До седьмого пота
Если уровень поглощения тепла из окружающей среды можно снизить своими действиями и поведением, то от тепла, вырабатываемого самим организмом, тоже нужно избавляться. У человека основную роль в терморегуляции выполняет кожа. Тепло, вырабатываемое мышцами и внутренними органами, переносится с помощью крови к кожным покровам, где отдача тепла в окружающую среду регулируется путем варьирования объема крови, протекающего через сеть тонких кровеносных сосудов, подходящих близко к наружному слою. При повышении температуры тела эти сосуды расширяются и кровь поступает ближе к поверхности, увеличивая теплоотдачу. Именно поэтому от жары мы краснеем. И наоборот, когда температура тела падает, поверхностные сосуды сужаются и кровь перераспределяется в более глубокие слои, чтобы сберечь тепло. На самом деле это просто усложненная версия системы охлаждения автомобильного двигателя, в котором вместо сердца водяной насос, вместо крови – охлаждающая жидкость, а функцию кожи выполняет радиатор.
Теплоотдача через кожу осуществляется в ходе четырех процессов – излучения, теплопроводности, конвекции и потоотделения. В покое при неподвижном воздухе 60 % теплоотдачи приходится на излучение, а на конвекцию и теплопроводность остается лишь по 20 % (больше, чем при ветре). Пока температура кожи не поднимается выше внутренней, излучения, конвекции и теплопроводности для охлаждения достаточно. Они позволяют поддерживать стабильную внутреннюю температуру при температуре неподвижного воздуха ниже 32° С.
Физика теплообмена
Тепло – это энергия движения молекул. Температура газа определяется средней скоростью составляющих его молекул: чем быстрее они движутся, тем горячее газ, чем медленнее – тем холоднее. В твердых телах молекулы связаны друг с другом, и ученые часто представляют их как совокупность соединенных между собой пружин: чем выше температура, тем выше амплитуда колебания пружины, чем ниже – тем меньше. При абсолютном нуле (–273° С) колебаний почти нет. Вы, возможно, удивитесь, почему «почти», ведь, по идее, при абсолютном нуле колебаний не должно быть вообще. Причина объясняется причудами квантовой физики, согласно которой невозможно точно измерить положение и скорость частицы в данный момент времени (знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга). Чем точнее вы пытаетесь определить, где в данный момент находится частица, тем неопределеннее для вас становится ее скорость (импульс) – и наоборот. Таким образом, согласно принципу Гейзенберга, незначительная вибрация молекул в твердом теле сохраняется всегда, даже при абсолютном нуле.Тепло передается от одного объекта к другому путем теплопроводности, конвекции и излучения. Теплопроводность – это процесс, при котором тепло передается между двумя объектами, находящимися в непосредственном контакте (например, кожа и воздух). Если они обладают разными температурами, тепло будет передаваться от более теплого участка к более холодному. Проще говоря, молекулы более горячего объекта сталкиваются с молекулами более холодного, повышая их скорость и в то же время замедляя свою. Теплопроводностью называется также способность материала проводить тепло. Так, у дерева теплопроводность ниже, чем у меди, поэтому к медным кастрюлям приделывают деревянные ручки. Антиподом теплопроводности выступает изо– ляция – противостояние передаче тепла. У воздуха и перьев низкая теплопроводность (и высокая степень изоляции) – именно поэтому простеганные (чтобы задержать воздух) пуховые одеяла так хорошо греют.Передача тепла в текучей среде (в воде и в воздухе) повышается в результате конвекции. Вот наглядный пример: представьте, что вы резко погрузились в ванну с холодной водой. Вода, соприкасающаяся с вашей кожей, будет постепенно нагреваться. Если затем нагревшуюся воду вновь заменит холодная, процесс повторится – произойдет нагревание новых слоев воды (и дальнейшее охлаждение тела). Процесс, при котором вода, соприкасающаяся с кожей, постоянно обновляется, и будет конвекцией. Обусловлен он тем, что теплые слои воды поднимаются вверх (поскольку они легче холодных). Температурная разница между слоями воды в ванне означает, что циркуляция будет идти непрерывно – теплые слои будут подниматься, а холодные опускаться, обеспечивая непрерывное обновление воды, соприкасающейся с кожей, и облегчая теплопередачу.
В отличие от теплопроводности и конвекции, объясняющихся довольно просто, излучение ставило ученых в тупик не одно столетие. Любое тело испускает электромагнитное излучение, и чем тело горячее, тем излучение выше. Излучение охватывает весь электромагнетический спектр, однако пик его зависит от поверхностной температуры тела, и когда тело нагревается, излучение смещается в сторону коротковолнового.От длины волны зависит, будем ли мы воспринимать излучение как цветовое или как тепловое. Длинноволновое излучение для нас невидимо, мы ощущаем его только как тепло: так, например, мы чувствуем жар от огня, который давно потух. Это так называемое инфракрасное излучение. При повышении температуры объекта длина волны наиболее обширного пучка излучения переходит в видимый спектр, и объект начинает светиться. Коричневый, бурый цвет сменяется по мере увеличения температуры и уменьшения длины волны красным, оранжевым, желтым и, наконец, белым (отсюда выражения «до белого каления», «раскаленный добела»). Логично было бы предположить, что цветовая гамма будет соответствовать цветам спектра, поэтому после желтого должен идти зеленый и синий. Однако, раскалив в огне обычную железную кочергу, мы легко убеждаемся в обратном. Происходит это потому (как уже отмечалось выше), что кочерга испускает излучение, охватывающее сразу весь электромагнитный спектр, и только длина волны, при которой происходит пиковое излучение, изменяется вместе с температурой. Более того, общий объем излучения значительно повышается с подъемом температуры, поэтому объем испускаемого длинноволнового излучения тоже возрастает. Таким образом, свечение раскаленной кочерги – это комбинация различных электромагнитных волн, поэтому, как солнечный свет, оно кажется белым, и раскаленная добела кочерга будет гораздо горячее, чем тускло-красная или догорающие угли.Температура на поверхности Солнца составляет около 5500° С. Солнце испускает видимое излучение пиковой длиной волны около 0,5 мкм – именно поэтому оно такое ослепительно яркое. Оно испускает и более длинные волны, дающие тепло, благодаря которому на Земле существует жизнь. Человеческое тело при температуре около 37° С излучает на пиковой длине волны в 10 мкм, которой очень далеко до видимого спектра. Однако в достаточно замкнутом пространстве мы вполне можем ощущать тепло другого человеческого тела – например, в постели. Нелишним будет отметить, что температура Солнца превышает температуру человека примерно в 20 раз по шкале Кельвина (5800° K в сравнении с 300° K) и что пиковая длина волны испускаемого излучения у Солнца тоже примерно в 20 раз короче, чем у человека. Из этого следует, что пиковая длина волны попросту пропорциональна температуре.Как и свет, тепло представляет собой одновременно и волну, и поток частиц (фотонов). Чтобы понять, как происходит лучистый теплообмен – и как тепловое излучение проходит через космический вакуум от Солнца к Земле, – можно представить тепло в виде фотонов, поглощаемых или испускаемых атомами нашего тела. Атом – это Солнечная система в миниатюре. В центре его расположено ядро, вокруг которого движутся один или более электронов. Электроны расположены через дискретные промежутки от ядра – как планеты на орбитах. И вот здесь аналогия заканчивается, поскольку орбиталь, на которой оказывается электрон, зависит от его энергии, поэтому электрон может, поглощая или отдавая энергию, перескакивать с одной орбитали на другую. Эту энергию можно представить в виде фотонов или световых частиц. Поглощая фотон, электрон перемещается на внешнюю орбиталь, а переход ближе к ядру сопровождается потерей фотона.У молекул поглощение и отдача лучистой энергии происходит не так, как у атомов, а за счет уменьшения или увеличения объема колебаний. Фотоны путешествуют сквозь вакуум со скоростью света – 300 000 км в секунду. Фотоны, излучаемые Солнцем, поглощаются молекулами нашей кожи, увеличивая их вибрацию и согревая нас. И, наоборот, с излучением фотонов, когда вибрация молекул уменьшается, тепло уходит. Пока вы читаете эти строки, ваше тело излучает фотоны в окружающую среду. Мы все ведем постоянный молчаливый «диалог», обмениваясь фотонами с другими людьми и предметами окружающей обстановки.
Однако на Земле имеется множество мест, где преобладающая температура гораздо выше температуры человеческого тела, поэтому излучение и теплопроводность только усилят перегрев. Во время первой войны в Заливе многие корабли пришли в Персидский залив по Ормузскому проливу. Стоял палящий зной в 47° С и высокая влажность. Жара под безоблачным небом и слепящим солнцем, отражающимся от воды, была невыносимой. Орудийный расчет, облаченный в огнезащитные капюшоны, перчатки и в бойцовские комбинезоны, выдерживал на верхней палубе только 10 минут. Гражданские, впрочем, страдают не меньше. Каждый год тысячи паломников устремляются в Мекку, где средняя температура составляет около 40° С. И многие не выдерживают такой жары.
Когда температура воздуха превышает температуру тела, единственным способом отдать тепло остается потоотделение. Принцип здесь тот же, что у глиняных сосудов для охлаждения вина, – превращение жидкости в пар требует большого количества тепла. При температуре тела на испарение одного миллилитра воды уходит около 2400 кал – примерно столько же требуется, чтобы нагреть такое же количество воды от точки замерзания до точки кипения. Большая часть этого тепла выделяется самим телом, и поэтому потоотделение охлаждает кожу. Соответственно, охлаждается кровь, протекающая через кожные покровы, и, перемещаясь в процессе кровообращения к более теплым внутренним органам, помогает снизить температуру тела.
В нашем организме имеется около трех миллионов потовых желез, около половины которых расположены на груди и спине. Кроме того, значительное количество имеется на лбу и на ладонях. Отдельные поры довольно легко разглядеть, намазав кожу маслом для загара и посидев несколько минут под солнцем. Когда кожа нагреется, появятся крошечные капельки влаги, отмечающие устья потовых желез. Масляная пленка уменьшает испарение влаги, поэтому капельки становится легче разглядеть (а с помощью лупы еще проще).
Потоотделением управляет гормон адреналин, выбрасывающийся в кровь, когда повышается температура тела. Выброс адреналина происходит и во время стресса – именно поэтому у нас потеют от страха ладони и лоб. Старинная поговорка гласит: «Лошадь может взмокнуть, мужчина – вспотеть, а дама лишь нежно зардеться». В этом викторианском правиле есть, как ни странно, доля истины, поскольку женщины потеют вполовину меньше мужчин при одной и той же температуре. Кроме того, различия в потоотделении определяются и расовой принадлежностью: например, уроженцы Новой Гвинеи потеют меньше, чем нигерийцы или шведы.
Потоотделение может увеличить отдачу тепла почти в 20 раз, но при этом происходит значительная потеря жидкости – около 3 л в час. Однако такое интенсивное потоотделение не может длиться долго, поэтому человек, работающий весь день на жаре, теряет за это время около 10–12 л воды. В сухом воздухе пустыни пот может испаряться настолько быстро, что кожа кажется сухой, однако, если ненадолго накрыть предплечье ладонью, она быстро станет влажной. Даже если вы не ощущаете жары, испарительное охлаждение все равно будет происходить – со скоростью около 0,8 л воды в день.
Испарительное охлаждение крайне важно для спортсменов. Велосипедисты на изматывающей «Тур де Франс» могут непрерывно катить на подъем по 12 часов подряд. Однако в лабораторных условиях они, к своему удивлению и разочарованию, оказываются неспособны выдержать ту же нагрузку даже в течение часа. На дороге встречный ветер, создаваемый стремительным движением вперед, быстро сгоняет слой воздуха, соприкасающийся с кожей, значительно усиливая испарительное охлаждение, а на тренажере подобной конвекции не происходит, поэтому теплоотдача получается значительно меньше и велосипедист быстро выматывается. Однако если направить на спортсмена искусственный поток воздуха – например, от вентилятора, он сможет продержаться дольше. Внезапный спад испарительного охлаждения нередко ведет к несчастным случаям, когда велосипедист или бегун получает тепловой удар, перестав бежать или крутить педали. Не исключено, что резкое исчезновение воздушного потока, омывающего тело, настолько уменьшает отдачу тепла, что температура тела сразу же подскакивает. Возможно, именно отсюда одна из главных заповедей коневодов – лошадь после интенсивной нагрузки нужно поводить, ни в коем случае не давая стоять неподвижно.
В жаркий день, ополоснувшись в водоеме или под душем, мы выходим покрытые мелкими каплями воды, и они помогают нам охладиться, увеличивая испарительное охлаждение. К такому же способу прибегают и слоны, поливая себя и других водой. Однако некоторые представители австралийской фауны выработали более трудоемкий способ. Вместо потоотделения они тщательно вылизываются, предоставляя охлаждение тела испаряющейся слюне. Как несложно догадаться, способ этот не особенно эффективен, поэтому используется скорее от безысходности. Совсем другой подход применяет американский клювач, ежеминутно мочась себе на ноги и тем самым повышая испарительное охлаждение. Из менее экзотических животных можно вспомнить собак, которые вываливают из пасти мокрые языки для усиления теплоотдачи и учащенно дышат, чтобы охладить носовую полость и повысить испарительное охлаждение верхних дыхательных путей.
Люди могут вполне комфортно переносить температуру, превышающую температуру тела, при условии достаточной сухости воздуха. Если влажность окажется выше 75 %, пот будет струиться по коже, не испаряясь. В таких условиях испарение приводит только к обезвоживанию и охлаждающий эффект теряется. Именно поэтому нам так тяжело выносить влажную жару. Вот как описывал климат Вест-Индии и Ямайки губернатор Эллис: «Трудно назвать жизнью состояние, когда можешь лишь дышать и таскать обессилевшее тело, однако именно в таком состоянии мы пребываем обычно с середины июня до середины сентября». Австралийский поэт Лес Маррей выразился более красноречиво:
Прогорклые ночи заталкивают нас тухлыми,
изъеденными солью лапами
в липкую заскорузлость, где марево не отереть со лба…
Плечо потеет от плеча. Чего ни коснись,
все сочится и истекает – оно на тебя, ты на него,
поглощая друг друга.
Из бешено стучащих висков вырастают лианы бреда.
Большинству людей сложно переносить температуру в 50° С при повышенной влажности, однако в сухой 90-градусной жаре человеку вполне комфортно (если, конечно, он находится там не слишком долго). Температура в бане всегда ниже, чем в сауне, хотя обе воспринимаются одинаково горячими. Отсюда следует, что потоотделение никак не влияет на теплоотдачу, если тело погружено в воду.
И это означает, что слишком долгое пребывание в глубокой ванне, где вода значительно горячее вашего тела, может быть смертельно опасно. В самых горячих японских онсенах, которые прогреваются до 46° С, даже самые стойкие не выдерживают больше трех минут. Для большинства людей предел – 43° С.
Впервые попадая в тропики, человек обычно сильно слабеет, однако некоторая акклиматизация все же происходит. Когда во время войны в Заливе солдат переправляли в Саудовскую Аравию из Северной Европы по воздуху, первые несколько дней они ходили вялые и раскисшие. Физическая нагрузка только истощала силы, что крайне нежелательно для армии. Однако где-то через неделю солдаты акклиматизировались, привыкая к жаре, и жизненные силы к ним возвращались. Акклиматизация происходит в первую очередь за счет значительного роста объемов потоотделения с одновременным обессоливанием выделяемого пота.
Назад: Охлаждение
Дальше: Держи голову в холоде
