Пределы переносимости охлаждения. Переносимость теплопотерь организмом

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 06.11.2024

Пределы переносимости охлаждения. Переносимость теплопотерь организмом

Было бы желательно, если бы появилась возможность выразить физиологическую переносимость через величину теплопотерь организма. Такую совокупность экспериментальных данных в 1975 г. получили Craig, Dvorak, подвергая 10 почти обнаженных испытуемых действию воды температуры 24 °С в водяном калориметре. Продолжительность экспериментов составляла 60 мин, при этом испытуемые ощущали настоящий дискомфорт и большую часть времени у них отмечалась дрожь.

Среднее снижение температуры в слуховом канале составила 0,37 °С, а температуры кожи 7,9 °С. Это воздействие холода не было предельно переносимым, но испытуемые не смогли усилием воли заставить себя выдержать более длительное воздействие. Средняя величина теплопотерь у 10 испытуемых была равна 183 ккал/ч. У одного испытуемого теплопотери составили 226 ккал/ч. В другом эксперименте, в котором этот же испытуемый был одет в костюм «мокрого» типа из вспененного неопрена, продолжительность пребывания в воде (при 24 °С) составила 2 ч, а тепловые потери достигли 276 ккал.

Несмотря на повышенную потерю тепла, испытуемый чувствовал себя в костюме более комфортабельно, но все время сильно дрожал. Изменение температуры в слуховом канале за 1 ч экспозиции у него было таким же (0,2 °С), как и в предыдущем эксперименте без защитного костюма.

Совсем недавно аналогичный водяной калориметр был использован в другом исследовании. Показано, что обнаженный человек может легко переносить действие воды температуры 24 °С в течение 1 ч. При этом отмечено, что у 2 худощавых испытуемых дрожь была умеренной, а у 2 других, имеющих 25% жира в массе тела, — слабой. Теплопотери составили в среднем 180 ккал. Затем тех же испытуемых поместили на 1 ч в более холодную воду (18 °С).

Установлено, что более худощавые участники эксперимента дрожали сильно и были на пределе произвольной переносимости холода, в то время как 2 других испытуемых, имеющих избыточную массу тела, смогли находитьсяг в воде дольше, и дрожь у них появилась намного позже. Средняя потеря тепла в более холодной воде составляла 320 ккал [Annis et al, 1979].

При охлаждении испытуемых до предела произвольной переносимости с использованием калориметра, выполненного в виде костюма, было выявлено, что скорость теплопотери играет такую же значительную роль в определении количества тепла, которое человек может добровольно утратить, как и масса тела, и содержание в ней жира. Очень медленная потеря тепла со скоростью 0,5—1 ккал/мин не представляет опасности. Потеря тепла должна будет составить более 200 ккал, прежде чем появятся реальные изменения в ректальной температуре или какие-нибудь признаки дрожи.

Во время медленного охлаждения человек может потерять 250—300 ккал и при этом еще не достичь предела переносимости холода. Наоборот, потеря тепла со скоростью 5—6 ккал/мин вызывает у человека чувство холодового дискомфорта, снижение ректальной температуры к моменту потери 100 ккал тепла и сильную дрожь. При теплопотере, составляющей 200—240 ккал, предел переносимости наступает через 1 ч. Охлаждение с переменной скоростью может быть выдержано человеком на протяжении 2 ч. Главным фактором, ограничивающим добровольно переносимое охлаждение, является развитие усталости из-за долго продолжающейся дрожи. В этом случае теплопотери достигают в среднем 250 ккал.

Эти лабораторные эксперименты были начаты для выяснения физиологических особенностей организма в отношении теплопотери, снижения температуры внутренних органов и кожи. Однако существуют другие физиологические аспекты, определить которые трудно. Так, когда руки холодеют и «немеют» и сила их ослабевает, начинает нарушаться работоспособность. Такие холодовые эффекты не зависят от общей потери тепла и понижения внутренней температуры тела.

Лица, знакомые с подводными погружениями, привычны к охлаждению и прекращают работу, когда начинают испытывать значительную слабость. Усталость вероятно связана с охлаждением. Водолаз прекращает работу, когда начинает чувствовать, что не в состоянии выполнить поставленную перед ним задачу. Опытные водолазы, вероятно, знают на основании опыта, как и корейские нырялыдицы, в какой момент надо прекратить работу. Возможно, они испытали на себе коварные эффекты развивающейся гипотермии и бывали на грани рискованных ситуаций. По-видимому, верно и обратное утверждение тот, кто игнорирует такие симптомы охлаждения, никогда не станет ветераном водолазного дела.

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Научная электронная библиотека

Длительное нахождение человека в условиях пониженных температур (0 ÷ -70 0 С) [24] без соответствующей защитной одежды представляет опасность переохлаждения, которое способно вызвать отрицательные последствия для его здоровья [25, 26], отражается на его трудоспособности.

В целом организм человека - это саморегулирующая система, но ее возможности в сохранении температурного гомеостаза весьма ограничены биологическими особенностями строения тела и физиологического функционирования внутренних систем жизнеобеспечения человека. К условиям низких температур человек приспособился в основном за счет социальных факторов: жилья и одежды [27].

В среде с низкой, некомфортной температурой незначительное снижение теплопотерь тела человека происходит за счет уменьшения градиента температуры между поверхностью тела и среды в результате охлаждения рецепторов кожи, спазмирования под влиянием этого кровеносных сосудов и увеличения термического сопротивления тканей организма. С течением времени постепенно происходит адаптация организма человека к пониженным температурам [28].

Исследования [25, 29 - 31] показали, что у лиц, систематически находящихся на холоде, вырабатывается способность к акклиматизации, выражающаяся в большей подвижность стенок сосудов, позволяющая быстро восстанавливать нормальное кровоснабжение тканей. Однако при выполнении интенсивной физической нагрузки способность к акклиматизации не играет большой роли, т.к. в этом случае температура тела становится выше, дефицит тепла больше, а температура кожи, по отношению к состоянию покоя ниже [28, 32, 33]. Величина теплопродукции при этом может увеличиваться в шесть раз [25, 34].

В физиологических исследованиях [28, 34 - 36] установлено, что термостабильное состояние человека сохраняется при равновесии между теплообразованием и теплоотдачей. Теплопродукция организма человека зависит от физиологических факторов организма, физиологической активности и степени акклиматизации к холоду. Среднее значение теплопродукции человека в состоянии покоя равна 40-50 ккал/(м 2 ∙час) [37].

На интенсивность тепловых потерь влияют процессы физиологической регуляции организма человека и факторы климата окружающей среды. Человек отдает в окружающую среду тепло, которое продуцирует сам и теряет в виде радиации пятью основными способами [28, 38]: кондукцией, конвекцией, радиационным излучением, дыханием, испарением пота. Вклад потерь тепла кондукцией при использовании теплозащитной одежды обычно незначителен и им пренебрегают. Конвективные потери зависят от температуры окружающей среды, скорости движения воздуха, конструкции теплозащитной одежды. Почти половина потерь тепла (43,9-59,1 %) [38, 28] происходит радиационным излучением. Потери тепла на нагревание воздуха обычно составляют 2-3 %, а при температуре -40 0 С достигают 10% [39]. Потоотделение усиливается под воздействием теплового раздражения, эмоциональных стимулов, напряжения, волнения [40]. В результате, как отмечают исследователи [25, 28], основной вклад в интенсивность тепловых потерь вносят именно конвекция и радиационное излучение.

Низкие температуры окружающей среды оказывают влияние и на функционирование внутренних органов. При значительном охлаждении растет число тромбоцитов и эритроцитов в крови, увеличивается содержание холестерина, вязкость крови, что нарушает работу кровеносной системы и повышает возможность тромбообразования. Холод способствует возникновению различных сердечно-сосудистых патологий, приводит к вегетососудистой дистонии, обострению язвенной болезни, радикулита и ревматизма, обуславливает возникновение заболеваний органов дыхания: бронхита, пневмонии, тонзиллита [28, 41].

Если на начальных этапах адаптации к пониженным температурам преобладают острые воспалительные заболевания и обостряются уже имеющиеся патологические процессы, то через 3 - 5 лет в структуре заболеваемости начинают преобладать ишемическая болезнь сердца, артериальная гипертония, язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, а также различные нарушения со стороны эндокринной системы. Все эти заболевания являются следствием хронического стресса и связаны с глубокими перестройками метаболизма систем эндокринной регуляции, состоянием иммунологической реактивности [26, 42].

Внешнее проявление локального и общего охлаждения человека наблюдается как изменение его двигательной активности и реакции, нарушение общей координации и способности выполнять точные операции. Более глубокое воздействие холода на организм инициирует тормозные процессы в коре головного мозга, что может стать причиной возникновения различных форм травматизма. В результате, кроме потери здоровья человека, возрастают потери рабочего времени, связанные с временной утратой работоспособности.

При охлаждении человека для сохранения его работоспособности необходимо знать пределы переносимости холода организмом. На основании исследований теплообмена человека с окружающей средой [41] разработаны показатели допустимого теплового состояния человека (таблица 1.4).

Из таблицы видно, что увеличение физической активности способствует лучшей переносимости охлаждающего воздействия, несмотря на снижение средневзвешенной температуры кожи.

Таким образом, тепловое состояние человека определяется климатическими факторами, индивидуальными особенностями человека и теплозащитной одеждой. Диапазон возможной физиологической терморегуляции человека крайне ограничен, и защита его возможна лишь средствами специальной одежды. Обеспечение необходимого микроклимата в пододёжном слое и безопасного теплового состояния человека реализуется благодаря проектированию и созданию качественной и безопасной теплозащитной одежды.

Таблица 1.4 - Критерии допустимого теплового состояния человека (нижняя граница)

Нарушение терморегуляции организма

Расстройство терморегуляции это нарушение постоянства температуры тела, вызванные дисфункцией ЦНС. Температурный гомеостаз считается одной из основных функций гипоталамуса, который содержит специализированные термочувствительные нейроны.

От гипоталамуса начинаются вегетативные пути, которые при необходимости могут обеспечивать увеличение теплопродукции, вызывая мышечную дрожь или рассеяние излишнего тепла.

При поражении гипоталамуса, а также следующих от него к стволу мозга или спинному мозгу путей возникают расстройства терморегуляции в виде гипертермии или гипотермии.

Теплоотдача организмом во внешнюю среду зависит от температуры окружающей среды, от количества влаги (пота), выделяемой организмом вследствие затрат тепла на испарение, от тяжести выполняемой работы и физического состояния человека.

При высокой температуре воздуха и облучении кровеносные сосуды поверхности тела расширяются, при этом происходит перемещение крови: главного аккумулятора тепла в организме, к периферии (поверхности тела). Вследствие такого перераспределения крови теплоотдача с поверхности тела значительно увеличивается.

Нарушения терморегуляции организма могут возникать при:

повреждении центрального или периферического звена системы терморегуляции;

кровоизлияниях и опухолях в области гипоталамуса;

при травмах, сопровождающихся повреждением соответствующих проводящих путей.

Нарушение терморегуляции сопутствует многим системным заболеваниям, обычно проявляясь повышением температуры тела или лихорадкой. Повышение температуры тела является настолько надежным индикатором заболевания, что наиболее часто используемой в клинике процедурой стала термометрия.

Изменения температуры можно выявить даже при отсутствии явного фебрилитета. Они проявляются в виде покраснения, побледнения, потоотделения, дрожи, ненормальных ощущений тепла или холода, а также могут состоять из неустойчивых колебаний температуры тела в пределах нормы у больных с постельным режимом.

При физической работе временно нарушается баланс между теплопродукцией и теплоотдачей с последующим быстрым восстановлением нормальной температуры в состоянии покоя за счет длительной активации механизмов теплоотдачи.

Фактически, при длительной физической нагрузке расширение сосудов кожи в ответ на повышение температуры сердцевины организма прекращается для того, чтобы сохранить эту температуру.

Нарушение терморегуляции при лихорадке

При лихорадке адаптационная способность снижается, так как по достижении стабильной температуры тела теплопродукция становится равной теплоотдаче, однако и та, и другая находятся на уровне выше исходного. Кровоток в периферических сосудах кожи играет более важную роль в регуляции теплопродукции и теплоотдачи, чем потоотделение.

При лихорадке температура тела, определяемая терморецепторами, низкая, поэтому организм реагирует на нее как на охлаждение.

Дрожь приводит к увеличению теплопродукции, а сужение сосудов кожи — к уменьшению теплоотдачи. Эти процессы позволяют объяснить возникающие в начале лихорадки ощущения холода или озноба. И наоборот, при удалении причины лихорадки температура снижается до нормальной, и больной ощущает жар. Компенсаторными реакциями в данном случае являются:

расширение сосудов кожи;

При высокой температуре окружающей среды развиваются четыре клинических синдрома:

тепловая травма при напряжении;

Каждое из этих состояний можно отдифференцировать на основании различных клинических проявлений, однако между ними есть много общего и эти состояния можно рассматривать как разновидности синдромов одного и того же происхождения.

Симптомокомплекс теплового поражения развивается при высокой температуре (более 32°С) и при высокой относительной влажности воздуха (более 60%). Наиболее уязвимы люди пожилого возраста, лица, страдающие психическими заболеваниями, алкоголизмом, принимающие антипсихотические, мочегонные, антихолинергические препараты, а также люди, находящиеся в помещениях с плохой вентиляцией.

Одними из основных, т.е. неспецифических, факторов среды, влияющих на организм человека, следует считать климатические условия, только лишь количественно отличающиеся по своей интенсивности от аналогичных присутствующих в других регионах: температура, атмосферное давление воздуха (в т. ч. аэродинамический режим - резкие перепады атмосферного давления), высокая относительная влажность воздуха, скорость движения воздушных масс (постоянные, сильные ветры).

Известно [1, 3, 6, 9, 10, 12, 13], что воздействие чрезмерных по своей интенсивности или необычных факторов внешней среды приводит к снижению работоспособности, раннему проявлению ряда заболеваний и, как следствие, к снижению качества и продолжительности жизни. Отрицательное влияние на процесс адаптации организма человека, характеризующееся неадекватными реакциями со стороны регуляторных механизмов и приводящее к более раннему проявлению целого ряда заболеваний, оказывают низкая температура воздуха, высокое атмосферное давление, сильные геомагнитные и электромагнитные возмущения, недостаточное (или, наоборот, избыточное) ультрафиолетовое облучение, сильный ветер, высокая влажность воздуха. Кроме того, скорость изменения показателей вышеобозначенных факторов во времени (межсуточная и внутрисуточная изменчивость), вносит определяющий вклад в процессы напряжения механизмов адаптации организма человека [3, 6, 7].

Снижение температуры воздуха активизирует химические реакции теплообразования в организме. Однако высокая влажность воздуха в сочетании с низким температурным режимом окружающей среды существенно повышает плотность воздуха и, следовательно, повышает его теплопроводность. Как следствие, наступает переохлаждение (гипотермия). С охлаждением организм борется до тех пор, пока он способен восполнить интенсивно расходуемое тепло. Если организм образует тепла меньше, чем расходует, наступает общее переохлаждение, сопровождающееся ослаблением всех его жизненных функций.

При высокой температуре возникают противоположные защитно-приспособительные реакции. Длительное воздействие на организм высоких температур, особенно в сочетании с высокой влажностью воздуха, снижает эффективность теплопроведения окружающей среды, уменьшая тем самым конвекцию и испарение с поверхности тела, что приводит к длительному максимальному потоотделению. Вместе с потом теряется не только вода, но и минеральные соли. Потеря солей приводит к нарушению обменных процессов в клетках; эти нарушения частично компенсируются за счет повышения интенсивности обмена веществ и энергии, что, в свою очередь, требует большего количества кислорода для окислительных реакций. Поэтому развивается учащение дыхания, увеличивается нагрузка на сердечно-сосудистую систему. В результате выделяется дополнительное тепло, температура тела повышается, наступает перегрев организма - гипертермия.

Как переохлаждение, так и перегревание вредны для здоровья. Низкую и высокую температуру организм переносит по-разному в зависимости от насыщенности воздуха влагой. Так, при температуре 20˚С насыщенный влагой воздух, движущийся со скоростью 3 м/с, кажется таким же прохладным, как неподвижный воздух при температуре 14˚С. В нормально вентилируемом помещении человек чувствует себя хорошо при таких соотношениях между температурой и влажностью воздуха в пределах 20˚С и 80%, 25˚С и 60%, 30˚С и 44%, 35˚С и 33%. Согласно данным И.А.Сапова и В.С.Новикова [14], систолическое артериальное давление имеет тенденцию к повышению при понижении температуры воздуха и атмосферного давления, а также при увеличении влажности до 80-90%. Одновременно отмечается увеличение частоты и глубины дыхания (Л.Б.Ким, 1982).

В.Л.Хрущев [15] раскрывает характер изменений в функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы в процессе адаптации человека к неблагоприятным климатическим условиям: некоторое урежение пульса, нарушение циркадного ритма сердечной деятельности, склонность к повышению уровня как систолического, так и диастолического артериального давления крови (АД); снижение систолического и минутного объемов сердца, большую реактивность, лабильность и длительность восстановительного периода основных показателей сердечно-сосудистой системы в ответ на дозированную физическую нагрузку.

В результате переохлаждения организма характерны заболевания ангиной, катаром верхних дыхательных путей, пневмонией и др. Увеличение теплоотдачи при дыхании в низких температурных условиях может достигать 15-20% [5]. Дыхание сухим холодным воздухом на фоне снижения общей резистентности организма способно привести к переохлаждению легких и бронхиолиту, а следовательно - к гипоксемии [2, 8].

Поскольку атмосферное давление у поверхности земли в целом постоянно и незначительно колеблется вокруг показателя 760 мм. рт. ст., то живущие на Земле организмы в процессе эволюции приспособились к этим колебаниям, и человек также незначительно реагирует на подобные колебания. Тем не менее, при существенном понижении атмосферного давления приобретает тенденцию к повышению уровень тревожности, появляются жалобы на головную боль, общую вялость, слабость, некоторое снижение настроения, бессонницу или сонливость, появление «необъяснимой тревоги» [11].

Согласно данным Центрального института курортологии и физиотерапии, резкое понижение атмосферного давления на 10-12 мм рт. ст. может вызывать сосудистые катастрофы. Существенное падение барометрического давления, приводящее к снижению парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе и, как следствие, к развитию гипоксемии, выражается в появлении головных болей и головокружении, повышенной утомляемости, одышке, тахикардии.

Заметное влияние на организм человека оказывает ветер. Слабый ветер вызывает на открытых участках тела едва уловимые сосудистые реакции: у тренированных людей сосуды расширяются, у нетренированных - суживаются. Многие люди ощущают недомогание при бурях, сильных фронтальных и горно-долинных ветрах, а также при фенах. Последние иногда достигают большой силы и сопровождаются резким повышением температуры воздуха и снижением его влажности. Фены вызывают у некоторых людей так называемую феновую болезнь: подавленное и раздражительное состояние, головокружение, увеличение частоты сердечных сокращений, угнетение работоспособности.

Таким образом, климатические условия оказывают существенное влияние на организм человека как целостную функциональную систему. Значительные и экстремальные отклонения метеорологических параметров от привычных значений способны повлечь за собой резкое угнетение адаптационных возможностей, нарушение регуляции функций систем жизнеобеспечения, снижение работоспособности, развитие разнообразных форм патологии. Особенно важное значение имеет дальнейшее исследование влияния климатических факторов среды на функциональное состояние и адаптацию организма в условиях возникновения чрезвычайных ситуаций стихийного и антропогенного характера, а также в спорте высших достижений.

Респираторные теплопотери. Механизмы респираторных теплопотерь

При погружении в воду потери тепла через дыхательные пути представляют основную угрозу для постоянства теплосодержания организма, несмотря на то что при нормальном атмосферном давлении эти потери обычно не превышают 10% от метаболической теплопродукции даже при очень холодном воздухе.

Функция верхних дыхательных путей в норме заключается в кондиционировании воздуха. Вдыхаемый воздух обычно холоднее ткани верхних дыхательных путей и почти всегда суше воздуха, насыщенного парами при температуре тела. Давно установлено, что в условиях, соответствующих уровню моря, вдыхаемый воздух согревается и увлажняется, достигая температуры 37 °С и давления водяного пара 47 мм рт. ст. (давление насыщенного пара при 37 °С) на первых 10—15 см длины верхнего дыхательного тракта.

Чем большее количество воздуха участвует в дыхании, тем выше респираторные теплопотери. Таким образом, потери тепла с дыханием фактически являются постоянной частью метаболизма, потому что существует прямая зависимость между дыхательным объемом и потреблением кислорода. Респираторные теплопотери возрастают, если сухость вдыхаемого воздуха увеличивается. Для испарения воды с поверхности верхнего дыхательного тракта необходима энергия в виде скрытой теплоты парообразования, и чем суше вдыхаемый газ, тем большее количество воды должно быть затрачено для насыщения его парами.

При нормальном атмосферном давлении испарение является главным компонентом респираторных теплопотерь. Потери тепла с дыханием несколько возрастают, если вдыхаемый воздух становится более холодным, вследствие то-то, что конвективная теплопередача находится в прямой зависимости от разницы температур вдыхаемого воздуха и тела человека. Если бы выдыхаемый воздух имел температуру 37 °С и был насыщен влагой, то рассчитать респираторные теплопотери было бы просто. Однако на самом деле это не так.

Ограничение потери респираторного тепла происходит в результате несложного процесса теплообмена между теплым и увлажненным воздухом, покидающим расположенные ниже зоны респираторного тракта, и ранее охлажденными поверхностными слоями верхней части этого тракта. Таким образом, при обычной комнатной температуре выдыхаемый воздух имеет температуру 34 °С и при этом насыщен водяными парами (под давлением 40 мм рт. ст.).

По мере того как вдыхаемый воздух становится холоднее и суше, охлаждение верхних дыхательных путей повышается, а вместе с этим усиливается и ограничение потери тепла. Тем не менее это не играет какой-либо значительной роли в сохранении тепла в организме на уровне моря, поскольку в этих условиях респираторный компонент составляет всего лишь 10% от общей теплопотери.

Однако во время погружения в воду условия изменяются, так как газ, вдыхаемый под давлением, равным окружающему гидростатическому давлению, является плотным и имеет высокую теплоемкость. На глубине в структуре респираторных теплопотерь начинает преобладать конвективный компонент. Респираторные теплопотери можно рассчитать, если известно, насколько выражен процесс сдерживания потери тепла, обусловливающий возможность определить температуру выдыхаемого воздуха по температуре вдыхаемого.

Читайте также: