Содержание:
Введение
Температура и термометры – история возникновения
Температурные шкалы и их виды
Шкала Фаренгейта
Шкала Реомюра
Шкала Цельсия
Шкала Кельвина
Абсолютный ноль температур
Влияние температурных условий на жизнь на Земле
Выводы
Термометры и температура. История возникновения.
Что такое температура
Прежде, чем начать рассказ о датчиках температуры, следует разобраться, что же такое температура с точки зрения физики. Почему организм человека чувствует изменение температуры, почему мы говорим, что вот сегодня тепло или просто жарко, а на другой день прохладно, или даже холодно.
Термин температура происходит от латинского слова temperatura, что в переводе означает нормальное состояние или надлежащее смещение. Как физическая величина температура характеризует внутреннюю энергию вещества, степень подвижности молекул, кинетическую энергию частиц, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.
В качестве примера можно рассмотреть воздух, молекулы и атомы которого двигаются хаотично. Когда скорость перемещения этих частиц возрастает, то говорят, что температура воздуха высокая, воздух теплый или даже горячий. В холодный день, например, скорость движения частиц воздуха мала, что ощущается как приятная прохлада или даже «холод собачий». Следует обратить внимание на то, что скорость движения частиц воздуха никак не зависит от скорости ветра! Это совсем другая скорость.
Это то, что касается воздуха, в нем молекулы могут двигаться свободно, а как же обстоит дело в жидких и твердых телах? В них тепловое движение молекул также существует, хотя и в меньшей степени, чем в воздухе. Но его изменение вполне заметно, что обусловливает температуру жидкостей и твердых тел.
Молекулы продолжают движение даже при температуре таяния льда, равно как и при отрицательной температуре. Например, скорость движения молекулы водорода при нулевой температуре 1950 м/сек. Каждую секунду в 16 см^3 воздуха происходит тысяча миллиардов столкновений молекул. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает, количество столкновений, соответственно, увеличивается.
Однако, следует заметить, что температура и тепло суть есть не одно и то же. Простой пример: обычная газовая плита на кухне имеет большие и маленькие горелки, в которых сжигается один и тот же газ. Температура сгорания газа одинакова, поэтому температура самих горелок также одна и та же. Но один и тот же объем воды, например чайник или ведро, быстрее вскипит на большой горелке, нежели на маленькой. Это происходит оттого, что большая горелка дает большее количество тепла, сжигая больше газа в единицу времени, или обладает большей мощностью.
Первые термометры
До изобретения такого обыденного и простого для нашей повседневной жизни измерительного прибора как термометр о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.
Слово “температура” возникло давно – тогда еще не существовало молекулярно-кинетической теории. Считалось, что в телах содержится некая материя, называемая “теплородом”, и в теплых телах ее больше, чем в холодных. Температура, таким образом, характеризовала смесь теплорода и вещества самого тела, и чем выше была температура – тем, значит, крепче эта смесь. Отсюда пошло измерение крепости спиртных напитков в градусах. [pic]
История термодинамики началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
Затем появились термометры, наполненные водой – но жидкость замерзала, и термометры лопались. Поэтому вместо воды стали использовать винный спирт, а потом ученик Галилея Эванджелиста Торричелли придумал заполнить термометр ртутью и спиртом и запаять, чтобы атмосферное давление не влияло на показания. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, - теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров. [pic]
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
[pic]
Температурные шкалы
Измерять температуру человечество научилось примерно 400 лет назад. Но первые приборы, напоминающие нынешние термометры, появились только в ХVIII веке. Изобретателем первого градусника стал ученый Габриэль Фаренгейт. Всего в мире было изобретено несколько разных температурных шкал, одни из них были более популярны и используются до сих пор, другие постепенно вышли из употребления.
Температурные шкалы – это системы температурных значений, которые возможно сопоставить между собой. Так как температура не относится к величинам, подлежащим непосредственному измерению, то значение ее связывают с изменением температурного состояния какого-либо вещества (например, воды). На всех температурных шкалах, как правило, фиксируют две точки, соответствующие температурам перехода выбранного термометрического вещества в разные фазы. Это так называемые реперные точки. Примерами реперных точек может служить точка закипания воды, точка твердения золота и т. п. Одну из точек принимают за начало отсчета. Интервал между ними делят на определенное количество равных отрезков, являющихся единичными. За единицу измерения температуры повсеместно принят один градус. температура шкала прибор
Наиболее популярные и получившие самое широкое распространение в мире шкалы температур – шкала Цельсия и Фаренгейта.
Рассмотрим по порядку имеющиеся шкалы и попробуем сравнить их с точки зрения удобства использования и практической пользы. Наиболее известных шкал четыре:
Шкала Фаренгейта
Шкала Реомюра
Шкала Цельсия,
Шкала Кельвина
[pic]
Шкала Фаренгейта
Во многих справочниках, в том числе в русской Википедии, Даниэль Габриель Фаренгейт упоминается как немецкий физик. Однако согласно энциклопедии «Британника», он был голландским физиком, родившимся в Польше в г. Гданьске 24 мая 1686 г. Фаренгейт сам изготавливал научные инструменты и в 1709 г. изобрел спиртовой термометр, а в 1714 г. ртутный термометр.
В 1724 г. Фаренгейт стал членом Лондонского Королевского Общества и представил ему свою шкалу температур. Шкала была построена на основе трех опорных точек. В первоначальном варианте (который в дальнейшем был изменен) за нулевую точку он принял температуру соляного раствора (лед, вода и хлорид аммония в соотношении 1:1:1). Стабилизация температуры такого раствора происходила при 0 °F (-17.78 °C). Вторая точка 32 °F была точкой плавления льда, т.е. температурой смеси льда и воды в соотношении 1:1 ( 0 °C). Третья точка – это нормальная температура человеческого тела, которой он приписал 96 °F.
Почему были выбраны такие странные, некруглые цифры? Согласно одной из историй, Фаренгейт первоначально выбрал за ноль своей шкалы самую низкую температуру, измеренную в его родном городе Гданьске зимой 1708/1709 г. Позже, когда стало необходимо сделать эту температуру хорошо воспроизводимой, он использовал для ее воспроизведения соляной раствор. Одно из объяснений неточности полученной температуры в том, что Фаренгейт не имел возможности сделать хороший соляной раствор, чтобы получить точный эвтектический равновесный состав хлорида аммония (то есть, он, возможно, растворял несколько солей, причем не полностью).
Еще одна интересная история связана с письмом Фаренгейта его другу Герману Бурхавэ. Согласно письму, его шкала была создана на основе работы астронома Олофа Рёмера, с которым Фаренгейт ранее общался. В шкале Рёмера соляной раствор замерзает при нуле градусов, вода при 7,5 градусах, температура тела человека принята за 22,5 градуса и вода кипит при 60 градусах (есть мнение, что это по аналогии с 60 сек. в часе). Фаренгейт умножил каждое из чисел на четыре, чтобы убрать дробную часть. При этом точка плавления льда оказалась равной 30 градусов, а температура человека 90 градусов. Он пошел дальше и сдвинул шкалу так, чтобы точка льда была равна 32 градусов, а температура тела человека 96 градусов. Таким образом появилась возможность разбить интервал между этими двумя точками, составивший 64 градусов, простым многократным делением промежутка пополам. (64 это 2 в шестой степени).
При измерении своими отградуированными термометрами температуры кипения воды Фаренгейт получил значение около 212 °F . В дальнейшем ученые решили немного переопределить шкалу, приписав точное значение двум хорошо воспроизводимым реперным точкам: температуре плавления льда 32 °F и температуре кипения воды 212 °F. При этом нормальная температура человека по такой шкале после новых, более точных измерений получилась около 98 °F , а не 96 °F.
Шкала Реомюра
Французский естествоиспытатель Рене Антуан Фершо де Реомюр родился 28 февраля 1683 года в Ла-Рошели в семье нотариуса. Получил образование в школе иезуитов в Пуатье. С 1699 года изучал право и математику в университете Бурже. В 1703 году продолжил изучение математики и физики в Париже. После того, как в 1708 году Рене опубликовал свои первые три работы в области математики, он был принят в члены Парижской Академии Наук.
Научные труды Реомюра довольно разнообразны. Он занимался математикой, химической технологией, ботаникой, физикой и зоологией. Но в двух последних предметах он преуспел больше, поэтому, основные его труды были посвящены именно этим темам.
В 1730 году Реомюр описал изобретённый им спиртовой термометр, шкала которого определялась точками кипения и замерзания воды. 1 градус Реомюра равен 1/80 части температурного интервала между точками таяния льда (0 °R) и кипения воды (80 °R
Припаяв к круглой колбочке тонкую трубку, Реомюр залил в нее спирт, по мере возможности очищенный от воды и растворенных газов. В своем мемуаре он отмечает, что его жидкость содержала не более 5 процентов воды.
Трубка не запаивалась — Реомюр лишь затыкал ее замазкой на основе скипидара.
На самом деле опорная точка была у Реомюра всего одна: температура таяния льда. А величину градуса он определил вовсе не делением какого-то интервала температур на невесть откуда взявшееся число 80. В действительности он решил принять за один градус такое изменение температуры, при котором объем спирта возрастает или убывает на 1/1000. Таким образом, термометр Реомюра можно считать, по существу, большим пикнометром, точнее — примитивным прототипом этого физико-химического прибора.
Начиная с 1734 г. Реомюр в течение пяти лет публиковал отчеты об измерениях температур воздуха с помощью предложенного им прибора в различных местностях, от центральных районов Франции до индийского порта Пондишери, однако позднее термометрию забросил.
В наше время шкала Реомюра вышла из употребления.
[pic]
Шкала Цельсия
Андерс Цельсий (27 ноября 1701 — 25 апреля 1744) — шведский астроном, геолог и метеоролог (в те времена геология и метеорология считались частью астрономии). Профессор астрономии Упсальского университета (1730—1744).
Вместе с французским астрономом Пьером Луи Моро де Мопертюи участвовал в экспедиции с целью измерения отрезка меридиана в 1 градус в Лапландии (тогда — часть Швеции). Аналогичная экспедиция была организована на экватор, на территории нынешнего Эквадора. Сравнение результатов подтвердило предположение Ньютона, что Земля представляет собой эллипсоид, сплюснутый у полюсов.
1742 году предложил шкалу Цельсия, в которой температура тройной точки воды (эта температура практически совпадает с температурой плавления льда при нормальном давлении) принималась за 100, а температура кипения воды — за 0. (Изначально Цельсий за 100° принял температуру таяния льда, а за 0° — температуру кипения воды. И лишь в год смерти Цельсия его современник Карл Линней «перевернул» эту шкалу). Так, за ноль по шкале Цельсия принималась точка плавления льда, а за 100° — точка кипения воды при стандартном атмосферном давлении. Эта шкала линейна в интервале 0—100° и так же линейно продолжается в области ниже 0° и выше 100°.
Шкала Цельсия оказалась более рациональной, чем шкала Фаренгейта и шкала Реомюра, и сейчас используется повсеместно.
[pic]
Шкала Кельвина
Кельвин Уильям (1824— 1907) — выдающийся английский физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории газов.
Кельвин ввел абсолютную шкалу температур в 1848 году и дал одну из формулировок второго начала термодинамики в форме невозможности полного превращения теплоты в работу. Он произвел расчет размеров молекул на основе измерения поверхностной энергии жидкости.
Английский ученый У. Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по шкале Кельвина соответствует абсолютному нулю, и единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия, поэтому абсолютная температура Т связана с температурой по шкале Цельсия формулой:
[pic]
Единица абсолютной температуры в СИ называется кельвином (сокращенно К). Следовательно, один градус по шкале Цельсия равен одному градусу по шкале Кельвина: 1 °С = 1 К.
[pic]
[pic]
Значения температур, которые дает нам шкала Фаренгейта и Цельсия, могут быть легко переведены друг в друга. При переводе «в уме» значений по Фаренгейту в градусы Цельсия нужно исходную цифру уменьшить на 32 единицы и умножить на 5/9. Наоборот (из шкалы Цельсия в Фаренгейта) – умножить исходное значение на 9/5 и добавить 32. Для сравнения: температура абсолютного нуля по Цельсию – 273,15 °, по Фаренгейту– 459,67°.
[pic]
Измерение температуры
Измерение температуры основано на зависимости какой-либо физической величины (например, объема) от температуры. Эта зависимость и используется в температурной шкале термометра — прибора, служащего для измерения температуры.
[pic]
Абсолютный нуль температур
Любое измерение предполагает наличие точки отсчета. Не является исключением и температура. Для шкалы Фаренгейта такой нулевой отметкой является температура снега, смешанного с поваренной солью, для шкалы Цельсия – температура замерзания воды. Но есть особая точка отсчета температуры – абсолютный нуль.
На протяжении многих лет исследователи ведут наступление на абсолютный нуль температуры. Как известно, температура, равная абсолютному нулю, характеризует основное состояние системы многих частиц — состояние с наименьшей возможной энергией, при которой атомы и молекулы совершают так называемые «нулевые» колебания. Таким образом, глубокое охлаждение, близкое к абсолютному нулю (считается, что сам абсолютный нуль на практике недостижим), открывает неограниченные возможности для изучения свойств вещества.
Абсолютный ноль - теоретически самая низкая возможная температура. Вблизи этой температуры энергия вещества становится минимальной. Ее нередко называют также "нулем по шкале Кельвина". Абсолютный нуль равен примерно -273°С или -460°F. Все вещества - газы, жидкости, твердые тела - состоят из молекул, и температура определяет скорость движения этих молекул. Чем выше температура, тем выше скорость молекул и тем больший объем нужен им для движения (т. е. вещества расширяются). Чем ниже температура, тем медленнее они движутся, и с понижением температуры энергия молекул в конце концов уменьшается настолько, что они вообще перестают двигаться. Иными словами, любое вещество, замерзая, становится твердым. Хотя физики добились уже температур, отличающихся от абсолютного нуля всего на миллионную долю градуса, сам по себе абсолютный нуль недостижим. Отрасль науки и техники, занимающаяся изучением необычного поведения материалов, или веществ, вблизи абсолютного нуля, называется криогенной техникой.
Стремление к абсолютному нулю по существу встречается с теми же проблемами, что и [link] . Чтобы набрать скорость света, понадобится бесконечное количество энергии, а достижение абсолютного нуля требует извлечения бесконечного количества тепла. Оба этих процесса невозможны.
Несмотря на то, что мы пока не добились фактического состояния абсолютного нуля, мы весьма близки к этому (хотя «весьма» в этом случае понятие очень растяжимое; как детская считалочка: два, три, четыре, четыре с половиной, четыре на ниточке, четыре на волоске, пять). Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована в Антарктиде в 1983 году, на отметке -89,15 градусов Цельсия (184K).
Для чего нужен абсолютный ноль температур?
Абсолютный нуль температуры – понятие теоретическое, достичь его на практике невозможно в принципе, даже в условиях научных лабораторий с самой сложной аппаратурой. Но ученым удается охлаждать вещество до очень низких температур, которые близки к абсолютному нулю.
При таких температурах вещества приобретают удивительные свойства, которых они не могут иметь при обычных обстоятельствах. Ртуть, которую называют «живым серебром» из-за ее пребывания в состоянии, близком к жидкому, при такой температуре становится твердой – до такой степени, что ею можно забивать гвозди. Некоторые металлы становятся хрупкими, как стекло. Такой же твердой и хрупкой становится резина. Если при температуре, близкой к абсолютному нулю, ударить молотком какой-нибудь резиновый предмет, он разобьется, как стеклянный.
Такое изменение свойств тоже связано с природой теплоты. Чем выше температура физического тела, тем интенсивнее и хаотичнее двигаются молекулы. По мере снижения температуры движение становится менее интенсивным, а структура – более упорядоченной.
Очень важно, особенно с точки зрения науки, что материалы ведут себя безумно на экстремально низких температурах.
Так газ становится жидкостью, а жидкость твердым телом. Предельный уровень упорядоченности – кристаллическая структура. При сверхнизких температурах ее приобретают даже такие вещества, которые в обычном состоянии остаются аморфными, например, резина.
Интересные явления происходят и с металлами. Атомы кристаллической решетки колеблются с меньше амплитудой, рассеяние электронов уменьшается, поэтому падает электрическое сопротивление. Металл приобретает сверхпроводимость, практическое применение которой представляется весьма заманчивым, хотя и труднодостижимым.
При очень низких температурах многие материалы становятся сверхтекучими, что означает, что они могут совершенно не обладать вязкостью, укладываться сверхтонкими слоями и даже бросать вызов гравитации в достижении минимума энергии. Также при низких температурах многие материалы становятся сверхпроводящими, что означает отсутствие какого-либо электрического сопротивления. Сверхпроводники способны реагировать на внешние магнитные поля таким образом, чтобы полностью отменять их внутри металла. В результате, вы можете объединить холодную температуру и магнит и получить что-то типа левитации.
Почему есть абсолютный ноль, но нет абсолютного максимума?
Давайте взглянем на другую крайность. Если температура — это просто мера энергии, то можно просто представить атомы, которые подбираются ближе и ближе к скорости света. Не может же это продолжаться бесконечно?
Есть короткий ответ: мы не знаем. Вполне возможно, что буквально существует такая вещь, как бесконечная температура, но если есть абсолютный предел, юная вселенная предоставляет достаточно интересные подсказки относительно того, что это такое. Самая высокая температура, когда-либо существовавшая (как минимум в нашей вселенной), вероятно, случилась в так называемое «время Планка». Это был миг длиной в 10^-43 секунд после Большого Взрыва, когда гравитация отделилась от квантовой механики и физика стала именно такой, какой является сейчас. Температура в то время была примерно 10^32 K. Это в септиллион раз горячее, чем нутро нашего Солнца.
Опять же, мы совсем не уверены, самая ли это горячая температура из всех, что могли быть. Поскольку у нас даже нет большой модели вселенной в момент времени Планка, мы даже не уверены, что Вселенная кипятилась до такого состояния. В любом случае, к абсолютному нулю мы во много раз ближе, чем к абсолютной жаре.
Как жизнь на Земле зависит от температурных и климатических условий
Ещё в глубокой древности наши предки знали о зависимости самочувствия и всех жизненных процессов от погодных и других природных явлений. Первые письменные свидетельства о влиянии природно-климатических явлений на здоровье человека известны с давних времен. В Индии 4000 лет назад говорили о приобретении растениями лечебных свойств от лучей солнца, гроз и дождей. Тибетская медицина до сих пор связывает болезни с определенными сочетаниями метеорологических факторов. Древнегреческий ученый-медик Гиппократ (460-377 гг. до н.э.) в своих «Афоризмах» писал, в частности, что организмы людей ведут себя различно в отношении времени года: одни расположены ближе к лету, другие — к зиме, и болезни протекают различно (хорошо или плохо) в различные времена года, в разных странах и условиях жизни.
Основы научного направления в медицине о влиянии климатических факторов на здоровье человека зародились в XVII веке. В России изучение влияния климата, сезонов и погоды на человека началось с основанием Российской Академии наук в Петербурге (1725 г.). В развитии теоретических основ этой науки большую роль сыграли выдающиеся отечественные ученые И.М. Сеченов, И.П. Павлов и другие. В начале XXI века было доказано, что вспышка лихорадки Западного Нила в Волгоградской и Астраханской области связана с аномально теплой зимой. Жара 2010 года привела к беспрецедентному росту этого заболевания — 480 случаев в Волгоградской, Ростовской, Воронежской и Астраханской областях. Происходит также постепенное продвижение клещевого энцефалита на север, что доказано работами проф. Н.К. Токаревича (С.-Петербургский Институт микробиологии и эпидемиологии им. Пастера) по Архангельской области, и это явление также cвязывают с климатическими изменениями.
Климат оказывает на человека прямое и косвенное влияние
Прямое влияние весьма разнообразно и обусловлено непосредственным действием климатических факторов на организм человека и прежде всего на условия теплообмена его со средой: на кровоснабжение кожных покровов, дыхательную, сердечно-сосудистую и потооделительную системы.
На организм человека, как правило, влияет не один какой-либо изолированный фактор, а их совокупность, причем основное действие оказывают не обычные колебания климатических условий, а главным образом их внезапные изменения. Для любого живого организма установились определенные ритмы жизнедеятельности разнообразной частоты.
Для некоторых функций организма человека характерно изменение их по сезонам года. Это касается температуры тела, интенсивности обмена веществ, системы кровообращения, состава клеток крови и тканей. Так, в летний период происходит перераспределение крови от внутренний органов к кожным покровам, поэтому артериальное давление летом ниже, чем зимой.
Климатические факторы, влияющие на человека
Большинство физических факторов внешней среды, во взаимодействии с которыми эволюционировал человеческий организм, имеют электромагнитную природу. Хорошо известно, что возле быстро текущей воды воздух освежает и бодрит: в нем много отрицательных ионов. По этой же причине людям представляется чистым и освежающим воздух после грозы. Наоборот, воздух в тесных помещениях с обилием разного рода электромагнитных приборов насыщен положительными ионами. Даже сравнительно непродолжительное нахождение в таком помещении приводит к заторможенности, сонливости, головокружениям и головным болям. Аналогичная картина наблюдается в ветреную погоду, в пыльные и влажные дни. Специалисты в области экологической медицины считают, что отрицательные ионы положительно влияют на здоровье человека, а положительные — негативно.
Ультрафиолетовое излучение
Среди климатических факторов большое биологическое значение имеет коротковолновая часть солнечного спектра — ультрафиолетовое излучение (УФИ) (длина волн 295–400 нм).
Ультрафиолетовое облучение — обязательное условие нормальной жизнедеятельности человека. Оно уничтожает микроорганизмы на коже, предупреждает рахит, нормализует обмен минеральных веществ, повышает стойкость организма к инфекционным заболеваниям и другим болезням. Специальные наблюдения установили, что дети, получавшие достаточное количество ультрафиолета, в десять раз менее подвержены простудным заболеваниям, чем дети, не получавшие достаточного количества ультрафиолетового облучения. При недостатке ультрафиолетового облучения нарушается фосфорно-кальциевый обмен, увеличивается чувствительность организма к инфекционным заболеваниям и к простуде, возникают функциональные расстройства центральной нервной системы, обостряются некоторые хронические заболевания, снижается общая физиологическая активность, а следовательно, и работоспособность человека. Особенно чувствительны к «световому голоду» дети, у которых он приводит к развитию авитаминоза Д (к рахиту).
Температура
Тепловой режим — важнейшее условие существования живых организмов, так как все физиологические процессы в них возможны при определенных условиях.
Солнечная радиация превращается в экзогенный, находящийся вне организма, источник тепла во всех случаях, когда она падает на организм и им поглощается. Сила и характер воздействия солнечного излучения зависят от географического положения и являются важными факторами, определяющими климат региона. Климат же определяет наличие и обилие видов растений и животных в данной местности. Диапазон существующих во Вселенной температур равен тысячам градусов
По сравнению с ними пределы, в которых может существовать жизнь, очень узки - около 300°С, от -200°С до +100°С. На самом деле большинство видов и большая часть активности приурочены к более узкому диапазону температур. Как правило, эти температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков: от 0 до +50°С.
[pic]
Температура — один из важных абиотических факторов, влияющих на все физиологические функции всех живых организмов. Температура на земной поверхности зависит от географической широты и высоты над уровнем моря, а также времени года. Для человека в легкой одежде комфортной будет температура воздуха + 19…20°С, без одежды — + 28…31°С.
Когда температурные параметры изменяются, человеческим организмом вырабатывает специфические реакции приспособление относительно каждого фактора, то есть адаптируется.
Температурный фактор характеризуется ярко выраженными как сезонными, так и суточными колебаниями. В ряде районов Земли это действие фактора имеет важное сигнальное значение в регуляции сроков активности организмов, обеспечении их суточного и сезонного режимов жизни.
При характеристике температурного фактора очень важно учитывать его крайние показатели, продолжительность их действия, повторяемость. Выходящие за пределы терпимости организмов изменения температуры в местах обитания приводят к массовой их гибели. Значение температуры заключается и в том, что она изменяет скорость протекания физико-химических процессов в клетках, отражающихся на всей жизнедеятельности организмов.
Как происходит адаптация к изменениям температуры.
Основные холодовые и тепловые рецепторы кожи обеспечивает терморегуляцию организма. При различных температурных воздействиях сигналы в центральную нервную систему поступают не отдельных рецепторов, а от целых зон кожи, так называемых рецепторных полей, размеры которых непостоянны и зависят от температуры тела и окружающей среды.
Температура тела в большей или меньшей степени влияет на весь организм (на все органы и системы). Соотношение температуры внешней среды и температуры тела определяет характер деятельности системы терморегуляции.
Температура окружающей среды преимущество ниже температуры тела. Вследствие этого между средой и организмом человека постоянно происходит обмен теплом благодаря его отдаче поверхностью тела и через дыхательные пути в окружающее пространство. Этот процесс принято называть теплоотдачей. Образование же тепла в организме человека в результате окислительных процессов называют теплообразованием. В состоянии покоя при нормальном самочувствии величина теплообразования равняется величине теплоотдачи. В жарком или холодном климате, при физических нагрузках организма, заболеваниях, стрессе и т.д. Уровень теплообразования и теплоотдачи может изменяться.
Как происходит адаптация к низкой температуре.
Условия, при которых организм человека адаптируется к холоду, могут быть различными (например, работа в неотапливаемых помещениях, холодильных установках, на улице зимой). При этом действие холода не постоянное, а чередующееся с нормальным для организма человека температурным режимом. Адаптация в таких условиях выражена нечетко. В первые дни, реагируя на низкую температуру, теплообразование возрастает неэкономно, теплоотдача еще недостаточно ограничена. После адаптации процессы теплообразования становятся более интенсивными, а теплоотдача снижается.
Иначе происходит адаптация к условиям жизни в северных широтах, где на человека влияют не только низкие температуры, но и свойственные этим широтам режим освещения и уровень солнечной радиации.
Что происходит в организме человека при охлаждении.
Вследствие раздражения холодовых рецепторов изменяются рефлекторные реакции, регулирующие сохранение тепла: сужаются кровеносные сосуды кожи, что на треть уменьшает теплоотдачу организма. Важно, чтобы процессы теплообразования и теплоотдачи были сбалансированными. Преобладание теплоотдачи над теплообразованием приводит к понижению температуры тела и нарушению функций организма. При температуре тела 35°С наблюдается нарушение психики. Дальнейшее понижение температуры замедляет кровообращение, обмен веществ, а при температуре ниже 25°С останавливается дыхание.
Одним из факторов интенсификации энергетических процессов является липидный обмен. Например, полярные исследователи, у которых в условиях низкой температуры воздуха замедляется обмен веществ, учитывают необходимость компенсировать энергетические затраты. Их рационы отличаются высокой энергетической ценностью (калорийностью). У жителей северных районов более интенсивный обмен веществ. Основную массу их рациона составляют белки и жиры. Поэтому в их крови содержание жирных кислот повышено, а уровень сахара несколько понижен.
У людей, приспосабливающихся к влажному, холодному климату и кислородной недостаточности Севера, также повышенный газообмен, высокое содержание холестерина в сыворотке крови и минерализация костей скелета, более утолщенный слой подкожного жира (выполняющего функцию теплоизолятора).
Однако не все люди в одинаковой степени способны к адаптации. В частности, у некоторых людей в условиях Севера защитные механизмы и адаптивная перестройка организма могут вызвать дезадаптацию — целый ряд патологических изменений, называемых «полярной болезнью». Одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих адаптацию человека к условиям Крайнего Севера, является потребность организма в аскорбиновой кислоте (витамин С), повышающей устойчивость организма к различного рода инфекциям.
Адаптация к воздействию высокой температуры.
Тропические условия могут оказывать вредное влияние на организм человека. Отрицательные эффекты могут быть результатом агрессивных факторов окружающей среды, таких как ультрафиолетовое облучение, экстремальная жара, резкие смены температуры и тропические штормы. У метеочувствительных людей экспозиция к тропическим условиям среды увеличивает риск острых болезней, в том числе ишемической болезни сердца, астматических приступов и почечных камней. Отрицательные эффекты могут быть усилены внезапной сменой климата, например, при путешествии воздухом.
Высокая температура может влиять на организм человека в искусственных и естественных условиях. В первом случае имеется в виду работа в помещениях с высокой температурой, чередующаяся с пребыванием в условиях комфортной температуры.
Высокая температура среды возбуждает тепловые рецепторы, импульсы которых включают рефлекторные реакции, направленные на повышение теплоотдачи. При этом расширяются сосуды кожи, ускоряется движение крови по сосудам, теплопроводность периферических тканей увеличивается в 5-6 раз. Если для поддержания теплового равновесия этого недостаточно, повышается температура кожи и начинается рефлекторное потоотделение — самый эффективный способ отдачи тепла (наибольшее количество потовых желез на коже рук, лица, подмышек). У коренных жителей Юга средняя масса тела меньше, чем у жителей Севера, подкожный жир не очень развит. Особенно ярко проявляются морфологические и физиологические особенности у популяций, живущих в условиях высокой температуры и недостатка влаги (в пустынях и полупустынях, районах, прилегающих к ним). Например, аборигены Центральной Африки, Южной Индии и других регионов с жарким сухим климатом имеют длинные худощавые конечности, небольшую массу тела.
Интенсивное потоотделение во время пребывания человека в жарком климате приводит к понижению количества воды в организме. Чтобы компенсировать потерю воды, нужно увеличить ее потребление. Местное население более адаптировано к этим условиям, чем люди, приехавшие из умеренной зоны. У аборигенов вдвое-втрое меньше суточная потребность в воде, а также в белках и жирах, так как они имеют высокий энергетический потенциал, и усиливает жажду. Поскольку в результате интенсивного потоотделения в плазме крови уменьшается содержание аскорбиновой кислоты и других водорастворимых витаминов, в рационах местного населения преобладают углеводы, увеличивающие выносливость организма, и витамины, позволяющие выполнять тяжелую физическую работу в течение длительного времени.
От каких факторов зависит восприятие температуры.
Наиболее чувствительно усиливает температурное ощущение ветер. При сильном ветре холодные дни кажутся еще холоднее, а жаркие — еще жарче. На восприятие организмом температуры влияет также влажность. При повышенной влажности температура воздуха кажется более низкой, чем в действительности, а при пониженной влажности — наоборот.
Восприятие температуры индивидуально. Одним людям нравятся холодные морозные зимы, а другим — теплые и сухие. Это зависит от физиологических и психологических особенностей человека, а также эмоционального восприятия климата, в котором прошло его детство.
Природно-климатические условия и здоровье
Здоровье человека в значительной степени зависит от погодных условий. Например, зимой люди чаще болеют простудными, легочными заболеваниями, гриппом, ангиной.
К заболеваниям, связанным с погодными условиями, относятся в первую очередь перегревание и переохлаждения. Перегревания и тепловые удары возникают летом при жаркой безветренной погоде. Грипп, простудные заболевания, катары верхних дыхательных путей, как правило, возникают в осеннее-зимний период года. Некоторые физические факторы (атмосферное давление, влажность, движения воздуха, концентрация кислорода, степень возмущенности магнитного поля Земли, уровень загрязнения атмосферы) оказывают не только прямое воздействие на человеческий организм. Отдельно или в комбинации они могут усугубить течение имеющихся заболеваний, подготовить определенные условия для размножения возбудителей инфекционных заболеваний. Так, в холодный период года в связи с крайней изменчивостью погоды обостряются сердечно-сосудистые заболевания — гипертоническая болезнь, стенокардия, инфаркт миокарда. Кишечные инфекции (брюшной тиф, дизентерия) поражают людей в жаркое время года. У детей до года самое большое число воспалений легких регистрируется в январе — апреле.
У людей с расстройствами функций нервной вегетативной системы или хроническими заболеваниями приспособление к изменяющимся погодным факторам затруднено. Некоторые больные на столько чувствительны к изменениям погоды, что могут служит своеобразными биологическими барометрами, безошибочно предсказывающих погоду за несколько. Исследования, проведенные Сибирским филиалом Академии Медицинских наук РФ показали, что 60–65% страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями чувствительны к колебаниям погодных факторов, особенно весной и осенью, при значительных колебаниях атмосферного давления, температура воздуха и изменениях геомагнитного поля Земли. При вторжениях воздушных фронтов, вызывающих контрастную смену погоды, чаще наблюдаются кризы при гипертонической болезни, ухудшается состояние больных атеросклерозом сосудов головного мозга, растут сердечно-сосудистые катастрофы.
В эпоху урбанизации и индустриализации люди большую часть жизни проводят в помещении. Чем дольше организм изолирован от внешних климатических факторов и находится в комфортных ли субкомфортных условиях микроклимата помещения, тем больше снижаются его приспособительные реакции к постоянно изменяющимся погодным параметрам, в том числе ослабляются процессы терморегуляции. В результате нарушается динамическое равновесие между организмом человека и внешней средой, возникают осложнения у людей с сердечно-сосудистой патологией — кризы, инфаркт миокарда, мозговые инсульты. Поэтому необходима организация современного медицинского прогноза погоды, как метода предупреждения сердечно-сосудистых катастроф.
Практически каждый человек, дожив до определенного возраста, пережив очередной стресс или оправившись от болезни, вдруг начинает чувствовать зависимость своего состояния и настроения от изменяющихся факторов среды. При этом обычно делается вывод, что погода действует на здоровье. В то же время другие люди, обладающие недюжинным здоровьем, большой уверенностью в своих силах и возможностях, не представляют, как могут такие незначительные с их точки зрения факторы, как атмосферное давление, геомагнитные возмущения, гравитационные аномалии в Солнечной системе действовать на человека. Причем к группе противников влияния геофизических факторов на человека часто относятся физики и геофизики.
Основными аргументами скептиков являются довольно спорные физические расчеты энергетической значимости электромагнитного поля Земли, а также изменений ее гравитационного поля под действием сил притяжения Солнца и планет Солнечной системы. При этом говорится, что в городах промышленные электромагнитные поля во много раз мощнее, а значение изменения гравитационного поля, составляющее цифру с восемью нулями после запятой, не имеет какого-либо физического смысла. Такую альтернативную точку зрения на влияние солнечных, геофизических и погодных факторов на здоровье человека имеют, к примеру, геофизики.
Изменение климата как угроза для здоровья населения Земли
Доклад Межправительственной группы по вопросам изменения климата подтвердил существование большого количества фактических данных, свидетельствующих о воздействии глобального климата на здоровье человека. Непостоянство и изменение климата приводит к смерти и болезням в результате стихийных бедствий, таких как периоды сильной жары, наводнения и засухи. Кроме того, многие серьезные заболевания крайне чувствительны к изменению температур и режимов выпадения осадков. В число этих заболеваний входят трансмиссивные болезни, такие как малярия и денге, а также недостаточность питания и диарея, являющиеся другими ведущими причинами смерти. Изменение климата также способствует росту глобального бремени болезней, и ожидается, что в будущем эта тенденция будет усугубляться.
Воздействие изменений климата на здоровье человека не является равномерным во всем мире. Считается, что особо уязвимым является население развивающихся стран, особенно малых островных государств, засушливых и высокогорных зон, а также густонаселенных прибрежных районов.
К счастью, многих из опасностей для здоровья можно избежать благодаря существующим здравоохранительным программам и мероприятиям. Согласованные действия по усилению основных элементов систем здравоохранения и стимулированию путей здорового развития могут укрепить здоровье населения сейчас, а также снизить уязвимость перед изменением климата в будущем.
Выводы
Будучи неотъемлемой составляющей биосферы Земли, человек является частицей окружающего мира, глубоко зависимой от течения внешних процессов. И поэтому только гармония внутренних процессов организма с ритмами внешней среды, природы, космоса может быть твердой основой стабильной жизнедеятельности человеческого организма, то есть базисом его здоровья и хорошего самочувствия.
Сегодня стало ясно, что именно природные процессы задают нашему организму способность противостоять многочисленным экстремальным факторам. А социальная деятельность человека становится таким же мощным стрессирующим элементом, если ее ритмы не подчиняются биосферным и космическим колебаниям, и, особенно тогда, когда осуществляется массированная длительная попытка подчинить жизнедеятельность человека, его биологические часы, искусственным социальным ритмам.
Изменения климатических и погодных условий не одинаково сказываются на самочувствии разных людей. У здорового человека при перемене климата или изменении погоды происходит своевременное подстраивание физиологических процессов в организме к изменившимся условиям окружающей среды. В результате усиливается защитная реакция, и здоровые люди практически не ощущают отрицательного влияния погоды. У больного человека приспособительные реакции ослаблены, поэтому организм теряет способность быстро подстраиваться. Влияние природно-климатических условий на самочувствие человека связано также с возрастом и индивидуальной восприимчивостью организма.
