Физические свойства воздуха

Температура, влажность и движение воздуха. Почва, нагретая в результате поглощения ею солнечной энергии, в свою очередь нагревает воздух нижних слоев атмосферы, в котором протекает жизнь человека.

Установлено, например, что песчаная почва отдает на нагревание воздуха 37% получаемого ею тепла.

На суточные и годовые колебания температуры воздуха оказывают влияние интенсивность солнечной радиации, характер и рельеф местности, высота над уровнем моря, близость морей, характер морских течений, растительный покров.

Самая низкая температура воздуха в нижнем слое атмосферы, кроме Антарктики, зарегистрирована в Верхоянске (Сибирь) -69,8°, самая высокая - в Басре (Нижний Евфрат) +58,8°. Атмосферный воздух всегда содержит известное количество водяных паров, которое определяет его влажность. Водяные пары воздуха, конденсируясь, выпадают в виде атмосферных осадков.

Атмосферные осадки способствуют образованию подземных вод и наземных водоемов и содействуют очищению воздуха от пыли и микроорганизмов.

Вследствие неравномерного распределения солнечного тепла на поверхности Земли образуются воздушные течения. Так, существуют постоянные и мощные ветры, дующие в северном и южном полушариях (пассаты). Близ морей и океанов действуют ветры, дующие летом с моря на сушу, а зимой - наоборот (муссоны), и т. д.

В разных участках земной поверхности вследствие сильного местного нагревания и охлаждения, образования областей пониженного и повышенного атмосферного давления возникают очень мощные воздушные течения - циклоны и антициклоны. Циклоны, как правило, приносят плохую погоду-с облачностью и осадками, антициклоны - сухую ясную погоду.

На определенной местности земного шара наблюдается известная повторяемость направления ветра. Для оценки этой повторяемости графически строится так называемая роза ветров. Она составляется

путем откладывания на соответствующих румбах линий, по длине соответствующих числу наблюдающихся ветров, в процентах к общему числу всех ветров за данный период. Концы полученных отрезков соединяются прямыми линиями (рис. 6). Практическое значение составления розы ветров заключается в том, что она, давая наглядное представление о преобладающих в данной местности ветрах, позволяет при строительстве городов, поселков, больниц, курортов, детских учреждений и т. д. путем соответствующей планировки предохранить их от действия ветров, приносящих с собой пыль и вредные газы, поступающие с промышленных предприятий.

Рис. 6. Роза ветров с северо-западным направлением господствующего ветра. Частота ветров: С-25, СВ-32, В-12, ЮВ-14, Ю-10, ЮЗ-19, 3-28, СЗ-60

Гигиеническое значение температуры, влажности и движения воздуха. Терморегуляция обеспечивает постоянство температуры тела у человека в широких пределах изменений внешних метеорологических условий среды.

Количественным соотношением теплопродукции (химическая терморегуляция) и теплоотдачи (физическая терморегуляция) определяется состояние теплового равновесия организма.

Терморегуляция организма зависит не только от безусловных раздражителей (тепло, холод и т. д.), но и от ряда условных раздражителей, от мышечной деятельности, положения тела, привычных раздражений, освещения и т. д. Теплопродукция (рис. 7) не меняется в пределах температуры воздуха 15-25°.

Рис. 7. Основной обмен при разных температурах воздуха

Теплоотдача осуществляется проведением (в основном конвекцией) в силу разности температуры тела человека и воздуха, излучением в силу разности температур поверхности тела человека и окружающих предметов и испарением влаги с поверхности кожи, легких и дыхательных путей в зависимости от разности в напряжении водяных паров на этих поверхностях и в воздухе.

В обычных условиях теплоотдача осуществляется излучением (45%), конвекцией (около 30%) и испарением (25%). Основное количество тепла отдается кожей (85-95%), а остальное тепло затрачивается на нагревание пищи, питья, вдыхаемого воздуха, испарение воды с поверхности легких.

Некоторые авторы (А. А. Летавет) считают, что величина теплопотерь организма конвекцией невелика и при температуре воздуха 20° составляет 15,3%, основная же масса тепла отдается путем радиации.

По мере увеличения температуры воздуха теплоотдача конвекцией и радиацией уменьшается, зато теплоотдача путем потоиспарения увеличивается (рис. 8).

Рис. 8. Пути теплоотдачи организма при разных температурах воздуха

Большое значение для теплоотдачи имеет движение воздуха. При температуре воздуха ниже температуры кожи движение воздуха приводит в соприкосновение с кожей все новые порции холодного воздуха и тем самым способствует отдаче тепла путем конвекции. Движение не насыщенного водяными парами воздуха способствует также теплоотдаче испарением.

Движение воздуха, имеющего более высокую температуру, чем температура кожи, может оказать не охлаждающий, а нагревающий эффект.

Из сказанного вытекает, что терморегуляция организма зависит от температуры воздуха, его влажности, движения, а также от температуры окружающих предметов. В основе гигиенической оценки влияния физических свойств воздуха лежит конечный результат воздействия всего комплекса метеорологических условий на терморегуляцию организма. Гигиенически благоприятным признано такое сочетание температуры, влажности, движения воздуха и прочих компонентов, при котором тепловой баланс сохранен, самочувствие хорошее и физиологические функции организма протекают нормально. Такие метеорологические условия принято называть комфортом. В отдельных случаях действие того или иного компонента метеорологических условий (температура, влажность, движение воздуха) может превалировать, но рассматривать его изолированно от других элементов нельзя. Для оценки суммарного действия физических свойств воздуха предложен ряд методов (эффективные температуры, кататермометрия и др.), не получивших в практике распространения.

Температура воздуха имеет существенное значение в терморегуляции организма.

Регуляция тепла в организме при высоких температурах воздуха возможна в довольно широких пределах. Даже в условиях очень высоких температур воздуха (100° и выше) возможно кратковременное пребывание человека, но длительное пребывание в таких условиях пагубно для здоровья. Терморегуляция может нарушиться и при низких температурах воздуха. Установлено, что верхней границей, когда еще не нарушается терморегуляция человека, находящегося в состоянии покоя, является температура воздуха 30-31° при относительной его влажности 80-90% и 40° при относительной влажности 40-50%.

С гигиенической точки зрения задержка испарения, вызванная высокой влажностью воздуха, нежелательна. При высоких температурах воздуха высокая влажность способствует перегреванию организма. При низких температурах она также нежелательна, так как способствует большей теплоотдаче организма, т. е. переохлаждению. Принято считать, что наиболее благоприятна для организма относительная влажность 40-60% при температуре воздуха 18-20°.

Значение движения воздуха для терморегуляции необходимо рассматривать в сочетании с температурой воздуха и его влажностью. В жаркие дни движение воздуха является благоприятным фактором, увеличивая теплоотдачу конвекцией и испарением. При холодной же погоде оно может вызвать резкое охлаждение тела.

Тепловые (инфракрасные) лучи солнца, нагревая тело, влияют на терморегуляцию организма. При высоких температурах воздуха они могут резко ухудшить условия терморегуляции и способствовать перегреванию организма. Такую же роль могут играть и другие источники теплового излучения. При низких же температурах они, наоборот, могут способствовать созданию нормальных условий и субъективно хорошо переносятся. Температура окружающих предметов имеет существенное значение для терморегуляции, так как от ее величины зависит отдача тепла или поступление его в организм путем радиации.

Высокая температура неподвижного воздуха, особенно в сочетании с высокой влажностью или с интенсивным тепловым излучением, может привести к перегреванию организма - к тепловому удару. Тепловой удар сопровождается головной болью, характеризуется сухостью слизистых оболочек, хриплым голосом, покраснением лица, сухостью кожи, напряженным и учащенным пульсом, общей слабостью, обычно высокой температурой тела (40° и больше), судорогами, иногда потерей сознания. В тяжелых случаях может наступить смерть.

Низкие температуры воздуха, в особенности в сочетании с высокой его влажностью и холодным ветром, могут привести к охлаждению тела и связанным с ним заболеваниям. Установлено, что резкое охлаждение вызывает структурные изменения в клетке, расстройство кровообращения, понижение иммунобиологических свойств организма. При охлаждении уменьшаются бактерицидные свойства сыворотки и ослабляется фагоцитоз.

Внезапное резкое охлаждение воздуха может способствовать проникновению микроорганизмов в гиперемированные слизистые верхних дыхательных путей. Простудный фактор предрасполагает к возникновению таких заболеваний, как грипп, катар верхних дыхательных путей, болезни мышц, суставов и периферической нервной системы. Местное действие холода может привести к обморожениям рук, ног, ушей, носа и т. д., которые чаще всего возникают при сочетании низкой температуры воздуха с высокой влажностью - сыростью.

Атмосферное давление. Атмосфера производит давление на земную поверхность и находящихся на ней людей, животных и предметы. Давление атмосферы при температуре воздуха 0° на уровне моря равно 760 мм рт. ст. (одна атмосфера), или 1013,2 миллибара (мб)^*.

^* (Миллибар - тысячная доля бара, соответствующего давлению в 1•105 н/м².)

Суточное колебание давления воздуха на земной поверхности незначительно. Сезонные колебания достигают 20-30 мб. На материках максимум давления наблюдается зимой, в океанах и в полярных странах - летом, минимальное давление, наоборот, на материках наблюдается летом, а в океанах и в полярных странах - зимой.

Максимальная величина атмосферного давления в СССР отмечена в 1900 г. в Барнауле (1076 мб) и в 1910 г. в Свердловске (1067 мб). Минимальные величины (940 мб) наблюдались в Европейской части СССР и Восточной Сибири.

Среднее колебание атмосферного давления на протяжении дня обычно незначительно и не превышает 5 мб. Только в отдельных пунктах земли атмосферное давление может изменяться на 30-40 мб.

Небольшие суточные колебания атмосферного давления, по-видимому, мало влияют на организм здорового человека, во всяком случае не оказывают заметного действия на его самочувствие.

Значительно выражено влияние на организм человека пониженного давления воздуха при подъеме на высоту, когда соответственно падению атмосферного давления понижается и парциальное давление кислорода в воздухе. Вдыхание воздуха с низким давлением кислорода приводит к понижению парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе (табл. 2).

Таблица 2. Изменения атмосферного давления и парциального давления кислорода в атмосферном и альвеолярном воздухе при подъеме на высоту

(Для перевода миллиметров ртутного столба в миллибары необходимо число умножить на 1,333.)

Снижение парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе приводит к гипо- или аноксемии организма.

Начиная с высоты 3000 м у человека появляется ряд функциональных расстройств, выражающихся в головных болях, одышке, понижении остроты зрения, резкой усталости, сонливости, цианозе и бледности кожных и слизистых покровов, шуме в ушах, ощущении пульсации сосудов, нарушении координации движений и т. д. Это состояние, известное под названием высотной болезни, является следствием гипоксемии. Выраженным проявлениям болезни предшествуют изменения функционального состояния высшей нервной деятельности и органов чувств. Нарушаются взаимоотношения между возбудительным и тормозным процессами в сторону повышения возбудительного и ослабления тормозного процесса. Наблюдается снижение остроты зрения, сужение поля зрения, ослабление аккомодации, цветоощущения. Понижается обоняние, тактильная чувствительность, повышается болевая чувствительность.

Благодаря компенсаторным процессам организм человека может адаптироваться к пониженному атмосферному давлению в значительных пределах. Так, известно, что имеются поселения на высоте 2480 м (село Кутуш в Дагестане) и даже 4700 м (США) над уровнем моря.

На понижение потребления кислорода организм отвечает увеличением деятельности дыхательной, сердечно-сосудистой, кроветворной систем, а также изменением условий тканевого обмена. В последнем случае наступает тканевая адаптация, под которой подразумевают изменение тканевого дыхания применительно к пониженному количеству кислорода.

В обычных условиях человек не подвергается действию повышенного атмосферного давления. В условиях трудовой деятельности может возникнуть необходимость пребывания под высоким атмосферным давлением (кессонные и водолазные работы).

Атмосферное электричество. Наиболее важными элементами, которые характеризуют электрическое состояние атмосферного воздуха, являются его ионизация, электрическое поле и грозовая электрика.

Наибольшее количество сведений накоплено в литературе по вопросу о гигиеническом значении ионизации воздуха. В 1889 г. И. П. Скворцов впервые выдвинул гипотезу о существовании электрического обмена между организмом и внешней средой, указал, что необходимо при гигиенической характеристике воздушной среды учитывать и ее электрические свойства.

В исследованиях Д. П. Соколова в разных курортных местах Кавказа было установлено, что аэроионы оказывают физиологическое действие на организм. Наиболее благоприятным для организма человека является воздух, содержащий большое количество отрицательных ионов, действие которых осуществляется через легкие.

Основной причиной возникновения в нижних слоях атмосферы аэроионов является ионизация газов от излучений радиоактивных веществ, находящихся в почве, воздухе, и от космических излучений.

В результате действия ионизирующего агента молекуле или атому газа может передаваться энергия, достаточная для отделения одного из внешних электронов. В этом случае нейтральный атом становится положительным ионом с элементарным электрическим зарядом, равным заряду электрона. Выбитый электрон присоединяется к одному из нейтральных атомов, образуя отрицательный ион.

Но мономолекулярные ионы недолговечны, к ним очень скоро присоединяется по 10-15 молекул газа, и таким образом создаются более oстойкие компоненты, несущие элементарный заряд. Это так называемые легкие, или быстрые, ионы с радиусом, равным 7-10•10-8 см.

Соприкасаясь со взвешенными в воздухе пылевыми частицами и капельками воды, легкие ионы отдают им свой заряд, в результате чего образуются средние (радиус 80-250•10-8 см) и тяжелые (радиус 250-550•10-8 см) ионы.

Одновременно ионы, имеющие разноименный заряд, сталкиваясь, взаимно нейтрализуются.

Изучение ионизационного состояния свободной атмосферы в одном из жилых районов Ленинграда, свободного от промышленных загрязнений, показало, что средняя концентрация легких ионов (n±) в теплое время составляет 391-433 в 1 см³ воздуха при q (коэффициент униполярности n+/n-)=1,1-1,3, а тяжелых (N±)=14 169-13 120 при q=1,2-1,4 (А. А. Минх).

Установлено, что чем больше в воздухе взвешенных пылевых частиц, тем больше в нем тяжелых и меньше легких ионов. В городах, где атмосферный воздух содержит пыль, дым и туман, количество легких ионов уменьшается от 400 до 40,4, количество положительных ионов увеличивается (Е. Э. Лесгафт, А. А. Минх).

Повышение температуры воздуха и снижение барометрического давления, способствуя увеличению выхода радиоактивных газов из почвы, усиливают ионизацию атмосферы. С увеличением влажности воздуха уменьшается число легких и особенно отрицательных ионов. Эти наблюдения натолкнули на мысль, что уменьшение количества легких ионов, показателем загрязнения атмосферного воздуха.

О физиологическом действии аэроионов свидетельствует ряд экспериментов, которые показали, что в деионизированном воздухе состояние людей и животных ухудшается. У людей появляются слабость, сонливость, головная боль, потливость, кровяное давление повышается, количество недоокисленных соединений в моче увеличивается. Обогащение воздуха отрицательными ионами в количестве 500-2000 в 1 см³ прекращает эти явления.

По мнению Л. Л. Васильева, вдыхание ионизированного воздуха влияет на электрические заряды коллоидов и клеточных элементов крови, причем ионы различного знака могут оказывать разное и даже противоположное действие.

Исследования показали, что электроотрицательные ионы порядка 200 000 в 1 см³ значительно улучшают состояние пребывающих в этих условиях: улучшают функциональное состояние центральной нервной системы, повышают тонус парасимпатического отдела нервной системы, стимулируют обменные процессы, ускоряют процесс заживления ран и т. д. Электроотрицательные ионы оказывают благоприятный терапевтический эффект при переутомлении, гипертонической болезни, бронхиальной астме и других аллергических заболеваниях, при малокровии, эндокринных расстройствах и т. д. (Л. Л. Васильев).

Наоборот, вдыхание воздуха, богатого электроположительными ионами, в большинстве случаев приводит к ухудшению состояния человека: повышает кровяное давление, учащает дыхание, появляются ощущение усталости и разбитости, головные боли.

О физиологическом действии естественных изменений электрического поля атмосферы достоверных данных не имеется. Известно лишь, что изменения потенциала влияют на самочувствие лиц, чувствительных к нему.