CC BY
19
Опыт прогноза анофелогенности будущего Куйбышевского водохранилища, Мед.. паразитология, т. IX, в. 3, 1940.— 6. Овчинников К. М. и Т и щ е н к о О. Д., Попуски воды на малых реках и каналах как мероприятие для борьбы с личинками малярийного комара, Мед. паразитология, т. IX, в. 3, 1940.— 7. Сухове-ров Ф., Организация и техника прудового хозяйства, 1935,— 8. Шевченко Г., Материалы мелиоративных наблюдений. Питания ¡нтенс!ф1кацН рибного господар-ства, Научно-исследовательский институт рыбного хозяйства, Киев, 1939.— 9. Шмелева Ю. Д., Зарастание Иваньковского водохранилища канала Москва—Волга и заселение его личинками A. maculipennis за 3 года его существования, Мед. паразитология, т. IX, в. 3, 1940.— 10. Шмелева Ю. Д. и Душевский Я. И., Заселение Иваньковского водохранилища в первый год его существования личинками A. maculipennis и гибель их вследствие внезапного снижения уровня воды, Мед. паразитология, т. XIII, в. 1, 1939.— П. Hinman Harold Е„ Биологическое действие колебаний уровней воды на выплод комаров анофелес, Amer. Journ. of Trop. Med., v. XVIII, H. 5, 1938 —12. Stromqulst W. G., Борьба с малярией в долине реки Тенесси, Civil Engineering, v. V, No. 12, 1935
От редакции. Статья инж. К. М. Овчинникова должна помочь местным органам госсанинспекции и противомалярийным работникам реализовать указания «Инструкции об основных санитарных и противомалярийных требованиях к восстановлению и устройству колхозных водоемов», изданной НКЗемом и НКЗдравом СССР 21.IX. 1940 г.
А. А. ЛЕТАВЕТ и А. Е. МАЛЫШЕВА (Москва)
Исследования по радиационному теплообмену человека с окружающей
средой
Из метеорологической лаборатории Института гигиены труда и профзаболеваний им. Обуха
После классических работ Рубнера2 по физической терморегуляции, опубликованных еще 45 лет назад, могло казаться, что вопрос о величинах теплоотдачи человека конвекцией, радиацией и испарением уже окончательно решен. И действительно, в течение длительного времени в гигиенической и физиологической литературе по данному вопросу не появлялось никаких новых исследований, и данные Рубнера поэтому считались незыблемыми.
Однако с течением времени стали накапливаться новые факты.
В течение последнего десятилетия теплообмену человека с окружающей средой посвящены работы Олдрича, Дюбуа и Харди, Уинслоу„ Херрингтона и Геджа — в Америке, Бедфорда — в Англии, Бохенкампа и Бютнера — в Германии.
В связи с исследованиями, проводившимися в экспериментальной метеорологической камере в нашей лаборатории в период 1938—1940 гг. по гигиеническим нормативам для вентиляции Дворца советов3, мы столкнулись с рядом фактов, которые никак не укладывались в рубне-ровскую таблицу парциальных теплопотерь человека в состоянии покоя, приходящихся на конвекцию, радиацию и испарение, в частности, в. устанавливаемую Рубнером для человека в состоянии покоя величину конвекционных тепловыделений 35 калорий в час.
' На русском языке — в материалах Бюро переводов Центрального института малярии и медицинской паразитологии.
1 Rub пег М., Archiv für Hygiene, 1896.
3 Гигиена и санитария, № 12, 1940.
С наибольшими методическими трудностями приходится встречаться при определении конвекционных тепловыделений человека (применявшаяся в наших опытах методика определения теплопотерь конвекцией описана в той же статье в журнале «Гигиена и санитария» № 12, 1940 г.).
Определение радиационных теплопотерь человека было произведено на основании формулы радиационного теплообмена Стефаиа-Больцмана:
О -= 5 • е! • е2К(Г,« — Та<),
где О — количество грамм-калорий, излучаемых 1 см2 поверхности в 1 сек., 5—эффективная радиационная поверхность тела, е1 и е2 — коэфициенты, характеризующие излучательную способность тела и ограждений, К — константа Стефана-Больцмана <1,38,10—13 грамм-калорий на 1 см2 в 1 сек.), Т\ — взвешенная средняя температура поверхности тела в градусах абсолютной температуры и Т2 — средняя температура окружающих ограждений.
Взвешенная средняя температура (Г1) поверхности одетого человека при данной серии опытов была 25,7°, средняя температура (Г2) ограждений была 20,3°. Если принять эффективную радиационную поверхность сидящего одетого человека среднего роста за 1,5 м2, а радиационные свойства поверхностей близкими к таковым для черного тела, то получаем величину радиационных теплопотерь для человека одетого, сидящего, находящегося в состоянии покоя, равной 41,7 б. калорий.
Для определения величины теплопотерь испарением тщательно измерялось влаго-содержание в воздухе, подаваемом в экспериментальную камеру, и в воздухе, удаляемом из камеры. Так как объем подаваемого воздуха был известен, то не представляло труда вычислить величину влаговыделений, приходящуюся «а 1 человека в час и представляющую суммарную величину для влаговыделений с поверхности тела и через дыхательные пути. Для человека, сидящего в состоянии покоя при температуре воздуха в 20° и той же температуре стен, эта величина составляла 37,4 грамма в час. Помножив полученную величину на коэфициент 0,58 (тепло, затрачиваемое на испарение 1 см3 воды), получаем величину теплопотерь испарением, равную 21,8 б. калорий.
Сопоставление полученных нами по этой методике парциальных величин теплопотерь для людей одетых, сидящих и находящихся практически в состоянии покоя при температуре воздуха и стен, равной 20°, с величинами, полученными Рубнером и в новейшее время Дюбуа и Харди дает следующую картину.
Таблица 1
Теплопотери По Рубнеру По Дюбуа По нашим исследованиям
кал/час в % кал/час В °/о кал/час В °/о
Конвекцией ...... Испарением ...... 34,7 49,1 23,3 32,4 45,9 21,7 11,0 45,7 20,6 14,2 59,1 26,7 11,5 41.7 21.8 15,3 55,6 29,1
Всего . . . 107 100 77,3 100 75 100
Как видно из приведенной табл. 1, данные наших исследований хорошо согласуются с данными новейших американских исследований (Дюбуа и Харди), проведенных в специальной калориметрической камере. Если же сравнить данные наших исследований и исследований Дюбуа с величинами, установленными Рубнером, то здесь отмечаются существенные различия, касающиеся прежде всего общей величины тепловыделений человека: повидимому, величину, данную Рубнером (107 кал), которой у нас обычно руководствуются при всех соответствующих вентиляционных расчетах, надо считать несколько преувеличенной для состояния покоя. Еще более существенны различия, касаю-
1 Du Bois Е., Hardy S., Journal of Nutrition, v. V, 1938.
щиеся парциальных соотношений между отдельными видами тепЛопо-терь. Если абсолютные величины теплопотерь радиацией и испарением сравнительно близки, то величина конвекционных теплопотерь, по нашим исследованиям и исследованиям Дюбуа, в 3 раза меньше, чем по Рубнеру. В результате резко меняются парциальные соотношения отдельных видов теплопотерь человека, с резким преобладанием удельного веса радиационных теплопотерь (55—59% всех теплопотерь).
• Если радиационный компонент играет столь большую роль в тепло-, обмене человека с окружающей средой, то этому должно соответствовать резко выраженное влияние температуры окружающих человека ограждений на его теплоощущения. При этом особенно значительным должно быть влияние температуры ограждений на теплоощущения человека, находящегося в состоянии покоя.
Как показали многочисленные исследования, проведенные в нашем институте Б. М. Тверской, теплоощущения испытуемых в сильнейшей степени определяются температурой стен.
Таблица 2
Субъективные ощущения и температура стен
Температура воздуха в °С Температура стен в °С Субъективные ощущения
«жарко» «приятно, тепло» «комфортабельно» «приятно прохладно» «холодно»
20 21 _ 5°/о 52% 43»/о _
20 21,5 — 3»/о 61'»/о Збо/о —
20 22,5 2% 21 »/о 55о/о 22»/о —
20 23,0 14% 54о/0 32%
Как видно из табл. 2, при температуре воздуха в 20° по мере повышения температуры стен происходит отчетливый сдвиг в теплоощуще-ниях испытуемых в сторону оценок «тепло» и «жарко», а при повышении температуры стен на 2° оценки «прохладно» исчезают совершенно.
Еще более отчетливо значение температуры стен вытекает из следующего. В двух параллельно проведенных опытах температура воздуха (tв ), подаваемого в зону испытуемых, была 26°; температура же стен (1С) в первом опыте была равна температуре воздуха, т. е. 26°, в другом же опыте была равна 21°. В результате при первом опыте и =26°) в 50% всех ответов испытуемых теплоощущения определяются, как «очень жарко», а в 50%, как «жарко». Во втором же опыте (¿„ = 26°, 1С= 21°) теплоощущения испытуемых резко меняются: оценок «очень жарко» нет совсем, оценки «жарко» составляют только 37%; в 34% ответов появляется оценка «приятно тепло», а в 20% ответов условия оцениваются даже как «вполне комфортабельно».
Таким образом, высокому удельному весу радиационного компонента в теплообмене человека с окружающей средой действительно соответствует резко выраженное влияние температуры стен на теплоощущения. Однако для установления количественных показателей комплексной оценки климатических условий помещения по температуре воздуха и ограждений (как, например, «оперативная температура» по Уинслоу) требуются еще дальнейшие исследования.
Если радиационный теплообмен человека с окружающей средой в определенных условиях имеет столь превалирующее значение, то представляется весьма важным изучение первичных биофизических механизмов этого обмена.
С этой целью в двух обширных сериях исследований были подвергнуты изучению условия и механизм локального радиационного теп-
лообмена обнаженной поверхности живого тела с окружающей средой: а) с положительным тепловым балансом в отношении организма (радиационное нагревание) и б) с отрицательным тепловым балансом в отношении организма (радиационное охлаждение).
В отношении радиационного нагрева изучались: а) ход кривых радиационного нагревания и восстановления на поверхности кожи и в подкожной клетчатке в сопоставлении с ходом нагревания и восстановления при действии конвекционного тепла; б) роль спектрального состава лучистой энергии соответствующих источников излучения.
В качестве источников радиационного нагревания применялись: а) лампа соллюкс, характеризуемая Атах в 1,1 ц, б) электропечь с параболическим отражателем с /тах = 3,ч « в) плитка, нагреваемая электрическим током до 400°, с Хтах =4,3 ц.. Для измерения кожных температур применялась специальная термопарана показания которой практически не оказывал влияния поток лучистой энергии. Провода длиной в 500 диаметров проволоки прилегали к коже, находясь в изотерме. Поэтому на показания термопары не оказывал влияния перепад между температурой воздуха «прикожного» слоя и температурой воздуха в помещении.
Термоигла, сконструированная М. В. Поповым, была устроена таким образом, что гари минимальной длине внешней части иглы в 10 мм, в полость иглы вводилось не 10 мм каждого провода, а 30—60 мм, благодаря чему устранялось влияние на показания термопары неизбежно существующего температурного перепада между живой тканью и окружающим воздухом.
Исследования велись как на людях, так и на экспериментальных животных (кролики, поросята).
Изучение динамики кожной и подкожной температуры при радиационном нагревании позволило установить наличие весьма длительного восстановительного периода, в течение которого происходило возвращение кожной и подкожной температуры к исходному состоянию. Так, например, при интенсивности локального облучения в 1,75 грамм-калорий на 1 см2 в минуту и длительности в 30 минут время полного восстановления при температуре воздуха 18—20° занимало 45 минут.
Для конвекционного нагрева была сконструирована специальная печь, в которой можно было получить сухой горячий воздух (60—80°) и подавать его с минимальной скоростью.
Серия исследований (проведенная на поросенке) показала, что при разных кожных температурах, полученных в результате нагрева кожи горячим воздухом или облучением, подкожная температура на равной глубине при облучении повышается до более высокого уровня, чем при нагреве горячим воздухом. При этом восстановительный период продолжительнее при облучении как для температуры кожи, так и для. подкожной температуры.
Как видно из графика (рис. 1), при 15-минутном нагреве кожная температура повышается в среднем на 8°. В то же время подкожная температура при радиационном нагреве повышается на 2°, а при конвекционном только на Io. Еще более резкое расхождение в восстановительном периоде, который после конвекционного нагрева гораздо короче, чем после радиационного. В последнем случае после 30-минутного восстановления температура кожи все еще не достигает исходного уровня.
Изучение динамики кожных и подкожных температур при действии указанных выше различных источников излучения показало значительные различия в динамике.
Как показывает прилагаемый график (рис. 2), облучение кожи человека от источника, характеризуемого "ЛтЯх в 3 ц при различных интен-сивностях облучения (от 2 до 4,2 г/кал на 1 см2 в минуту) дает при тех же интенсивностях облучения больший прирост кожной температуры, чем источник с Ата* в 4,3 ц и особенно 1,1
Обратные соотношения дает подкожная температура. Как показывает ход кривых, полученных в эксперименте на кролике, в условиях
11 М. В. Попов, Лабораторная практика, № 11, 1939.
равных кожных температур подкожная температура на глубине 10 мм, полученная при облучении ИСТОЧНИКОМ С ^шах в 1,1 [х, больше, чем да 1° выше, нежели при облучении источником с >.тах в 3 [л (рис. 3).
Г __
¿7 45
43
41
39
37
35
Л 5' 10' 5' 10' 15' 5' Ю' /5' 20 ¿5' 30
Рис. 1. Подкожная температура при действии лучистого и конвекционного тепла
Различию в поведении кожных и подкожных температур при действии инфракрасного облучения разного спектрального состава соответствует субъективная оценка теплоощущевия при действии потока равной интенсивности, но с различной спектральной характеристикой {табл. 3).
Как видно из табл. 3, наиболее сильно выражено ощущение тепла лри источнике облучеция с "л,пах в 3 р., что соответствует наиболее
о
Л\
\ ^ \ N
4.2 пал. (облуч.Г'/
З.о пал. г.о пал. (ОИлу чел. 3')
л /пах3.0/1 Л /пах 43/» Л /пах 1.1/1
Рис. 2. Температура кожи при облучении источниками различного спектрального состава
Л
//' // -
4 1 А // Л
/» \
1 1/ Л
// \ '
3/> 1.1/<
1.1 м ЗМ
О' 5' 10' 5' 10' 15' 5' Ю' 15'
— 1 ^тканина -1 нпиг,,
---/ ел/бмеюм----1 Г "0жи
Рис. 3. Температура тканей на глубине 10 мм при местном воздействии источников с Лтах. 3 и 1,1 ¡X
высоким величинам кожных температур и наиболее низким — подкожных, а наименее выражено — при источнике облучения с Хтах в 1,1
Проведенная серия исследований с локальным радиационным нагревом позволяет сделать вывод о том, что поглощение инфракрасной радиации с указанной выше спектральной характеристикой происходит не только на поверхности кожных покровов с проведением образовав-
шейся тепловой энергии внутрь, но и непосредственно в глубжележащих тканях.
Получение более высокой подкожной температуры при облучении по сравнению с нагревом горячим воздухом в условиях равенства кожных температур возможно только, если допустить известную степень прозрачности кожи для длинных инфракрасных лучей (Хтах в 3 ¡х).
Таблица 3
Источники облучения Интенсивность
4,0 кал | 3,0 кал 2,0 кал
^max 1,1 p........ Imai 3,0 (x....... Xmax 4,3 |J........ Горячо Сильное жжение Жжение Горячо Сильное жжение Жжение Слабое тепло Горячо Тепло
Экспериментальные исследования с источниками инфракрасной радиации разного спектрального состава позволяют делать вывод о различной степени прозрачности поверхностных кожных покровов для различных участков спектра.
Результаты наших исследований стоят в противоречии с утверждениями ряда авторов (Зонне, Келлер, Лоренс, Фостер), считающих, что только короткие инфракрасные лучи (до 1 обладают способностью глубокого проникания в организм, но хорошо согласуются с данными, полученными английским исследователем Тейлором, при спектрометрических исследованиях прозрачности изолированного рогового слоя кожи
• Таким образом, можно признать, что радиационный теплообмен человека с окружающими поверхностями, имеющими более высокую температуру, чем человеческое тело, происходит не только на поверхности кожных покровов, но и непосредственно в более глубоко лежащих тканях и находится в зависимости от спектрального состава инфракрасного излучения окружающих тел.
Следующая серия опытов была посвящена изучению радиационного охлаждения.
На расстоянии 7 см от поверхности тела устанавливается небольшой экран в виде круглой тонкой медной пластинки площадью в 40 см2. При помощи эфира или охлажденного в холодильной установке рассола пластинка охлаждалась так, что температура поверхности ее, обращенной к телу, была —5 —6°. Температура воздуха и тела поддерживалась на уровне около +20°. Таким образом, в данных условиях опыта речь могла итти о теплообмене между телом и экраном почти исключительно только посредством радиации. Опыты были поставлены на людях и кроликах. Термоигла описанной конструкции вкалывалась на глубину 10 мм в области бедра. Таким образом, в опытах »а кроликах конец термоиглы находился в мышечной ткани, в опытах на людях — в подкожном жировом слое.
Оказалось, что после 30 минут наступало снижение температуры кожи на 2,6—5°, а на глубине 10 мм на 1,8—4,3°. Восстановление при температуре воздуха около 20° наступало в среднем через 60 минут,, причем обычно в течение всего этого периода сохранялось местное ощущение холода.
На рис. 4 изображен типичный ход кривых, полученный на испытуемом М., при температуре экрана —5°, а воздуха +20°.
Следующая группа опытов (на кроликах) была посвящена сравнительному исследованию радиационного и конвекционного охлаждения.
При помощи фена производилось обдувание испытуемого участка кожи воздухом комнатной температуры. Имея перед собою кривую радиационного охлаждения и следя за ходом охлаждения по световому «зайчику» на шкале зеркального гальванометра, можно было добиться, регулируя скорость воздушного потока, одинакового
1 Н. Taylor, Proceedings of the Royal Society, London, 1933.
снижения кожной температуры за 30 минут и почти полного совпадения хода кривых в обоях случаях.
Оказалось, что подкожная температура при радиационном охлаждении в среднем снижается на 1,3° больше, чем при конвекционном. В некоторых опытах эта разница достигала даже 2°. Контрольное
Рис. 4. Кожная и подкожная температуры при местном действии экрана—5°
измерение ректальной температуры в тех и других опытах дало совершенно одинаковую величину снижения на 0,5—0,6°. Очевидно, суммарное количество отнимаемого тепла не играло существенной роли в общем тепловом балансе животного.
На рис. 5 отчетливо видно расхождение между кривыми подкожных температур при радиационном и конвекционном охлаждении в условиях
Г
О' 5' /О' У /О' /5' го' 25' 30' 5' Ю' 15' 20' 25' 30'
ПШГ Зкран с т-рой-5 ° ГГЛГГГ Движение воздуха
Рис. 5. Сравнительное действие экрана и движения воздуха при равенстве кожных температур
практического равенства поверхностных температур. В данном опыте при радиационном охлаждении происходит падение температуры на глубине 10 мм (в мышце) на 4,3°, в то время как при конвекционном охлаждении падение температуры на той же глубине составляет только 2,1°; следовательно, расхождение между подкожными температурами при радиационном и конвекционном охлаждении составляет 2,2°.
Таким образом, при радиационном охлаждении происходит более сильное непосредственное охлаждение глубоколежащих тканей.
Это подтверждается опытами (на людях) Л. Н. Власовой. Радиационное охлаждение: исходная температура кожи после периода адаптации (40 минут) 34,3; температура после 60-минутного действия холодного экрана (температура поверхности 4°) 29,4°; после 30 минут восстановления температура кожи 33,5°, а после 60 минут 33,8°; таким образом, после 60-минутного восстановительного периода все
Рис. 7. Изменение подкожной температуры при постоянной кожной температуре и действии экрана—5° (кожа покрыта окисью магния)
Рис. 6. Подкожная температура при местном действии экрана —5° при постоянной кожной температуре
Таким образом, при условии равных кожных температур при радиационном охлаждении после прекращения холодного экранирования следует более длительный период восстановления, чем при конвекционном охлаждении.
В следующей группе опытов в течение всего периода холодного экранирования температура кожи поддерживалась на исходном уровне путем омывания соответствующего участка кожи сухим теплым воздухом при незначительных скоростях движения его. Как показывают кривые на рис. 6, при действии холодного экрана с температурой —5° и
•еще не произошло полного возвращения кожной температуры к исходной величине. Конвекционное охлаждение: исходная температура кожи после того же периода адаптации 34,7°; температура кожи после 60-минутного обдувания 29,5°; после 35 минут восстановления температура кожи 34,7°, т. е. наступило возвращение •к исходной величине. Температура воздуха в помещении в обоих случаях 21,5°.
при кожной температуре в 33,4° за- 25 минут экспозиции происходит ' снижение температуры на глубине 10 мм на 1,2°. Подобное значительное изолированное охлаждение глубоколежащих тканей (в частности, 4 мышечной ткани) без охлаждения кожи требует допущения некоторой ? прозрачности поверхностных кожных покровов для инфракрасного излучения тканей и органов теплокровных животных и, в частности, человека ( Лта* со 10 и.). Для проверки был проведен следующий опыт в тех же условиях, но только на кожу был нанесен тонкий слой окиси магния, обладающей для данного участка инфракрасной части спектра свойствами абсолютно черного тела. Этим устранялась возможность прямого радиационного теплообмена глубоколежащих тканей и холодного экрана.
Как видно из рис. 7, не только не происходит снижения подкожной температуры, но имеет место даже незначительное ее повышение.
При действии только лишь одного холодного экрана без подогрева поверхности теплым воздухом за тот же период времени происходило падение кожной температуры на 2°, а подкожной — на 0,8—0,9° в ре-
зультате проведения тепла от более глубоколежащих слоев к охлаждаемой поверхности.
Таким образом, из этих исследований вытекает наличие и непосредственного участия в теплообмене глубоколежащих тканей и органов. Следовательно, кожу нельзя считать вполне отвечающей свойствам абсолютно черного тела.
Установить какие-либо количественные взаимоотношения между прямым и суммарным радиационным обменом, а также количественные критерии прозрачности поверхностных кожных покровов для собственного инфракрасного излучения тела мы еще не можем.
Результаты наших исследований стоят в: известном противоречии с результатами исследований Харди 1 и Бютнера 2, считающих, что кожа обладает свойствами абсолютно черного тела, и поэтому отвергающих возможность участия в радиационном теплообмене глубжележащих тканей. Олдрич' и Христиансен4 допускают возможность инфракрасного излучения тела не только с поверхности кожи, но и из более глубоких слоев, считая, однако, этот вопрос пока еще не разрешенным.
Выводы
* 1. Радиационный компонент в теплообмене человека с окружающей средой играет весьма существенную, а в некоторых случаях и первенствующую роль.
2. При гигиенической оценке условий среды и установлении соответствующих нормативов надо помнить, что человек окружен не только воздухом, но и стенами и другими ограждениями, температура которых играет весьма существенную роль для обеспечения комфортных условий как в бытовых помещениях, так и в общественных и промышленных зданиях.
3. Кожа не является непроницаемой броней для собственного излучения человеческого тела, вследствие чего наличие холодных поверхностей может быть причиной прямого охлаждения глубоколежащих тканей и играть существенную роль в этиологии некоторых заболеваний.
3 Гигиена и здоровье, № 4
