1.5. Основные факторы производственной среды и их воздействие на организм

1.5.1. Воздушная среда

Воздушная среда из всех элементов, составляющих среду обитания и деятельности человека, служит важнейшей. Из всех сред, окружающих человека, она одна является действи­тельно «окружающей средой», ибо непосредственно окружа­ет человеческий организм (за исключением неестественного для человека нахождения под водой). Но не только этим воз­душная среда выделяется из остальных. Человеческий орга­низм нуждается в кислороде постоянно и на протяжении всей своей жизни, которая просто невозможна без дыхания. Жизнь начинается с первым вдохом родившегося ребенка и закан­чивается с последним выдохом умирающего. Недаром пре­кращение дыхания фиксируется как клиническая смерть.

Потребность человека в воздухе составляет: в состоянии покоя — 5—10 л/мин; при усилиях — около 30 л/мин; при больших усилиях — до 100 л/мин. Большая поверхность легких (до 90 кв. м) позволяет осуществлять требуемый для жи­вого организма газообмен — поглощение кислорода и выде­ление углекислого газа. При этом в легких воздух нагревается и увлажняется, из него удаляются посторонние частицы.

Природный воздух, или, как его еще называют, атмо­сферный воздух, образует земную атмосферу — слой возду­ха, окружающий Землю. Примерно 90% массы воздуха на­ходится в слое высотой менее 15 км, 99% — менее 30 км и 99,99% >— менее 48 км от поверхности Земли.

Природный воздух представляет собой сложную динами­ческую систему, образованную различными газами (и пара­ми) и мельчайшими твердыми и жидкими частицами — аэро­золями (пыль, дым, туман, вирусы, бактерии, споры, пыльца), находящимися во взвешенном состоянии. Из-за постоянного динамического взаимодействия между атмосферой и земной поверхностью (литосферой), гидросферой, биосферой природ­ный состав воздуха непостоянен во времени и пространстве, и в нем непрерывно идут процессы смешения, переноса, осаж­дения, испарения, конденсации, агрегирования и т.п.

«Чистый воздух», т.е. смесь основных газов, лишенная аэрозольных и газообразных «загрязнений», является науч­ной абстракцией, идеализацией, не встречающейся в приро­де, но необходимой для понимания всех других реальных со­стояний воздушной среды.

Вообще под загрязнением атмосферы понимается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком ко­личестве, которое изменяет качество и состав атмосферного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, всей окружающей среде.

Основными компонентами среднего химического состава чистого природного воздуха являются азот (Л^,) — 78,09%, кислород (0₂) — 20,95%, водяной пар (Н₂0), аргон (Аг) — 0,93%, углекислый газ (СО,) — 0,6%, а суммарное содержа­ние неосновных газовых составляющих воздуха (микроком­понентов) не превышает 0,01%, но зачастую именно они опре­деляют качество воздуха.

При этом доля водяного пара в природном воздухе на­столько велика, а его роль настолько существенна, что пол­или характеристика состояния атмосферы должна учитывать и абсолютную, и относительную влажность воздуха.

Входящие в состав воздуха микрокомпоненты соединения кислорода, азота, серы (в первую очередь их окислы), озон, и другие углеводороды могут встречаться в значительных концентрациях.

Важнсйшей характеристикой воздушной среды является барометрическое давление, ибо разница барометрического давления и давления воздуха в альвеолах легких определяет величину газообмена. Барометрическое давление считается и называется нормальным на уровне моря (одна атмосфера) и экспоненциально убывает с высотой.

Человеческий организм естественным образом приспособ­лен для дыхания атмосферным кислородом (20,94%) на уров­не моря. Поэтому работа при пониженном/повышенном баро­метрическом давлении меняет уровень поступления кислорода в организм и представляет опасность.

При повышении давления, например при водолазных, кес­сонных или тоннельных работах, глубоко под землей организм получает все большее количество кислорода по мере роста абсолютного давления. При удвоении давления количество молекул кислорода, вдыхаемых за один вздох при дыхании сжатым воздухом, удваивается, и создается ситуация, как будто человек дышит обогащенной воздушной смесью, содержащей 42% кислорода. Это существенное изменение привычных усло­вий. Хотя организм человека до известной степени может адап­тироваться к повышению давления в течение небольшого вре­мени, относительно длительное воздействие повышенного давления может привести к кислородному отравлению. Даже азот, который с точки зрения нормального метаболизма чело­века является инертным газом, ибо не вступает ни в одну из форм химических связей с соединениями или химическими элементами в организме, при вдыхании под большим давлени­ем несет ответственность за резкое ослабление мыслительных функций, а затем и за «азотное опьянение». Кроме того, люди, работающие в условиях повышенного давления, могут полу­чить кессонную болезнь, баротравмы ушей, воспаление сину­совых полостей и легких или столкнуться с другими физиоло­гическими проблемами.

Уменьшение давления, например, при подъеме человека на большую высоту (выше 2500 м над уровнем моря) приводит к существенному снижению количества вдыхаемого кислорода, что может вызвать гипоксию, острый приступ горной болез­ни, высотный отек легких и мозга. При быстром подъеме орга­низм не успевает адаптироваться, и гипоксия носит острый ха­рактер. Острая гипоксия остается открытой проблемой для летчиков и персонала спасателей, работающих в условиях боль­ших высот. Существенное резкое понижение давления при­водит к потере сознания. При меньшей нехватке кислорода воз­никает головная боль, потеря ориентации, сонливость и нарушение координации. Гипоксия также вызывает состоя­ние эйфории. При более сильной нехватке кислорода возмо­жен смертельный исход. При своевременном вдыхании кисло­рода или спуске на меньшую высоту острая гипоксия быстро и полностью исчезает, а потому эффективным методом защи­ты является применение кислородных масок.

Поддержание определенного барометрического давления очень сложно обеспечить технически, это требует значи­тельных финансовых затрат, а потому осуществляется лишь в специальных случаях: при нахождении людей в подводных лодках, водолазных колоколах, барокамерах, самолетах и космических кораблях. Поэтому при работе под водой и на высокогорье, а также в летательных аппаратах широко при­меняются средства индивидуальной защиты — кислородные маски, скафандры, акваланги и т.п.

Помимо газового состава и барометрического давления, важнейшей характеристикой воздушной среды является температура воздуха. В сочетании с подвижностью (скоростью) движения воздуха относительно тела человека температура воздуха определяет характер теплообмена — нагрев или охлаждение. Заметим, что, строго говоря, нагрев или охлаж­дение тела определяются также соотношением температуры поверхности тела и температурь! окружающих тел, обуслов­ливающим лучистый нагрев. Охлаждение тела зависит еще и от потоотделения, зависящего, в свою очередь, от относи­тельной влажности воздуха.

Температура, подвижность и относительная влажность воздуха, а также лучистый теплообмен определяют тепловой комфорт/дискомфорт человека, находящегося в воздушной среде.

Нормальное функционирование организма без напряже­ния механизма терморегуляции происходит при температуре воздуха, не превышающей 27°С. Считается, что границей ухудшения умственной работоспособности является темпе­ратура 28—30°С, выше которой возрастает число ошибоч­ных реакций у операторов. При температуре 40°С и относи­тельной влажности 70—80% темп выполнения умственной работы сокращается в два раза, резко падает сосредоточен­ность внимания с увеличением количества ошибок в 5—10 раз, при дальнейшем повышении температуры воздуха наруша­ется координация движений. Физическая работоспособность в условиях высоких температур воздуха снижается позже (начиная с температуры 35—36°С), чем умственная.

Тепловой режим помещений во многом зависит от темпе­ратуры воздуха в них. В настоящее время 85% людей — уро­женцев средней полосы России — оценивают температуру воздуха 22°С как комфортную (в США тепловой комфорт соответствует температуре 25,5°С).

При нормировании относительной влажности в помеще­ниях оптимальными считаются значения от 40 до 60%, допу­стимыми — до 75%. Превышение этих значений — как при высоких, так и при низких температурах воздуха — приво­дит к неблагоприятным последствиям. При низкой температуре влажный воздух вследствие своей высокой теплопро­водности и теплоемкости увеличивает теплопотери организ­ма, а при высокой температуре уменьшает теплоотдачу испа­рением, что приводит к перегреванию организма.

Подвижность воздуха влияет на тепловое состояние орга­низма человека, усиливая или уменьшая теплоотдачу. Уве­личение скорости воздуха, особенно в условиях пониженных температур, способствует преждевременному охлаждению организма.

Переохлаждение представляет собой опасность для мно­гих людей, занятых короткое или длительное время в усло­виях холода на работах вне помещений, в неотапливаемых помещениях, в холодильниках и на установках заморажива­ния продуктов питания, а также при обработке свежих пище­вых продуктов на предприятиях пищевой промышленности.

Переохлаждение опасно снижением иммунитета, возбу­димостью организма и потерей координации (особенно мерз­нущих пальцев рук), невозможностью сосредоточиться, Холодовыми травмами (обморожениями) и другими физио­логическими расстройствами и болезнями. Холод, в кото­ром вынуждены трудиться миллионы людей, существенно снижает эффективность их труда.

Жара также усложняет эффективную деятельность чело­века, ибо в этих условиях поддержание нормальной темпера­туры тела зависит только от потоотделения. Однако потеря воды и солей (заметим, что в 1 л пота содержится приблизи­тельно от 1 до 3 г поваренной соли ИаС1) при потоотделении может привести к тепловому удару и сосудистой недостаточ­ности. Потеря солей вызывает судороги из-за сбоев в про­хождении нервных импульсов к мышцам. В прошлом такое состояние называлось «судорогами шахтера» или «судорога­ми кочегара». При тепловом ударе появляется физическая усталость, сопровождаемая часто головной болью, голово­кружением и тошнотой. Сосудистая недостаточность не поз­воляет поддерживать кровяное давление, и в результате на­ступает обморок .

Реакция на жару мужчин и женщин, людей разного возраста различна: люди старшего возраста хуже переносят жару, так как они начинают потеть позднее, чем молодые люди, а мужчины хуже, чем женщины, выдерживают влаж­ный воздух.

Заметим, что люди, неоднократно подвергавшиеся тепло­вому перегреву, переносят жару значительно лучше даже несколько дней спустя. У них наблюдается повышенный уро­вень потоотделения, а возникающее в этой связи более ин­тенсивное охлаждение кожного покрова обусловливает бо­лее низкую температуру тела и приводит к снижению частоты сердечных сокращений при работе в одних и тех же услови­ях. Вот почему персонал, который может быть задействован в условиях жары (пожарные, спасатели), полезно подвергать искусственной акклиматизации к жаре.

Выше уже упоминалось, что неотъемлемой частью возду­ха являются витающие в нем твердые и жидкие аэрозольные частицы, в большинстве своем не видимые не только невоору­женному глазу, но и вообще любым оптическим приборам. Даже в центральных районах Антарктиды, наиболее удален­ных от цивилизованного мира, в 1 см³ воздуха содержится не менее 100 аэрозольных частиц.

Способность аэрозольных частиц двигаться вместе с воз­духом определяется их малым размером (массой, весом). Размеры аэрозольных частиц варьируются в очень широком диапазоне: самая маленькая аэрозольная частица выглядит на фоне самой большой так же, как детский воздушный шарик на фоне земного шара.

Аэрозольные частички попадают в воздушную среду раз­ными путями: при помощи непосредственного (первичного) образования и при вовлечении (взметывании) уже существую­щих частиц в движение воздуха (вторичное образование).

Различают два механизма первичного образования аэро­зольных частиц: при разрушении (дезинтеграции, диспергиро­вании) сплошности твердых и жидких веществ и при соедине­нии (конденсации) молекул ранее испарившегося вещества.

Процессы образования твердых аэрозольных частиц (пыли) при шлифовке или дроблении из-за относительной крупности частиц и благодаря хорошей их видимости нево­оруженным глазом известны всем. Практически не видны процессы образования пыли при разрушении волокон тка­ни, наших собственных волос, бумаги и других материалов и предметов.

При разбрызгивании (диспергировании) жидких веществ образуется мельчайший аэрозоль из капелек жидкости, ви­димый (в самых крупных каплях), но не имеющий своего названия в русском языке. В английском языке такой аэро­золь называется «спрей» (spray). В последние годы с появле­нием импортных Дезодорантов и освежителей воздуха тер­мин «спрей» все чаще стал встречаться в русской речи.

Процессы образования аэрозоля конденсации чаще всего недоступны глазу человека (и оптическим средствам его уси­ления). Однако высокое содержание в воздухе аэрозоля кон­денсации с относительно крупными частицами мы либо ощу­щаем как запах, либо видим как дым (твердые частицы) или туман (жидкие частицы). Аэрозоль конденсации паров ме­таллов образуется при сварке и является очень опасным для здоровья человека.

Частицы могутнаходиться в воздухе только при больших скоростях его перемещении и турболизации. Число частиц в чистом воздухе быстро уменьшается с увеличением размера частиц от 1000 частиц размером 2 размером 0,3мкм до 1частицы размером 2 мкм (в I см' объема). Нижней границей размеров аэрозолей можно считать размер частицы, содержащей порядка 10 молекул и не отражающейся от твердой поверхности при ударе о нее. Верх­ней границей размеров аэрозоля следует считать размер части­цы, способной еще двигаться преимущественно вместе с га­зовой средой. Такая способность зависит не только от размера частицы, но и от ее формы («шар», «чешуйка», «волокно»), а главное' — от интенсивности турбулентности. В обычных условиях приземного слоя атмосферы для капелек воды верх­ней границей будет размер в 40—60 мкм.

Твердые или жидкие частички с размерами от 100 до 1000 мкм (0,1 мм) называют аэровзвесями, и они могут на Реакция на жару мужчин и женщин, людей разного возраста различна: люди старшего возраста хуже переносят жару, так как они начинают потеть позднее, чем молодые люди, а мужчины хуже, чем женщины, выдерживают влаж­ный воздух.

Заметим, что люди, неоднократно подвергавшиеся тепло­вому перегреву, переносят жару значительно лучше даже несколько дней спустя. У них наблюдается повышенный уро­вень потоотделения, а возникающее в этой связи более ин­тенсивное охлаждение кожного покрова обусловливает бо­лее низкую температуру тела и приводит к снижению частоты сердечных сокращений при работе в одних и тех же услови­ях. Вот почему персонал, который может быть задействован в условиях жары (пожарные, спасатели), полезно подвергать искусственной акклиматизации к жаре.

Выше уже упоминалось, что неотъемлемой частью возду­ха являются витающие в нем твердые и жидкие аэрозольные частицы, в большинстве своем не видимые не только невоору­женному глазу, но и вообще любым оптическим приборам. Даже в центральных районах Антарктиды, наиболее удален­ных от цивилизованного мира, в 1 см³ воздуха содержится не менее 100 аэрозольных частиц.

Способность аэрозольных частиц двигаться вместе с воз­духом определяется их малым размером (массой, весом). Размеры аэрозольных частиц варьируются в очень широком диапазоне: самая маленькая аэрозольная частица выглядит на фоне самой большой так же, как детский воздушный шарик на фоне земного шара.

Аэрозольные частички попадают в воздушную среду раз­ными путями: при помощи непосредственного (первичного) образования и при вовлечении (взметывании) уже существую­щих частиц в движение воздуха (вторичное образование).

Различают два механизма первичного образования аэро­зольных частиц: при разрушении (дезинтеграции, диспергиро­вании) сплошности твердых и жидких веществ и при соедине­нии (конденсации) молекул ранее испарившегося вещества.

Процессы образования твердых аэрозольных частиц (пыли) при шлифовке или дроблении из-за относительной крупности частиц и благодаря хорошей их видимости нево­оруженным глазом известны всем. Практически не видны процессы образования пыли при разрушении волокон тка­ни, наших собственных волос, бумаги и других материалов и предметов.

При разбрызгивании (диспергировании) жидких веществ образуется мельчайший аэрозоль из капелек жидкости, ви­димый (в самых крупных каплях), но не имеющий своего названия в русском языке. В английском языке такой аэро­золь называется «спрей» (spray). В последние годы с появле­нием импортных Дезодорантов и освежителей воздуха тер­мин «спрей» все чаще стал встречаться в русской речи.

Процессы образования аэрозоля конденсации чаще всего недоступны глазу человека (и оптическим средствам его уси­ления). Однако высокое содержание в воздухе аэрозоля кон­денсации с относительно крупными частицами мы либо ощу­щаем как запах, либо видим как дым (твердые частицы) или туман (жидкие частицы). Аэрозоль конденсации паров ме­таллов образуется при сварке и является очень опасным для здоровья человека.

Считается, что аэрозоли конденсации имеют размеры от 0,001 мкм до 10 мкм, аэрозоли дезинтеграции — от 0,1 мкм до 100 мкм. Нижней границей размеров аэрозолей можно считать размер частицы, содержащей порядка 10 молекул и не отражающейся от твердой поверхности при ударе о нее. Верх­ней границей размеров аэрозоля следует считать размер части­цы, способной еще двигаться преимущественно вместе с га­зовой средой. Такая способность зависит не только от размера частицы, но и от ее формы («шар», «чешуйка», «волокно»), а главное — от интенсивности турбулентности. В обычных условиях приземного слоя атмосферы для капелек воды верх­ней границей будет размер в 40—60 мкм.

Твердые или жидкие частички с размерами от 100 до 1000 мкм (0,1 мм) называют аэровзвесями, и они могут находиться в воздухе только при больших скоростях его пере­мещения и турбулизации.

Установлено, что содержание аэрозольных частиц в чистом воздухе быстро уменьшается с увеличением размера частиц: от 1000 частиц размером 0,3 мкм до 1 частицы размером 2 мкм (в 1 см³ объема). Частиц с размерами 10 мкм и более в обыч­ных условиях в воздухе практически нет, а частицы с размером более 20 мкм, попав в воздух, очень быстро выпадают из него, образуя пыль, которую мы вынуждены все время убирать.

Мельчайшие живые организмы и их части также могут содержаться в воздухе. Они называются биоаэрозолями.

Любое вещество в форме аэрозоля проявляет свои свой­ства, полезные или вредные, в гораздо большей степени, чем в исходном состоянии, — из-за высокой химической актив­ности и большой суммарной поверхности взаимодействия.

Рассмотренная выше картина будет неполной, если не учи­тывать электрическое состояние атмосферы и связанные с ней ионизацию воздуха и электрическую заряженность аэрозолей.

Все загрязнители воздуха принято делить на первичные, т.е. поступающие с выбросами, и вторичные, образующиеся в результате различных реакций загрязнителей между собой и с атмосферным воздухом. В ходе этих реакций, взаимодей­ствий и процессов могут изменяться агрегатные состояния исходных загрязняющих веществ, например пары, конденси­руясь, образуют твердые или жидкие аэрозоли.

Подчеркнем, что процесс формирования качества воздуш­ной среды в помещениях принципиально отличается от такого же процесса в открытой атмосфере отсутствием ультрафиоле­тового излучения, частичным или полным экранированием от гшмагтгитньгх полей (особенно в зданиях из железобетонных конструкций), измененностью электрических свойств воздуха, практическим отсутствием высших растений, относительной малостью соотношения объема воздушной среды и площади поверхностей, через которые происходит процесс загрязнения.

Все это существенно сказывается на качестве воздушной среды помещений, ведет к тому, что, как правило(!), воздух в помещениях, особенно производственных, оказывается в де­сятки, а то и сотни раз хуже, чем «на улице». Кроме того, нали­чие вышеперечисленных факторов затрудняет поддержание ха­рактеристик воздушной среды в приемлемых для человеческого организма значениях, требует применения специальных очисти­тельных устройств и/или средств индивидуальной защиты.

Содержащиеся в воздухе загрязнения попадают в организм в основном через органы дыхания, частично — через слизистые оболочки. Газообразные вещества (в том числе и пары) прони­кают в кровь через альвеолы, а затем разносятся по всему орга­низму. Аэрозольные частицы оседают на различных поверхно­стях органов дыхания в зависимости от их формы и размера.

Эволюция создала у человека достаточно мощную систе­му защиты органов дыхания. В частности, в полости носа задерживаются частицы с размерами более 5 мкм, а 99% бо­лее мелких пылевых частиц, попавших в легкие, выводится из них благодаря работе реснитчатого эпителия дыхательных путей и ряда других механизмов.

Дальнейшая судьба оставшегося в легких аэрозоля зави­сит от его растворимости. Труднорастворимые твердые час- .» типы задерживаются надолго, а в ряде случаев практически навсегда. Особенно негативное влияние оказывает пыль с со­держанием кремния или токсичных веществ. Еще хуже, если пылинки содержат радиоактивные вещества. Даже малое ко­личество радиоактивной пыли способно годами оказывать неблагоприятное влияние на организм человека.

Хуже всего выводятся из легких пылинки-волокна. Извест­ны хлопковая пыль, шерстяная пыль, асбестовая пыль. Кроме всего прочего, пыль асбеста обладает сильно выраженным канцерогенным действием.