Эта статья является частью специального репортажа о науке и экстремальной жаре. 

В 2019 году физиолог Олли Джей приступил к проектированию камеры, которая могла бы имитировать волны тепла сегодня и будущего. 

Восемнадцать месяцев спустя камера стоимостью 2 миллиона австралийских долларов (1,3 миллиона долларов США) была построена, упакована в Брисбене, Австралия, и проехала 1000 километров до Сиднейского университета, где была поднята на верхний этаж блестящего стеклянного здания.

Теперь исследователи, в том числе Джей, используют ее для проверки пределов выживания человека в условиях экстремальной жары, которые на удивление плохо изучены.

«Проблема в том, что сегодня у вас есть такие условия, которые могут показаться жаркими, но мы действительно не знаем, что это сделает с людьми», — говорит Джей, который руководит лабораторией тепла и здоровья в Университете Сиднея. 

«Моделируя эти условия и подвергая их воздействию на людей под тщательным медицинским наблюдением, мы можем лучше понять физиологию того, как люди будут реагировать», — говорит он. 

Команда Джея также изучает, какие стратегии охлаждения лучше всего работают для снижения рисков для здоровья, связанных с воздействием тепла.

По мере того, как изменение климата нагревает Землю, жаркие дни стали регулярным явлением в сводках погоды по всему миру.

 В прошлом месяце рекорд самого жаркого дня в мире был побит дважды, и Организация Объединенных Наций выступила с глобальным призывом к действиям по борьбе с экстремальной жарой, чтобы помочь уязвимым людям, рабочим и экономикам справиться с ситуацией с помощью науки. 

Около 70% мировой рабочей силы — 2,4 миллиарда человек — в настоящее время подвержены высокому риску экстремальной жары, говорится в сообщении.

Несмотря на это, общественные рекомендации о том, как справиться с высокими температурами, несовершенны, а способы, с помощью которых люди могут эффективно охлаждать себя, недостаточно изучены.

«Если вы посмотрите на рекомендации по жаре от уважаемых организаций, таких как Центры по контролю и профилактике заболеваний США, Всемирная организация здравоохранения, они чреваты ошибками, когда дело доходит до физиологии человека», — говорит Ларри Кенни, физиолог из Университета штата Пенсильвания в Юниверсити-Парке.

Тепловая камера

Команда Джея использует свою современную климатическую камеру для исследования условий, в которых жара угрожает жизни, как и какие существуют практические, научно обоснованные способы сохранения прохлады.

Камера представляет собой помещение размером 4 на 5 метров. 

Исследователи могут повышать или понижать температуру на 1 °C каждую минуту — от 5 °C до 55 °C, — контролировать скорость ветра и имитировать солнечный свет с помощью инфракрасных ламп. 

Они также могут точно регулировать влажность, ключевую переменную, которая влияет на воздействие тепла на организм.

 «Это настоящий инженерный подвиг», — говорит Джей.

Экстремальная жара вредит здоровью — какой предел для человеческого организма?

Участники испытания могут есть, спать и заниматься спортом внутри камеры; 

Исследователи передают им пищу и другие предметы через люк. 

Прикрепленные к ним датчики отправляют информацию в соседнюю диспетчерскую, которая обрабатывает данные о переменных, включая частоту сердечных сокращений, дыхание, потоотделение и температуру тела.

Пороговые значения тепла для людей были плохо определены отчасти потому, что органы здравоохранения чрезмерно полагались на опубликованное теоретическое исследование в 2010 году, говорит Джей.

 В этой статье исследователи использовали математические модели для определения ‘wet-bulb temperature’ (WBT) («температуры воздуха»), при которой молодой, здоровый человек умрет через шесть часов. 

WBT — это мера, которую ученые используют при изучении теплового стресса, потому что она учитывает эффекты тепла и влажности.

Модели показали WBT в 35 °C в качестве предела выживания человека. 

На этом пороге температура тела будет неконтролируемо повышаться. 

Но модель рассматривала человеческое тело как обнаженный объект, который не потеет и не двигается, что делает результат менее применимым к реальному миру.

Несмотря на это, бесчисленные органы общественного здравоохранения приняли его, даже Межправительственная группа экспертов по изменению климата, что снизило мотивацию к получению более релевантных цифр, говорит Джей.

 «Это базовая физическая модель со многими ограничениями, но почти все ее используют».

Пониженный лимит

В исследовании 2021 года Кенни и его коллеги дали более точную оценку: предел выживаемости WBT составляет около 31 °C.

 Они рассчитали его, отслеживая температуру тела молодых, здоровых людей при различных комбинациях температуры и влажности во время езды на велосипеде.

«Вы все еще видите колебания  WBT в 35 °C, но люди начинают приближаться к пределу, определенному лабораторией Кенни», — говорит Роберт Мид, исследователь тепла и здоровья в Гарвардском университете в Кембридже, штат Массачусетс.

Группа Кенни также работает с климатической камерой, и по всему миру их десятки, многие из которых посвящены спортивной науке. 

Физиологическая модель

Команда Джея в настоящее время тестирует математическую модель того, как тело справляется с экстремальной жарой, которую она опубликовала в прошлом году.

 Модель использует данные исследований, в которых измерялась потоотделение у пожилых и молодых людей, и следует физическим законам для прогнозирования того, как тепло передается между телом и окружающей средой.

«Тот факт, что они включили физиологию, которую делают очень немногие модели, и делают это хорошо — я думаю, что это делает ее лучшей моделью на данный момент», — говорит Кенни, который сотрудничал с Джеем в других исследованиях.

Большинство моделей реакции организма на жару ориентированы на молодых, здоровых людей в тени. 

Но модель Джея и его команды оценила пределы выживания в тени и солнечном свете на протяжении  и во время отдыха или физических упражнений. 

Среди своих результатов они оценили пределы выживаемости WBT в диапазоне от 26 °C до 34 °C для молодых людей и от 21 °C до 34 °C для пожилых людей.

«Гибкость и возможность очень легко оценивать эти различные сценарии являются ключевым достижением модели», — говорит Мид.

Неудивительно, что модель предполагает, что пределы выживаемости ниже, когда люди подвергаются воздействию солнца по сравнению с теми, кто находится в тени, а также для людей старше 65 лет по сравнению с людьми в возрасте 18–40 лет. 

Команда также использовала модель для определения пределов пригодности для жизни — условий, в которых пожилые и молодые люди могут безопасно выполнять такие задачи, как работа за столом, ходьба, подъем по лестнице, танцы и поднятие тяжестей. 

Несмотря на свои сильные стороны, модель все еще нуждается в дальнейших испытаниях на людях, говорит Мид.

Для этого команда Джея сначала подвергает молодых, здоровых людей в климатической камере воздействию комбинаций температуры и влажности, одновременно отслеживая такие переменные, как температура тела, частота сердечных сокращений и потоотделение, до температурного порога, выше которого это было бы небезопасно.

В будущих испытаниях исследователи планируют проверить реакцию организма на жару в тенистых и солнечных условиях, в разных возрастах и во время физических упражнений. Они будут использовать данные этих испытаний для улучшения модели, которая, в свою очередь, может быть использована для разработки лучших рекомендаций по охране здоровья для людей, подвергающихся наибольшему риску в условиях сильной жары.

Нужно охладить

Еще одна задача лаборатории — поиск эффективных стратегий охлаждения — включает в себя имитацию условий окружающей среды, где жара может повлиять на здоровье работников. В одном из испытаний команда Джея тестирует стратегии охлаждения, которые могут помочь рабочим швейных фабрик в Бангладеш, где люди обычно работают долгие часы в жарком климате, имея ограниченный доступ к кондиционерам.

Ранее исследователи измерили жару и влажность на трех этажах швейной фабрики в столице страны Дакке. 

«Мы воссоздали эти условия в камере и работу, которую выполняли люди — женщины шили, а мужчины гладили», — говорит он. Участники испытания были одеты в одежду, которую рабочие обычно носят на фабрике.

В ходе примерно 240 испытаний в климатической камере команда измеряла функции организма людей и их производительность труда, говорит Джей, «потому что одна из проблем заключается в том, что работают более медленно, когда им становится жарко».

Ученые протестировали методы охлаждения, такие как использование вентиляторов и регулярное питье воды, а также смоделировали эффекты изменения цвета заводской крыши. 

Команда Джея также изучила, как электрические вентиляторы и недержание мочи влияют на нагрузку на сердце у пожилых людей при различных сочетаниях тепла и влажности. 

Исследователи обнаружили, что во влажных условиях использование вентилятора снижает нагрузку на сердце до температуры воздуха не менее 38 °C. 

А вот в сухую жару использование вентилятора увеличивает нагрузку на сердце. Увлажнение кожи было полезно как в сухую, так и во влажную жару.

«Выявление ситуаций, в которых распространенные стратегии охлаждения, такие как использование вентилятора и обливание кожи водой, работают лучше всего, имеет важное значение для защиты здоровья населения», — говорит Мид.

Низкотехнологичное охлаждение

Джей и его коллеги уже популяризировали метод охлаждения младенцев в колясках. 

«В жаркий день люди накрывают свои детские коляски этими белыми муслиновыми салфетками, но есть все эти споры о том, хорошо это или плохо», — говорит он. 

В исследовании 2023 года команда обнаружила, что сухая белая муслиновая ткань может нагревать коляски более чем на 2,5 °C, но влажная ткань имеет наилучший охлаждающий эффект.

 «Она извлекает скрытую тепловую энергию изнутри коляски и охлаждает ее примерно на 5 °C», — говорит он.

Исследование привлекло внимание средств массовой информации. 

«Что было довольно круто, так это то, что две недели спустя я гуляю по тому месту, где живу, и начинаю видеть, как родители проталкивают свои белые муслиновые салфетки с помощью пульверизатора», — говорит он.

Команда также помогла сформировать глобальную систему оповещения о жаре, выпущенную браузером Google Chrome для своих пользователей по всему миру. 

«Если там, где вы находитесь, жара превышает определенный порог, то вы получаете предупреждение об экстремальной жаре», — говорит он. 

Оповещение дает советы по охлаждению, например, выпивать одну чашку воды в час и мочить кожу и одежду.

В следующем году лаборатория Джея будет отслеживать, как жара влияет на исход родов и материнское здоровье беременных женщин в Бангладеш. Он ищет финансирование для проведения рандомизированного контролируемого испытания стратегий охлаждения в Индии в жаркое время года.

Конечная цель Джея — защитить здоровье людей в мире, который становится все более враждебным. 

«Когда я впервые приехал в Сидней, я столкнулся с большим понижением в должности — там была старая камера, которая не очень хорошо работала, и у меня было около 16 500 австралийских долларов стартового финансирования», — говорит Джей. 

«Нам повезло, что мы смогли привлечь хорошее финансирование и добиться хороших результатов в этой области».