Bilans cieplny organizmu człowieka w warunkach polarnych na

Bilans cieplny organizmu człowieka w warunkach polarnych na przykładzie SW
Spitsbergenu
Maria Dubicka, Sebastian Sikora, Krzysztof Migała
Zakład Meteorologii i Klimatologii Instytutu Geografii i Rozwoju Regionalnego,
Uniwersytet Wrocławski
WSTĘP
Regiony polarne od dawna znajdowały się w kręgu zainteresowania człowieka. Obecnie ich znaczenie
jeszcze bardziej wzrosło. Stało się to z kilku powodów. Jednym z nich jest dynamicznie rozwijająca się
turystyka, dla której niezagospodarowana Arktyka, pełna wielu osobliwości przyrodniczych, jest naturalnym
kierunkiem ekspansji. Innym powodem przebywania w tym, nie zawsze przyjaznym środowisku, są
prowadzone badania naukowe.
W niniejszym opracowaniu autorzy zaprezentują wyniki analizy składowych bilansu energetycznego układu
człowiek-środowisko przeprowadzonej przy pomocy modelu MENEX_2002 (Błażejczyk, 2004). Opracowanie
pierwszych modeli wymiany energii w układzie człowiek-otoczenie nastąpiło w latach sześćdziesiątych XX
wieku i od tego czasu jest to dynamicznie rozwijająca się metoda stosowana w opracowaniach
bioklimatycznych.
MATERIAŁ ŹRODŁOWY I METODY
Do analizy wykorzystano dane meteorologiczne z Polskiej Stacji Polarnej Hornsund zlokalizowanej w
południowo-zachodniej części Spitsbergenu, na północnym brzegu fiordu Hornsund, zgromadzone w latach
1991-2000. Dane te pochodzą z głównych terminów obserwacyjnych (00, 06, 12 i 18 czasu GMT) a są to:
temperatura powietrza [t, oC], ciśnienie pary wodnej [e, hPa], prędkość wiatru [v, m/s], wielkość zachmurzenia
[N, %]. Te informacje zostały wykorzystane do obliczenia składowych wymiany energii między człowiekiem a
otoczeniem. Dokonano tego przy użyciu opracowanego w Polsce modelu MENEX_2002, którego ogólna postać
jest następująca:
M + mR + mC + mE + mL + mRes = mS
gdzie:
M – metaboliczna produkcja ciepła przez organizm człowieka, uzależniona od wieku, płci, wzrostu, masy ciała i
stopnia aktywności fizycznej
mR – strumień promieniowania krótkofalowego pochłoniętego przez ciało człowieka
mC - turbulencyjna utrata ciepła jawnego z powierzchni organizmu
mE – ewaporacyjna utrata ciepła w wyniku parowania potu z powierzchni skóry
mL – bilans promieniowania elektromagnetycznego ciała człowieka w zakresie długofalowym;
mRes – jest strumieniem wymiany energii organizmu z otoczeniem w wyniku oddychania
mS – saldo wymiany energii między człowiekiem a otoczeniem.
Wielkości wszystkich strumieni podawane są w W/m2. Rozwiązanie równań opisujących model wymiany
energii między człowiekiem a środowiskiem, oprócz danych meteorologicznych, wymaga wprowadzenia
informacji o niektórych wielkościach fizjologicznych człowieka. Z powodu braku takich informacji
zastosowano zalecane przez Międzynarodowe Towarzystwo Biometeorologiczne założenia dotyczące
parametrów fizjologicznych, jak np.: płeć (mężczyzna); prędkość poruszania się (1,1 m/s); temperatura skóry
(obliczana na podstawie aktualnych wielkości meteorologicznych); metaboliczna produkcja energii (135W/m2,
co odpowiada człowiekowi poruszającemu się z prędkością 1,1 m/s); termoizolacyjność odzieży (obliczana na
podstawie aktualnych wielkości meteorologicznych); albedo powierzchni ciała człowieka (31%).
Wyliczenie wszystkich wielkości zostało przeprowadzone przy pomocy programu BioKlima 2.2, w którym
powyższe założenia są zaimplementowane jako wielkości domyślne.
Oczywistym jest fakt, że poruszanie się z prędkością 1,1 m/s w warunkach polarnych wymaga większego
wysiłku niż np. w mieście, lecz należy przyjąć ogólnie stosowane wielkości wejściowe w celu uzyskania
porównywalnych wyników badań. Analiza warunków bioklimatycznych za pomocą składowych bilansu
energetycznego była prowadzona już w odniesieniu do różnych środowisk (Błażejczyk, 1993; Dubicka, Sikora,
2003; Krawczyk 1993)
REZULTATY
Dominującym strumieniem wymiany energii między człowiekiem a otoczeniem w warunkach polarnych jest
strumień ciepła konwekcyjnego (mC), którego średnia roczna wielkość wynosi -193,9 W/m2 (tabela 1.)
a stanowi to prawie 60% ogólnej sumy strat energii z organizmu człowieka. Najniższe wielkości tego strumienia
obserwuje się w styczniu (-249,8 W/m2, co stanowiło wówczas ponad 64% sumy strat całej energii) a najwyższe
w lipcu (-141,2 W/m2, ok. 53% sumy strat ciepła). Zakres zmian wielkości tego strumienia wymiany energii był
w obserwowanym czasie dość znaczny - jego minimalne wielkości w okresie zimowym wynosiły poniżej
-3000 W/m2 a maksymalne -80 W/m2.
Drugorzędne znaczenie w kształtowaniu się bilansu wymiany energii między człowiekiem a otoczeniem
miał ewaporacyjny strumień utraty ciepła z organizmu (mE), którego średnioroczna wielkość wynosiła -75,4
W/m2 a było to około 23% sumy strat energii. Jego średnie miesięczne wielkości w tych warunkach
termicznych nie różniły się zbyt mocno - najniższą średnią wielkość mE zaobserwowano w styczniu
(-79,7W/m2) a najwyższą w lipcu (-72,3 W/m2). Stanowiło to odpowiednio 20% i 27% ogólnej sumy strat
energii w tych miesiącach.
Straty energii z organizmu człowieka drogą promieniowania długofalowego (mL) i w trakcie oddychania
(mRes) wykazywały dość niewielkie zróżnicowanie w ciągu całego roku - średnia roczna wielkość tego
pierwszego strumienia wyniosła -35,9 W/m2 a tego drugiego -19,6 W/m2. Dawało to 11% i 6% udziału w sumie
strat energii z organizmu człowieka.
W ciągu całego roku w warunkach polarnych bilans energetyczny ciała człowieka przyjmuje wielkości
ujemne. Średnio najmniejszy jest on w styczniu (-253,8 W/m2) a najwyższy w lipcu (-122,1 W/m2). Ekstremalne
wielkości salda (-3700 W/m2) świadczą, że człowiek może być eksponowany na takie warunki tylko w bardzo
krótkim okresie, ponieważ niezwykle szybko może dojść do wychłodzenia organizmu (hipotermii).
Tabela 1. Średnie miesięczne i roczne wielkości strumieni wymiany energii między człowiekiem a otoczeniem [mR, mC,
mL, mRes, mS; W/m2] wyliczone na podstawie danych meteorologicznych zmierzonych i zaobserwowanych w głównych
terminach obserwacyjnych (czasu GMT) w Polskiej Stacji Polarnej Hornsund w południowo-zachodniej części
Spitsbergenu w latach 1991-2000
PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonej analizy można stwierdzić, że w ciągu całego roku w pobliżu Polskiej Stacji
Polarnej dominującym strumieniem wymiany energii między człowiekiem a otoczeniem jest zawsze strumień
konwekcyjnej utraty ciepła. W związku z tym osoby przebywające w takich warunkach muszą być wyposażone
w okrycie wierzchnie skutecznie blokujące możliwość utraty energii w ten sposób.
Oczywistym jest fakt, ze zastosowana w opracowaniu metoda (przyjęcie stałych parametrów fizjologicznych
dla człowieka) ma istotny wpływ na obliczane wielkości strumieni wymiany energii, lecz umożliwia ona
dokonywanie oceny klimatu odczuwalnego w dość obiektywny sposób.
LITERATURA
Błażejczyk K., 1993, Wymiana ciepła między człowiekiem a otoczeniem w różnych warunkach środowiska
geograficznego, Prace Geogr. IGiPZ PAN, 159.
Błażejczyk K., 2004, Bioklimatyczne uwarunkowania rekreacji i turystyki w Polsce, Pr. Geogr., 192, 291.
Dubicka M., Sikora., 2003, Influence of the city on the structure of the net heat storage – Wrocław as an example,
Proceedings of ICUC 5, Łódź 05-09.09.2003., 173-176.
Krawczyk B., 1993, Typologia i ocena bioklimatu Polski na podstawie bilansu cieplnego ciała człowieka, Pr. Geogr.
IGiPZ PAN, 160.