Потребность в эффективной температуре

На ранних этапах исторического развития температурный фактор играл важную роль в выборе мест поселения людей. Когда человек научился высекать огонь, появилась некоторая его независимость от отрицательных влияний среды. Но, несмотря на это, температурный фактор сохраняет свое значение и по сей день. Об этом свидетельствует зависимость плотности населения от среднегодовой температуры конкретной географической зоны. Важным показателем является сезонная разница. Минимальные сезонные колебания температуры в тропических зонах очень благоприятны для жизни. В северных районах народонаселение увеличивается преимущественно за счет увеличения городов, где есть условия для частичной изоляции человека от неблагоприятных влияний окружающей среды.

Человек относится к гомойотермным, или теплокровным, организмам. Означает ли это, что температура его тела постоянна, т.е. организм не реагирует на изменения температуры окружающей среды? Реагирует и даже очень чутко. Постоянство температуры тела – это, собственно, и есть результат непрерывно происходящих в организме реакций, поддерживающих неизменным его тепловой баланс окружающей среды и изменяется в соответствии с последней.

Большинство животных не умеет регулировать температуру тела. Их называют пойкилотермными животными. Сравнительно немногие поддерживают внутреннюю температуру постоянной. На рис. 20 показано, как меняется у некоторых теплокровных температура тела при изменении окружающей температуры на 10⁰С. Вряд ли человек имеет себе равных по термостабильности [Фрейдин, Бочков, 1976].

С точки зрения обменных процессов, выработка тепла – это побочный эффект химических реакций биологического окисления, в ходе которых поступающие в организм питательные вещества (жиры, белки, углеводы) претерпевают превращения, заканчивающиеся образованием воды и углекислого газа. Такие же реакции с высвобождением тепловой энергии происходят и в организмах пойкилотермных, или холоднокровных животных, но из-за значительно более низкой их интенсивности температура тела у пойкилотермных лишь незначительно превышает температуру окружающей среды.

Рис. 20. Изменение температуры тела при изменении температуры окружающей среды на 10⁰С

Все протекающие в живом организме химические реакции зависят от температуры. И у пойкилотермных животных интенсивность процессов превращения энергии, согласно правилу Вант-Гоффа, возрастает пропорционально внешней температуре. У гомойотермных животных эта зависимость замаскирована другими эффектами. Если гомойотермный организм охладить ниже комфортной температуры окружающей среды, интенсивность обменных процессов и, следовательно, выработка тепла у него возрастают, предотвращая понижение температуры тела. Если терморегуляцию у этих животных блокировать (например, при наркозе или повреждении определенных участков ЦНС), кривая зависимости теплопродукции от температуры будет такой же, как и для пойкилотермных организмов. Но даже в этом случае сохраняются существенные количественные различия между обменными процессами у пойкилотермных и гомойотермных животных: при данной температуре тела интенсивность обмена энергии в расчете на единицу массы тела у гомойотермных организмов по меньшей мере в 3 раза превышает интенсивность обмена у пойкилотермных организмов.

Температура большинства теплокровных млекопитающих лежит в диапазоне от 36⁰С до 40⁰С, несмотря на значительные различия в размерах тела. В то же время интенсивность метаболизма (М) зависит от массы тела (m) как ее показательная функция:

M = k × m^0,75, (10)

т.е. величина М / m^0,75 одна и та же для мыши и для слона, хотя у мыши интенсивность метаболизма на 1 кг массы тела значительно больше, чем у слона.

Этот так называемый закон снижения интенсивности обмена веществ в зависимости от массы тела отражает то, что теплопродукция соответствует интенсивности теплоотдачи в окружающее пространство. Для данной разницы температур между внутренней средой организма и окружающей средой потери тепла на единицу массы тела оказываются тем больше, чем больше соотношение между поверхностью и объемом тела, причем последнее соотношение уменьшается с увеличением размеров тела.

Тепло, вырабатываемое организмом в норме (т.е. в условиях равновесия), отдается в окружающее пространство поверхностью тела, поэтому температура частей тела вблизи его поверхности должна быть ниже температуры его центральных частей. В связи с неправильностью геометрических форм тела распределение температуры в нем описывается сложной функцией. Например, когда легко одетый взрослый человек находится в помещении с температурой воздуха 20°С, температура глубокой мышечной части бедра составляет 35°С, глубоких слоев икроножной мышцы 33°С, в центре стопы температура составляет лишь 27–28°С, а ректальная температура равна примерно 37°С. Колебания температуры тела, вызванные изменениями внешней температуры, наиболее выражены вблизи поверхности тела и на концах конечностей (рис. 21).

Рис. 21. Температура различных областей тела человека в условиях холода (А) и тепла (Б)

Внутренняя температура тела сама по себе не является постоянной ни в пространственном, ни во временном отношении. В термонейтральных условиях различия температур во внутренних областях тела составляют 0,2–1,2°С; даже в головном мозге разница температур между центральной и наружной частями достигает более 1°С. Наиболее высокая температура отмечается в прямой кишке, а не в печени, как считалось раньше. На практике обычно представляют интерес изменения температуры во времени, поэтому ее измеряют на каком-либо одном определенном участке.

Температура тела человека, как и любого гомойотермного организма, характеризуется постоянством и колеблется в чрезвычайно узких границах. Эти границы составляют от 36,4°С до 37,5°С. При температуре тела 35°С наблюдается нарушение психики. Дальнейшее понижение температуры замедляет кровообращение, обмен веществ, а при температуре ниже 25°С останавливается дыхание.

Температура тела человека колеблется в течение дня: она минимальна в предутренние часы и максимальна (часто с двумя пиками) в дневное время. Амплитуда суточных колебаний составляет примерно 1°С. У животных, активных в ночное время, температурный максимум отмечается ночью.

Колебания температуры – один из многих суточных ритмов. Даже если исключить все ориентирующие внешние сигналы (свет, температурные изменения, часы приема пищи), температура тела продолжает колебаться ритмически, но период колебаний в этом случае составляет от 24 до 25 ч. Таким образом, суточные колебания температуры тела основаны на эндогенном ритме («биологические часы»), обычно синхронизованном с внешними сигналами, в частности, с вращением Земли. Во время путешествий, связанных с пересечением земных меридианов, обычно требуется 1–2 недели для того, чтобы температурный ритм пришел в соответствие с жизненным укладом, определяемым новым для организма местным временем. На ритм суточных изменений температуры накладываются ритмы с более продолжительными периодами, например температурный ритм, синхронизованный с менструальным циклом.

Теплообмен между человеком и окружающей средой осуществляется: конвекцией в результате омывания тела воздухом, теплопроводностью, излучением на окружающие предметы и в процессе тепломассообмена при испарении влаги, выводимой на поверхность кожи потовыми железами и при дыхании. Количество тепла, отдаваемого организмом каждым из этих путей, зависит от параметров микроклимата на рабочем месте. Величина и направление конвективного теплообмена человека с окружающей средой определяется в основном температурой окружающей среды, атмосферным давлением, подвижностью и влагосодержанием воздуха. Теплопроводность тканей человека мала, поэтому основную роль в процессе транспортирования теплоты внутри организма играет конвективная передача с потоком крови.

Теплопроводность сухого воздуха мала, поэтому теплоотдача через соприкосновение человека с воздухом также мала. Более интенсивно идет обмен теплом при соприкосновении человека с не нагретыми поверхностями, но, как правило, поверхность соприкосновения в этом случае незначительна.

Лучистый поток при теплообмене излучением тем больше, чем ниже температура окружающих человека поверхностей. Излучение тепла происходит в окружающую среду, если в ней температура ниже температуры поверхности одежды (27-30^оС) и открытых частей тела (33,5^оС). При высоких температурах (30-35^оС) окружающей среды теплоотдача излучением полностью прекращается, а при более высоких температурах теплообмен идет в обратном направлении - от окружающей поверхности к человеку.

Количество теплоты, отдаваемой в окружающий воздух с поверхности тела при испарении пота, зависит как от температуры воздуха и интенсивности работы, так и от скорости окружающего воздуха и его относительной влажности. Количество теплоты, выделяемой человеком с выдыхаемым воздухом, зависит от его физической нагрузки, влажности, и температуры вдыхаемого воздуха. Комфортные условия для организма человека обеспечиваются при соблюдении теплового баланса. Известным исследователем параметров комфорта и качества воздушной среды датским ученым Оле Фангером предложена формула теплового баланса между человеческим телом и окружающей средой.

Уравнение теплового баланса для организма человека за определенный период времени может быть представлено в следующем виде:

M + S ± R ± C ± P - E = 0, (11)

где M - тепло процессов метаболизма, полученное из химических субстратов пищи, подвергшихся расщеплению в клетках; S - накопленное организмом тепло; R, C, P - тепло отданное (со знаком -) или полученное (со знаком +) путем излучения, конвекции, теплопередачи; E - тепло, отданное за счет испарения.

Если тепловой баланс не будет поддерживаться, то дополнительное тепло, полученное различными путями, приведет к повышению температуры тела, а недостаток тепловой энергии - к его охлаждению. В обоих случаях создаются неблагоприятные условия для функционирования клеток организма, которые при превышении определенных температурных границ внутри тела начинают погибать.

Комфортные кондиции воздушной среды могут иметь различные значения и зависеть главным образом от интенсивности труда, совершаемого человеком, и его одежды. В зависимости от состояния организма (сон, отдых, умственная работа, мускульная работа различной интенсивности) и параметров окружающей воздушной среды каждый человек в течение часа выделяет 330-1050 кДж теплоты, 40-415 г влаги и 18-36 л углекислого газа. При постоянной температуре воздуха и поверхностей ограждений с ростом физической нагрузки на организм человека увеличиваются общие тепловыделения и доля теплоты, отводимой испарением влаги. При неизменной нагрузке и повышении температуры окружающей среды уменьшается доля явного теплоотвода, а теплоотвод испарением возрастает при практически неизменных общих тепловыделениях. Если теплопродукция не равна отдаче тепла, то наблюдается накопление или дефицит тепла, приводящие к перегреву или переохлаждению организма. Система терморегуляции позволяет в определенных пределах обеспечивать баланс тепла, но ее возможности довольно ограничены.

Когда для поддержания постоянства температуры тела требуется дополнительное тепло, оно может быть выработано за счет:

1) произвольной двигательной активности;

2) непроизвольной ритмической мышечной активности (дрожь, вызванная холодом);
3) ускорения обменных процессов, не связанных с сокращением мышц.

У взрослого человека дрожь – наиболее важный непроизвольный механизм термогенеза. Тепловой баланс любого тела определяется соотношением между теплом, которое оно получает, и теплом, которое оно отдает. Величина тепловыделения организмом человека зависит от степени физического напряжения и составляет от 314 кДж/ч в состоянии покоя до 1800 кДж/ч при тяжелой работе. Для комфортных условий работы необходимо, чтобы тепловыделение организма равнялось его теплоотдаче, при этом температура внутренних органов человека остается постоянной (около 36,6⁰С).

Таким образом, тепловое самочувствие человека, или тепловой баланс в системе человек – среда обитания зависит от температуры среды, подвижности и относительной влажности воздуха, атмосферного давления, температуры окружающих предметов и интенсивности физической нагрузки.

Завоеватели Перу - испанцы уже в XV в. убедились, что климат высокогорной местности пагубно влияет на рождаемость в семьях чужеземцев. В то же время среди местных жителей нередко можно было встретить семьи с 5-8 детьми. Испанские конквистадоры, обратив внимание на это обстоятельство, вышли из положения довольно про­сто. Столица Перу, расположенная в горах, на высоте 3000 м над уровнем моря, была перенесена на берег океана.

Эффективная температура (ЭТ) - это один из биометеорологических индексов, характеризующий эффект воздействия на человека комплекса метеоэлементов (температуры, влажности воздуха и ветра) через единственный показатель - так называемую эффективную температуру воздуха (табл. 13). Группа американских ученых провела сравнительный анализ нескольких широко используемых алгоритмов расчёта эффективной температуры воздуха и пришла к выводу, что наиболее полным является алгоритм, разработанный Стидманом. Для разработки этой модели был использован широкий ряд биометрических измерений, производившихся во многих странах с 1940 по 1995 гг. Модель эффективной температуры объединяет физиологические факторы тела и кожного покрова, физические особенности одежды и воздушного слоя, находящегося в непосредственной близости к телу, а также метеорологические факторы окружающей среды. Сопротивляемость организма окружающей среде зависит от физических особенностей человека. Поэтому модель разработана для «среднего» человека, т.е. взрослого человека средней комплекции, одетого по погоде, идущего в тени со скоростью 4,8 км/ч. На основе этой модели Стидманом были выведены простые формулы для расчёта эффективной температуры. В доверительном интервале 95% их ошибка не превышает 1 градус Кельвина.

Таблица 13

Воздействие температуры на организм человека

Согласно модели Стидмана эффективная температура рассчитывается по следующей формуле:

ЭТ = - 2,7 + 1,04 T + 2,0 P – 0,65 v, (12)

где Т - температура воздуха (°С), Р - парциальное давление водяного пара (кПа), v - скорость ветра на 10 м над уровнем Земли.

Эффективная температура (ЭТ) объединяет в себе два ранее используемых индекса: температуру воздуха с учетом влияния ветра (WindChill) и температуру воздуха с учетом влажности (Heat index). Отрицательные значения эффективной температуры характеризуют вероятность обморожения, положительные - теплового удара.

В жаркую погоду влажный воздух будет иметь ЭТ выше действительно наблюдаемой температуры, а при ветре ЭТ будет ниже фактически наблюдаемой. В холодную погоду при ветре и высокой влажности, ЭТ, наоборот, будет ниже фактической наблюдаемой.

Тепловой и солнечный удар возникает в результате значительного перегревания организма. Это бывает в тех случаях, когда тепловой баланс нарушается и отдача тепла, поступающего извне и образующегося в организме, по каким-либо причинам затруднена. К перегреванию предрасполагают повышенная температура окружающего воздуха, значительная его влажность, влагонепроницаемая (прорезиненная, брезентовая) одежда.

Тепловой удар возможен в летние месяцы при высокой температуре воздуха и активной солнечной радиации, при работе в горячих, непроветриваемых цехах, гаражах, чердачных помещениях, шахтах, когда температура окружающего воздуха превышает 30⁰С. Перегреванию способствуют тяжелая физическая работа, алкогольное опьянение, недосыпание, нарушение питьевого режима и режима питания. Неподходящая экипировка во время туристских походов и сельскохозяйственных работ также может привести к нежелательным последствиям.

Предвестники теплового удара: ухудшение самочувствия, слабость, разбитость, ощущение сильного жара, покраснение кожи, обильное потоотделение (пот стекает каплями), усиленное сердцебиение, одышка, пульсация и тяжесть в висках, головокружение, головная боль, иногда рвота. Температура тела повышается до 38-40⁰С. Частота пульса достигает 100-120 ударов в минуту. В результате значительно увеличивается нагрузка на сердечно-сосудистую и дыхательную системы. При дальнейшем повышении температуры до 40-41⁰С пульс доходит до 140-160 ударов в минуту, нарастает возбуждение, двигательное беспокойство, уменьшается потливость, что указывает на срыв приспособительных реакций.

Тепловой удар характеризуется предельным накоплением тепла в организме (температура тела 41-42⁰С и более), помрачением сознания вплоть до полной его потери, судорогами различных групп мышц, нарушением дыхания и кровообращения. Возможны галлюцинации, бред. Кожа сухая, горячая, язык тоже сухой, пульс нитевидный и аритмичный. Наибольшую опасность представляют нарушения дыхания. Оно становится более редким. Если при тепловом ударе не оказать своевременно помощь, возможен смертельный исход вследствие нарушений дыхания и кровообращения.

Почти все параметры климата влияют на жизнь человека, однако наиболее существенными из них являются состав атмосферного воздуха, атмосферное давление, температура, относительная и абсолютная влажность воздуха, скорость ветра, солнечная радиация. Наиболее объективная оценка особенностей биометеорологических условий получается на основе комплексного учета упомянутых метеорологических элементов - биоклиматических индексов [Андреев, 2007; Руководство…, 2008].

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: