2 курс / Нормальная физиология / Физиологические_основы_жизнедеятельности_человека_в_экстремальных

ления, меняющегося с высотой местности. Роль высоты становится доминирующей среди других метеофакторов, когда достигается значимая степень кислородного голодания.

В связи с вышеизложенным, был разработан BISCR — Bioclimatic Index of Severity of Climatic Regime (ранее в русском варианте БИСМ — Биоклиматический Индекс Суровости Метеорологического Режима), в котором оценивается комфортность климатических условий для человека с учетом основных метеотропных параметров, включая уровень атмосферного давления. Принципы, лежащие в основе определения, вычисления и уточнения индекса, описаны в работе (Belkin V.Sh., 1992). Достаточно сказать, что BISCR является мерой комфорта, которая отражает воздействие разнообразных климатогеографических условий на организм человека. К ним, в частности, относятся биологический возраст, антропологические характеристики различных этнических групп (Белкин В. Ш., Коростышевский М. Л., Бацевич В. А., 2012; Belkin V. Sh., Livshitz G., Otremsky I., 1998), задачи районирования территорий с экстремальными условиями проживания (Максимов А. Л., Белкин В. Ш., 2005), трудовая активность (Финаев А. Ф., 2004).

Целью настоящего исследования являлась оценка биоклиматических условий на нескольких прибрежных и внутриконтинентальных антарктических станциях с помощью BISCR и сравнение результатов оценки уровня комфорт/дискомфорт по BISCR с показателями тяжести климатических условий на этих станциях, определенных по ветро-холо- довому индексу WCI.

Климатические данные для этого исследования были взяты из Справочника по климату Антарктики (1977). Станции Амундсен-Скотт, Беллинсгаузен, Бэрд, Новолазаревская, Молодёжная, Мирный, Восток, и Мак-Мёрдо выбраны потому, что метеорологические данные для них наиболее полные (табл. 6 и рис. 9).

Для вычисления WCI использовалась оригинальная формула (Sipple P. A., Passel C. D., 1945) с конвертированием данных в единицы системы СИ:

Twc = 0.045(5.27V0,5 + 10.45 – 0.28V) (T – 33) + 33,

где Twc — температура охлаждения ветром; T — температура воздуха, °С; и V — скорость ветра, км/ч.

BISCR — это мера уровня «комфорт/дискомфорт», отражающая влияние суровых климатических условий на человеческий организм

Рис. 9. Месторасположение станций на карте Антарктиды, для которых произведена оценка индексов дискомфортности по WCI и BISCR.

при деятельности на данной высоте над уровнем моря (Roshan G., Mirkatouli G., Ali Shakoor A., 2010). Лимиты уровней «комфорт/дискомфорт» были установлены эмпирически для различных метеорологических параметров: 1) комфортная температура — +22 °C; экстремальный температурный дискомфорт +60 и —90 °C (—83.8 °C зарегистрировано на станции Восток в Антарктиде); 2) комфортное атмосферное давление 1013 гектопаскалей (hPa), экстремально низкое атмосферное давление 266 hPa (высота Эвереста); комфортная скорость ветра от штиля до 0.5 м/с, при экстремальном значении в 50 м/с; комфортная относительная влажность в 50% при экстремальных значениях 0 и 100% (экстремальные значения влажности воздуха не приводят непосредственно

к гибели организма и ограничивают активность не более чем на 30%). Формула уравнения для BISCR:

BISCR =Ti (P −266)(1−0.02V ), riS75

где Ti — температурный коэффициент; P — атмосферное давление (hPa); ri — коэффициент относительной влажности; S – коэффициент солнечного излучения.

При идеальных условиях BISCR = 10; для экстремальных значений всех параметров в уравнении BISCR = 0. Пределы терпимости высокой температуры, как указано, меняются между +22 и +60 °С (диапазон 38 °C), тогда как интервал терпимости холода, принимая во внимание использование соответствующей защитной одежды, меняется в пределах от +22 до –90 °С (диапазон 112 °С). При этих условиях температурный коэффициент Ti определен как:

где Ti = 0, когда T = –90 °С, или T = +60 °С, и Ti = 1, когда T = 22 °С. Воздействие экстремальной температуры и экстремальной скорости

ветра, а также низкого содержания кислорода во вдыхаемом воздухе на человеческой организм неоспоримо. Каждый из этих факторов способен повлиять на уровень работоспособности, а их сочетание может вызвать патологические изменения в организме, вплоть до смертельного исхода.

Коэффициент относительной влажности может быть определен как:

Введение коэффициента солнечного излучения S было необходимо для косвенной оценки дискомфорта, вызванного увеличением прямой инсоляции на высотах, превышающих 2000 м. Кроме того, в условиях центральной Антарктиды регистрируется самая высокая суммарная солнечная радиация на Земле, которая в период полярного дня составляет до 30 ккал/см2 за месяц.

S = 1, если H < 2000 м,

S = 1 + 0.045 (H −2000) если H > 2000 м. 1000

Индексы WCI и BISCR вычислялись отдельно по ежемесячным и среднегодовым данным. Чтобы отобразить степень дискомфорта, уровни WCI были ранжированы по признакам от «прохладно» до «ледяной холод», а для BISCR — от «комфорт» до «некомпенсируемый дискомфорт». В табл. 7 ряды WCI и BISCR приведены в порядке возрастания их тяжести для человека.

Средние месячные и годовые значения скорости ветра и температуры воздуха были использованы для расчета индекса WCI для восьми антарктических станций (табл. 8).

Рассчитанные ежемесячные и ежегодные индексы BISCR с использованием средних значений, перечисленных выше переменных (температура воздуха, атмосферное давление, ветер, относительная влажность, высота над уровнем моря) для тех же восьми станций, приведены в табл. 9.

Для высотных станций Восток, Амундсен-Скотт и Берд, при расчете индекса BISCR использовалось фиксированное значение относительной влажности г, равное 1, чтобы избежать больших расхождений этого показателя при очень низких температурах воздуха.

Табл. 7 содержит информацию об уровне биоклиматического дискомфорта (BISCR) внутри зданий исследованных станций. Для этих расчетов было принято, что внутри зданий уровни температуры и ветрового режима комфортны. Значения по WCI в закрытом помещении вычислить нельзя, потому что этот индекс не рассчитывается при скоростях ветра ниже 0.8 м/с.

Табл. 9 демонстрирует уровни биоклиматического дискомфорта антарктических станций в различные месяцы года. Обращают на себя внимание два момента:

а) увеличение продолжительности максимального экстремального периода на трех высотных станциях — Восток, АмундсенСкотт и Бэрд; б) в уровне дискомфорта по BISCR для станций Мак-Мёрдо и Мирный отсутствует интервал времени (мес), в который климатические условия можно расценить как «комфорт», «относительный комфорт» или

«относительный дискомфорт» (для Мак-Мёрдо только январь).

Табл. 10 показывает, что согласно значениям BISCR внутри помещений на прибрежных станциях достаточно комфортно. Кроме того, по нашему мнению, наибольший интерес в этой таблице представляют данные о распределении дискомфорта, полученные по BISCR при комфортных условиях температуры и ветра, поскольку такое сравнение показывает, что уровень дискомфорта непосредственно зависит от высоты расположения станции над у. м. (то есть, от степени гипоксической нагрузки).

Несмотря на различные предпосылки построения анализируемых нами индексов (WCI и BISCR), в целом, по метеопараметрам вне по-

Таблица 10

Уровень BISCR на арктических станциях внутри помещений

мещений, антарктические станции парадоксальным образом выстраиваются почти в однотипном порядке (табл. 12). В то же время, существенные отличия в значении индексов проявляются при оценке степени контраста их величин для самых теплых и холодных месяцев года (см. табл. 8, 9). При оценке контрастности между наиболее теплым и холодным месяцами по WCI оказалось, что первые два места занимают высокогорные станции Амундсен-Скотт и Восток, тогда как по показателям

Таблица 11

Уровни дискомфорта в различные месяцы года на исследуемых станциях

BISCR наиболее значимый сезонный контраст отмечен на стациях Мирный и Молодёжная (см. рис. 10).

Имеются также существенные различия между уровнем дискомфорта, выраженного этими двумя индексами, которые были рассчитаны по среднемесячным (табл. 11) и среднегодовым (см. табл. 12) данным. Очевидно, что уровень относительного дискомфорта по BISCR, который сопоставим с «очень холодной» оценкой по WCI, характерен для нескольких станций и только для короткого промежутка времени (см. табл. 11).

В свою очередь, понятие «экстремальный холод» по WCI, который условно сравнивается с понятием “некомпенсируемый дискомфорт”, на протяжении года встречается значительно чаще и не только на высокогорных станциях. Что касается среднегодовых значений индексов (см. табл. 12), то для высокогорных станций уровень дискомфорта по обоим индексам максимален, но для прибрежных станций величины дискомфорта далеко неоднозначны.

Таблица 12

Общая оценка климата на каждой станции по обоим показателям (на основе годовых метеорологических данных)

Примечание: * При комфортной температуре и ветре.

Эти неблагоприятные условия были выявлены по годовым данным не только на высотных антарктических станциях. Ежегодные значения индексов WCI и BISCR (включая BISCR для комфортной годовой температуры и скорости ветра) указывают на «максимальный дискомфорт» на высотных антарктических станциях. На прибрежных станциях условия достаточно комфортны (см. табл. 12). Для станции Бэрд, расположенной на высоте 1515 м над у. м., небольшой гипоксический эффект по BISCR конвертируется в «относительный дискомфорт». Для станций Амундсен-Скотт и Восток (2800 и 3488 м над у. м. соответственно) эффект гипоксии приводит к постоянному «компенсированному дискомфорту» по BISCR. Эти уровни биоклиматического дискомфорта показывают, что здоровый человек может приспособиться к существующей степени кислородного недостатка. В частности, исследования (Хентшел Г., 1986; Финаев А.Ф., 2004) показывают, что люди, которые приспособились за длительный период времени к условиям высокогорной гипоксии, могут легче переносить суровые климатические условия и тяжелые физические нагрузки, чем люди, зимующие на прибрежных станциях.

На станциях Восток и Амундсен-Скотт опасность обморожения открытых частей тела максимальна в течение всего года, как это определено согласно WCI. Но BISCR, в свою очередь, может быть использован для того, чтобы выявить не только риск пребывания вне помещения, но также и выбрать оптимальный уровень физической нагрузки и тип работ (это следует из табл. 11).

Уровень дискомфорта для прибрежных станций Мирный, МакМёрдо и Беллинсгаузен, определяемый с помощью BISCR, в некоторых случаях отличается от показателей WCI (рис. 10). Это особенно верно на станции Беллинсгаузен, где, как показано в табл. 11, имеется низкая степень риска пребывания на открытом воздухе согласно WCI, но увеличивается уровень дискомфорта по BISCR. Подобное расхождение можно объяснить тем фактом, что относительная влажность на этой станции очень высокая, что значительно увеличивает риск переохлаждения.

Не следует забывать, что работы на станциях большую часть времени осуществляются внутри помещений, где дискомфортное влияние температурного и ветрового факторов практически отсутствует. В этом случае мы сталкиваемся с ситуацией, при которой WCI не работает, т.е. по его показателям различия между станциями нивелируются. В то же время, использование BISCR при прочих условиях помогает выявить степень дискомфорта, обусловленную только уровнем гипоксического воздействия. Значение «климатический дискомфорт», связанное, в частности,

Рис. 10. Разница величины индексов дискомфорта по WCI (более темные полоски) и BISCR, определенная на антарктических станциях вне помещения в периоды между самым теплым (январь) и самым холодным (июль) месяцами.

с температурой воздуха и скоростью ветра, существенно уменьшается при работе и жизни внутри помещений. В данной ситуации применим индекс BISCR, который может продемонстрировать, что на ряде станций уровень дискомфорта диктуется главным образом гипоксией. Для высотных антарктических станций Восток, Амундсен-Скотт и Бэрд были вычислены индексы BISCR с использованием ri для оценок комфорта, чтобы устранить большие ошибки при очень низких температурах воздуха, о которых говорилось ранее (Дюргеров М. Б., 1986). Таким образом, высокие уровни «компенсированного дискомфорта» можно найти на высотных станциях, по сравнению с «относительным дискомфортом» на других станциях.

Суммируя представленные результаты, следует отметить, что низкая температура воздуха вне зданий на высокогорных антарктических станциях приводит к высоким значениям WCI в течение всего года. Низкие температуры представляют реальную опасность для всех антарктических станций, особенно во время полевых работ и других длительных мероприятий на открытом воздухе. В свою очередь, проблеме гипоксии необходимо уделить очень серьезное внимание на высокогорных станциях и/или во время длительных внутриконтинентальных экспедиций и санно-гусеничных походов. Этот фактор увеличивает вероятность обморожения, хотя он не включен в методику ветро-холодового и других индексов, характеризующих терморегуляционную реакцию человека на критические значения основных метеофакторов (температура, скорость ветра, влажность). Индекс BISCR, представленный в настоящей рабо-