CAPITOLO 1 L'influenza della temperatura, dell'umidità, e del vento sulla salute umana
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CAPITOLO 1 L’influenza della temperatura, dell’umidità, e del vento sulla salute umana Per comprendere quali siano le implicazioni degli elementi, meteorologici nel settore della salute umana è opportuno cominciare ad analizzare i vari fattori che influiscono sul bilancio termico del corpo umano. Sarà bene considerare quest’ultimo come un motore che necessita di carburante per funzionare. Il calore prodotto dal metabolismo Dopo questa premessa, in conformità a conoscenze già acquisite, si può affermare che un essere umano “normale” (peso 70 kg e superficie totale di circa 2 metri quadrati), quando si trova a riposo astenendosi da qualsiasi attività fisica (per esempio nel sonno), deve perdere 80 kcal/ora; se non riuscisse a dissipare quest’energia la sua temperatura corporea aumenterebbe di circa 1°C/ora. Per una persona che cammina a passo moderato (4-5 km/ora) il calore da dissipare è di circa 200kcaI/ora. Un lavoro fisico molto intenso, come quello di un addetto ai traslochi, arriva a produrre 600kcal/ora. Durante il lavoro muscolare quindi il 70% del calore prodotto costituisce una sorta di “scarto” da dissipare.
In aggiunta all’energia prodotta dal metabolismo il corpo umano può acquisire calore attraverso tre processi fisici: (a) conduzione; (b) convezione; (c) radiazione. Conduzione e convezione Il corpo umano acquista altra energia termica quando la temperatura dell’ambiente in cui si trova è superiore alla temperatura superficiale del corpo (33 °C), ed il movimento dell’aria dà luogo ad un trasporto di calore nel corpo. Nel caso opposto con temperatura dell’aria inferiore ai 33°C, s’instaura un processo di perdita d’energia da parte del corpo (wind-chill effect). La perdita convettiva di calore è fortemente incrementata quanto più la temperatura è bassa e la ventilazione attiva. Processi radiativi Un’acquisizione di energia attraverso un processo radiativo può aversi quando vi è una superficie che emette radiazione nella direzione del corpo o di una parte di esso e che abbia una temperatura superiore alla temperatura media della pelle (33°C). Per valutare l’effetto integrato di tutte le superfici circostanti che emettono radiazione è stato introdotto il concetto di temperatura media radiante (o temperatura di equilibrio radiativo). E’ questa la temperatura alla quale un oggetto irraggia un’energia pari a quella che riceve. A questo scopo si usano i
termometri a globo consistenti in un termometro collocato nel centro
di una sfera di rame.
conducibilità di calore di alcune sostanze:
sostanza conduttività
rame 0.92
alluminio 0.50
vetro O.006
cemento 0.0022
acqua (at 10 °C) 0.0014
sec. sabbia 0.0013
tessuto fisico musc. 0.00092
" grasso 0.00047
legno 0.00019
pelo coniglio 0000065
lana 0.000061
poliuretano schiuma 0.000061
aria secca (at 20 °C) 0.000061
" " (at 0°C) 0.000058
La conducibilità di calore è definita come la quantità di calore misurata in calorie che passa attraverso l’area di 1 cm2
In un secondo, qui sono riportati i valori di queste sostanze in gradi Celsius
Tabella 1.1
Il windchill tiene conto della perdita di calore dovuta alla
combinazione della bassa temperatura, dell’aria, e vento.
Analizzando la tabella 1.2 noteremo che ad una temperatura dell’aria
di 6 °C e una velocità del vento di 3 m/s (ossia medio bassa)
corrisponde una temperatura equivalente di 3 °C.
Vento e temperatura equivalente
Velocità Temperatura dell'aria (°C)
m/s 6 3 0 -3 -6 -9 -12 -15 -18 -21 -24 -27 -30 -33 -36 -39
3 3 -1 -4 -7 -11 -14 -18 -21 -24 -28 -31 -34 -38 -41 -45 -48
6 -2 -6 -10 -14 -18 -22 -26 -30 -34 -38 -42 -46 -50 -54 -58 -62
9 -6 -10 -14 -18 -23 -27 -31 -35 -40 -44 -48 -53 -57 -61 -65 -70
12 -8 -12 -17 -21 -26 -30 -35 -39 -44 -48 -53 -57 -62 -66 -71 -75
15 -9 -14 -18 -23 -27 -32 -37 -41 -46 -51 -55 -60 -65 -69 -74 -79
18 -10 -14 -19 -24 -29 -33 -38 -43 -48 -52 -57 -62 -67 -71 -76 -81
21 -10 -15 -20 -25 -29 -34 -39 -44 -49 -53 -58 -63 -68 -73 -77 -82
24 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -39 -44 -49 -54 -59 -63 -68 -73 -78 -83
Tabella 1.2Se il vento aumenta passando da 3 a 9 m/s la temperatura equivalente
diventa pari a –6 °C. Questo non significa che la temperatura
dell’epidermide scende a –6 °C, perché la temperatura della pelle non
può scendere al di sotto della temperatura dell’ambiente che è di 6 °C.
Quello che succederà però è che si avrà una perdita di calore pari a
quella che si avrebbe se si fosse esposti senza vento in ambiente a
temperatura pari a quella equivalente della tabella (-6 °C
nell’esempio).
Dunque la perdita di calore corporeo non è dovuta solo alla
temperatura esterna ma anche al vento e alla sua velocità.
L’indice di windchill è il risultato degli studi di P. A. Siple e C. E.
Passel svolti nel 1941 in Antartide basati sul tempo di congelamento
dell’acqua in caso di vento. Questo significa che la tabella ci fornisce,
per quanto buona, solamente una approssimazione del comportamento
dell’organismo umano in quelle condizioni, infatti non si tiene conto
per esempio dell’eventuale riscaldamento da parte della luce solare.
Il windchill (k) ha le dimensioni di kcalorie/m2/ora, e può anche essere
quantizzato con la seguente formula:
K = [( v 100) 1/2 - v +k1] (33-T)
V = velocità espressa in m/sec
T = temperatura del bulbo non bagnato, quindi temperatura dell'aria (°C)
33 = temperatura equivalente per la pelle
k1 = costante pari a 10.45 che tiene conto del raffreddamento per irraggiamento e
conduzioneEs.
V = 18 m/sec
T = 5°C
K = 975.8 Kcal/m2/ora
Diamo di seguito nella tabella 1.3 alcuni valori di k e le sensazioni
fisiche di massima ad essi associati.
50 Molto caldo 100 Caldo 200 Piacevole
400 Fresco 600 Molto fresco 800 Freddo
1000 Molto freddo 1200 Gelido 1400 La carne e. congela
2000 La carne esposta 2500 Intollerabile
congela in 60 s
Tabella 1.3
Il ruolo dell’acqua
Un corpo che non evapora potrà mettersi in equilibrio con l’ambiente
ad una temperatura che bilanci i guadagni e le perdite di tutte le forme
d’energia. Poiché il corpo umano per la sopravvivenza deve
mantenere la temperatura del corpo nell’ambito di limiti molto stretti
la natura mette a disposizione un altro meccanismo equilibratore,
l’evaporazione. Per far evaporare un grammo (1 cm cubo) d’acqua è
necessario somministrare 0,58 kcal di calore. Quando il corpo umano
comincia surriscaldarsi soffrendo di stress termico, viene attivato un
meccanismo di eliminazione del calore per evaporazione dell’acqua,
sia sudando sia evaporando acqua dai polmoni e dai bronchi. A
temperature superiori agli 29,6 °C e con umiditàdel 50% la perdita di calore attraverso il respiro è molto inferiore a
quella ottenibile con il sudore. Se l’aria è satura ed a temperatura > di
33 °C soltanto la sudorazione è efficace. Quando la temperatura
raggiunge i 36°C (temperatura interna del corpo) il meccanismo della
evaporazione cessa di operare.
Un attento esame della seguente tabella 1.4 ci rileva che diverse
combinazioni della temperatura e dell’umidità relativa producono la
stessa temperatura apparente, infatti queste diverse combinazioni
hanno lo stesso effetto sulla perdita di calore dell’organismo.
TAB. 1.4 indice di temperatura equiv.
umidità temp. dell'aria (°F)
relativa
(%) 70 75 80 85 90____95___100___105 110____115 -120
temperatura apparente (F)
0 64 69 73 78 83 87 91 95 99 103 107
10 65 70 75 80 85 90 95 100 105 111 116
20 66 72 77 82 87 93 99 105 112 120 130
30 67 73 78 84 90 96 104 113 123 135 148
40 68 74 79 86 93 101 110 123 137 151
50 69 75 81 88 96 107 120 135 150
60 70 76 82 90 100 114 132 149
70 70 77 85 93 106 124 144
80 71 78 86 97 113 136
90 71 79 88 102 122
100 72 80 91 108
Source National Weather Service, NOAA
La pelle emette una piccola quantità di vapore acqueo tramite la
traspirazione anche quando non è sudata, e anche le mucose interne
come la superficie dei polmoni fanno lo stesso. Così per esempio in
ambienti molto freddi con aria secca come in Antartide, è necessario
bere molto per riequilibrare questa perdita di acqua che può essere
anche elevata. Essendo molto bassa l’umidità l’evaporazione avviene
ancora più velocemente aumentando la perdita di calore, e le mucose acausa della forte perdita d’acqua si irritano fortemente. L’umidità
relativa (RH) ci da una misura dell’umidità dell’aria ed è espressa dal
rapporto tra la pressione effettiva di vapore in un luogo e la pressione
di vapor saturo alla temperatura del luogo in formula:
RH = (pressione effettiva di vapore)/(pressione di vapor saturo per t)*100%
1.2 Indice di conforto climatico
Raramente il corpo umano si trova in equilibrio termico con
l’ambiente circostante, tuttavia i meccanismi di regolazione corporea
riescono a mantenere la temperatura interna in un certo range
fisiologico se le condizioni non sono troppo estreme.
In questo paragrafo cerchiamo di dare delle indicazioni di massima
entro le quali l’uomo si trova a suo agio nell’ambiente. Ci sono molti
studi i proposito e le situazioni affrontate sono disparate; le più
importanti sono quelle relative alla temperatura con l’umidità, sia in
alte sia in basse temperature, poi ci sono quelli relativi alla velocità
del vento e la temperatura equivalente (vedere tabella 1.2) e l’umidità
e la temperatura equivalente (vedere tabella 1.4 ).
Si tratta comunque sempre di diverse combinazioni delle componenti
climatiche temperatura, vento, umidità che sono in grado di alterare
soggettivamente lo stato di equilibrio fisico e psichico dell’uomo
agendo soprattutto a livello di termoregolazione cutanea.In tutti gli indici bisogna però tenere sempre ben presente che si tratta
di condizioni generalizzate che possono allertare la popolazione a un
potenziale pericolo ma possono non valere in qualche singolo caso.
1.2.1 Alte temperature
Riferendosi alle alte temperature c’è l’indice di Thom per quantificare
il disagio da “caldo-umido”.
Indice di Disagio, ID = 04( t + tw ) + 4,8
L’indice di Thom è anche riportato da Griffiths in questa altra forma:
ID = T – 0,55 ( 1 – 0,01 RH )( T – 58 )
Dove t e tw sono temperature espresse in gradi Celsius del termometro
asciutto e di quello bagnato di uno psicrometro, T è la temperatura in
°F e RH è l’umidità relativa. L’indice di Thom è stato ottenuto con
sperimentazioni in camere climatiche su un gran numero di soggetti di
diversa età e sesso. Si è visto che la soglia di disagio per la prima
formula si aggira intorno a id = 24 , fino ad arrivare al vero e proprio
malessere con 28 < id < 30. Si ha una forte incidenza di colpi di calore
per id > 33.
Il caldo-umido nella nostra penisola compare in primavera estate
quando le masse d’aria che provengono da Sud e Sud-Ovest (masseafricane) investono l’Italia. Si tratta di aria molto calda che passando sul mare si è fortemente caricata di umidità. Se si determina la subsidenza di queste masse, per esempio con una cella anticiclonica, il risultato è una zona di grande afa. A contribuire al tutto si aggiunge sempre un forte irraggiamento solare e mancanza di venti che rimescolano gli strati, spesso determinando una inversione termica, con esiti veramente opprimenti. Il periodo peggiore è il bimestre luglio-agosto. Con l’indice di Thom si possono avere informazioni anche orarie e seguire l’evolversi del fenomeno. Secondo analisi condotte nel ’92 nell’Emilia-Romagna, si è riscontrato che l’indice di Thom non ha forti variazioni spostandosi dalla costa all’entroterra; l’unica variazione utile si riscontra quando si sale di quota, bastano già differenze di 300m. Le punte più alte però si registrano solo lontano dal mare ( id>28 ). La brezza di mare serve poco a mitigare le temperature e solo nelle ore pomeridiane. La costa comunque subisce inevitabilmente di notte il vento caldo umido della brezza di terra.
1.2.2 Basse temperature
Per le basse temperature il disagio si fa sentire quando aumenta
l’umidità relativa. Questo perché le microgocce di acqua in
sospensione nell’aria, entrando nei bronchi e depositandosi sulla pelle,
sottraggono calore all’organismo evaporando. La presenza di vento
accelera il processo e acuisce le condizioni di disagio. Vedere anche il
paragrafo 1.1.2 per il windchill e la sua importanza nella
determinazione del disagio termico per le basse temperature a causa
del vento.
Il risultato è una forte perdita di calore da parte dell’organismo,
difficile da fermare anche se ben coperti.
La tavola proposta da Sharlau mette in relazione l’umidità relativa e
la temperatura limite al di sotto della quale si comincia ad avvertire
disagio.
VALORI LIMITE UMIDITA' - TEMPERATURA PER LE CONDIZIONI AMBIENTALI
DI FREDDO-UMIDO IN ASSENZA DI VENTO EFFICACE PROPOSTI DA
SHARLAU
UR 30 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40
T °C 3,5 2,8 2,2 1,8 1,5 0,5 0 -0,3 -0,5 -1,5 -2,5
Tabella 1.5
Se la differenza tra la temperatura locale e la temperatura prevista
dalla tabella per l’umidità locale è positiva allora siamo in condizioni
di benessere.
Se la suddetta differenza è negativa si è in condizioni di disagio
debole, moderato, intenso rispettivamente per scarti minori di 1°C,
minori di 3°C, maggiori di 4°C.Questo indice fornisce un riscontro immediato, anche orario se si vuole, con il quale si possono monitorare ampie zone. Sempre riferendosi a studi condotti nella Pianura Padana nel dicembre ’92, si è visto come vicino alla costa si hanno più facilmente valori negativi, ma nell’entroterra c’è una persistenza del fenomeno per più ore e con valori assoluti più elevati, evidentemente la presenza mitigatrice del mare si fa sentire. 1.3 L’afa Direttamente connessa con l’indice di conforto climatico è l’afa, che può essere sommariamente individuata dai valori eccedenti l’indice di Thom. L’afa mina il rendimento lavorativo e indebolisce la salute delle persone già a rischio. Molti studi hanno cercato di individuare quali fossero i valori di soglia oltre il quali si doveva parlare di “afa”. Sharlau aveva trovato il valore di soglia della pressione di vapore di 14,08 Torr. La soglia secondo altri e secondo uno studio successivo dello stesso studioso, è tra 12 e 14 Torr. Altri fattori contribuiscono alla formazione dell’afa. Molto importante è l’irraggiamento a onde lunghe, e in base all’illuminazione solare e alla copertura nuvolosa è possibile ricavare con certa approssimazione la temperatura equivalente date certe condizioni iniziali.
Il bilancio radiativo durante la giornata estiva fa si che l’aria si riscaldi molto, e la sera si presenta una elevata emissione nelle onde lunghe da parte dell'asfalto, palazzi, e strade. In questo modo la sensazione di afa è molto favorita in città. Quando poi l’insolazione torna allora predominano le onde corte. Come notato da molti studiosi la sensazione di afa è però un dato soggettivo e quindi Leistner ( ’64) e Robitzsch ( ’31) hanno cercato di ovviare il problema con l’introduzione di una temperatura equivalente per la pelle, ma alla temperatura dello strato d’aria che circonda la pelle. Diamo di seguito per completezza degli ulteriori indici di conforto che possono adattarsi a certe condizioni particolari.
Indici di conforto compilati da S. W. Tromp
Nome dell'indice Autore Definizione Fattori inclusi Commenti
Effective Jaglou et al. Temperatura Temperatura
temperature index dell'aria ferma dell'aria, umidità,
(ETI) saturata con vapore velocità dell'aria,
acqueo nella quale i assenza di
soggetti trasporto radiativo
sperimentano una (vestiti)
sensazione di
calore.
Radiation- Vernon La temperatura di Da usarsi solo in
convection- bulbo indica gli ambienti chiusi con
temperature index effetti combinati con poco muovimento
(RTI) la radiazione e d'aria.
convezione del
corpo umano.
Resultant Missenard Migliramento dell' Temperatura
temperature index ETI dell'aria, umidità,
(RTI) radiazione, velocità
dell'aria.
Predicted 4-hour McArdle Tasso di Livello metabolico,
sweat rate index sudorazione due tipi di vestiario
(PSRI) risultante a una invernale o estivo,
esposizone di 4h in temperatura
condizioni fissate. dell'aria, velocità
dell'aria.
Excessive heat Thom and Bosen. Indice di THI=0,4 ( Td + Tw) Td = temp di bulbo
stress index (EHI) temperatura per + 15 ,THI=0.55Td secco in °F, Tw =
or discomfort determinare il + 0.2Tdp + 17.5, temp di bulbo
index massimo disagio THI= Td - (0.55- bagnato in °F, Tdp =
permesso in uffici 0.55RH) x (Td - punto di rugiada in
pubblici. 58). °F.
Heat stress index Belding and Hatch. Effetti del calore su Livello metabolico, HSI = (livello di
(HSI) uomini esposti a radiazione, vapore/livello di vapor
certi ambienti, calore convezione, saturo)x 100.
prodotto dal pressione di
metabolismo vapore, velocità
dell'aria.
Tabella 1.61.4 Come l’uomo e gli animali contrastano le variazioni di temperatura e di umidità L’organismo umano, è in grado di contrastare le variazioni di temperatura dell’ambiente esterno in modo da mantenere costante entro un certo limite la temperatura interna. Questa capacità è detta omeotermia ed è posseduta dai mammiferi e dagli uccelli. La temperatura di 20-25 °C è la media ottimale per un individuo a riposo vestito completamente, con questa temperatura esterna la temperatura corporea interna resta sui 37 °C. La temperatura degli organi interni del corpo umano oscilla normalmente dai 35 ai 40 gradi circa per permettere il corretto funzionamento degli enzimi. Maggiori alterazioni diventano pericolose. Gli arti e le estremità come le orecchie, il naso, le dita possono avere variazioni molto maggiori senza riportare danni. Quando la temperatura esterna non è in quel intervallo ottimale prima detto si può avere un eccessivo guadagno o perdita di calore; in questo caso si mettono in azione i meccanismi di termoregolazione. I meccanismi attraverso i quali si effettua la termoregolazione sono numerosi: l’organo preposto alla termoregolazione è l’ipotalamo che regola tutti i meccanismi come il sudore della pelle per diminuire la temperatura interna o contrazioni muscolari (tremore) per aumentarla, la vasocostrizione e vasodilatazione, l’aumento o diminuzione del metabolismo come la respirazione, la variazione del battito cardiaco, che è in grado di trasportare tramite il sangue maggiore o minore
calore in superficie. Queste sono reazioni involontarie dell’organismo ma ci sono anche quelle volontarie come svestirsi e cercare riparo dal sole, fare una doccia o accendere un ventilatore in caso di eccessivo caldo. In caso di freddo una persona cercherà di coprirsi di più e evitare l’esposizione al vento. Le estremità del corpo sono le zone più esposte alle variazioni di temperatura perché hanno una grande superficie rispetto a un volume più ridotto che non le altre zone del corpo. Ecco perché le dita dei piedi e delle mani, il naso sono le prime parti a congelarsi quando la temperatura si abbassa troppo. Più è piccola la porzione di corpo considerata più è piccolo il numero di cellule che producono calore interessate a quella superficie esposta. La perdita di calore da un solido dipende dalla ampiezza della sua superficie mentre la produzione di calore dei tessuti viventi è proporzionale al volume. Il rapporto superficie-volume è il parametro di confronto più importante, infatti con il diminuire delle dimensioni il rapporto aumenta. Si consideri per esempio un cubo con i lato lungo 100 µm. La sua superficie è di 60000 µm2 e il volume è pari a 1000000 µm3, il rapporto superficie volume è pari a 0,006. Ma se consideriamo un cubo con il lato lungo 10 µm il rapporto superficie volume sarà pari a 0,6 ossia dieci volte il precedente. Dunque le estremità del corpo perdono più calore delle parti più centrali come il tronco.
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