big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Тепловое равновесие в природе, животный мир и человек

Каждому, кто живет в средней полосе России, приходилось, видимо, не раз наблюдать, как весной, после нескольких теплых дней, вдруг появляется откуда-то масса комаров и мошек, а немного позднее еще и слепни, оводы, мухи и множество других насекомых. Они быстро размножаются, давая за лето несколько поколений, а затем, с наступлением периода с более низкими температурами воздуха, так же быстро исчезают. Экологи, занимающиеся изучением условий жизни насекомых, достаточно хорошо изучили все стадии их развития как в естественных условиях, так и в камерах с искусственным климатом. Оказалось, что в условиях жизни этих животных и растений есть очень много общего: прежде всего их объединяет отношение к солнечному теплу. Жизнь холоднокровных животных, куда мы относим всех насекомых, червей, многих пресмыкающихся и т. д. полностью регулируется тепловым балансом. Они бодрствуют только тогда, когда тепловой баланс их тела положительный, то есть когда суммы температур воздуха или ее средние значения бывают достаточно высокие (во всяком случае выше нуля). В периоды с отрицательным тепловым балансом и низкими температурами все эти животные впадают в анабиоз или погибают совсем.

Зная тепловой баланс поверхности кожи человека или животного, можно найти температуру этой поверхности. Для холоднокровных животных, температура которых близка к температуре воздуха или той поверхности, на которой они находятся, такие расчеты выполнить совсем просто. А вот для теплокровных животных, у которых потеря тепла с поверхности кожи компенсируется внутренним теплом благодаря циркуляции крови, такие расчеты произвести труднее. Чтобы изучить тепловой баланс у большинства видов животных, ученые вынуждены или искусственно имитировать «тело» животного на специальных манекенах, или рассчитывать составляющие теплового «баланса животных на основании определенных физических соображений. Кстати, человек с незапамятных времен научился измерять температуру поверхности своего тела и регулировать свой тепловой баланс. В холода он надевал теплую одежду, лучше питался или укрывался в теплом помещении. А когда было жарке, он надевал легкую одежду или раздевался совсем, мало ел, больше пил. Примерно то же происходит и с животными. К зиме они обрастают густой шерстью, весной линяют, а те из них, кому не свойственна такая смена шерстного покрова, овцы, например, регулируют тепловой баланс своего тела с помощью дыхания.

Как же выглядит тепловой баланс поверхности тела человека и вообще любого теплокровного животного? В приходную его часть помимо остаточной радиации (Б) будет входить еще одна составляющая (Т) — теплопродукция, вырабатываемая самим человеком или животным и определяющаяся калорийностью потребляемой им пищи. А вот расходные статьи останутся те же, что и в известном нам уравнении теплового баланса для обычных поверхностей. Это — расход тепла на испарение с поверхности тела (аИ) и на теплообмен с воздухом (В). Затратами тепла на нагревание самого животного (П) в случаях, когда мы рассматриваем тепловой баланс за длительный период, можно пренебречь, так как при постоянстве температуры животного это тепло расходуется за счет других статей баланса. Если бы такого расхода не было, то организм животного быстро бы перегрелся, что привело бы к тепловому удару.

Итак, в условиях стационарного режима, когда температура тела человека или животного мало меняется во времени, уравнение теплового баланса будет иметь вид:

Б+Т=аИ+В

Для человека одетого или животного, обросшего шерстью, когда поверхность кожи защищена от солнца, ее тепловой баланс будет иметь более простой вид:

Т=аИ+в

В этом случае поступление тепла к поверхности тела происходит только за счет внутренней теплопродукции, распределяемой по телу вместе е циркуляцией крови. Зато для поверхности одежды или шерстного покрова можно составить свое уравнение баланса. Само собой разумеется, что так же как и в известном нам ранее уравнении теплового баланса для обычных поверхностей, расходные статьи аИ и В в определенных случаях могут изменить свой знак и становиться приходными. Возьмем, например, случай, когда температура воздуха, окружающего человека, будет выше, чем температура поверхности кожи. Тогда составляющая баланса В превратится из расходной в приходную и перейдет из правой части уравнения в левую. В таких случаях расходной статьей в тепловом балансе человека останется только затрата тепла на испарение. При жаркой погоде у человека происходит обильное выделение пота, который быстро испаряется с поверхности тела. Так как на испарение будет затрачиваться тепло, приносимое из воздуха, то температура его вблизи поверхности кожи понизится, и приход тепла из воздуха уменьшится. В таких случаях человеку лучше всего снять с себя лишнюю одежду или даже раздеться совсем. Если жара будет велика, а влажность воздуха окажется высокой, что часто наблюдается, например, в условиях влажных субтропиков, то приход тепла к поверхности тела превысит его расход. Наступит разбаланс. Наше тело начнет перегреваться и, если не принять необходимые меры, то может последовать тепловой удар. Условия, когда происходит конденсация водяного пара на поверхности нашего тела и расходная статья (аИ) становится приходной, в природе наступают редко. А если и бывают, то лишь на отдельные участках тела, когда они достаточно охладились и их температура оказалась ниже температуры воздуха. Такую картину мы можем иногда наблюдать во влажную ночь, при тумане, а иногда зимой при сильном морозе, когда на сильно охладившемся лице — на бровях, усах, бороде и ресницах осаждается обильная пушистая изморозь. Но на самой коже лица этого обычно не происходит, так как ее температура остается выше нуля, если только не было обморожения.

Несколько иначе складывается тепловой баланс у покрытых шерстью животных, если у них нет потовых желез или пота выделяется мало. Даже при высоких температурах затраты тепла на испарение в таких случаях будут незначительны или равны нулю. Основной расходной статьей баланса останется затрата тепла на нагревание воздуха за счет внешнего теплообмена и учащенного дыхания. Длинношерстные австралийские овцы мериносы, не имеющие потовых желез, в условиях знойного климата Австралии или Южной Африки чувствуют себя ничуть не хуже, чем их короткошерстные собратья, которые имеют потовые железы. Длинношерстное руно предохраняет их от солнечной радиации, значительно повышая, а не понижая, устойчивость их организма к жаре. Температура на поверхности шерсти при этом может достигать 85 и более градусов, а разность температур между нею и кожей — более 40 градусов. В таком климате у стриженых овец дыхание обычно бывает вдвое чаще, чем у нестриженых. Но вернемся снова к тепловому балансу поверхности человеческого тела. Приходные его статьи (Б+Т) мы можем оценить по остаточной радиации, которая нам известна, и на основании данных о калорийности потребляемой человеком пищи. Что же касается затрат тепла на испарение и теплообмен с воздухом, то для их оценки нам придется вновь обратиться  к методам расчета и вспомнить о том, как связана каждая из составляющих теплового баланса с условиями внешней среды. В первой главе мы уже говорили, что количество тепла, получаемое или отдаваемое той или иной активной поверхностью, зависит прежде всего от разности (градиента) температуры между этой поверхностью и прилегающим к ней воздухом, а также от степени турбулентности (коэффициента турбулентности), которая определяет скорость переноса этого тепла от поверхности к воздуху. Затраты же тепла на испарение с любой поверхности зависят от разности (градиента) во влажности между испаряющей поверхностью и воздухом и турбулентности воздуха, которая определяет скорость переноса влаги. Таким образом, зная или измеряя температуру и влажность воздуха, в котором находится человек, и температуру и влажность на поверхности его тела, а также скорость ветра, которая определяет величину турбулентности, мы можем рассчитать обе расходные статьи теплового баланса человека где-нибудь на пляже, когда большая часть тела его открыта, или в повседневной жизни, когда он в одежде. Такие же расчеты можно произвести и для поверхности тела животного. Но мы в состоянии также решить и обратную задачу, а именно: зная, например, приходные статьи теплового баланса поверхности тела и метеорологические условия, в которых находится человек или животное, определить температуру поверхности их тела, а по ней оценить тепловое состояние. А это как раз и является нашей основной задачей. Определив или рассчитав тепловое состояние человека или животного в определенных условиях, мы можем изменить их таким образом, чтобы обеспечить для людей или животных наилучшие жизненные условия.

Чтобы разобраться в том, какова связь теплового баланса поверхности тела человека или животного с его самочувствием, и оценить роль баланса в жизни теплокровных животных, мы должны совершить небольшой экскурс в науку, далекую от метеорологии.

Физиологи и медики давным-давно заметили, что тепловое ощущение человека зависит от того, сколько тепла поступает на поверхность его тела. Если этого тепла мало — человеку становится холодно. Температура поверхности кожи понижается, он чувствует озноб, появляется дрожь, сужаются кровеносные и кардиальные сосуды, ухудшается общее самочувствие. При перегревании же поверхности кожи температура тела повышается, увеличивается сердцебиение, учащаются пульс и дыхание, начинает обильно выделяться пот, и самочувствие человека тоже становится хуже. Имеется только сравнительно небольшой диапазон метеорологических условий, когда человек чувствует себя приятно. Этот диапазон называют «зоной комфорта».

Таким образом, температура поверхности тела является основным показателем теплового состояния у человека или животного. А температура любой поверхности, как мы уже знаем, целиком определяется ее тепловым балансом. От того, сколько тепла будет получать или отдавать эта поверхность и какую долю его она поглотит и затратит на нагревание, зависит и температура этой поверхности. Наблюдая за человеком, врачи обнаружили, что при нормальных комнатных условиях температура поверхности человеческого тела меняется в сравнительно небольших пределах — от 33 до 36 градусов. При неблагоприятной же обстановке она может понизиться до 20 и ниже градусов.

Вспоминаются опыты, проводимые на себе доктором Н. Р. Палеевым, зимовавшим с нами в Антарктиде. Он занимался изучением теплопотерь человека в суровых полярных условиях. Прикрепив к различным частям своего тела электрические термометры, показания которых мы могли отсчитывать, находясь на любом расстоянии от него, Палеев одевался, выходил из помещения и оставался на открытом воздухе до тех пор, пока не начинал замерзать. Такие опыты он проделывал при различных условиях погоды, в том числе при ураганных ветрах и температурах воздуха до минус 40 градусов. В зависимости от суровости погоды мы втаскивали его в помещение через разные промежутки времени и иногда еле живого. Температура поверхности его тела под, казалось бы, не продуваемой шубой или штормовым пуховым ватником понижалась до 7 градусов. Провода от прикрепленных к его телу термометров были пропущены внутрь помещения через вентиляционную трубу. Иногда, когда я сидел в теплой комнате у гальванометра, с помощью которого отсчитывались показания этих термометров, мне казалось, что он уже потерял сознание и замерз. Только легкое постукивание о трубу, за которую он был привязан, чтобы не быть унесенным ураганным ветром, свидетельствовало о том, что мой отчаянный друг жив.

Наиболее высокая температура у человека наблюдается на коже лба, а наиболее низкая — на поверхности ступни.

На ногах температура кожи понижается сверху вниз, а на руках, наоборот, растет сверху вниз и ниже всего оказывается на плечах. Благодаря наличию такого градиента температуры на поверхности тела в человеке происходит циркуляция тепла, которая обеспечивает терморегуляцию всего организма. Когда из-за неблагоприятных метеорологических условий какой-либо участок поверхности тела сильно нагревается или охлаждается и организм не в состоянии компенсировать это нарушение, условия комфорта, а следовательно, и состояние человека заметно ухудшаются.

Люди с незапамятных времен знают, что тепло и калорийная пища оказывают большое влияние на температуру тела, но всего лишь около 20 лет тому назад ученые установили связь между теплоощущением организма и тепловым балансом поверхности человеческого тела (Бюттнер, 1952 г. и др.). Выразив тепловой баланс поверхности тела через температуру, ученые получили зависимость, связывающую тепловое ощущение человека со средней температурой поверхности его кожи (табл. 15). Но это были лишь первые шаги в совместном использовании метеорологических и физиологических данных для оценки теплового состояния человека.

Решение уравнения теплового баланса с использованием всего разнообразия радиационных и климатических условий, наблюдающихся в нашей стране, позволили ученым определить характеристики теплового состояния человека в

одежде и без нее в разные месяцы года и на разной широте. Эти расчеты были выполнены в Главной геофизической обсерватории Г. В. Циценко. На основании теоретических исследований М. И. Будыко построена целая серия карт, характеризующих среднюю температуру поверхности человеческого тела в полдень, для каждого времени года в разных климатических района страны. Оказалось, что в летние месяцы (июнь — июль) средняя температура поверхности тела обнаженного человека, принимающего, например, воздушные ванны в полуденные часы на широте Полярного круга, составит около 29 градусов, а на побережье Черного моря, как, впрочем, и в районе Куйбышева, она будет равна 34—35 градусам. В первом случае он будет ощущать прохладу, а во втором — ему будет изрядно жарко.

Выполненные учеными расчеты позволили получить точные количественные данные, связывающие каждую из составляющих теплового баланса человека с его ощущениями.

Теплопродукция человека (Т), например, оказалась теснейшим образом связана с тепловым ощущением и температурой поверхности тела человека. По данным американских ученых Уинсла, Херингтона и др. (1937 г.), у человека, находящегося в состоянии покоя и теплового комфорта, теплопродукция почти постоянна. Она составляет 40— 50 ккал/см2час, то есть в среднем равна 0,08 кал/см2мин. Это означает что в летнее время где-нибудь на европейской территории СССР на долю внутренней теплопродукции падает всего лишь 20—30 процентов от всей приходной части теплового баланса человека. Остальные 70—80 процентов он получает уже за счет остаточной радиации (Б).

Совершенно иначе складывается соотношение между приходными статьями баланса, когда человек занят работой. По данным физиологов Витте и Бортона,

Таким образом, у работающего на открытом воздухе человека основная доли тепла создается уже благодаря внутренней теплопродукции, а не солнечной радиации. Теперь нам ясно, почему в жарких условиях, да еще при большом напряжении солнечной радиации, человек, который долго занимался тяжелым физическим трудом, должен опасаться перегрева и теплового удара. А вот когда воздух холодный, то любая физическая работа не грозит перегревом. Хватило бы только сил, чтобы выполнять ее.

Ну, а каково же соотношение между расходными статьями теплового баланса тела человека? Проведенные учеными исследования позволяют теперь ответить и на этот вопрос. По данным М. И. Будыко и Г. В. Циценко, соотношение между расходом тепла на испарение и нагревание воздуха прежде всего зависит от внешних условий, в которых находится человек и, конечно, от того, как он будет одет. Когда человек обнажен или легко одет, при высоких температурах и сухом воздухе основная часть поступающего тепла тратится им на испарение, а при низких температурах — на теплообмен с воздухом. Для жителей юго-восточной части европейской территории СССР затраты тепла на испарение, например, достигают 75—80 процентов от общего расхода тепла, а на северо-востоке на испарение расходуется всего лишь 20—25 процентов. Остальное тепло идет на теплообмен с воздухом. Для других районов СССР и земного шара это соотношение будет иным.

Учитывая, что каждая из составляющих теплового баланса (за исключением Т) связана с определенными метеорологическими условиями (температурой и влажностью воздуха, ветром и т. д.), ученые, занятые исследованием жизнедеятельности человека (физиологи, медики, биометеорологи и др.), обычно выражают условия теплоощущения человека не через составляющие теплового баланса поверхности его тела, которые трудно определять, а через входящие в его расчет метеорологические характеристики. И это понятно. Ведь поскольку между затратами тепла на теплообмен с воздухом и испарение существует определенное соотношение, а сумма их всегда равна приходной части теплового баланса, то такое же соотношение должно сохраняться и между температурой и влажностью воздуха, который окружает наше тело. Чем больше затраты тепла на испарение с поверхности тела, тем меньше будет его тратиться на теплообмен с воздухом, тем ниже окажется температура кожи и тем большую прохладу будет ощущать человек. Ощущение это еще более возрастет, если при тех же самых условиях усилится и ветер, так как турбулентные вихри будут быстрее относить от поверхности кожи нагретый воздух и приносить на его место порции более холодного воздуха.

Учитывая столь тесную связь между тремя этими составляющими, биометеорологи и медики еще в начале 50-х годов для выражения степени теплового ощущения человека придумали особую шкалу температур, названную ими эффективными температурами (ЭТ). В отличие от эффективных температур, которые используются агрометеорологами и ботаниками, эффективная температура в медицине представляет собой определенную комбинацию температуры воздуха, влажности воздуха и ветра. Наиболее благоприятное тепловое ощущение по этой шкале вызывают у человека температуры воздуха, находящегося в пределах примерно 19—22°, относительная влажность — от 30 до 70 процентов и безветрие или очень слабый (меньше 0,3 м/сек) ветер. Однако эта зона комфорта относится скорее к комнатным, чем к естественным условиям. На самом деле для жителей различных климатических областей зоны комфорта будут существенно разными. Люди ведь привыкают к своему климату и поэтому по-разному испытывают на себе его влияние. По данным английских ученых, зона комфорта для Британских островов находится в пределах от 14,4 до 20,6° С. Американцы считают, что для США она равна 20,2—26,7°, а для тропиков составляет уже 23,3— 29,4° С. Пределы же относительной влажности воздуха всюду принимаются одинаковыми — 30—70 процентов и ветер тоже — меньше 0,3 м/сек.

На рис. 22 приведен график теплового ощущения человека при различных сочетаниях метеорологических элементов для умеренного пояса США, что соответствует примерно южным районам европейской территории СССР. Как видно из рисунка, зона комфорта здесь представляет собой сочетание температур воздуха от 21 до 27 градусов (примерно), относительной влажности воздуха от 10 до 60 процентов и полного безветрия. Линии ветра, показанные на графике, расширяют зону комфорта до 32 градусов и до 80—85 процентов относительной влажности. Линия 1, находящаяся в правом верхнем углу графика, отделяет зону возможного теплового удара для человека, а линия 2 — предел средней физической нагрузки. Выше этой линии физическая нагрузка приводит к резкому ухудшению самочувствия человека. Ниже этой линии ветер и влажность воздуха перестают влиять на тепловое ощущение человека.

Зависимость теплового ощущения человека при различных сочетаниях метеорологических элементов

Пунктирными линиями, нарисованными слева от линии 3, показаны пределы искусственного расширения зоны комфорта в сухих и жарких помещениях с помощью специального увлажнения воздуха. Цифры около каждой из этих линий показывают, какое количество воды (в граммах) надо испарить на каждый килограмм воздуха. Почти горизонтальные линии, расположенные в нижней половине графика, показывают потерю тепла человеком путем излучения при различном понижении температуры воздуха. Влажность воздуха при этом, как видно из рисунка, почти не играет роли.

Особо следует остановиться на тепловом состоянии людей (акклиматизировавшихся и неакклиматизировавшихся) при различных соотношениях температуры и влажности воздуха, то есть в зависимости от соотношения между затратами тепла на испарение и теплообменом с воздухом. Американским медикам, много изучавшим тепловое состояние людей, занятых различным трудом в жарком климате, удалось построить специальные графики предельных тепловых нагрузок для людей, работающих в этих условиях (рис. 23). Линии НА— 1 (по Бранту, 1943 г.) и НА — 2 (по Шиккеле, 1947 г.) представляют собой границы, разделяющие «тепловые условия» от «очень жарких» для неакклиматизировавшихся людей. Шиккеле даже назвал ее «линией гибели от теплового удара». Линии А — 2 (по Бранту) разделяют «очень теплые условия» (когда имеется риск

Тепловые ощущения людей при различных физических нагрузках для акклиматизировавшихся

теплового удара) от «невыносимо жарких» (когда этот удар весьма вероятен). Зоны между НА и А означают условия, при которых наиболее часто наблюдались тепловые удары у населения.

Все, о чем мы только что говорили, касалось людей, одетых в легкую одежду, когда тело человека получает от 30 до 40 процентов тепла от солнечной радиации.

Для человека, находящегося без одежды, поступление тепла от радиации в 2—3 раза больше, чем от собственной теплопродукции. Зато, когда человек одет тепло, например, осенью или зимой, поступление к поверхности тела тепла, получаемого от радиации, снижается до 5—10 процентов или даже прекращается совсем.

Для оценки теплозащитных свойств различного рода одежды физиологи и медики придумали даже специальную единицу. Называется она КЛО (климатическая одежда).

За КЛО=1 принято теплоизоляционное свойство одежды, равное 0,18 град/ккал м2 час, что соответствует свойствам обычной комнатной или летней одежды, в которой человек отдыхает или занимается умственным трудом.

На рис. 24 приведена карта средней температуры поверхности тела человека, находящегося в такой одежде (КЛО=1) в различных климатических зонах СССР (для летних месяцев). Как видно из этого рисунка, зона комфорта в это время (32—33,5°) занимает территории приблизительно от 55 до 65° северной широты. К югу от нее человек испытывает жару, а к северу — прохладу и даже холод. Прохладно в это время в легкой одежде и на Дальнем Востоке.

Метод теплового баланса позволил Г. В. Циценко провести районирование территории нашей страны по типам одежды для различных сезонов года. При этом выяснилось, что для теплого периода числа КЛО меняются от ОД (для южных степей) до 2 и более (для тундры). В зоне же пустынь и районов Средней Азии любая, даже самая легкая одежда, оказалась дискомфортной. Она нужна лишь для предохранения тела от ожога. Зимой числа КЛО на территории нашей страны колеблются в пределах от 2—2,5 (демисезонное пальто) для районов с мягкой зимой, до 6—7 и более для районов сурового климата Сибири.

Вполне понятно, что такое же районирование территории можно выполнить и для любой части земного шара.

Таким образом, такую чисто индивидуальную на первый взгляд физическую характеристику, как тепловой баланс

Распределение средних температур поверхности человеческого тела летом в различных климматических зонах при КЛО равном 1

человека, ученые поставили на службу обществу. Он лег в основу нормирования тепловых качеств одежды и обуви, определения потребности в питании и даже расчетов норм и правил строительства, которое развернуто в нашей стране от крайнего юга до далекого Заполярья. Совершенно очевидно, что так же, как и для человека, зоны комфорта существуют и для животных. Причем для разных животных они разные. Более того, они не одинаковы даже для одного и того же вида животных, а зависят от породы, возраста, Места их обитания и т. д.

Как у людей, живущих в разных широтах и имеющих различный вид кожи, пределы зон комфорта сдвинуты в ту или другую сторону от некоторой «средней зоны» на несколько градусов, так и у одних и тех же животных, населяющих разные широты, зоны комфорта тоже имеют свои особенности.

Наши выводы справедливы не только для теплокровных, но и для холоднокровных животных.

Исследования насекомых, проводимые в камерах искусственного климата, показал, что для них существуют свои условия комфорта. Дынные и плодовые мухи, например, живут только там, где средняя суточная температура воздуха ниже 14 градусов бывает не более двух месяцев в году, то есть в условиях теплового климата. А вот всем известные нам мухи жигалки прекрасно размножаются даже в полярных широтах.

Итак, для каждого вида животных существует своя зона оптимального метеорологического комфорта, при которой они развиваются лучше всего. Чем дальше мы удаляемся от нормы, чем более неблагоприятными становятся метеорологические условия, тем большие трудности испытывает организм животного.

На этом, пожалуй, можно и закончить рассказ о тепловом балансе нашей планеты и его роли в формировании и развитии природных процессов.

Нам осталось теперь лишь одно — попытаться показать читателю, в какой мере можно воздействовать на ту или иную составляющую теплового баланса искусственным путем, чтобы активно вмешаться в «дела» природы, изменяя или регулируя ее процессы в нужном для человека направлении. Об этом и пойдет речь в последней главе.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.