Экстремальные факторы Арктики и Антарктики
Источник: Сборник информационных и нормативных материалов "Условия труда на геологосъемочных работах"
Редактор и составитель Лучанский Григорий
Москва, ФГУНПП «Аэрогеология», 2004 г.
Крайний Север характеризуется вечной мерзлотой суши, влиянием Ледовитого океана и морей (которые на 60% покрыты льдами), долгой и холодной зимой, туманным летом, угнетающей темнотой полярной ночи и раздражающим влиянием полярного дня, а также рядом других необычных и постоянно воздействующих на человека условий.
Климат района Северного полюса менее суров, чем в Антарктиде. Это обусловлено Северным Ледовитым океаном, температура которого не бывает ниже 1,8°, а также теплыми потоками воздуха с Атлантики. Средняя температура летом, продолжительность которого 186 суток, 0°, а зимой, длящейся 179 суток, – минус 40°.
Антарктида – большой горный материк.
В Антарктиде выделяют три биоклиматические зоны:
1. прибрежная узкая полоса, сходная с условиями омывающего ее океана;
2. антарктический склон шириной до 600 км;
3. центральное высокогорное плато, или полюс относительной недоступности, с необычно суровым климатом (экстремальные условия), безжизненный, имеющий стерильную снежную поверхность.
Растительный и животный мир на Антарктиде скуден и имеется только в прибрежной полосе. Из растений можно отметить мхи и лишайники, животный мир представлен тюленями и некоторыми птицами.
К основному экстремальному фактору Антарктиды следует отнести чрезмерно низкую температуру воздуха, доходящую на станции «Восток» до – 88,3°, а ближе к полюсу – даже до –95° (И. А. Зотиков, А. П. Капица, О. Г. Сорохтин, 1965). Средняя температура на Антарктиде зимой составляет –57°, а летом – минус 25°.
Чрезмерно низкая температура на Антарктиде обусловлена рядом фактором:
1. повышенным альбедо, т. е. отражением идеально чистым и белым снегом до 80 – 100% солнечной энергии, что создает отрицательный радиационный баланс на материке;
2. значительной высотой над уровнем моря с градиентом падения температуры – 0,65 на каждые 100 м высоты;
3. значительным удалением от океана, являющегося огромным источником тепла, проникновению которого на высокогорный материк Антарктиды препятствуют антициклонические потоки холодного воздуха, стекающие вниз к океану; следует подчеркнуть силу и большую скорость воздушных потоков, переходящих в бурю, несущую огромные массы сухих крупинок снега;
4. задержкой ледяным слоем Антарктиды, достигающим толщины до 4000 м, геоцентрического тепла, идущего из раскаленного ядра земли.
При температуре ниже –70° изменяются свойства ряда веществ. Снег становится очень твердым, и скольжение по нему хуже, чем по песку. Резина теряет свою эластичность и становится ломкой. Железо становится хрупким, и его можно рубить топором. Пища, оставленная на морозе, вымораживается и теряет свои вкусовые качества, бензин не горит.
По данным И. И. Тихомирова (1968), в зимние месяцы абсолютная влажность антарктического воздуха приближается к нулю.
К экстремальным условиям Антарктиды относится чрезмерно высокая ионизация ее атмосферы, а также большое напряжение статистического электричества и магнитного поля Южного полюса.
Высокое напряжение статического электрического поля Антарктиды обусловлено трением сухих твердых снежных частиц во время сильного ветра и особенно бурь, отсутствием разрядов атмосферного электричества с землей, которая изолирована ледово-снежным панцирем. А. М. Гусев писал: «антенна и внешняя телефонная и осветительная проводка под действием несущегося сухого снега заряжались и от этого концы их, находившиеся в помещении, искрили. Неосторожно прикоснувшись в тесноте к ним, мы получали крепкие электрические удары... Искры между клеммами рубильника антенны достигали почти 2 см. Это означало, что напряжение, возникавшее в них, имеет около 50000В». При воздействии на организм токов высокого напряжения возникают электротравмы.
Для Антарктиды и Арктики по сравнению с другими материками характерен иной ритм смены суточного (циркадного) и годового периода. Полярные день и ночь длятся по 4, а утро и вечер – по 2 месяца. В зависимости от смены суточного и годового ритма резко изменяются освещенность и ультрафиолетовая радиация на Северном и Южном полюсах. Во время длинной полярной ночи и зимы вследствие отрицательного ультрафиолетового и радиационного баланса возникает ультрафиолетово-световой голод, оказывающийся патогенным фактором, обусловливающим нарушение ряда физиологических процессов. Патогенными воздействиями на организм обладает и полярный день с его чрезмерной яркостью света, опасной прежде всего для органов зрения.
Необходимо отметить особенности быта и трудовой деятельности полярников. Они характеризуются однообразием обстановки, усугубляемой сознанием постоянной опасности, создаваемой стихией природы; жизнью в условиях небольшого коллектива в тесном помещении, изолированно от внешнего мира (связь только по радио), от родного края и близких людей; угнетающим влиянием полярной ночи или раздражающим воздействием яркого света полярного дня; громовым треском ломающихся льдин и опасностью оказаться в воде Ледовитого океана; питанием концентратами, трудностями приготовления пищи, которая варится на высокогорных станциях в 2 – 3 раза дольше; возникновением реакций акклиматизации, сопровождающихся рядом неприятных субъективных ощущений и нарушениями физиологических процессов. Все это приводит к психоэмоциональному напряжению полярников.
Все заболевания, которые возникают в Арктике и Антарктике, можно разделить на несколько групп:
1. заболевания, обусловленные экстремальными факторами (холодовая травма, электротравма и др.);
2. акклиматизационные нарушения физиологических процессов и функциональных свойств различных систем, прежде всего неврозы с преобладанием вегетативных расстройств;
3. различные травмы, связанные с бытовой и трудовой деятельностью;
4. обострение хронических и скрытых патологических процессов и состояний.
Основные экстремальные состояния
Хотя полярники и одеты в специальную, защищающую от холода и ветра одежду, в условиях Антарктиды при работе вне помещения действие экстремальной температуры (ниже – 70°) может быть очень быстрым, сходным с действием высоких температур. Это приводит к «холодовой травме», которая характеризуется местными и общими патологическими изменениями в организме. К местным относятся обморожения открытых частей тела, а также дыхательных путей, к общим – переохлаждение и возможное замерзание организма.
Ветер и сильные бури Антарктиды, кроме охлаждающего влияния, оказывают свое патогенное действие на другие физиологические процессы в организме, а именно, затрудняют дыхание и кровообращение и нарушают видимость. При снежной пурге со скоростью ветра 8–10 м/сек видимость снижается до 2–3 м. Кроме того, образующиеся из мельчайших снежных кристалликов облака создают необычное оптическое явление – миражи вокруг солнца и Луны. Необычность условий, тяжелая одежда создают нагрузку для организма, поэтому уже при незначительной физической работе возрастает легочная вентиляция, что ведет к большему поглощению чрезмерно холодного и сухого воздуха, охлаждению дыхательных путей и всего организма.
Кроме общего охлаждения организма за счет увеличения теплоотдачи при дыхании, достигающего по Matthews (1933) 15 – 20%, может наступить тяжелый синдром – переохлаждение легких, получивший название «ознобление легких». В. В. Гаврилов (1961) пишет, что это заболевание характеризуется развитием тяжелой формы бронхита – бронхиолита с явлением резко выраженной гипоксемии. Симптомы заболевания начинают проявляться через несколько часов головной болью, вялостью, бледностью, появлением саднения и першения за грудиной, затем кашля и к концу 1-х суток повышения температуры до 37,2°. На 2-е сутки кашель резко усиливается, появляется одышка, пульс учащается до 120 – 140 ударов в минуту. Появляется цианоз губ и ушных раковин, кончика носа и ногтевых лож. Температура еще более повышается, сон ухудшается, в легких появляются хрипы, пульс слабеет. Возможен смертельный исход. Тяжесть заболевания обусловлена также постоянно действующей гипоксией.
Местные обморожения сопровождаются типичными изменениями и заканчиваются шелушением кожного эпителия, образованием поверхностных струпов из некротизирующегося эпителия кожи и последующим развитием пигментации обмороженных участков.
Многие исследователи (Berg, 1957; К. В. Лапкин, 1962; Б. 13. Богуцкий и др., 1966; А. В. Сосунов и др., 1966; Л. И. Ильина и др., 1966) отмечали зависимость течения ряда заболеваний, даже смертности от солнечной радиации и от электромагнитного поля Антарктиды и Арктики. Авторы пишут о корреляции между солнечной радиацией и сердечно-сосудистыми заболеваниями, особенно гипертоническими кризами, изменениями в крови (развитие лейкоцитоза, нарушение РОЭ), повышением проницаемости клеточных мембран, появлением преходящих головных болен, миальгий, ухудшением показателей общего самочувствия, работоспособности и другими нарушениями. Во время полярного дня интенсивная солнечная радиация может вызвать световые ожоги на открытых частях тела. Действие полярной ночи сказывается прежде всего на психической деятельности человека, вызывая повышенную раздражительность, состояния астенизации организма. Темнота, выключая зрительную информацию и контроль за действиями человека, нарушает ориентировку, изменяет двигательные акты и усиливает состояние неуверенности, страха. Во время полярной ночи снижается работоспособность, появляется апатия, растет внутренняя недисциплинированность – душевная неуравновешенность. Иногда возникают неадекватные реакции на малейшие внешние раздражения.
В экспериментальных исследованиях и наблюдениях в Антарктиде и Арктике установлено, что изменение суточного ритма физиологических процессов зависит от ритма изменений внешних условий. При этом изменения тем интенсивнее, чем больше изменен внешний стереотип условий.
В первые дни пребывания в условиях Центральной Антарктиды (станция «Восток»), где ночь соответствует дню на европейском континенте, температурная кривая у зимовщиков имела парадоксальный тип. Это выражалось в том, что максимум приходился на период полуночи, а минимум – на полдень, при разнице температуры в 1 – 1,2°. В процессе акклиматизации минимальный уровень температуры устанавливался в ночное время, достигая 34,4° (Н. Н. Савельев, 1965).
Наибольшее количество заболеваний отмечено в первой половине пребывания на Арктике и Антарктиде и в середине полярной ночи с се отрицательным ультрафиолетово-световым радиационным балансом и ухудшением других условии. По мере развития акклиматизации заболеваемость уменьшается.
В Антарктиде вследствие стерильной среды не установлено возникновение инфекционных заболеваний, микрофлора полости рта и кишечника человека после четырехмесячного пребывании уменьшается в 4 раза (Adams, Stanmeyer, 1966), в мелких ранах отмечена бактериальная чистота и отсутствие нагноений, однако из-за вялой эпителизации и рубцевания заживление ран замедлено (А. П. Парфенов, 1957; А. Я. Шамис, 1965; Г. А. Барашков, 1967).
В результате переохлаждений организма возможны заболевания ангиной, катаром верхних дыхательных путей, пневмонией, тромбофлебитом. У полярников отмечено развитие кариеса зубов, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, проявляющиеся в метеоризме, запорах (aкт дефекации через 2 – 3 дня).
Следует указать и на то, что заболевания, возникнувшие в Антарктиде и Арктике, как правило, протекают более тяжело (Л. Г. Флигельгольц, I966, и др.).
Особенности приспособления и акклиматизации
Современные исследователи Антарктиды и Северного полюса имеют достаточно надежные средства защиты от повреждающего воздействия экстремальных факторов. Однако это не исключает определенных влияний на организм указанных факторов и всего комплекса условий, в которых живут полярники. В ответ на их воздействие в организме возникают многообразные защитно-компенсаторные приспособительные реакции. Хотя по степени своего развития приспособительные реакции нередко характеризуются такими параметрами, которые свойственны патологическим процессам, они рассматриваются как реакции акклиматизации и акклимации. При этом под акклимацией понимают комплекс преходящих приспособительных реакций, которые возникают при непродолжительном воздействии новых условий, а под акклиматизацией — более длительный и сложный процесс сравнительно устойчивой перестройки организма к новым условиям, в которых человек живет длительное время. Акклимационные реакции нередко отличаются от последующих акклиматизационных процессов даже в ответ на действие одного и того же фактора. Например, артериальное давление в первые дни повышается, а потом снижается до нормы и даже ниже ее. То же отмечено в отношении других показателей (Г. М. Данишевский, 1955; И. С. Кандрор, 1968; И. И. Тихомиров, 1968, и др.). Устойчивость акклиматизации зависит от особенностей раздражителей среды, интенсивности и длительности их воздействия, а также от функционального состояния организма. Чем длительнее пребывание человека в новых условиях, тем устойчивее к ним акклиматизация.
Anderson и соавторы (1960) считают, что при кратковременной акклиматизации тепловой баланс к организме поддерживается за счет повышения обмена веществ, а при длительной акклиматизации – за счет уменьшения теплоотдачи вследствие снижения температуры кожи. Однако у жителей Севера, так же как и у жителей других широт, физическая терморегуляция и связанные с ней сосудистые реакции и потоотделение во время активной работы ориентированы не на сохранение тепла, а на его отдачу. В условиях сравнительного покоя отмечаются относительное понижение температуры конечностей и снижение порога температурной чувствительности. Последнее обстоятельство отмечали многие исследователи, наблюдавшие обнаженных жителей Огненной Земли с младенцами, которые легко переносили холод от падавшего на них снега, спокойный сон якутов при температуре – 20° (О. Гартвинг, I866) и сон австралийских аборигенов у костра в обнаженном состоянии при окружающей температуре воздуха – 8° (Scholander, 1958, и др.).
Восприятие тепла и холода зависит от состояния терморецепторов.
В Антарктиде на понижение температуры холодовые рецепторы кожи кистей реагируют дифференцированно до – 50°, а температура ниже – 50° воспринимается как болевое ощущение.
В ночное время, при работе на сильном ветре довольно часто возникает чейн-стоксово дыхание. На морозе дыхание бывает поверхностным. Холодный и сухой воздух нередко вызывает спазм гортани. Пребывание на воздухе в течение часа или нескольких часов нередко приводит к саднящим болям за грудиной, появлению сухого кашля и тяжелой одышки – результат переохлаждения легких.
Полной акклиматизации в Антарктиде не наступает, и функциональные нарушения в организме выявляются при физической нагрузке. В Арктике этих особенностей не наблюдается.
Термоизоляция от внешних низких температур определяет самую возможность жизни человека. Изоляция от патогенного действия внешнего холода достигается с помощью жилища, одежды и обуви. Жизнь человека, не защищенного от холода, возможна в принципе только в узких пределах территории, прилегающей к экватору.
Защита человека от воздействия внешних низких температур представлена в основном механизмами теплорегуляции, а также феноменом акклиматизации. Терморегуляция играет чрезвычайно большую роль в обеспечении нормального хода физиологических процессов. Однако ее механизмы не в состоянии сами по себе предотвратить снижение тканевых температур. При этом реальные внешние температуры на Земле таковы, что в обычных условиях жизнедеятельности человека только продолжительное воздействие внешнего холода определяет возникновение холодовой травмы и только в условиях очень низких температур космоса, а также в меньшей мере вблизи полюсов становятся в принципе возможными мгновенные отморожения и замерзания. Однако сроки, в течение которых возникает общая холодовая травма, становятся относительно небольшими, если им противостоят лишь механизмы физиологической терморегуляции. Так, например, при кораблекрушениях, произошедших в холодное время года, пребывание человека в воде температурой, близкой к 5 – 10º, в течение более 30 минут всегда ведет к экстремальному состоянию и смерти, обусловленной общей холодовой травмой. Потерпевшие кораблекрушение люди, промокшая одежда которых становится теплопроводной и более не защищает их от внешнего холода, гибнут от замерзания в короткие сроки. Эти наблюдения Grosse-Brockhoft (1954) были подтверждены Г.Н. Клинцевичем (1970). При кораблекрушениях люди находились в воде, температура которой не превышала 6º, не более часа. Одежда терпящих бедствие была различной – от легкой летней до зимней. Последнюю отличали значительные теплозащитные свойства и меньшая промокаемость. На некоторых пострадавших были спасательные жилеты, позволяющие находиться на поверхности воды даже при потере сознания. Клинические наблюдения над спасенными и патологоанатомические данные позволяют утверждать, что у людей в таких условиях уже в течение первых минут развиваются угрожающие жизни явления. Значительная часть пострадавших, находящихся в ледяной воде не более 40-50 минут, погибли, хотя одежда могла играть существенную роль в предупреждении смертельного поражения. В ледяной воде оказалась возможной внезапная смерть.
Экстремальные состояния, вызванные холодовой травмой, обусловлены падением температуры тела человека и животных до уровня, при котором состояние гомойотермии, естественное для них, сменяется пойкилотермией. Развитие последней происходит при внешних не только отрицательных температурах, но и положительных, если они действуют длительно. Сказанное означает, что холодовая травма возможна в принципе при падении температуры ниже 37º. Однако на практике соответствующая критическая температура гораздо ниже.
Для возникновения экстремальных состояний, связанных с холодовой травмой, необходимо также разрушение системы искусственной терморегуляции человека (жилища, одежды и обуви). Уже после утраты защитного действия последних некоторое время экстремальные состояния не наступают в результате действия механизмов естественной терморегуляции. Таким образом, для эффективного действия холодовой травмы требуется четыре фактора, действующих совокупно. Первый из них – низкая внешняя температура, второй – оптимальная длительность ее действия, третий – разрушение системы искусственной терморегуляции, четвертый – разрушение естественной терморегуляции. Однако определяющим фактором в развитии холодовой травмы человека является разрушение искусственной терморегуляции, ибо при ее сохранении человек может жить даже в условиях космических температур.
Суть патологического состояния при холодовой травме заключается в расстройстве (дискоординации) жизнедеятельности физиологических систем и органов человека, обусловленном расстройством их кровообращения. Первопричиной последнего является нарушение кровообращения головного мозга, регулирующего функциональную активность и жизнедеятельность человека. Пусковой механизм возникающих расстройств – стойкое падение внутренней температуры тела до уровня так называемого биологического нуля, диапазон которого трудно определить точно, поскольку он имеет широкие границы от 30 до 22º. При дальнейшем охлаждении наступает смертельная гипотермия. Принципиально важно, что экстремальные состояния при холодовой травме и смерть от нее протекает без оледенения тканей и замерзает, таким образом, только труп. Начальные стадии общей гипотермии обратимы, если универсальные расстройства кровообращения относительно кратковременны и невелики по масштабу. Местная холодовая травма с омертвением отмороженных конечностей, если она развивается в совокупности с общим охлаждением, протекает особенно тяжело и обусловливает высокую вероятность экстремальных состояний. Эта тяжесть зависит также от сепсиса и септицемии, особенно частых при так называемой траншейной стопе – тяжелой двухсторонней гангрене нижних конечностей. Первая помощь при холодовой травме – скорейшее восстановление нормальной температуры тела пострадавшего. Поскольку температура тела замерзших, но живых людей не может быть ниже 26º, температура ванн, в которых они согреваются, также не может быть ниже этого уровня.
