Метеорологические факторы внешней среды могут оказывать на человека патологическое, саногенное, устойчивое и неустойчивое, непосредственное и косвенное воздействие [1–3].  Поэтому для определения их значимости на здоровье человека используют оценку одного фактора или многокомпонентных физических величин (выраженных в биоклиматических индексах), позволяющих установить риск для здоровья по заболеваемости, смертности населения, травматизму, а также по метеорологическим ощущениям в зонах комфорта и дискомфорта и экстремальных условий [4–9].

Исследования ряда авторов доказывают, что факторами влияния на безопасность (или риск обморожения) при работе на открытой территории (ОТ) в жестких погодных условиях являются температура воздуха и скорость ветра [10–12].

Вместе с тем, роль влажности воздуха или радиационной температуры в обеспечении безопасности нахождения на ОТ также существенна. Например, при экстремально низких температурах воздуха, высокой скорости ветра и высокой влажности происходит утрата теплозащитных свойств одежды, что резко повышает риск для здоровья человека [13, 14]. Радиационная температура (средняя температура излучения, включая потоки коротковолнового и длинноволнового излучения атмосферы) — одна из ведущих составляющих определения теплообмена человека с окружающей средой [15–16].

Цель работы — провести сравнительную оценку погодно-климатических условий в Арктике по биоклиматическим индексам при различных сочетаниях температуры, радиационной температуры, влажности воздуха и скорости его движения.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Исследование проведено на примере погодно-климатических условий на мысе Челюскин (77.717,104.300). Провели расчеты среднесуточных месячных показателей на ОТ по сведениям регистрации состояния ежедневных физических факторов (температуры, относительной влажности воздуха, скорости его движения (ветра)), которые получили из Среднесибирского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды за 2010–2020 гг.:

• температуры;
• двухпараметрических (температура в сочетании со скоростью ветра): интегральный показатель условий охлаждения организма (ИПУОО), ветро-холодовой индекс (ВХИ);
• трехпараметрических (включая относительную влажность воздуха) — эквивалентно-эффективная температура по А. Миссенарду (ЭЭТ), эффективная температура (ЭТ) по Стедману (Robert Steadman);
• четырехпараметрических (включая радиационную температуру) — универсальный индекс теплового комфорта UTCI.

Расчет ИПУОО (баллы) проводили согласно нормативным документам (МР 2.2.7.2129-06). Критерии риска для здоровья:  ≤ 34 — риск отсутствует; — 34 – ≤ 47 — риск умеренный; — 47 – ≤ 57 — риск критический; — 57 — риск катастрофический. ИПУОО позволяет устанавливать время работы на открытой территории без ущерба здоровью, например, при умеренном риске продолжительность безопасного пребывания на холоде, не более 60 мин; при критическом — не более 1 мин; при  катастрофическом — не более 0,5 мин.

ВХИ (°С) определяет время переохлаждения (без обморожения) обнаженных частей тела человека в холодных средах. Холодной считается среда при температуре +10 °С и ниже. Риск для здоровья по ВХИ определяется так: от –10 до –24 °С — дискомфорт, прохлада; от –25 до –34 °С — очень холодно, переохлаждение поверхности кожи; от –35 до °59 °С — чрезвычайно холодно, обнаженные части тела человека могут переохладиться за 10 мин и от –60 °С и холоднее — экстремально холодно, обнаженные части тела человека могут переохладиться за 2 мин.

ЭЭТ (°С) позволяет оценивать зоны термического комфорта/дискомфорта: от –24 °С и ниже (угроза обморожения); от –18 °С до –24 °С включительно (очень холодно); от –12 °С до –18 °С включительно (холодно); от –6 °С до —12 °С включительно (умеренно холодно); от –6 °С до 0 °С включительно (очень прохладно); от 0 °С до +6 °С (умеренно прохладно) [17, 18]. 

Эффективную температуру (ЭТ, °С) рассчитывали по Стедману (R. Steadman). Минусовые температуры свидетельствуют о вероятности обморожения (ниже –50 °С — возможно менее чем через 5 мин; от –38 °С до –50 °С — возможно через 10–15 мин; от –28 °С до –38 °С — возможно через 20–30 мин). В диапазоне температур от –28 °С до –27 °С опасности для одетого человека нет [19].

Холодовой риск для здоровья по UTCI оценивали по степеням стресса: слабый (от 0 до +9,0 °С), умеренный (от –13 до 0 °C), сильный (от –27 до –13 °C), очень сильный (от –40 до –27 °C), экстремальный (ниже –40 °C) [15, 20], нет теплового стресса (от +9,0 до +18,0 °С). Расчет UTCI проводили с помощью компьютерной программы BioKlima 2.6 [21].

Для расчетов показателей необходимо было определять среднесуточную месячную скорость ветра по шкале Бофорта (силу от 0 до 12 баллов) и среднесуточную месячную относительную влажность воздуха: сухой (55,0% и ниже), умеренно сухой (56,0–70,0%), умеренно влажный (71,0–85,0%) и сильно влажный (85,0% и более) [22, 23].

Статистическую оценку базы данных проводили на ПЭВМ с использованием программного пакета Statistica 6.1 (StatSoft; США). Определяли средние величины и ошибки средних (М ± m), применяли параметрический t-критерий Стьюдента. Различия считали достоверными при р ˂ 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Воздух в декабре–апреле (5 месяцев) был умеренно влажным, в мае–октябре (6 месяцев) — сильно влажным. В ноябре влажность воздуха колебалась в пределах критериев оценки от «умеренная» до «сильно влажная» (табл. 1). Обращало на себя внимание превышение относительной влажности в мае относительно данных апреля (р = 0,001) и в октябре относительно ноября (р = 0,001). Максимальное увеличение относительной влажности было отмечено в июле, после чего она начинала уменьшаться.

Ветер имел силу 4 балла (как умеренный) во все месяцы года. Статистически достоверно значимых различий по месяцам года не было определено.

По среднемесячным температурам погодные условия в Арктике круглогодично оценивались как «холодная среда». Температура на открытой территории имела положительные значения только в июле и августе, в июне и сентябре колебалась в пределах положительных– отрицательных (табл. 2).

При расчетах температур, учитывающих комплексное влияние различных физических факторов, оказалось, что все они были ниже значений температуры на ОТ.

Характерным для всех биоклиматических индексов было уменьшение разницы между значением температур от января к августу, затем вновь рост к январю (табл. 3). Вторая особенность заключалась  в динамике разниц значений ВХИ и ЭТ с температурой на ОТ. Если первые можно охарактеризовать как «уменьшение–рост», то динамика вторых относительно первых колеблется. Так,  в январе–апреле значения температур были более высокими, чем первые, в мае и октябре — были равными, а в июне–сентябре — ниже.    

По критериям риска для здоровья получены следующие данные: ИПУОО свидетельствовал о круглогодичном риске обморожения открытых областей тела человека; значения ИПУОО в апреле и в ноябре находились на верхней границе значения «умеренный риск» (табл. 4); по ВХИ риск переохлаждения возможен в течение 8 месяцев в году; наиболее суровый период, оцениваемый как «чрезвычайно холодно», длился 2–4 месяца; ЭТ указывала на угрозу обморожения в зимние месяцы и в марте; на риск обморожения в течение 8 месяцев указывала и ЭЭТ; UTCI так же, как и ИПУОО, указывал на круглогодичный холодовой риск для здоровья. 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Согласно нормативным документам, температура на открытой территории определяет длительность теплого и холодного периодов года, режимы работ на открытой территории, условия менеджмента работ в холодной среде, влияет на энергетические затраты организма и потребности в белках, жирах и углеводах, заболеваемость [13]. Экстремальные погодные условия, в том числе волны температурного холода, оказывают влияние на заболеваемость, психическое здоровье и смертность населения [24–26].

Есть мнение, что для оценки биоклиматического влияния погоды на организм в условиях холода наиболее предпочтительно использовать ИПУОО и ВХИ [27]. При построении регрессионных моделей оценки риска обморожения по показателям температуры, скорости ветра и влажности воздуха при работах на ОТ определено, что основными являются температура и скорость ветра [10]. Вероятно, поэтому для практического применения и рекомендованы ИПУОО и ВХИ.

Вместе с тем, «холодовые индексы» не дают возможность  определять  степень биоклиматической комфортности среды обитания. Для этого можно использовать такие биоклиматические индексы, как ЭТ и ЭЭТ [17, 18].

Наши данные показывают, что влажность воздуха все же имеет значение при оценке суровости погоды: на примере определения ЭТ установлена зависимость от нее результирующего показателя.  К примеру, при умеренно влажном воздухе ЭТ была выше, чем температура по ВХИ, а при повышении влажности, наоборот — ниже. Показатель ЭЭТ, тоже учитывающий влажность воздуха, показывает температуры более низкие, чем температура по ВХИ: только в январе разница температур составляла 6,8 °С, в остальные месяцы разница колебалась от 10,4 °С до 11,7 °С.

Однако все три показателя (ВХИ, ЭТ и ЭЭТ) дали разнозначные оценки влияния на здоровье погодных условий на ОТ. Так, по ВХИ 8 месяцев в году создаются условия от дискомфорта до ощущения «чрезвычайно холодно», а 4 месяца в году риск отсутствует. Это показатель рекомендован для менеджмента условий труда, в том числе на ОТ в условиях холодной среды при температуре ниже +10 °С. Но эти условия уже сами по себе дискомфортны, что определяет необходимость использования средств защиты от холода.

По критерию ЭТ по Стедману риск холодовой травмы определен только в течение 4 месяцев в году. Учитывая, что диапазон зоны комфорта по ЭТ составляет 17,2–21,7 °С [28], можно полагать, что остальной период года при температурах от –4,1 до –25,0 °С тоже не комфортен для человека: эти условия могут привести к охлаждению организма.

ЭЭТ по А. Миссенарду показывает как на более длительный период, так  и более суровые условия на объекте наблюдения: они регистрируются в течение 8 месяцев, хотя в остальные 4 месяца также холодно.  

Охлаждение лежит в основе патогенеза влияния холода, изменения могут иметь как функциональный, так и патологический характер. Компенсаторная реакция на локальное охлаждение вызывает рефлекторные сдвиги в работе сердечно-сосудистой, дыхательной, эндокринной систем разной силы (больше лица, чем рук). Влияние на лицо, органы дыхания приводит к сокращению артериальных сосудов (в циркуляторной системе конечностей,  а также в коронарных сосудах), результатом чего является повышение кровяного давления. При хроническом действии холода нарушается двигательная активность, координация и способность выполнять точные операции; усиливаются тормозные процессы в коре головного мозга, может развиваться «синдром полярной гипоксии», «хронический гипоксический синдром», или «холодовая гипоксия», основанные на недостаточности функции дыхания и образовании дефицита кислорода в организме [11, 12, 23, 29–31]. Холод провоцирует нарушение метаболизма нутриентов, что повышает риск возникновения заболеваний и  расстройств [14].

Два биоклиматических индекса (ИПУОО и UTCI) указали на круглогодичный холодовой риск (возможность обморожения открытых областей тела). Но первый биоклиматический индекс, с одной стороны, не показывает значение эквивалентной температуры, определенной по температуре и скорости ветра. Для этого используют таблицу приложения 6 МР 2.2.7.2129-06, утвержденных Главным санитарным врачом Российской Федерации. Однако в  ней достаточно широкий размах  значений эквивалентных температур, что затрудняет установление конкретных величин. С другой стороны, он не учитывает влияние влажности воздуха и радиационной температуры. По нашим данным можно полагать, что она соответствует значениям эквивалентных температур, определенных по формуле ВХИ.

Интегральный показатель температурного комфорта показал наиболее низкие значения эквивалентных

температур, а также наличие более длительного сурового периода обитания на мысе Челюскин. Относительно температуры по ВХИ разница достигала следующих величин: минимальная — 9,9 °С (январь), максимальная — 18,0 °С (июль и октябрь). В целом среднегодовая температура по ВХИ была ниже, чем по UTCI в 2,1 раза: –20,4 ± 4,0 °С против –42,8 ± 3,3 °С (р = 0,008).

Интересным выглядело то, что значения температур по UTCI и ЭЭТ по А. Миссенарду в декабре–марте были практически равными.

Таким образом, на примере мыса Челюскин показано преимущество использования UТCI для оценки холодового риска для здоровья человека, что может быть использовано для прогнозирования риска в различных по суровости погодно-климатических условиях.  Кроме того, наши данные получены при оценке средних физических показателей на ОТ. При комбинированном влиянии максимальной/минимальной влажности воздуха и крайних значений (в данном случае — минимальной температуры, максимального ветра) и радиационной температуры эффект негативного влияния на организм будет значительно более выраженным. Вероятно, необходимо оценивать влияние погодных факторов по крайним (неблагоприятным) показателям, на что указывают и другие авторы [32].

Исследование актуализирует решение вопроса о нормировании гигиенических требований к режиму работ на открытой территории или в неотапливаемых помещениях в холодный период года.

ВЫВОДЫ

Температура, определенная по формуле ВХИ (в градусах Цельсия), может характеризовать степень холодового риска, установленную по ИПУОО в баллах.  Периоду критического холодового риска по ИПУОО (ноябрь– апрель) соответствует риск по ВХИ, оцениваемый как «дискомфорт (прохлада)» и «очень холодно», по UTCI — «экстремальный стресс»; по ЭТ — «осторожно, обморожение открытых участков кожи» (более короткий); по ЭЭТ — «угроза обморожения» (более длительный). ИПУОО и UTCI указывают на круглогодичный риск холодовой травмы в условиях мыса Челюскин: по УПОО — умеренный (4–6 месяцев) и критический (4–6 месяцев), по UCI — очень сильный (4 месяца), а также очень сильный и экстремальный (8 месяцев).