Adam Skrzypkowski FIZJOLOGIA I TRENING LOTNICZY

Transkrypt

1 Adam Skrzypkowski FIZJOLOGIA I TRENING LOTNICZY Warszawa 2012

2 2

3 3 SPIS TREŚCI Wstęp Rozdział I. Atmosfera ziemska 9 1. Troposfera Stratosfera Mezosfera, Termosfera, Egzosfera Wzorzec atmosfery ziemskiej Ciśnienie atmosferyczne..18 Rozdział II. Oddychanie Wentylacja płucna Dyfuzja gazów pomiędzy powietrzem pęcherzykowym a krwią Transport gazów za pośrednictwem krwi Dyfuzja gazów pomiędzy krwią a komórkami Oddychanie wewnętrzne Możliwości przystosowawcze układu oddechowego Trening oddechowy Rozdział III. Wybrane problemy przebywania w środowisku niedotlenienia wysokościowego mające związek z lotnictwem lekkim Meteoropatia Rozdział IV. Fizjopatologia w przestrzeni lotniczej Wybrane choroby związane ze zmianami ciśnienia atmosferycznego Dynamika gazów w anatomicznych jamach ciała Barodontalgia Zator gazowy i choroba dekompresyjna.. 62 Rozdział V. Niedotlenienie Lotnicze zabezpieczenia wystąpienia niedotlenienia i podział hipoksji Trwałe zwiększenie tolerancji organizmu na niedobory tlenu. 77 Rozdział VI. Fizjopatologia zmian ciśnienia atmosferycznego występujących w lotnictwie Rozdział VII. Zapobieganie niedotlenieniu wysokościowemu. Nadciśnienie oddechowe Oddychanie tlenem w lotnictwie.. 85 Rozdział VIII. Fizjopatologia lotów wysokościowych Indywidualne wysokościowe wyposażenie pilota Lotnicza aparatura tlenowa System awaryjnego opuszczania samolotu Rozdział IX. Biofizyka przyspieszeń Rozdział X. Zastosowanie symulatorów w aspekcie medycyny lotniczej Rozdział XI. Treningowy symulator lotniczo lekarski; komora niskich ciśnień (KNC) Komora niskich ciśnień z nagłą dekompresją Rozdział XII. Trening lotniczy z zastosowaniem wirówki przeciążeniowej jako symulatora lotniczego Manewry przeciwprzeciążeniowe Treningowy symulator lotniczo lekarski; wirówka przeciążeniowa Rozdział XIII. Temperatura w środowisku pracy lotnika. Termobarokomora Klasyfikacja środowiska termicznego Termobarokomora Gwałtowna zmiana temperatury (uraz termiczny) Badanie warunków termicznych Rozdział XIV. Reakcja organizmu człowieka na promieniowanie słoneczne. 152 Rozdział XV. Hałas Rozdział XVI. TOKSYKOLOGIA Kontakt człowieka z różnymi (wybranymi) czynnikami toksycznymi znajdującymi się w środowisku lotniczym.. 172

4 4 Rozdział XVII. Lotnictwo vs ekologia Rozdział XVIII. Obrona przed terroryzmem w lotnictwie Terroryzm żywnościowy 194 Rozdział XIX. Wpływ wibracji na organizm człowieka Wibracja w lotnictwie Profilaktyka i trening antywibracyjny Rozdział XX. Trening fizyczny lotników Trening wibracyjny Trening fizyczny zwiększający tolerancję wibracji 228 Rozdział XXI. Treningi lotniczo lekarskie umożliwiające łagodzenie lub wygaszanie czynników zmniejszających fizjologiczną tolerancję środowiska lotniczego Rozdział XXII. Fizjopatologia widzenia i trening noktowizyjny Fizjopatologia widzenia w warunkach lotu Widzenie w warunkach fizjologicznie nieodpowiedniego oświetlenia. Noktowizja Wpływ oświetlenia na wydajność pracy Trening wzrokowy.258 Rozdział XXIII. Trening zdrowotny i zawodowy Rozdział XXIV. Trening lotniczej ewakuacji medycznej Podstawowy trening ewakuacji medycznej Rozdział XXV. Strach przed lataniem.276 Rozdział XXVI. Bezpieczeństwo w lotnictwie Rozdział XXVII. Wybrane problemy stomatologiczne związane z lotnictwem Wpływ przeciążenia lotniczego na postępowanie dentystyczne Okresowe badanie układu stomatognatycznego u personelu latającego Hipotetyczne rangowanie pozyskiwanych informacji orzeczniczych podczas badania składowych US Jak często badać kompleksową sprawność ruchową US? Podstawowe informacje ogólne dotyczące badania orzeczniczego lotników z zakresu stomatologii Zapobieganie stomatologiczne..313 Rozdział XXVIII. Wybrane wiadomości dotyczące orzecznictwa lotniczo lekarskiego oraz licencjonowania lotniczego Organizacja Międzynarodowego Lotnictwa Cywilnego (licencjonowanie). 331 Rozdział XXIX Higiena lotnicza (wybrane zagadnienia) Higiena środowiskowa lotnicza XXX. Porady dla podróżnych Zagrożenie wystąpienia pogorszenia zdrowia podczas planowanej podróży lotniczej Przeciwwskazania medyczne do odbywania podróży lotniczych Podróż lotnicza Spis rycin i tabel...363

5 5

6 6 Wstęp Fizjologiczna odpowiedź organizmu człowieka na warunki przebywania w przestrzeni ponadziemskiej zależy od wielu czynników. Część z nich jest niezależna, a część zależna od aeronauty. W tym opracowaniu opisywane będą wybrane czynniki warunkujące bezpieczną pracę w powietrzu, które mogą być kształtowane przez człowieka. Wyjaśnieniem ustrojowych mechanizmów adaptacyjnych zajmuje się medycyna lotnicza, która stanowi dział medycyny zajmujący się przebywaniem i pracą człowieka w szczególnych warunkach przestrzeni wokółziemskiej. Jednocześnie jest ona specjalnością medyczną badającą i analizującą zaburzenia organizmu wyzwalane lub nasilone odbywaniem lotu statkiem powietrznym, w tym bezpiecznej ewakuacji lotniczej chorych lub rannych. Według słownika terminów i definicji NATO (AAP-6; 2005), medycyna lotnicza to dziedzina nauk medycznych związana ze specyficznymi biologicznymi i psychologicznymi problemami personelu latającego. Powiązanie wiedzy lotniczej z medyczną ułatwia zrozumienie wielu procesów fizjologicznych związanych z pracą w zmiennych warunkach fizycznych a w tym również grawitacji oraz przyspieszeń. Pozwala na jednoczesne analizowanie ekstremalnych problemów medycznych z fizycznymi oraz psychologicznymi. Ważnym jest również poznanie zależności pomiędzy opornością ustroju na ekstremalne warunki pracy a ogólną zdrowotnością w optymalnej tężyźnie fizycznej. Potrzeba taka może wynikać i z tego, że w tych właśnie zależnościach doszukiwać się można dróg, które umożliwiają kierowanie procesami adaptacyjnymi zależnymi od człowieka. Umiejętnie zaplanowany oraz realizowany trening może podwyższać fizjologiczne możliwości organizmu na przebywanie i pracę w niekorzystnym dla człowieka środowisku, jakim jest atmosfera ziemska lub przestrzeń kosmiczna. Podstawy fizjologii, jako działu medycyny lotniczej, powinni poznać wszyscy pasjonaci lotnictwa, a także żeglujący w przestworzach. Szkolenie, w pełnym lub podstawowym zakresie, powinno dotyczyć nie tylko personelu naziemnego (tzw. służb lotniskowych), ale ludzi często odbywających podróże lotnicze zarówno turystyczne, jak i zawodowe (biznesowe). Zasięg oddziaływania lotnictwa, z medycznego punktu widzenia, jest większy niż tylko jako fizyczny środek transportu ludzi lub towarów. Lotnictwo medyczne skracając relacje lekarz pacjent lecznica, znakomicie poprawia efekty terapeutyczne. Rozmach wiedzy lotniczej można rozpatrywać w przedziale: od ekologii powiązanej z sozologią przestrzeni powietrznej (nauka o ochronie środowiska naturalnego) do łagodzenia niedogodności podróży lotniczej czyniąc ją coraz bardziej sprzyjającą człowiekowi. Równie ważną, choć czasami epizodyczną, jest rola w ratowaniu życia poprzez podejmowanie i bezpieczne ewakuowanie porażonych w wyniku katastrof, klęsk żywiołowych i z obszarów dotkniętych wojną lub terroryzmem. Ważnym oddziaływaniem zapobiegawczym jest niezbędna edukacja podstaw medycyny lotniczej skierowana do wspinaczy (wyczynowych i amatorów) oraz ratowników wysokogórskich. Zagadnienie to dotyczy również szeroko rozumianych sportów wykorzystujących przestrzeń powietrzną do celów wyczynowych a także rekreacyjnych. Tak, więc wiedza z zakresu medycyny (fizjologii) lotniczej ułatwia przewidywanie, planowanie i formowanie zastępów szybkiego reagowania, a pozostających w stałej gotowości do działań ratowniczych. Szkolenie z zakresu podstaw fizjologii lotniczej, ułatwia uzyskiwanie sukcesów związanych nie tylko z transportem lotniczym, ale również z bezpieczną obsługą powietrznego środowiska pracy (np. prace/usługi na wysokościach; alpinizm przemysłowy, dźwigi budowlane, oraz bezpieczeństwo pionowych szlaków komunikacyjnych).

7 7 Przestrzeń lotnicza jest ok. 8%-owym fragmentem wokółziemskiej otuliny powietrznej umożliwiającym masowy i bezpieczny transport lotniczy. Wykorzystanie statków powietrznych staje się coraz bardziej dostępne, zarówno w transporcie lokalnym, jak i globalnym. Lotnictwo może kreować istotne korzyści ekonomiczne, ale może jednocześnie przyczyniać się do zmian klimatycznych, co istotnie spłyca ekonomiczną wartość lotów. Zmniejszaniem negatywnego wpływu lotnictwa na środowisko może być uzyskanie 70% wydajności paliwa lotniczego (mniej spalin). Osiągnięcie to nie zadawala, bowiem znakomita wydajność w połączeniu z 400% wzrostem rejsów, czyli proporcjonalnie zwiększenie spalanego paliwa; budzi zaniepokojenie ekonomistów oraz ekologów. Ekologiczną troskę pogłębia narastające zapotrzebowanie na transport lotniczy, w tempie około 50% rocznie. Sytuacja taka sprzyja narastaniu emisji gazów cieplarnianych pochodzenia lotniczego. Niepokój ten łagodzą dane dotyczące efektywności wykorzystania miejsc, która to efektywność w transporcie powietrznym wynosi ponad 80% a w samochodowym ok. 40%. Można przyjąć, że lotnictwo wbrew obiegowym opiniom nie jest gałęzią transportu szczególnie nieprzyjazną środowisku. Generuje podobne lub mniejsze ilości (na pasażerokilometr) szkodliwych substancji do atmosfery w porównaniu z transportem samochodowym. Lotnictwo zaliczane jest do globalnego środka transportu w coraz bardziej wspólnej, czyli międzynarodowej przestrzeni lotniczej. W Polsce sukcesywnie wzrasta dostępność (mierzona przepustowością portów lotniczych) transportu lotniczego zarówno ludzi jak i towarów. Zatem można prognozować narastanie wypracowywania coraz bardziej skutecznych działań oświatowych, zapobiegawczych, leczniczych a dotyczących: załóg lotniczych, służb lotniskowych, pasażerów, chorych i poszkodowanych. Pośrednio, poprzez stałe nadzorowanie światowego transportu, odbywa się monitorowanie skutków środowiskowych lotnictwa w lokalnym i globalnym wymiarze. Powszechność transportu lotniczego wiąże się z coraz częściej słyszanym pytaniem kapitana statku powietrznego czy na pokładzie znajduje się lekarz? Wówczas może pojawić się pytanie czy typowe naziemne postępowanie lekarskie jest, a może będzie równoznaczne z terapią w warunkach przestrzeni lotniczej a może niedługo i kosmicznej? Narastający i coraz mniej ograniczany dostęp człowieka do przestrzeni pozaziemskiej nasuwa logiczne przypuszczenie zwiększania zapotrzebowania na medyczne szkolenie z zakresu bezpieczeństwa podróży lotniczej. Bezpieczeństwo człowieka w przestrzeni powietrznej dotyczy nie tylko lotu, ale zespołów wielu specjalistów, planistów i wykonawców naziemnych przygotowujących bazę, statek powietrzny oraz załogę do wykonywania pracy w powietrzu. Odnośnie lotników, bezpieczny lot warunkuje skuteczne nauczanie oraz permanentny trening zawodowy a także wydolnościowy. Tak rozumiane nabywanie wiedzy z zakresu podstaw medycyny (fizjologii) lotniczej dotyczy nie tylko lekarzy, ratowników, zastępów medycznego personelu pomocniczego, ale również szeroko rozumianego personelu poszukiwawczo ratowniczego likwidującego skutki terroryzmu oraz klęsk żywiołowych czy zabezpieczających działania militarne a także w bardziej uogólnionej formie dla pasażerów i zespołów pracujących na pokładzie statków powietrznych. Rozszerzenie ukierunkowanego szkolenia z zakresu medycyny przestrzeni powietrznej dotyczy zawodów wykonywanych na rzecz lotnictwa jak: kontrolerów ruchu lotniczego, lekarzy i ratowników transportujących pacjentów drogą powietrzną, załóg lotniczych. Wiedza z zakresu fizjologicznych reakcji ustroju na warunki wysokościowe, ich aktywizowanie lub hamowanie z zaniedbania, dotyczyć powinna wspinaczy wysokogórskich, personelu technicznego lub naukowego korzystającego z pokładu statku powietrznego jako platformy badawczej.

8 8 Bezpieczeństwo tzw. czynnika ludzkiego w przestrzeni powietrznej wymaga odpowiedniej wiedzy okresowo uzupełnianej oraz weryfikowanej treningiem w naziemnych symulatorach zarówno lotniczych jak i medycznych. Trening wydolnościowy z wykorzystaniem urządzeń pomocniczych można uznać za optymalny dla uzyskania oczekiwanej tężyzny fizycznej. Natomiast trening lotniczy z zastosowaniem symulatorów lotu nie jest równoznaczny z odbywaniem szkolenia, ale doskonalenia lotniczego. Trening taki uczy zachowań w symulowanych a nie w rzeczywistych warunkach ekstremalnych. Korzyść takiego nauczania wynika z zapamiętywania określonych czynności optymalnych dla symulowanych utrudnień lotniczych, które w szczególnych warunkach mogą być szybko wykorzystane bez namysłu, jako najlepsza odpowiedź na pytanie: co należy teraz czynić? Nauczenie i trenowanie standardów wykonawczych odpowiednich do symulowanych warunków ułatwia szybkie podejmowanie trafnych decyzji, co w bezpiecznym wykonywaniu lotów w trudnych warunkach ma zasadnicze znaczenie dla pomyślnego wykonania zadania lotniczego. Opracowanie to zawiera podstawowe wiadomości z zakresu fizjologii odnoszonej do pracy w powietrzu, treningu wydolnościowego oraz zawodowego. Stanowić może podstawę do tworzenia programu szkolenia modułowego o charakterze uniwersalnym skierowanym do dyplomowanych medyków, lotników, a także kandydatów do nauczania lotniczego. Umożliwia wskazanie pewnych rozdziałów, jako konieczne a łagodne potraktowanie innych; zależnie od potrzeb kształcenia i praktyki zawodowej różnych zbiorowości. Zaletą takiego szkolenia jest podporządkowanie oczekiwanych wyników nauczania do wcześniej założonych celów. Mniejsze znaczenie w tym procesie mają procedury szkolenia tradycyjnego: metoda, środki, miejsce realizacji, czas trwania. W systemie modułowym przyjmuje się, iż punktem odniesienia przy opracowywaniu programów jest uczący się w ramach samokształcenia. Nauczyciel staje się wówczas konsultantem, instruktorem albo przewodnikiem oceniającym czy też wskazującym źródła nabywania określonej wiedzy. Moduł jako niezależna i mierzalna część programu nauczania może być wykorzystany w różnych układach jako: element kształtowania umiejętności ogólnych jednocześnie wspólnych dla określonej zbiorowości nie tylko zawodowej ale i wykonawczej (np. lotnicy zawodowi i rekreacyjni), fragment programu szkolenia zawodowego stacjonarnego, zaocznego albo samokształcenia, etap różnych poziomów szkolenia i doszkalania zawodowego nie tylko lotników ale także lotniczego personelu naziemnego, pośród nich lekarzy, ratowników czy osób wykonujących różne czynności w przestrzeni ponadziemskiej. Zamysłem autora było opracowanie bardziej praktyczne niż naukowe łatwo przyswajalnego zasobu wiadomości dotyczącego wybranych zagadnień z zakresu fizjologii człowieka oraz treningu wydolnościowego. Opisane zagadnienia mogą stanowić fragment modułowego programu nauczania studentów i pracowników związanych z wykonywaniem czynności zawodowych w środowisku lotniczym. Wydaje się, że treści tej publikacji mogą sprzyjać efektywnemu samokształceniu nie tylko lotników i medyków, ale i pasjonatów lotnictwa. Adam Skrzypkowski

9 I. Atmosfera ziemska 9 Wznoszenie się człowieka ponad poziom morza oznacza potrzebę dostosowania lub zabezpieczenia organizmu człowieka do przebywania w niesprzyjającej przestrzeni. Wiedza dotycząca atmosfery ziemskiej ułatwia organizację bezpiecznej pracę w warunkach wysokościowych lub podróży statkiem powietrznym. Atmosfera ziemska oznacza gazową powłokę otaczającą Ziemię. Masa jej wynosi 5,15 x t. Około 50% tej masy mieści się w dolnych 5 km, a 48% do wysokości 20 km. Natomiast ok. 1% do m, <1% pozostaje w wyższych warstwach. Gęstość atmosfery zmienia się w zależności od ciśnienia (odległości od powierzchni Ziemi) i temperatury. Przyjmuje się, że gęstość powietrza przy powierzchni Ziemi wynosi ok. 1250g/cm 3 (w umiarkowanych szerokościach geograficznych), na wysokości 5 000m około 735g/cm 3. Na wysokości ok m, z powodu zbyt małej gęstości nie występują efektywne siły aerodynamiczne, zatem obiekty łatające w tej przestrzeni muszą być wyposażone w silniki rakietowe. Na poziomie morza ciśnienie atmosfery ziemskiej wynosi 1013 hpa, czyli 760mmHg. Atmosfera charakteryzuje się dynamiką wielu skomplikowanych i powiązanych ze sobą procesów. Niewielkie zakłócenie jednego z nich może powodować zmiany stanu atmosfery i ziemskiego środowiska naturalnego. Cywilizacja nie sprzyja bilansowaniu dynamiki atmosfery, bowiem wytwarza sztuczne źródła emisji pyłów i gazów. Podstawowe zanieczyszczenia atmosfery to: dwutlenek siarki SO 2, tlenki azotu: NO, NO 2, tlenek węgla CO, węglowodory, pyły, zawierające metale ciężkie (Pb, Ni, Cd, Cu). Ziemska powłoka gazowa składa się z mieszaniny gazów, chemicznie na siebie niedziałających, i nazywana jest powietrzem. Powietrze składa się z: azotu (78,09%); tlenu (20,95%); gazów lekkich: wodór, hel, neon, krypton, ksenon; oraz: dwutlenku węgla; pary wodnej, której zawartość jest zmienna (od prawie 0% w obszarach polarnych, do 4% w strefie równikowej); innych gazów jak: związki amoniaku, tlenki azotu, związki siarki. Ziemska powłoka gazowa jest wystarczająca do prawidłowych czynności oddechowych zdrowego człowieka bytującego w zwykłych warunkach ziemskich. Atmosfera ziemska poza powyższym składem posiada liczne zmienne domieszki, zalicza się do nich: pyły pochodzenia organicznego (aerozole): bakterie, pyłki roślin, zarodniki; pyły nieorganiczne: sadza, popiół, dymy przemysłowe; cząstki soli morskiej; produkty rozpadu radioaktywnego; gazy spalinowe. Górna granica atmosfery nie jest wyraźnie zaznaczona i łagodnie przechodzi w przestrzeń międzyplanetarną. Warstwa ta jest układem dynamicznym, w którym zachodzą przemieszczenia mas powietrza, wywoływane energią promieniowania słonecznego. Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych, zależą od wysokości, zatem nie stanowi warstwa ta jako całość, powłoki jednorodnej. Aktywność biologiczna ustroju człowieka zależna jest, w różnym stopniu, od zmian w biosferze, czyli w ziemskiej strefie życia. Zmiany fizyczne, chemiczne i meteorologiczne, zachodzące w atmosferze ziemskiej mogą sprzyjać lub utrudniać pracę człowieka w zwykłych warunkach ziemskich, tj przy średnim ciśnieniu atmosferycznym, wynoszącym na poziomie morza (n.p.m.) 1013,25 hpa (1 atmosfera). Zmiany zawartości tlenu, w powietrzu oddechowym, a także gradient ciśnienia atmosferycznego środowiska zaburzają wydolność organizmu człowieka. Organizm ludzki lepiej toleruje przebywanie na wysokości strefy życia tj do ok m., niż przebywanie pod wodą, nawet na niewielkich (w porównaniu z wysokością) głębokościach (ryc.1). Warunki ekstremalne (np. kosmiczne) zwiększają zagrożenie polegające na niewłaściwym lub dramatycznie złym wykonywaniu niezbędnych czynności. Od 1978 r. w

10 10 Wojskowym Instytucie Medycyny Lotniczej możliwe jest diagnozowanie i programowanie treningu wydolności organizmu człowieka w ekstremalnych warunkach. Możliwości takie stwarza urządzenie Fizjotest, które wykorzystywano podczas II lotu kosmicznego w ramach programu Interkosmos (od 27 czerwca do 5 lipca 1978). Lot ten na pokładzie statku kosmicznego Sojuz 30 na stację orbitalną stację Salut 6 odbyli kosmonauci M. Hermaszewski i P. Klimuk. Strefa śmierci mnpm; Tlen < 60% Strefa krytyczna mnpm; Tlen 70-60% Strefa niepełnej kompensacji mnpm; Tlen 87-70% Strefa pełnej kompensacji mnpm; Tlen 94 87% Strefa obojętna mnpm Ciśnienie 4 atm Strefa śmierci Do m Okręty podwodne Batyskafy do m Ryc. 1. Zależności między wysokością nad i poniżej poziomu morza, ciśnieniem oraz możliwości przetrwania organizmu człowieka (Wartości procentowe przy oznaczeniu Tlen wyrażają procentowe wysycenie tlenem krwi) Ze względu na skład chemiczny atmosferę ziemską dzieli się na:

11 11 homosferę (do ok m n.p.m.) charakteryzującą się stałym składem chemicznym (z wyjątkiem pary wodnej i gazów śladowych); heterosferę rozciągającą się powyżej homosfery ze zmiennym składem chemicznym. Dla celów dydaktycznych (ze znacznym uproszczeniem) przyjmuje się skład atmosfery ziemskiej, od poziomu morza do wysokości ok m n.p.m., za stały. Bliżej powierzchni ziemi ulega pewnemu zakłóceniu poprzez oddziaływanie człowieka. Zmiany w składzie atmosfery zależą nie tylko od człowieka (np. wyziewy przemysłowe), ale również od zjawisk przyrodniczych (np. aktywność wulkanów i gejzerów) Atmosfera ziemska ma budowę warstwową i koncentryczną (bez wyraźnie zaznaczonych granic). Podział na poszczególne warstwy (ryc. 2) jest umowny. Przyjmując za kryterium podziału pionowy rozkład temperatur wyróżnia się: troposferę, stratosferę, mezosferę, termosferę, egzosferę (ryc. 3). Trzy pierwsze warstwy (mimo różnic pomiędzy nimi) cechują się: stałym składem chemicznym, identycznymi procesami hydrodynamicznymi, analogiczną masą cząsteczkową składników powietrza; za wyjątkiem: o pary wodnej, występującej głównie w warstwie do 10 km, o ozonu, który występuje na wysokości ok. 25 do 30 km (ozonosfera). 1. Troposfera Troposfera stanowi warstwę bezpośrednio przylegającą do powierzchni Ziemi. Grubość jej zależy od szerokości geograficznej, co związane jest z ugięciem elipsoidalnego obrysu ziemskiego (ryc. 2). Inna zależność dotyczy ciepłoty, związana ona jest z tym, że na równiku nasłonecznienie jest większe niż na innych szerokościach geograficznych; i tutaj właśnie grubość jest największa. W okolicach biegunów występuje najmniejsze nasłonecznienie, tym samym najmniejsze kumulowanie energii cieplnej pochodzenia słonecznego. Zachodzą w niej wszystkie procesy wpływające na kształtowanie się pogody. Pogoda jest pojęciem umownym, stosowanym w celu określenia krótkotrwałych zmian w dolnej warstwie atmosfery. Jej stan określają składniki pogody, (czyli fizyczne właściwości troposfery): temperatura powietrza, ciśnienie atmosferyczne, wilgotność, siła i kierunek wiatru, zachmurzenie i rodzaj chmur, opady i osady atmosferyczne; ich rodzaj i wielkość, zjawiska atmosferyczne np. burze, ostatnio podaje się także stężenie alergenów w powietrzu. W tej to warstwie skupiona jest przeważająca część masy powietrza atmosferycznego oraz 99% pary wodnej. W związku z inwersją temperatury oraz kondensacją pary wodnej, tutaj właśnie tworzą się warunki wpływające na pogodę i klimat Ziemi. Zależnie od szerokości geograficznej, można przyjąć następujące grubości troposfery: nad biegunami od do m.; nad umiarkowanymi szerokościami geograficznymi od do m.; nad równikiem od do m. Przyjmuje się, że spadek temperatury powietrza jest w prostej zależności od wysokości i wynosi średnio 2 0 C, co 300 m przyrostu odległości od powierzchni ziemi. Temperatura górnej granicy troposfery jest zróżnicowana i zależy od szerokości geograficznej, pory roku oraz wysokości, ogólnie zawiera się w przedziale wielkości od - 50 C do - 80 C. Zasadnicze cechy troposfery są następujące: dominująca (ok. 99%) zawartość atmosferycznej pary wodnej; inwersja temperatury; występowanie następujących zjawisk przyrody: zachmurzenie, mgły, opady, burze; spadek temperatury proporcjonalny do narastania wysokości, średnio o 0,6-1,0 C na 100 metrów.

12 Dalsze warstwy atmosfery ziemskiej 12 TERMOSFERA m HETEROSFERA MEZOSFERA JONOSFERA S t r a t o p a u z a m m HOMOSFERA OZONOSFERA STRATOSFERA T r o p o p a u z a m m TROPOSFERA m m Ryc. 2. Warstwy atmosfery ziemskiej

13 13 W troposferze występują różne zjawiska atmosferyczne, takie jak: chmury (wszystkie typy), wiatry, wyładowania elektryczne. Wraz z wysokością maleją: ciśnienie, temperatura i wilgotność. km Wzrost do ok C Termosfera 80 Mezopauza 70 Mezosfera Stratopauza 40 Stratosfera Tropopauza 10 Troposfera 0 (-) (+) 0 C Ryc. 3. Schemat podziału atmosfery ziemskiej na warstwy, według rozkładu temperatur w zależności od wysokości

14 14 2. Stratosfera, Mezosfera, Termosfera, Egzosfera Stratosfera (ryc. 2 oraz 3) to warstwa atmosfery ziemskiej leżąca nad troposferą a oddzielona od niej tropopauzą. Stanowi warstwę powietrza rozciągająca się do wysokości ok m. Charakteryzuje się, dość stałą temperaturą i niewielką zawartością pary wodnej. Występuje tutaj inwersja temperatur. W dolnej części stratosfery, do wysokości ok metrów, temperatura utrzymuje się na poziomie C. Natomiast w górnej warstwie występują temperatury powyżej zera stopni C. Jest to spowodowane zachodzącymi w tej warstwie reakcjami rozpadu tlenu. W stratosferze znajduje się warstwa ozonowa (O 3) filtrująca promienie ultrafioletowe docierające do Ziemi ze Słońca (ozon pochłania promieniowanie ultrafioletowe, dochodzące ze Słońca, i zamienia je na ciepło). Skupia około 21% masy powietrza. Mała zawartość pary wodnej powoduje, że nie występują w niej zjawiska pogody takie jak: opady, burze. Jednak niekiedy na wysokości ok. 25 km obserwuje się obłoki iryzujące (cienkie chmury tęczowe o kształcie soczewkowatym, czasami występujące na wysokości km nad Szkocją i na Alasce; (nie mylić z obłokami świecącymi występującymi nocą, nad obszarami pomiędzy 45 0 N a 75 0 N; na wysokościach km o barwie niebieskawej lub srebrzystej, kształtem przypominającym woal, wstęgi, kurtyny). Stratosferę oddziela od wyżej leżącej mezosfery warstwa przejściowa o nazwie Stratopauza. Troposfera i stratosfera stanowią bardzo wygodną przestrzeń dla lotnictwa Transport lotniczy odbywa się najczęściej na wysokościach do m.n.p.m. Lotnictwo wprowadza do przestrzeni, znajdującej się pomiędzy górną troposferą i niższą stratosferą, parę wodną oraz produkty spalania takie jak: dwutlenek węgla (CO 2), tlenki azotu (NO x), tlenki siarki (SO x) i sadzę. Wzbogacanie stratosfery w parę wodną zwiększa prawdopodobieństwo tworzenia się chmur Cirrus, które wychwytują ciepło wypromieniowywane przez Ziemię i w ten sposób przyczyniają się do globalnego ocieplenia. Tlenki azotu ze spalin samolotowych biorą udział w niszczeniu ozonu stratosferycznego (powstawanie dziury ozonowej ). Współcześnie przyjmuje się, że samoloty dostarczają około 3% globalnej emisji gazów cieplarnianych. Mezosfera jest to warstwa atmosfery ziemskiej rozciągająca się od wysokości km do ok. 80 km n.p.m., w której temperatura powietrza maleje wraz z wysokością w przedziale wielkości od 0 0 C do C. Na jej górnej granicy ciśnienie jest 200 razy niższe niż przy powierzchni Ziemi. Przyjmuje się, że do tej właśnie wysokości zawiera się prawie cała masy atmosfery. Na wysokości ok kilometrów rozciąga się strefa przejściowa zwana mezopauzą o temperaturze ok C (ryc. 3). Termosfera Najwyższa warstwa atmosfery. Charakteryzuje się narastaniem temperatury, zależną od aktywności Słońca. W czasie oświetlenia promieniami słonecznymi temperatura osiąga ok C. W nocy opada do ok C. Grubość tej warstwy wynosi ok. 700 km. Egzosfera jest najwyższą warstwą atmosfery ziemskiej, leżąca powyżej km n.p.m. Charakteryzuje się bardzo małą gęstością i wysokimi temperaturami. Atomy gazów poruszają się w niej z dużymi prędkościami nie zderzając się ze sobą. Niektóre cząstki gazów mogą uchodzić do przestrzeni międzyplanetarnej. Praktycznie jest to przestrzeń kosmiczna, w której atomy poruszają się po swobodnych trajektoriach. Nazywana bywa sferą rozpraszania. Powyżej egzosfery występuje otwarta przestrzeń kosmiczna Atmosfera ziemska rozprasza i pochłania promieniowanie słoneczne przez zawarte w niej aerozole, hydrometeory oraz cząsteczki gazów. Właściwość ta ma istotne znaczenie w

15 15 pomiarze stałej słonecznej, która wpływa na zmiany klimatyczne Ziemi. Dla lotnictwa ważną jest wiedza dotycząca wpływu fluktuacji stałej słonecznej na tworzenie się chmur. 50 km 20 km Rycina 4. Schematyczny obraz optymalnych możliwości wykorzystania różnych wysokości przez wspinaczy górskich, statki powietrzne i balony meteorologiczne w warstwach atmosfery 3. Wzorzec atmosfery ziemskiej Atmosfera wzorcowa lub standardowa albo normalna (International Standard Atmosphere ISA) jest pojęciem teoretycznym i umownym. Dla celów dydaktycznych w zakresie podstaw medycyny lotniczej można przyjąć za wystarczający uproszczony skład atmosfery (ryc. 5). Znaczna zmienność atmosfery, była powodem opracowania standardów rozumianych i stosowanych globalnie. W 1964 roku ICAO (International Civil Aviation

16 16 Organization) upowszechniła definicję atmosfery standardowej, którą określają następujące parametry: Powietrze jest suchym gazem wolnym od kurzu o następującym składzie procentowym: o Azot 78,09% o Tlen 20,95% o Argon 0,93% o Dwutlenek węgla 0,03% o Neon 1,83 x o Hel 5,24 x o Krypton 1,14 x o Wodór 5,00 x o Ksenon 8,7 x Ciśnienie atmosferyczne, na poziomie morza, wynosi, 760 mmhg, co oznacza 1,01325 MPa. Gęstość atmosfery, na poziomie morza, wynosi 1,225 kg/m 3 Względna masa cząsteczkowa, na poziomie morza, wynosi 28,9644 Wartość przyspieszenia ziemskiego jest stała i wynosi 9,80665 m/s 2 Zakres temperatur jest zależny od wysokości i wynosi C; na poziomie morza. Atmosfera ziemska 78% 21% 1% Azot Tlen Para wodna i inne gazy Ryc. 5 Uproszczony skład atmosfery ziemskiej Atmosfera standardowa odpowiada naturalnej atmosferze ziemskiej występującej na 45 0 szerokości geograficznej północnej. Atmosfera standardowa (wzorcowa) wyraża umowną zależność średnich wartości ciśnienia, temperatury i gęstości powietrza od wysokości ponad poziomem morza. Wykorzystywana jest w lotnictwie jako wzorzec przy porównywaniu wyników badań osiągów statków powietrznych, silników lotniczych i rakiet, a także do skalowania przyrządów pokładowych. Powłoka gazowa otaczająca Ziemię, utrzymywana jest przy powierzchni przez grawitację planety. Ogrzewa ona powierzchnię Ziemi i zmniejsza różnice temperatur między

17 17 dniem i nocą. Pozwala na istnienie różnorodnego życia. Dostarcza substancji niezbędnych do życia. Atmosfera i część skorupy ziemskiej (środowisko lądowe i wodne) określana jest mianem biosfera. Biosfera (sfera biotyczna), czyli strefa życia, zamieszkała jest przez organizmy żywe. Stanowi powierzchnię oraz cienką warstwę skorupy ziemskiej (litosfera), łącznie ze środowiskiem życia organizmów; niemal cały kompleks wodny, czyli hydrosferę. Powyżej unoszone są biernie: bakterie, zarodniki i drobne owady. Biosfera najczęściej rozumiana jest jako: Zbiór organizmów żywych z ich biomasą i zajmowaną przestrzenią System ekologiczny z atmosferą, wodami i procesami biochemicznymi zachodzącymi w skorupie ziemskiej Granice biosfery nie są jednoznacznie określone. Większość organizmów żyje do ok. 100 m wysokości w atmosferze, 150 m w głąb wody i 3 m w głąb gleby. Zasięgi maksymalne są osiągane jedynie przez utajone formy życia tj. nasiona, zarodniki, które można spotkać do kilkunastu kilometrów wysokości. Optymalne warunki życia w biosferze warunkują: Efekt cieplarniany Smog Rozrzedzenie ozonowe, tzw. dziura ozonowa Efekt cieplarniany jest skutkiem podwyższania się temperatury atmosfery spowodowanym wzrostem stężenia w powietrzu: tlenku węgla, tlenków azotu, metanu i innych węglowodorów, a także pary wodnej. Powstała w ten sposób warstwa zatrzymuje wysłane przez Ziemię ku kosmosowi promieniowanie cieplne (podobnie jak w szklarni). Smog tworzą zanieczyszczenia powietrza unoszące się nad aglomeracjami miejskimi i okręgami przemysłowymi przy inwersji temperatury i braku ruchów powietrza. Wyróżnia się: Smog fotochemiczny spowodowany wzrostem stężenia tlenków azotu, węglowodorów i innych składników pochodzących ze spalin samochodowych, które ulegają przemianom fotochemicznym pod wpływem działania promieniowania elektromagnetycznego. Smog kwaśny, czyli mgła przemysłowa. Smog nasila dolegliwości związane z chorobami układu oddechowego i serca, zwłaszcza u osób starszych i dzieci. Rozrzedzenie ozonowe. Ułatwia przenikanie promieni ultrafioletowych do powierzchni Ziemi. Nadmierne promieniowanie ultrafioletowe może spowodować u ludzi wzrost zachorowań na raka skóry, przyśpieszenie procesu starzenia, choroby wzroku. Działa także szkodliwie na organizmy żywe we wszystkich ekosystemach, zaburzając równowagę biologiczną Zmiany fizyczne, chemiczne i meteorologiczne, zachodzące w atmosferze ziemskiej mogą sprzyjać lub utrudniać pracę lotnika. Warunki atmosferyczne poszczególnych kontynentów nie są jednakowe na całym obszarze. W Europie, południowe jej rubieże znajdują się w zasięgu klimatu podzwrotnikowego; północne mają klimat zbliżony do polarnego. Dynamika zmian atmosferycznych wymaga analizy, tak z punktu widzenia techniki pilotażu, jak również bezpieczeństwa lotów będącego w zakresie medycyny lotniczej. Oto częściej opisywane czynniki klimatyczne mogące mieć wpływ na szkolenie oraz wykonywanie zadań lotniczych (szczególnie bojowych): Isolacja, czyli nasłonecznienie, które warunkuje nie tylko temperaturę powietrza, wilgotność, zachmurzenie, opady, ale może być przyczyną nagłego olśnienia mającego wpływ na narząd wzroku. Dynamiczne zjawiska atmosferyczne, nie zawsze charakterystyczne dla określonych pór roku i mogące występować nagle; dla Polski charakterystycznym zjawiskiem tego typu może być wiatr halny.

18 18 Zjawiska statyczne, czyli nasłonecznienie lub zachmurzenie ze zmienną dolną i górną ich podstawą, mogące zaburzać orientację przestrzenną. Widzialność pozioma i pionowa związana ze zjawiskami atmosferycznymi, ale również charakterystyczna dla pewnych obszarów np. Wyspy Brytyjskie. Opady śniegu i jego zaleganie, co powoduje zmianę szaty terenu jego rzeźby, co może utrudniać orientację wzrokową. Czynniki klimatyczne są składową atmosferycznych warunków lotu. Oznacza to stan atmosfery: lotniska startu i lądowania oraz trasy lotu. Stan atmosfery lotniczej określają następujące wartości: widzialność, kierunek wiatru, podstawa chmur, temperatura itp. W Europie średnie warunki lotu są na ogół sprzyjające. 4. Ciśnienie atmosferyczne Ciśnieniem określa się stosunek siły działającej prostopadle na daną powierzchnię, do pola tej powierzchni. W odniesieniu do organizmów żywych bytujących na Ziemi oznacza parcie, jakie wywiera atmosfera ziemska na wszystkie znajdujące się na niej przedmioty (ciała stałe i płynne) oraz organizmy. Ciśnienie jest wielkością skalarną określaną wartością siły skierowanej prostopadle ku powierzchni; podzieloną przez powierzchnię, na którą działa: F n p = S Oznaczenia: p ciśnienie (Pa); F n składowa siły skierowana prostopadle do powierzchni (N); S powierzchnia (m 2 ) Jednostką pomiaru ciśnienia w układzie SI jest Pascal (1N/m2). Czasami wartość ciśnienia podaje się w mm Hg; co oznacza ciśnienie milimetra słupa rtęci w barometrze rtęciowym. W medycynie lotniczej najczęściej wyróżnia się ciśnienie: bezwzględne (absolutne) mierzone w próżni (p) względne mierzone w określonym otoczeniu (p w ) atmosferyczne; ciśnienie wywierane przez atmosferę ziemską (p a ); o normalne p a = Pa o nadciśnienie > p a o podciśnienie < p a Wartość mierzonego ciśnienia zależy od przyjętego poziomu odniesienia. Poziomem odniesienia jest zwykle poziom morza, w lotnictwie często poziom lotniska. Lotnictwo generuje różne dźwięki, które można mierzyć ciśnienie akustycznym. Oznacza ono różnicę pomiędzy chwilowym ciśnieniem powietrza (wytworzonego falą dźwiękową) a ciśnieniem atmosferycznym. Poziom ciśnienia akustycznego równy jest 0 db, gdy średni kwadrat ciśnienia akustycznego równy jest ciśnieniu odniesienia. Najniższe ciśnienie występuje w próżni. Fizyka doświadczalna stosuje różne określenia próżni w zależności od wartości pomiaru ciśnienia. Różnicowanie określeń jakości próżni przykładowo zawarto w tabeli 1. Tab. 1. Jakości próżni odnoszone do ciśnienia atmosferycznego Jakość ciśnienia Ciśnienie w hpa Ciśnienie atmosferyczne 1013,25 Próżnia niska Próżnia średnia Próżnia wysoka (HV) Próżnia bardzo wysoka (UHV) Próżnia ekstremalnie wysoka (XHV) Przestrzeń kosmiczna Próżnia absolutna (doskonała) 0

19 19 Ciśnienie wywierane przez słup powietrza atmosferycznego nosi nazwę ciśnienia atmosferycznego (barometrycznego) i oznaczane jest przez p a. Ciśnienie powietrza najczęściej wyraża się w hektopaskalach (hpa) oraz w milimetrach słupa rtęci ( mmhg). 1hPa = 0.75 mmhg. Ogólnie można przyjąć, że wartość ciśnienia zależy od: wysokości słupa atmosfery nad powierzchnią pomiaru, gęstości powietrza znajdującego się nad powierzchnią pomiaru, przyspieszenia ziemskiego Ciśnienie atmosferyczne panujące w atmosferze Ziemi, zależy od wysokości pomiaru nad poziomem morza, temperatury powietrza oraz szerokości geograficznej (w okolicach równikowych jest niższe niż wokół biegunów, ryc.2). Ciśnienie rzeczywiste przeliczone do wysokości poziomu określa się jako ciśnienie znormalizowane. Ciśnienie normalne, czyli na poziomie morza, przy temperaturze powietrza 15 C i na szerokości geograficznej 45 ; wynosi 1013,25hPa, co odpowiada ciśnieniu, jakie wywiera słup rtęci o wysokości 760mm. Ciśnienie atmosferyczne w środowisku pracy lotników Wysokościomierze statków powietrznych skalowane bywają w odniesieniu do poziomu lotniska. Do tej czynności niezbędna jest wiedza dotycząca wartości ciśnienia atmosferycznego panującego na lotnisku (głównie pasach startów/lądowań), odpowiednie wyliczenia ułatwia wzór barometryczny, który określa zależność między wysokością w polu grawitacyjnym (h) liczoną od poziomu odniesienia, a ciśnieniem atmosferycznym (p). p 0 =ciśnienie atmosferyczne na poziomie odniesienia, μ = masa molowa powietrza (0, kg/mol), g = przyśpieszenie ziemskie, R = stała gazowa, T temperatura powietrza. Pilot wykonujący czynności lotnicze w powietrzu doznaje różnego wpływu ciśnienia atmosferycznego zależnego od wysokości oraz statku powietrznego (aerodyny), za pomocą, którego porusza się (żegluje) w przestworzach. Ciśnienie atmosferyczne maleje wraz ze wzrostem wysokości średnio o połowę, co 5500 metrów. Ta prawidłowość oznaczać powinna, że na wysokości m stanowi 25% wartości ciśnienia na poziomie morza (ryc. 6). Jednak wyliczenia takie nie mogą stanowić stałych wartości, bowiem spadek ten zależy również od temperatury oraz w mniejszym stopniu od ilości pary wodnej w powietrzu. Ciśnienia powietrza nie należy mylić z zawartością tlenu w powietrzu (ryc.1), która się zmienia zgodnie z podobną krzywą (np. 50% ciśnienia tlenu z poziomu morza występuje na m n.p.m.). Procentowa zawartość tlenu (ok. 21%) w powietrzu jest jednakowa, niezależnie od wysokości. Zmienia się natomiast gęstość atmosfery zależnie od ciśnienia, czyli wysokości ponad poziomem morza. Zmiana ciśnienia atmosferycznego powoduje, że (przykład) na wysokości m n.p.m. 21 procentowa zawartość tlenu pod zmniejszonym ciśnieniem będzie mogła wysycać krew w ok. 87%. Zmiany ciśnienia atmosferycznego są różnie tolerowane przez organizm człowieka. Na wysokości ok m n.p.m. zmniejsza się ostrość wzroku, występuje osłabienie słuchu, przyspieszenie tętna i oddechu. Na wysokości powyżej 5 000m n.p.m., percepcja barw jest upośledzona, występują zaburzenia równowagi, upośledzone jest logiczne rozumowanie. Od 7 000m n.p.m., występuje zagrożenie życia, które jest zależne od indywidualnych cech organizmu człowieka oraz proporcjonalne do treningu wysokościowego. Medycyna lotnicza zajmuje się małym zakresem zmian w ciśnieniu atmosferycznym, bowiem tylko od 1 atmosfery do zera. Ten matematycznie mały przedział wielkości pociąga za sobą ogromne skutki dla organizmu człowieka, do śmierci włącznie.

20 20 Zainteresowanie lekarzy ciśnieniem atmosferycznym wynika z tego, że oddziałuje ono na człowieka przez cały czas jego aktywności życiowej; bez względu na to czy znajduje się na wysokości, czy też pod wodą. Wartości ciśnienia zmieniają się np. w związku ze zmianami pogody; jednak są one mniejsze od mogących występować w czasie lotu czy nurkowania. W każdym przypadku zmiany ciśnienia otaczającego dokonują się według określonej zależności wyrażonej w prawie Boyle a-mariotte a. Opisuje ono przemiany dynamiczne w gazie doskonałym. Prawo to głosi, że ciśnienie zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do zmian objętości. Matematycznie można to zapisać następująco: PV = const.; gdzie P = ciśnienie, V = objętość gazu w stałej temperaturze. Ryc. 6. Zależność ciśnienia powietrza od wysokości (wg.: Ogólnie przyjmuje się, że zwiększanie ciśnienia gazu zmniejsza jego objętość i odwrotnie. Wyliczanie matematyczne komplikuje zależność wprost proporcjonalności ciśnienia i gęstości gazu. Np. gaz pod ciśnieniem 2 atm. jest 2 razy bardziej gęsty niż gaz pod ciśnieniem 1 atm. (ta sama objętość waży dwa razy więcej). To wyjaśnia narastanie zużycia powietrza z akwalungu przez człowieka nurkującego na coraz większych głębokościach. Opisanie tego zjawiska nastręcza sporo kłopotów związanych z wieloma zjawiskami fizycznymi występującymi jednocześnie w różnych wzajemnych powiązaniach i zależnościach. Dla przykładu: III Zasada Dynamiki Newton a (zasada akcji i reakcji), prawa: Pascal a (o ciśnieniu w zbiorniku zamkniętym), Henry ego (o rozpuszczalności gazu w cieczy), Dalton a (o ciśnieniach parcjalnych), Nernst a (o wymianie gazowej w organizmie człowieka), Fick a (o dyfuzji) i inne bardziej szczegółowo opisujące zjawiska dynamiki gazów i cieczy w zależności od ciśnienia i temperatury. Jednocześnie wiele zjawisk jest wzmacnianych lub osłabianych wydolnością fizjologiczną człowieka, która może być osobniczo zmienna. Zatem mogą występować, indywidualnie różne nasilenia tych samych objawów klinicznych. Dla potrzeb lotnictwa ważna jest informacja jak zmienia się, zależnie od wysokości lotu, liczebność cząsteczek tlenu w powietrzu oddechowym (ryc. 7). Zawartość tlenu w powietrzu oddechowym na poziomie morza wynosi około 21% a ciśnienie atmosferyczne 760 mmhg. Wraz ze wzrostem wysokości, stężenie tlenu pozostaje to samo, ale rozrzedza się powietrze i ilość cząsteczek tlenu w powietrzu oddechowym maleje. W wielu statkach powietrznych stosuje się wzbogacanie powietrza oddechowego tlenem lub mieszankami oddechowymi. Zagadnienie to regulują przepisy zawarte w zał. 2 (PL-6) do rozporządzenia Ministra Infrastruktury z 2004 r. w sprawie bezpieczeństwa eksploatacji statków powietrznych (Dz.U. Nr.262). Przepisy te oraz Prawo Lotnicze określają stosowanie na pokładzie statku powietrznego instalacji tlenowej jako elementu