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 cm
2
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 1.2
Se 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/m
2
/ora, e può anche essere
quantizzato con la seguente formula:
K = [( v 100)
1/2
- v +k
1
] (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
k
1
= costante pari a 10.45 che tiene conto del raffreddamento per irraggiamento e
conduzione
Es.
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
congela in 60 s
2500 Intollerabile
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 umidità
del 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 a
causa 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 (masse
africane) 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.
Tabella 1.6
Nome dell'indice Autore Definizione Fattori inclusi Commenti
Effective
temperature index
(ETI)
Jaglou et al. Temperatura
dell'aria ferma
saturata con vapore
acqueo nella quale i
soggetti
sperimentano una
sensazione di
calore.
Temperatura
dell'aria, umidità,
velocità dell'aria,
assenza di
trasporto radiativo
(vestiti)
Radiation-
convection-
temperature index
(RTI)
Vernon La temperatura di
bulbo indica gli
effetti combinati con
la radiazione e
convezione del
corpo umano.
Da usarsi solo in
ambienti chiusi con
poco muovimento
d'aria.
Resultant
temperature index
(RTI)
Missenard Migliramento dell'
ETI
Temperatura
dell'aria, umidità,
radiazione, velocità
dell'aria.
Predicted 4-hour
sweat rate index
(PSRI)
McArdle Tasso di
sudorazione
risultante a una
esposizone di 4h in
condizioni fissate.
Livello metabolico,
due tipi di vestiario
invernale o estivo,
temperatura
dell'aria, velocità
dell'aria.
Excessive heat
stress index (EHI)
or discomfort
index
Thom and Bosen. Indice di
temperatura per
determinare il
massimo disagio
permesso in uffici
pubblici.
THI=0,4 ( Td + Tw)
+ 15 ,THI=0.55Td
+ 0.2Tdp + 17.5,
THI= Td - (0.55-
0.55RH) x (Td -
58).
Td = temp di bulbo
secco in °F, Tw =
temp di bulbo
bagnato in °F, Tdp =
punto di rugiada in
°F.
Heat stress index
(HSI)
Belding and Hatch. Effetti del calore su
uomini esposti a
certi ambienti, calore
prodotto dal
metabolismo
Livello metabolico,
radiazione,
convezione,
pressione di
vapore, velocità
dell'aria.
HSI = (livello di
vapore/livello di vapor
saturo)x 100.
Indici di conforto compilati da S. W. Tromp
1.4 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 µ m. La sua
superficie è di 60000 µ m
2
e il volume è pari a 1000000 µ m
3
, il
rapporto superficie volume è pari a 0,006. Ma se consideriamo un
cubo con il lato lungo 10 µ m 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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