помещений. Существенное влияние на процессы акклиматизации оказывает сбалансированное питание, достаточное обеспечение биогенными элементами (макро– и микроэлементами, витаминами, фосфолипидами), рациональный питьевой режим.

В процессе акклиматизации большое значение имеет одежда, которая может значительно ей способствовать или, напротив, затруднять. Наконец, рациональный режим труда и отдыха обеспечивает сохранение нормального физиологического ритма. Скорее и легче акклиматизируются те люди, которые ведут здоровый образ жизни.

Общественно полезная трудовая деятельность, квалифицированная медицинская помощь являются факторами, облегчающими процесс акклиматизации к суровым климатическим условиям. С этих позиций можно говорить о том, что акклиматизация имеет социальный характер, поскольку окружающая среда действует на человека не только непосредственно, но и опосредованно, через условия его жизни. Благоприятные условия труда и быта значительно облегчают процесс акклиматизации.

В проблеме акклиматизации, имеющей правовые, экономические, социальные аспекты, гигиенические и медицинские вопросы занимают большое место и часто приобретают первостепенное значение.

Интегральный радиационный поток тепла и обмен лучистой энергией

Тело человека, как и любые другие физические тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, излучает тепло и получает его тем же путем от нагретых объектов окружающей среды. При нахождении в закрытом помещении обмен лучистой энергией устанавливается между человеком, с одной стороны, и стенами, потолком, полом, различными предметами – с другой. Если человек находится под открытым небом, в этом обмене участвуют находящиеся вокруг здания, деревья, почва, небосвод и солнце.

Количество тепла, излучаемого и получаемого человеком от окружающих объектов, зависит от температуры и степени «черноты» их поверхностей. В соответствии с законом Стефана – Больцмана, абсолютно черное тело[9] излучает тепло и свет пропорционально четвертой степени температуры его поверхности:

Q_абс = σ · Т⁴ кал/см² · мин,

где Q_абс – плотность излучения абсолютно черного тела, кал/см² · мин; σ – постоянная Стефана – Больцмана (8,28 · 10^–11 кал/см² · мин · град); Т – температура поверхности тела, °К.

Зная температуру поверхности тела человека, среднюю температуру окружающих его ограждений и предметов и коэффициенты их излучения (степень «черноты»), можно рассчитать радиационный баланс теплового обмена. Если средняя температура окружающих предметов ниже, чем температура поверхности тела человека, баланс лучистого тепла будет отрицательный, при обратном соотношении температур – положительным.

В подавляющем большинстве случаев баланс обмена человека лучистым теплом имеет отрицательное значение. Так, например, даже в комнатных условиях при температуре воздуха и стен около 20 °C отрицательный баланс равен приблизительно 45 ккал/ч. Так как непрерывная потеря определенного количества тепла обязательна для поддержания теплового равновесия тела человека, отрицательный радиационный баланс, не превышающий некоторых пределов, представляет собой нормальное (необходимое) явление. Однако при более низкой температуре окружающих предметов человек может терять за счет лучистой энергии чрезмерно большое количество тепла, например в зданиях с холодными стенами, в убежищах, оборонительных сооружениях, при нахождении в танках и другой подвижной технике, а также на открытом воздухе при низких температурах.

Следует учесть, что организм человека медленнее реагирует на потери тепла излучением по сравнению с другими путями теплоотдачи, и потери тепла происходят не только с поверхности кожи, но и с более глубоких частей тела. Вследствие этого опасность переохлаждения, в том числе и глубоко лежащих частей тела, при избыточном радиационном охлаждении будет больше.

При высокой температуре окружающей среды теплопотери излучением становятся меньше. При равенстве температур тела и среды теплоотдача данным путем полностью прекращается, а если температура среды превышает температуру тела, баланс радиационного теплообмена становится положительным, человек получает больше лучистого тепла, чем отдает его. Это наблюдается, например, при нахождении в танке летом вследствие разогревания брони солнечными лучами, в пустынях за счет излучения солнца, неба и песка, температура которого достигает 50–80 °C.

Комплексные показатели теплового состояния окружающей среды

Метеорологические факторы, определяющие тепловое состояние окружающей среды, могут находиться между собой в самых разнообразных сочетаниях. Их действие на организм может быть благоприятным, способствовать высокой работоспособности и ощущению теплового комфорта. Напротив, некоторые из этих сочетаний вызывают чувство дискомфорта, ограничивают или снижают работоспособность, могут вызывать заболевания. Для гигиенической характеристики действия метеофакторов в условиях жилища или производственной деятельности объединяют в понятие микроклимат. Следовательно, под микроклиматом понимается физическое состояние окружающей среды в ограниченном пространстве, определяющее теплоощущение человека и являющееся совокупностью температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения (инфракрасной радиации). Указанные физические свойства составляют факторы микроклимата.

Оценка микроклиматических условий по отдельным метеорологическим факторам подчас не дает полного представления о возможном тепловом воздействии окружающей среды на организм. С учетом данного обстоятельства для обобщенной оценки термического состояния среды и тепловой нагрузки на организм человека предложен ряд комплексных показателей, которые можно разделить на три группы (Ломов О. П., 1993):

1) базирующиеся на физической оценке факторов микроклимата. В их основу положено использование приборов, моделирующих реакции организма человека на изменение микроклимата;

2) учитывающие физиологическое напряжение организма от теплового воздействия окружающей среды. В их основе лежит использование формул и номограмм для оценки тепловой нагрузки;

3) основанные на оценке теплового обмена между телом человека и окружающей средой с учетом физических принципов теплоотдачи.

Для физической оценки суммарного воздействия микроклимата (показатели 1-й группы) были разработаны влажный шаровой термометр Холдена, кататермометр Хилла, шаровой термометр Вернона. Однако эти приборы не учитывают физиологические реакции организма, характер одежды, физическую нагрузку и другие факторы, влияющие на теплообмен. Некоторые из них широко используются и в настоящее время для измерения отдельных метеорологических элементов. Например, кататермометр применяется для определения малых скоростей воздуха, черный шаровой термометр – для измерения средней радиационной температуры и т. д.

Комплексные показатели 2-й группы основаны на разработке шкал, номограмм, таблиц и формул, отражающих связь между комплексом метеорологических факторов и теплоощущениями или физиологическими реакциями организма. Так возникли методы эффективной и результирующей температур (ЭТ°, РТ°), индекс влажной шаровой температуры (ВШТ) и др.

Эффективная температура (ЭТ) учитывает комплексное воздействие температуры, влажности и скорости движения воздуха. Это условный показатель (квазитемпература), основанный на сравнении теплоощущения людей при данных метеорологических условиях с их теплоощущением в условиях неподвижного, насыщенного влагой воздуха, имеющего такую же температуру. Например, конкретные сочетания трех метеорологических элементов, приведенных в табл. 2.10, эквивалентны по тепловому воздействию и их можно выразить цифрой 20 ° ЭТ, т. е. все конкретные значения температуры, влажности и скорости движения воздуха могут быть выражены температурой неподвижного воздуха со 100 % влажностью – «воздуха сравнения».

Данные таблицы показывают, что одинаковое теплоощущение может быть достигнуто в зависимости от влажности и скорости движения воздуха при его различной температуре и, наоборот, при одной и той же температуре могут иметь место разные теплопотери и самочувствие людей. Из этого следует, что характеризовать тепловое состояние среды только одним, даже таким важным показателем, как температура воздуха, явно недостаточно.

Таблица 2.10

Различные сочетания температуры, влажности и скорости движения воздуха, соответствующие 20 °C эффективной температуры

* Первая строка – показатели «воздуха сравнения».

Равноценные по тепловому действию комплексы метеорологических факторов получены в диапазоне ЭТ от 0 до 38 °C. Данные всех опытов были сведены в особую карту (номограмму), которой и пользуются для расчета эффективных температур. Существует также способ определения ЭТ по таблицам.

Границы эффективных температур, при которых более половины людей в условиях покоя или при легкой физической работе отмечают наилучшее тепловое ощущение («зона комфорта») находятся в пределах 17,2—21,7° ЭТ. Существует еще более узкая область, обозначаемая как «линия комфорта» (18,1—18,9° ЭТ), в пределах которой 100 % людей оценивают свое теплоощущение как комфортное. При средней и тяжелой работе зона комфорта снижается соответственно на 1 и 2,5° ЭТ. Для состояния покоя максимальной границей поддержания теплового равновесия без повышения температуры тела принято считать ЭТ 28–29°.

К недостаткам метода ЭТ относится невозможность применить его при отрицательных значениях температур, а также для людей, одетых в более теплую, чем комнатная, одежду или выполняющих тяжелую работу. Нельзя его использовать и в тех случаях, когда имеются источники «положительной» или «отрицательной» тепловой радиации, т. е. когда температура окружающих предметов заметно отличается от температуры воздуха.

Результирующая температура (РТ) дает возможность определить и оценить суммарное тепловое действие на человека всех четырех факторов микроклимата – температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения. В условиях, когда температура воздуха (конвекционная температура) равна средней температуре окружающих поверхностей, величины ЭТ и РТ равны друг другу. Когда температура окружающих предметов заметно отличается от температуры воздуха, для расчета РТ определяют промежуточный показатель – среднюю радиационную температуру (СРТ). Она не является комплексным показателем, а представляет меру оценки уровня лучистого тепла. Ее определяют с помощью шарового термометра (шара Вернона).

Определение результирующих температур проводится по соответствующим номограммам или таблицам. Существует три вида номограмм: одна – для обнаженных людей в состоянии покоя (основная шкала), вторая – для людей, одетых в комнатную одежду и выполняющих легкую работу (нормальная шкала), и третья – для выполняющих тяжелую физическую работу. Таким образом, метод РТ в некоторой степени учитывает и интенсивность работы.

Комфортной для состояния покоя является РТ около 19°. Зона комфорта для нормальной шкалы РТ находится в пределах 16–20° (в зависимости от тяжести работы). При обмене энергии, соответствующей работе средней тяжести, эта зона перемещается в сторону еще более низких температур.

Большой интерес представляет индекс влажной шаровой температуры (WBGT, или ВШТ), разработанный для предупреждения тепловых поражений военнослужащих в пунктах военной подготовки США (Yaglon С., Minard D., 1957). Он учитывает температуру, влажность воздуха, лучистое тепло, а также косвенно (через температуру черного шара) – скорость движения воздуха. Достоинством метода является его хорошая прогностическая информативность в отношении тепловых поражений, а также простота вычисления по показаниям сухого (t_cух) и влажного (t_вл) термометра и температуры черного шара (t_ш):

ВШТ (°С) = 0,1 t_cух + 0,7 t_вл + 0,2 t_ш.

В зависимости от величины индекса ВШТ и тяжести нагрузки устанавливается продолжительность физических упражнений и перерывов для отдыха с целью предупреждения перегреваний. В частности, рекомендуется ограничить физические упражнения для военнослужащих, не акклиматизированных к жаре, при достижении индекса ВШТ 29,4 °C, а при 31,1 °C – вовсе отменить физическую нагрузку. При величине индекса более 32,2 °C упражнения должны быть отменены и для акклиматизированных солдат, поскольку это может привести к тепловым поражениям (Новожилов Г. Н., Березин А. А., 1980).

Модифицированным вариантом индекса ВШТ, применяемым для оценки теплового воздействия на рабочих местах в условиях промышленного производства, является индекс тепловой нагрузки среды (ТНС-индекс). Это эмпирический показатель, характеризующий сочетанное воздействие на организм человека параметров микроклимата (температуры, влажности, скорости движения воздуха и теплового излучения). ТНС-индекс определяется по показаниям влажного термометра аспирационного психрометра (t_вл) и шарового термометра (t_ш) по формуле:

ТНС (°С) = 0,7 t_вл+ 0,3 t_ш.

Индекс тепловой нагрузки среды рекомендуется использовать на рабочих местах, на которых скорость движения воздуха не превышает 0,6 м/с, а интенсивность теплового излучения – 1200 Вт/м². Допустимые величины тепловой нагрузки по показателям ТНС-индекса в зависимости от тяжести работы (уровня энергозатрат) находятся в пределах 18,0—26,4 °C (табл. 2.11).

Методы оценки теплового состояния окружающей среды на основе теплофизических и физиологических закономерностей (показатели 3-й группы) также основаны на уравнении теплового баланса организма с окружающей средой. К их числу может быть отнесен индекс предвидимой 4-часовой интенсивности потоотделения Мак-Ардля (П₄ИП), основанный на том, что различные сочетания параметров микроклимата при равном количестве выделившегося пота признаются идентичными. Установлено, что непереносимые условия создаются при значениях П₄ИП больше 4,5. Этот показатель может быть использован при средних и высоких тепловых нагрузках и стабильных окружающих условиях в течение 4 ч (например, продолжительность судовой вахты). К недостаткам метода относится сложность его вычисления, а также возможность увеличения интенсивности потоотделения в процессе адаптации к жаре или, напротив, его угнетения при так называемой «усталости потовых желез», наступающей в условиях влажной жары.

Таблица 2.11

Рекомендуемые величины интегрального показателя нагрузки среды (ТНС-индекса) для профилактики перегревания организма

Тепловое состояние человека

Тепловое состояние – это функциональное состояние организма, обусловленное термической нагрузкой и характеризующееся содержанием и распределением тепла в «ядре» (глубокие слои тела человека) и «оболочке» (поверхностные слои), а также степенью напряжения механизмов терморегуляции. Показатели теплового состояния подразделяются на объективные и субъективные. К объективным показателям относятся: температура тела, температура кожи, величина потоотделения, дефицит или накопление тепла в теле, показатели гемодинамики (частота сердечных сокращений, артериальное давление, минутный объем кровотока, пульсовое давление и др.), умственная и физическая работоспособность. Субъективным показателем теплового состояния является теплоощущение.

Глубокая температура тела (температура «ядра») – это температура внутренних паренхиматозных органов, мозга, мышечных тканей, т. е. основных продуцентов энергии. Существует несколько способов ее определения. Наиболее простой и наименее точный из них – измерение температуры в подмышечной впадине (аксиллярная температура). Более точными показателями являются температура полости рта (подъязычная), дистального отдела прямой кишки (ректальная), средней части пищевода, слухового прохода вблизи барабанной перепонки (тимпанальная). В обычной гигиенической и физиологической практике чаще используется ректальная температура как легко доступная и достаточно точно отражающая температуру глубоких тканей организма и его теплосодержание. При нормальных условиях окружающей среды и установившемся равновесии процессов теплообразования и теплоотдачи ректальная температура тела поддерживается на уровне 37,2 ± 0,1 °C.

Большая часть тепла, образующегося в организме человека, рассеивается с поверхности тела. В связи с этим температура кожи имеет большое значение при оценке теплового состояния организма. Для обобщенной характеристики температуры поверхности тела принято использовать средневзвешенную температуру кожи (Т_{к. ср.}). Она рассчитывается в соответствии с температурой кожи на отдельных участках и долей площади этих участков по отношению ко всей поверхности тела. Доказано, что средневзвешенная температура кожи достаточно тесно коррелирует с общим теплоощущением человека. Существует несколько способов ее определения, отличающихся количеством точек измерения (от трех до восемнадцати) и соответствующими «весовыми» коэффициентами усреднения. На практике Т_{к. ср.} чаще определяют по результатам измерения локальной температуры кожи в пяти или одиннадцати точках. Комфортному тепловому состоянию соответствует средневзвешенная температура кожи 33,2—33,4 °C.

Нарушение теплового баланса наступает в том случае, если физиологические механизмы и средства защиты (одежда, жилище) не могут обеспечить равенство вырабатываемого в организме тепла и его отдачи в окружающую среду. При этом степень нарушения равновесия, выражаемая величиной изменения теплосодержания, весьма точно соответствует теплоощущению человека. Изменение теплосодержания в организме может быть рассчитано по показаниям средней температуры тела (θ). Последняя рассчитывается из значений ректальной температуры (t_р) и средневзвешенной температуры кожи (t_{к. ср.}) с учетом их коэффициентов смешивания, отражающих долю тканей с температурой, близкой к «ядру» и «оболочке», по уравнению:

θ = 0,7t_р + 0,3t_{к. ср.}

Изменение теплосодержания в организме (ΔQ_т) определяется на основании изменения средней температуры тела с учетом теплоемкости тканей организма:

ΔQ _т = 3,47 · Р · Δθ (кДж),

где 3,47 – удельная теплоемкость тканей организма кДж/°С/кг; Р – масса тела, кг; Δθ – изменение средней температуры тела, °С.

Знание величин дефицита или накопления тепла в организме позволяет судить о степени его охлаждения и перегревания, прогнозировать время пребывания в различных метеорологических условиях, оценивать эффективность соответствующих профилактических мер.

В условиях теплового комфорта дефицит или накопление тепла не превышают 121 кДж (29 ккал), что соответствует колебаниям средней температуры тела в пределах ±0,5 °C. Допустимая величина изменения теплосодержания, рассматриваемая как сохранение теплового равновесия и не приводящая к перенапряжению механизмов терморегуляции, составляет 208 кДж (50 ккал). Накопление тепла в теле, соответствующее теплоощущению «очень жарко», составляет 344 кДж (80 ккал); предел физиологической переносимости – 500 кДж (120 ккал). При дефиците тепла, составляющем 740 кДж (176 ккал), человек оценивает свое теплоощущение как «очень холодно», что соответствует пределу физиологической переносимости (Афанасьева Р. Ф. [и др.], 1987).

Теплообмен человека с окружающей средой

Под тепловым обменом понимают обмен тепловой энергией между организмом и окружающей средой, взаимоотношения между образованием тепла в организме в результате его жизнедеятельности и отдачей (получением) тепла. Исследование теплового обмена человека имеет существенное значение для обоснования мер профилактики неблагоприятного воздействия на людей метеорологических и микроклиматических факторов.

Человек, как известно, относится к гомойотермным организмам, непременным условием существования которых является поддержание постоянной температуры тела. Температурный гомеостаз достигается при условии соответствия количества образованного тепла (теплопродукции) количеству тепла, отданного в окружающую среду (теплоотдаче). Если в какой-либо период эти процессы разбалансированы, в организме происходит накопление или убыль тепла. Совокупность физиологических механизмов, обеспечивающих координацию процессов образования и отдачи тепла и направленных на сохранение теплового баланса (равновесия), несмотря на значительные колебания температуры окружающей среды и собственной теплопродукции, называется терморегуляцией. Различают терморегуляцию химическую, физическую и поведенческую.

Терморегуляцию, обеспечивающую увеличение теплообразования в организме в ответ на его охлаждение, принято называть химической. Она проявляется преимущественно холодовой дрожью, при которой значительно увеличивается образование тепла в скелетных мышцах. Физиологические механизмы, регулирующие интенсивность отдачи тепла с поверхности тела во внешнюю среду, относят к физической терморегуляции. Терморегуляция, заключающаяся в приспособительных действиях человека, направленных на создание оптимального микроклимата, использование жилища и одежды, называется поведенческой.

При перегревании организма, т. е. когда приход энергии существенно превышает ее расход, механизм терморегуляции способствует увеличению теплоотдачи. Она осуществляется через систему кровообращения и путем потоотделения. Роль системы кровообращения состоит в усилении тока крови через кожу вследствие расширения кожных сосудов, а также увеличения частоты сердечных сокращений и минутного объема крови. В результате увеличивается теплопроводность тканей, поступление тепла к поверхности кожи и ее температура, что способствует большему рассеянию тепла в окружающую среду.

Реакции организма на охлаждение направлены на уменьшение теплоотдачи и увеличение количества тепла, вырабатываемого организмом. Уменьшение теплоотдачи происходит в результате спазма кровеносных сосудов поверхностных тканей и снижения их температуры (уменьшение температурного градиента между поверхностью тела и окружающей средой). Увеличение теплообразования осуществляется преимущественно за счет повышения мышечного тонуса и дрожи.

В общем виде тепловой баланс организма человека может быть представлен уравнением:

M + Q_вн = ± C ± R – E ± D,

где М – количество метаболического тепла (теплообразование); Q _вн – поступление тепла извне; C – обмен тепла путем конвекции и проведения; R – обмен тепла излучением; Е – отдача тепла путем испарения влаги с поверхности кожи и дыхательных путей; D – изменение теплосодержания (баланс количества тепла) в организме.

Обе части равенства, характеризующие тепловой баланс (теплообразование и теплоотдача), являются переменными, зависящими как от физиологических, так и физических параметров. Теплообразование (теплопродукция) в большей степени зависит от физиологических реакций, теплоотдача – от физических факторов окружающей среды.

Образование тепла – важнейший механизм поддержания теплового равновесия человека. Известно, что даже в состоянии полного покоя оно составляет 75–80 ккал/ч. Существенное влияние на теплопродукцию оказывает эмоциональное состояние: в предрабочие и предстартовые периоды она увеличивается на 100–150 %. Определенное значение имеет характер питания.

На уровень общего и основного обмена может оказывать воздействие тепловое состояние среды и организма. Холод повышает обмен на 30–35 %, под влиянием тепла, исключая случаи перегревания, обмен понижается. Изменение обмена может быть и более выраженным, что зависит от стадии и продолжительности акклиматизации. Для процессов теплообразования большое значение имеют также возраст и пол. Но наиболее существенное влияние на интенсивность теплопродукции оказывает физическая работа. В зависимости от ее тяжести за короткие сроки генерация тепла может возрасти в десятки раз.

Теплоотдача человека – это теплообмен между поверхностью тела и окружающей средой, переход теплоты, освобождаемой в процессе жизнедеятельности, из организма в окружающую среду. Для поддержания температуры тела на постоянном уровне человек должен непрерывно выделять образующееся в нем тепло независимо от состояния окружающей среды. Прекращение отдачи тепла в течение одного часа ведет к повышению температуры тела даже в состоянии покоя приблизительно на 2 градуса (до 39 °C). При выполнении тяжелой работы аналогичное повышение температуры может произойти за 15–20 мин.

Если требуемая величина теплоотдачи определяется количеством образовавшегося в организме тепла, то возможность ее осуществления – условиями окружающей среды. Теплоотдача осуществляется излучением, конвекцией, кондукцией, испарением. В условиях теплового комфорта и охлаждения наибольшую долю занимают потери тепла излучением и конвекцией, объединяемые понятием тепловой поток (табл. 2.12). В условиях, вызывающих перегревание организма, преобладает теплоотдача испарением.

О механизмах отдачи тепла конвекцией и излучением информация представлена в данной главе ранее. Теплообмен проведением (кондукцией) может осуществляться через подошвы обуви, сиденья, одежду человека, лежащего на полу, на земле и других поверхностях. Контактное охлаждение может быть очень значительным и вызывать как местное, так и общее переохлаждение. Особенно опасно длительное пребывание в положении лежа на сырой холодной земле, на снегу, как бывает у военнослужащих, находящихся в окопах, а также при ремонте боевых и транспортных машин, при выполнении строительных работ и т. п. Для профилактики контактного переохлаждения следует пользоваться теплоизолирующими покрытиями и переносными подстилками (матами).

Таблица 2.12

Потери тепла различными путями у людей, одетых в комнатную одежду, находящихся в помещении в состоянии покоя при температуре воздуха 20 °С

Потоотделение и испарение выделяющегося пота представляют собой один из наиболее мощных механизмов терморегуляции, играющих важную роль в условиях перегревания организма и при выполнении физической работы. Величина потоотделения во многом определяется уровнем физической активности человека, метеорологическими условиями, величиной термического сопротивления одежды. Количество выделяемого пота может достигать 1,7 л/ч. На возможную величину испарения пота значительное влияние оказывают физические параметры окружающего воздуха (температура, влажность) и гигиенические свойства одежды (вентилируемость, воздухо– и паропроницаемость).