Климат пещер. Человек-термостат
В жару и в мороз температура тела здорового человека почти неизменна. Это определяется свойствами воды, из которой в основном состоит наш организм.
Удельная теплоемкость воды (кал/г °С) зависит от температуры, имея минимум при 36-37 °С. Поддержание постоянных тепловых параметров - условие нормального протекания биологического процесса при любых внешних условиях. Однако если для химических реакций характерно повышение их скорости с ростом температуры, то для биологических процессов существует оптимальный минимум теплозатрат. Кровь и лимфа, циркулирующие по телу,- прекрасные теплоносители, они способствуют превращению организма человека в подвижный физиологический термостат с саморегулированием.
Но человек все время перемещается, попадая в разные внешние условия. Мы уже видели, что спелеологические объекты располагаются во всех климатических поясах от экваториального до арктического и антарктического и на разных высотах (от +6 +1 км, пещера Ракиот в Гималаях, до -3 -4 км, золото- и уранодобывающая шахта Витватерсранд в Южной Африке). Они контактируют с двумя зонами атмосферы тропосферой (0:+7 км) и подземной тропосферой (0:4 км), особенности которых изучают науки географического цикла. В пределах этих зон все метеорологические параметры испытывают сильные колебания.
Атмосферное давление меняется от 300 (на высоте 7 км) до 350 (на уровне моря) и даже 1125 мм рт. ст. (на глубине 4 км) Работая в зоне индифферентности (0 +2000 м), спелеологи не замечают особых изменении в своем организме, в зоне полной компенсации (+2000 +4000 м) организм начинает работать нормально только после нескольких дней акклиматизации, в зоне неполной компенсации (выше 4000 м) у многих могут наблюдаться признаки горной болезни - гипоксии. С ее проявлениями можно столкнуться при изучении карстовых (Сыйкырдуу, +4600 м) и ледниковых (Памир, 5900...6100 м) пещер Таджикистана. Проявления горной болезни индивидуальны (встречаются не у всех членов группы или в разное время), а границы - возрастают с увеличением континентальности климата (Альпы - +2800, Кавказ - +3400, Тянь-Шань - +4100, Тибет и Гималаи - +5500 м).
Температура воздуха на поверхности моря в разных климатических поясах колеблется от -65 до +34 °С. А к верхней границе тропосферы убывает (средний градиент 0,5 °/100 м). В подземной тропосфере, начиная с некоторой глубины (10-25 м), она нарастает от среднегодовой температуры местности (геотермический градиент +3°С/100 м). Таким образом, при отсутствии искусственной вентиляции температура в шахтах на глубине более 1 км должна превышать 30 °С.
Абсолютная влажность воздуха уменьшается с высотой от 20-30 мм рт. ст. на уровне моря до 0,3-0,5 мм рт. ст. на высоте 5-7 км.
Газовый состав воздуха. У земной поверхности сухой воздух содержит 78,08 объемных % азота, 20,95% - кислорода, 0,93% - аргона, 0,03% - углекислого газа, 0,015% - иных газов (криптон, ксенон, гелий, водород, радон, метан и пр.). Местами воздух обогащается другими газами и соединениями, которые образуются при сгорании топлива. Соотношение основных компонентов воздуха с высотой не меняется.
В состав атмосферного воздуха входят также аэрозоли - твердые и жидкие частицы разного происхождения, имеющие диаметр 0,001-5 мкм, различные бактерии и пр. Их количество максимально в приземном слое и уменьшается с высотой. Так, например, в 1 м3 солдатской казармы содержится 220 000 микроорганизмов-сапрофитов, в больничной палате - 40000, а на высоте 4 км - всего 330. Часть молекул атмосферных газов и аэрозолей несет электрический заряд. С высотой содержание ионов в воздухе возрастает.
Атмосферный воздух находится в непрерывном движении. Его активное перемешивание обеспечивают ветры. До высоты 1000 м за счет трения сила ветра испытывает сильные колебания (0-30 м/с), а с высотой возрастает, достигая ураганной силы (свыше 30 м/с).
Человек на открытом воздухе подвергается воздействию не средних состояний всех метеоэлементов, а их реальному сочетанию, то есть влиянию погоды. В любой точке земли погода определяет состояние человека, которое врачи оценивают по 7-балльной шкале: очень холодно, холодно, прохладно, комфортно, тепло, жарко, очень жарко. "Термостат" человека реагирует на его ощущения специфическими терморегуляторными реакциями: потоотделением или дрожью, изменениями пульса и дыхания; а сам человек - действиями: изменением позы, снятием теплой одежды и пр. Но как поведет себя организм человека в чуждой ему среде карстовых полостей? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо изучить особенности пещерной среды. Этим занимается специальная наука - спелеометеорология.
Известный французский спелеолог Ф. Тромб в 50-е гг. построил график, наглядно иллюстрирующий микроклиматические условия пещер через соотношение температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха. В пределах каких полей чаще всего приходится работать под землей? Ответ на этот вопрос дают многочисленные наблюдения, выполненные в разных карстовых полостях мира.
Температура воздуха в пещерах колеблется в очень широких пределах: от отрицательных (-20...-40 °С) в ледниковых полостях полярных и горных стран до положительных (+25...+38 °С) в полостях тропиков и субтропиков, а также в глубоких искусственных выработках. Американские спелеологи Мур и Сюлливан предложили формулу, связывающую температуру в нейтральной части пещер (Т, °С) с широтой местности (L, °) и высотой над уровнем моря (Н, м):
T = 38 - 0,6L - 0,002H
Естественно, это средние цифры, зависящие от местных условий, геотермических особенностей региона, морфологии пещер, интенсивности их проветривания и пр.
Относительная влажность в большинстве пещер и искусственных выработок близка к 100% (исключение представляют небольшие статические пещеры, расположенные близко к поверхности). Исходя из этого можно рассчитать абсолютную влажность воздуха в них,- для разных широт и высот она меняется от 5 до 30 мм рт. ст.
Таким образом, наиболее вероятными условиями пребывания человека под землей в низких широтах будут "прохладно", "возбуждающе", "жарко" и "раздражающе жарко"; в средних - "холодно", "холодно, влажно", "холодно, очень влажно"; в высоких - "очень холодно", "холодно, влажно". Наш природный термостат слабо приспособлен к таким условиям, так как в большинстве случаев температура человеческого тела значительно превышает температуру подземной атмосферы. Это определяет основную угрозу - переохлаждение.
В воздухе теплопередача происходит тремя путями: излучением (45%), теплопроведением (35%), испарением пота, мочеиспусканием и нагревом вдыхаемого воздуха (20%). В воде, теплоемкость которой в 4, а теплопроводность - в 25 раз больше воздуха, основная масса тепла теряется за счет теплопроведения. Поэтому водолазные нормы не допускают погружение без гидрокостюма при температуре менее 17°С. Охлаждение спелеолога происходит особенно быстро, если воздух и вода находятся в движении, так как он вынужден обогревать все новые слои.
В 50-60 гг. проблема защиты от переохлаждения решалась на уровне интуиции: холодно - наденем побольше, жарко - расстегнемся. В слабо обводненных, сравнительно неглубоких (100-3000 м) пещерах и шахтах этого было достаточно. С появлением более сложных объектов, где работать приходилось не в обычной одежде, а в надетом под комбинезон тонком резиновом костюме, пришлось заняться теорией. Выяснилось, что охлаждение происходит постепенно. Первая его стадия - ощущение холода, дрожь, инертное поведение. Организм борется с ним усиленным теплообразованием, повышением интенсивности окислительных процессов. Вторая стадия - "гусиная кожа", озноб, побледнение, иногда судороги. Мышечные нагрузки и в этом случае позволяют вернуться к норме. Третья стадия - необычное поведение, плохая координация, боли в мышцах, паралич голосовых связок, потеря сознания. Переохлаждение сопровождается снижением периферической (кожа, конечности) и центральной (сердце, мозг, легкие) температуры до 30 °С. Дальнейшее понижение центральной температуры (30-25 °С) приводит к смерти. Это определяет первую помощь при переохлаждении: изоляцию от холодных стенок и пола пещеры, обсыхание, теплые напитки, периферийное и центральное разогревание и пр. Если пострадавший уже перестал дрожать, нельзя растирать его, давать алкоголь, так как это может привести к внезапной остановке сердца.
Лучшие меры борьбы с переохлаждением - специально подобранная одежда, грамотная тактическая схема исследований. Медицинская комиссия французской спелеологической школы рекомендует примерное меню при выходе под землю на 20 часов: завтрак на поверхности - 8 часов утра (произвольный набор продуктов питания, желательна зелень); обед - 12-13 часов (горячий суп, рисовая каша, орехи, кофе); полдник- 17 часов (сухофрукты, суп или кофе); ужин - 23 часа (пюре, сыр, шоколад, кофе или суп); подъем на поверхность - 4 часа утра (сухофрукты). В 90-е гг. для спелеологов бывшего СССР эти рекомендации звучат издевательски, но... Сказанного, вероятно, достаточно, чтобы стало ясным: жизнеобеспечение под землей - дело серьезное. Если нас ждет сложный объект, нельзя рассчитывать на русское "авось". Надо обратиться к учебникам по медицине и физиологии.
Довольно долго спелеологи Европы страдали в пещерах в основном от переохлаждения, а перегрев считался возможным лишь в далеких от нас тропиках. Первый сигнал пришел из пещер массива Алек (Кавказ). По глубине они немного превосходили крымские, но отличались довольно сильной обводненностью, чередованием вертикальных колодцев, наклонных галерей и узких "шкуродеров". Наличие воды заставляло работать в облегающем гидрокостюме, ограничивающем теплоотдачу. И сразу появились грозные признаки: общая слабость, вялость, сухость во рту, тошнота, покраснение или побеление лица, частое, поверхностное дыхание. Не надо быть врачом, чтобы понять - это перегревание. Спешно пришлось разрабатывать специальные правила, предусматривающие периодическую вентиляцию, быстрое охлаждение после преодоления узких лазов (погружение в ванночки), прием стимулирующей дозы элеутерококка. Так снова проявилась полярность спелеологии, когда приходится вести борьбу "на два фронта".
Пещеры - великолепный полигон для проверки различных средств жизнеобеспечения, необходимых не только спелеологу, но и военным или космонавтам. Например, как обеспечить полноценный сон в подземном лагере? Специалисты чешского спелеологического общества разработали гамак с собственным источником тепла, в котором можно спать без спального мешка. Он состоит из подвесной системы, к которой крепятся три слоя синтетической ткани, внешний из которых алюминирован. Под гамаком ставится емкость со 150 граммами парафина, с фитилем из стекловолокна. Теплый воздух поступает по трубке, обогревая гамак до 30-37°С. В нем можно даже высушить намокшую одежду.
Эта особенность спелеологии широко используется разными фирмами для опробования и рекламы своей продукции. Недаром крупные экспедиции легко находят спонсоров, бесплатно снабжающих их новым оборудованием, средствами жизнеобеспечения, специальными наборами продуктов. К сожалению, в странах бывшего СССР пока далеко не все фирмы и коммерческие предприятия понимают, что такое настоящая реклама.
Удельная теплоемкость воды (кал/г °С) зависит от температуры, имея минимум при 36-37 °С. Поддержание постоянных тепловых параметров - условие нормального протекания биологического процесса при любых внешних условиях. Однако если для химических реакций характерно повышение их скорости с ростом температуры, то для биологических процессов существует оптимальный минимум теплозатрат. Кровь и лимфа, циркулирующие по телу,- прекрасные теплоносители, они способствуют превращению организма человека в подвижный физиологический термостат с саморегулированием.
Но человек все время перемещается, попадая в разные внешние условия. Мы уже видели, что спелеологические объекты располагаются во всех климатических поясах от экваториального до арктического и антарктического и на разных высотах (от +6 +1 км, пещера Ракиот в Гималаях, до -3 -4 км, золото- и уранодобывающая шахта Витватерсранд в Южной Африке). Они контактируют с двумя зонами атмосферы тропосферой (0:+7 км) и подземной тропосферой (0:4 км), особенности которых изучают науки географического цикла. В пределах этих зон все метеорологические параметры испытывают сильные колебания.
Атмосферное давление меняется от 300 (на высоте 7 км) до 350 (на уровне моря) и даже 1125 мм рт. ст. (на глубине 4 км) Работая в зоне индифферентности (0 +2000 м), спелеологи не замечают особых изменении в своем организме, в зоне полной компенсации (+2000 +4000 м) организм начинает работать нормально только после нескольких дней акклиматизации, в зоне неполной компенсации (выше 4000 м) у многих могут наблюдаться признаки горной болезни - гипоксии. С ее проявлениями можно столкнуться при изучении карстовых (Сыйкырдуу, +4600 м) и ледниковых (Памир, 5900...6100 м) пещер Таджикистана. Проявления горной болезни индивидуальны (встречаются не у всех членов группы или в разное время), а границы - возрастают с увеличением континентальности климата (Альпы - +2800, Кавказ - +3400, Тянь-Шань - +4100, Тибет и Гималаи - +5500 м).
Температура воздуха на поверхности моря в разных климатических поясах колеблется от -65 до +34 °С. А к верхней границе тропосферы убывает (средний градиент 0,5 °/100 м). В подземной тропосфере, начиная с некоторой глубины (10-25 м), она нарастает от среднегодовой температуры местности (геотермический градиент +3°С/100 м). Таким образом, при отсутствии искусственной вентиляции температура в шахтах на глубине более 1 км должна превышать 30 °С.
Абсолютная влажность воздуха уменьшается с высотой от 20-30 мм рт. ст. на уровне моря до 0,3-0,5 мм рт. ст. на высоте 5-7 км.
Газовый состав воздуха. У земной поверхности сухой воздух содержит 78,08 объемных % азота, 20,95% - кислорода, 0,93% - аргона, 0,03% - углекислого газа, 0,015% - иных газов (криптон, ксенон, гелий, водород, радон, метан и пр.). Местами воздух обогащается другими газами и соединениями, которые образуются при сгорании топлива. Соотношение основных компонентов воздуха с высотой не меняется.
В состав атмосферного воздуха входят также аэрозоли - твердые и жидкие частицы разного происхождения, имеющие диаметр 0,001-5 мкм, различные бактерии и пр. Их количество максимально в приземном слое и уменьшается с высотой. Так, например, в 1 м3 солдатской казармы содержится 220 000 микроорганизмов-сапрофитов, в больничной палате - 40000, а на высоте 4 км - всего 330. Часть молекул атмосферных газов и аэрозолей несет электрический заряд. С высотой содержание ионов в воздухе возрастает.
Атмосферный воздух находится в непрерывном движении. Его активное перемешивание обеспечивают ветры. До высоты 1000 м за счет трения сила ветра испытывает сильные колебания (0-30 м/с), а с высотой возрастает, достигая ураганной силы (свыше 30 м/с).
Человек на открытом воздухе подвергается воздействию не средних состояний всех метеоэлементов, а их реальному сочетанию, то есть влиянию погоды. В любой точке земли погода определяет состояние человека, которое врачи оценивают по 7-балльной шкале: очень холодно, холодно, прохладно, комфортно, тепло, жарко, очень жарко. "Термостат" человека реагирует на его ощущения специфическими терморегуляторными реакциями: потоотделением или дрожью, изменениями пульса и дыхания; а сам человек - действиями: изменением позы, снятием теплой одежды и пр. Но как поведет себя организм человека в чуждой ему среде карстовых полостей? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо изучить особенности пещерной среды. Этим занимается специальная наука - спелеометеорология.
Известный французский спелеолог Ф. Тромб в 50-е гг. построил график, наглядно иллюстрирующий микроклиматические условия пещер через соотношение температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха. В пределах каких полей чаще всего приходится работать под землей? Ответ на этот вопрос дают многочисленные наблюдения, выполненные в разных карстовых полостях мира.
Температура воздуха в пещерах колеблется в очень широких пределах: от отрицательных (-20...-40 °С) в ледниковых полостях полярных и горных стран до положительных (+25...+38 °С) в полостях тропиков и субтропиков, а также в глубоких искусственных выработках. Американские спелеологи Мур и Сюлливан предложили формулу, связывающую температуру в нейтральной части пещер (Т, °С) с широтой местности (L, °) и высотой над уровнем моря (Н, м):
T = 38 - 0,6L - 0,002H
Естественно, это средние цифры, зависящие от местных условий, геотермических особенностей региона, морфологии пещер, интенсивности их проветривания и пр.
Относительная влажность в большинстве пещер и искусственных выработок близка к 100% (исключение представляют небольшие статические пещеры, расположенные близко к поверхности). Исходя из этого можно рассчитать абсолютную влажность воздуха в них,- для разных широт и высот она меняется от 5 до 30 мм рт. ст.
Таким образом, наиболее вероятными условиями пребывания человека под землей в низких широтах будут "прохладно", "возбуждающе", "жарко" и "раздражающе жарко"; в средних - "холодно", "холодно, влажно", "холодно, очень влажно"; в высоких - "очень холодно", "холодно, влажно". Наш природный термостат слабо приспособлен к таким условиям, так как в большинстве случаев температура человеческого тела значительно превышает температуру подземной атмосферы. Это определяет основную угрозу - переохлаждение.
В воздухе теплопередача происходит тремя путями: излучением (45%), теплопроведением (35%), испарением пота, мочеиспусканием и нагревом вдыхаемого воздуха (20%). В воде, теплоемкость которой в 4, а теплопроводность - в 25 раз больше воздуха, основная масса тепла теряется за счет теплопроведения. Поэтому водолазные нормы не допускают погружение без гидрокостюма при температуре менее 17°С. Охлаждение спелеолога происходит особенно быстро, если воздух и вода находятся в движении, так как он вынужден обогревать все новые слои.
В 50-60 гг. проблема защиты от переохлаждения решалась на уровне интуиции: холодно - наденем побольше, жарко - расстегнемся. В слабо обводненных, сравнительно неглубоких (100-3000 м) пещерах и шахтах этого было достаточно. С появлением более сложных объектов, где работать приходилось не в обычной одежде, а в надетом под комбинезон тонком резиновом костюме, пришлось заняться теорией. Выяснилось, что охлаждение происходит постепенно. Первая его стадия - ощущение холода, дрожь, инертное поведение. Организм борется с ним усиленным теплообразованием, повышением интенсивности окислительных процессов. Вторая стадия - "гусиная кожа", озноб, побледнение, иногда судороги. Мышечные нагрузки и в этом случае позволяют вернуться к норме. Третья стадия - необычное поведение, плохая координация, боли в мышцах, паралич голосовых связок, потеря сознания. Переохлаждение сопровождается снижением периферической (кожа, конечности) и центральной (сердце, мозг, легкие) температуры до 30 °С. Дальнейшее понижение центральной температуры (30-25 °С) приводит к смерти. Это определяет первую помощь при переохлаждении: изоляцию от холодных стенок и пола пещеры, обсыхание, теплые напитки, периферийное и центральное разогревание и пр. Если пострадавший уже перестал дрожать, нельзя растирать его, давать алкоголь, так как это может привести к внезапной остановке сердца.
Лучшие меры борьбы с переохлаждением - специально подобранная одежда, грамотная тактическая схема исследований. Медицинская комиссия французской спелеологической школы рекомендует примерное меню при выходе под землю на 20 часов: завтрак на поверхности - 8 часов утра (произвольный набор продуктов питания, желательна зелень); обед - 12-13 часов (горячий суп, рисовая каша, орехи, кофе); полдник- 17 часов (сухофрукты, суп или кофе); ужин - 23 часа (пюре, сыр, шоколад, кофе или суп); подъем на поверхность - 4 часа утра (сухофрукты). В 90-е гг. для спелеологов бывшего СССР эти рекомендации звучат издевательски, но... Сказанного, вероятно, достаточно, чтобы стало ясным: жизнеобеспечение под землей - дело серьезное. Если нас ждет сложный объект, нельзя рассчитывать на русское "авось". Надо обратиться к учебникам по медицине и физиологии.
Довольно долго спелеологи Европы страдали в пещерах в основном от переохлаждения, а перегрев считался возможным лишь в далеких от нас тропиках. Первый сигнал пришел из пещер массива Алек (Кавказ). По глубине они немного превосходили крымские, но отличались довольно сильной обводненностью, чередованием вертикальных колодцев, наклонных галерей и узких "шкуродеров". Наличие воды заставляло работать в облегающем гидрокостюме, ограничивающем теплоотдачу. И сразу появились грозные признаки: общая слабость, вялость, сухость во рту, тошнота, покраснение или побеление лица, частое, поверхностное дыхание. Не надо быть врачом, чтобы понять - это перегревание. Спешно пришлось разрабатывать специальные правила, предусматривающие периодическую вентиляцию, быстрое охлаждение после преодоления узких лазов (погружение в ванночки), прием стимулирующей дозы элеутерококка. Так снова проявилась полярность спелеологии, когда приходится вести борьбу "на два фронта".
Пещеры - великолепный полигон для проверки различных средств жизнеобеспечения, необходимых не только спелеологу, но и военным или космонавтам. Например, как обеспечить полноценный сон в подземном лагере? Специалисты чешского спелеологического общества разработали гамак с собственным источником тепла, в котором можно спать без спального мешка. Он состоит из подвесной системы, к которой крепятся три слоя синтетической ткани, внешний из которых алюминирован. Под гамаком ставится емкость со 150 граммами парафина, с фитилем из стекловолокна. Теплый воздух поступает по трубке, обогревая гамак до 30-37°С. В нем можно даже высушить намокшую одежду.
Эта особенность спелеологии широко используется разными фирмами для опробования и рекламы своей продукции. Недаром крупные экспедиции легко находят спонсоров, бесплатно снабжающих их новым оборудованием, средствами жизнеобеспечения, специальными наборами продуктов. К сожалению, в странах бывшего СССР пока далеко не все фирмы и коммерческие предприятия понимают, что такое настоящая реклама.
Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга
