Армстронгова граница

Из Википедије, слободне енциклопедије
Армстронгова граница добила је назив по др Харију Армстронгу, који је први препознао феномен кључања телесних течности у хипобарији.

Армстронгова граница, често називана и Армстронгова линија (енгл. Armstrong's Line), је висина земљине атмосфере на око 19 km (62.000 стопе) од површине мора, на којој је атмосферски притисак гасова мањи него притисак водене паре (47 mmHg) у телу човека на 37°С. То има за последицу да ваздух из раствореног стања у ткивним течностима нагло прелази у гасне мехуриће који се гомилају у крви и другим ткивима, што се манифестује кључањем течности на нормалној температури људског тела (37°С).[1]

Армстронгова граница добила је назив по Харију Џорџу Армстронгу (енгл. Harry George Armstrong 1899—1983), оснивачу Одељење за ваздухопловну и космичку медицину Оружаних снага САД, 1947. године, у Тексасу.[2]

Доктор Армстронг је био први ваздухопловни лекар који је на хомеотермима у барокомори, 1935. године, открио и проучио феномен хладног кључања течности који се јавља на надморској висини између 18.900-19.350 метара (или око 12 миља), и одредио ту висину као горњу границу на којој људи и други хомеотерми апсолутно не могу опстати без додатне промене (нормализације) притиска ваздуха у околини или примене заштитне опреме (висинског одела и кациге).[3][4][5][6]

Армстронгова граница има значај за ваздухопловство и астронаутику, тј за преживљавање пилота, падобранаца или астронаута у случају оштећења (отказа) кабине ваздухоплова и њених инсталација за регулацију притиска, заштитне кациге или висинског одела на великим висинама.[7] У току слободног пада кроз атмосферу након принудног напуштања ваздухоплова, падобранског скока из балона или нагле декомпресије кабине ваздухоплова изазване разним оштећењима, на овој (19 km) или већој висини, као последица наглог (експлозивног) ширење гасова у телу пилота, падобранца или астронаута, (због разлике у притисцима гасова у спољашњој средини и организму) они се...буквално (унутар десетак секунди) претварају у „пенушавог џина“ из чијих очију и уста излази пенушава течност као у неком хорор филму... То траје само неколико секунди до губитка свести и изненадне смрти.“[8]

Физичко-хемијске карактеристике атмосфере[уреди]

Ваздушни омотач Земље састоји се од мешавине гасова. Ма колико далеко се пружала гасовита фракција атмосфере од површине Земље на њу битно утичу два фактора; топлотно зрачење Сунца и гравитација Земље.

Топлотно зрачење Сунца појачава тежњу атмосферских гасова да се шире у околну вакуума космоса. „Расипању“ молекула ваздуха у космосу ефикасно се супротставља Земљина тежа. Последица тога је јасна типизација густине и притиска атмосфере по њеном вертикалном пресеку.

Густина (d) гаса је дефинисана као маса у јединици запремине и изражена је грамима у кубном метру. На нивоу мора густина атмосфере је 1.200 gr/m³. Са повећањем висине (под претпоставком да је температура константна) густина атмосфере опада експоненцијално. То значи да се густина смањује једнако сразмерно са једнаким интервалима висине. Тако на висини од 5.500 m густина ваздуха је је упола мања него на нивоу мора. На висини од 11.000 m густина износи 1/4 вредности на нивоу мора.

Atmosferski model.png

Притисак (p) је количник силе која делује на површину или уопштено, притисак се дефинише као однос силе (F) и површине (S) на коју та сила делује под правим углом. Овај однос представља се формулом:

p\, =\frac{F}{S}

Атмосферски притисак је директна последица тежине ваздуха. Ваздушни притисак се мери у грамима по кубном сантиметру и милиметрима живе. Једна стандардна атмосфера је тежина ваздушног стуба који врши притисак на живин стуб површине 1 см² и износи 760 mmHg или 1 бар = 1,3 кРа.

У међународном систему мерних јединица (SI) притисак се мери паскалом (Ра), који је дефинисан као сила од 1 њутна (N) по 1 m², што се представља формулом:

1  Pa\, =\frac{1  N}{1  m^2}

Притисак ваздуха разликује се са променом места на Земљи и времена јер се количина (и тежина) ваздуха изнад Земље исто тако разликује. Атмосферски притисак се смањује за 50% на висини од око 5.000 m (као што се и око 50% укупне масе атмосфере налази унутар најнижих 5.000 m). Просечни атмосферски пристисак измерен на нивоу мора износи око 1 бар = 1 атм = 101.3 кРа. ° Са повећањем висине барометарски притисак опада експоненцијално, слично густини ваздуха (приказано на табели испод), уз незнатна одступања у паду притиска са висином што је проузроковано температуром атмосфере.

Промена атмосферског притиска, парцијалног притиска кисеоника и температуре са висином
Висина(m) Притисак (mmHg) Притисак кисеоника(mmHg) Температура(°С)
на нивоу мора 760 (664-803) 159 +15
5.500 380 75 - 21
11.000 190 38 - 52
15.000 87 18 - 55
19.350 47 0 - 55

Оцена атмосфере са гледишта физиологије летења[уреди]

Након што је у претходном делу приказан преглед физичко-хемијских услова у атмосфери, с гледиша летења на висини, у овом делу биће приказане неке од многоструких функција атмосфере и њени учинци на летење. Ове функције и учинци атмосфере не завршавају се на њеним материјалним границама; већ штавише они су ограничени различитим висинама. Ови физилиошки нивои који су означени и као функционални лимити или границе атмосфере од којих зависи одржање живота су;

Физиолошка зона (граница) атмосфере или зона потпуне компензације (која се протеже од 0 метара до 3.000 метара надморске висине)

Функционална (витална) граница атмосфере (која се налази на 15.000 метара висине) је зона земљине атмосфере на којој је „време чисте свести“ након наглог губитка притиска (нпр декомпресије кабине током летења авионом) само 15 секунди.

Физиолошка граница функција атмосфере, позната под називом Армстронгова граница (која се налази на око 19.000 метара висине) је зона земљине атмосфере на којој ће због пада атмосферског притиска испод 47 mmHg, телесне течности у телу човека прокључати.

Зато су са гледишта летења човека и ваздухопловне и космичке медицине,, које се баве изучавањем тих утицаја на организам пилота и космонаута, функције и учинци атмосфере подељени у више категорија (10), од којих ће у овом чланку бити размотрене две, непосредно повезане са функционални лимитима или границама атмосфере;

Funkcionalna podela atmosfere.jpg

Притисак кисеоника и дисање[уреди]

Кључна улога атмосфере у одржавању живота на Земљи је обезбеђење кисеоника за дисање. У горњим слојевима атмосфере изнад 100 km или Карманове линије, он је откривен само у облику атомског кисеоника насталог у процесу фотодисоцијације биатомског кисеоника (О2) под утицајем врло кратког ултравиолетног зрачења.

Физиолошка зона атмосфере или зона потпуне компензације протеже се од нивоа мора до 3.000 метара висине. То је зона до које се човеково тело добро прилагођава висини. Ниво кисеоника у овој зони је довољан да задржи нормалну, здраву особу у физиолошком стању без помоћи посебне заштитне (висинске) опреме. Промене у атмосферском притиску са брзим успонима у овој зони могу једино да изазову осећај притиска или пуцкетања у уву или синусим заробљеним гасом, који се са порастом висине шири у у овим шупљинама. Међутим, ове промене су релативно слабе у поређењу са баротрауматским оштећењима телесних шупљина и других органа испуњених ваздухом, која могу настати на већим надморским висинама.

Парцијални притисак кисеоника рапидно опада са висином, а то снижење одговара опадању целокупног барометарског притиска (види горњу табелу) у атмосфери. У односу на ниво мора, где парцијални притисак кисеоника износи 159 mmHg, на 11.000 m он износи 1/4 или 37 mmHg, а на 19.000 m, или на нивоу Армстронгове границе, 0 mmHg. С обзиром да кисеоник одржава живот, снижење барометарског притиска на 87 mmHg, колико износи парцијални притисак водене паре и угљен-диоксида у плућима (што одговара висини од 15.000 m)—онемогућава улаз кисеоника из спољашње атмосфере у алвеоле плућа јер су оне већ испуњене (заузете) укупним барометарским притиском који одговара парцијалном притиску угљен-диоксида и водене паре. Како оба ова гаса потичу из влажне средине тела, ништа се неби променило и кад би се околни ваздух састојао од чистог кисеоника.

Зато се на висини од 15.000 метара налази функционална (витална) граница атмосфере, на којој је „време чисте свести“ након наглог губитка притиска (нпр декомпресије кабине током летења авионом) само 15 секунди, што значи да живот на овој висини зависи искључиво од мале резерве кисеоника у телу која износи око 1 литар.

Барометарски притисак и телесне течности[уреди]

Само неколико километара изнад прве границе, функционалне границе атмосфере, постоји и друга или физиолошка граница функција атмосфере, позната под називом Армстронгова граница.

Течности испољавају известан притисак паре изнад своје површине. Њен максимум или притисак засићене паре зависи од температуре течности. Загревање течности повећава притисак паре до тачке на којој се он изједначава са барометарским притиском изнад течности. На тој тачки течност почиње да кључа (ври). На нормалном атмосферском притиску од 760 mmHg вода кључа на 100°С. Исто се постиже и са течностима извесне, константне температуре—смањивањем барометарског притиска до притиска паре у конкретној течности.

Притисак водене паре у течностима нашег тела при нормалној телесној температури од 37°С, износи 47 mmHg. Оног тренутка када са висином барометарски притисак опадне испод 47 mmHg, телесне течности у нашем телу ће прокључати. Први који је то проучио и доказао на хомеотермима у барокомори био је др Армстронг. Овај поремећај се манифестује у мукозним мембранама уста и конјуктива очију, отичањем коже услед дифузног образовања мехури ткивима и формирања мехурића у крви.

На висини изнад 19.000 m атмосферски притисак је 47 mmHg. Изнад ове висине губи се витално важна заштита атмосферског притиска против кључања течности или ебулизма, на сличан начин као да нисмо окружени атмосфером. Ово је други физиолошки лимит за боравак човека на великим висинама, који изискује антивакуумску заштиту или специјално одело и кисеоничку кацигу под притиском, другојачије названо висинско одело, или пресуризовану кабину.

Последице[уреди]

Након декомпресије или наглог излагања ниском атмосферском притиску или хипобарији), (која је најизраженија изнад Армстронгове границе), настаје по живот више опасних последица, пре свега на: плућима, срцу и мозгу, али и не мање значајене у мишићима и поткожном ткиву.

  • Оштећење плућа које настаје у брзој или експлозивној декомпресији јавља се првенствено због разлике између натпритиска који влада у плућима и ниског притисак у спољашњој средини, или диференцијалне разлике од око 80 мм Хг која је довољно је да изазове цепање плућа и алвеоларне руптуре [9]; крварење у плућима, у распону од петехијалног до континуираног крварења (у зависности од величине и брзине декомпресије)[10]. У плућима врло брзо настају и емфизематозне промене које су посебно изражене у горњим деловима, а ателектаза и едем у нижим деловима плућа.[11]
  • Кардиоваскуларна оштећења и промене у срчаном мишићу повезана су са појавом гасних мехурића (еболуса) који изазивају истезање миокарда пре свега због недостатка кисеоника (хипоксија).[12] Пулс расте првих 20 секунди, затим након шездесет секунди опада на 40% од основне вредности.[13] Након око два минута артеријски крвни притисак пада на нулу а пулсни талас се губи[14], али се контракције срца одржавају најмање још 5 до 7 минута.[15]
  • Централни нервни систем, у брзој или експлозивној декомпресије изнад 19.000 метара, трпи највећа оштећења. Она су пре свега последица хипоксије због недостатком кисеоника у можданом ткиву, као последица смањеног протока крви кроз мозак изазваног церебралном или глобалном исхемијом [16]
  • У кожи и мишићима након декомпресије промене су најизраженије, иако директно не угрожавају живот. Променаме су у виду гомилања гасних мехурића или емболуса (изазваних хладним кључањем течности), који се манифестују поткожним отоком и боловима у мишићима.[17] Ове промене могу врло брзо „надувати“ тело чија се запремина може увећати и до два пута од нормалне.[18]

Извори[уреди]

  1. ^ ((en)) Armstrong's Line Glossaries, 9-12 Glossary, Приступљено 24. 10. 2012.
  2. ^ Dehart, R. L.; J. R. Davis (2002). Fundamentals Of Aerospace Medicine: Translating Research Into Clinical Applications, 3rd Rev Ed. United States: Lippincott Williams And Wilkins. pp. 720. ISBN 978-0-7817-2898-0.
  3. ^ Andrew A. Pilmanis, and William J. Sears, Physiological hazards of flight at high altitude, The Lancet, Volume 362, Supplement 1, December 2003, Pages s16-s17, doi:10.1016/S0140-6736(03)15059-3. Cited in Tubious, Nov. 2007.
  4. ^ Charles E. Billings, Barometric Pressure, in Bioastronautics Data Book, Second edition, NASA SP-3006, edited by James F. Parker and Vita R. West, 1973.
  5. ^ Arnauld E. Nicogossian, Carolyn L. Huntoon and Sam L. Pool, Space Physiology and Medicine, 2nd Edition, Lea and Febiger, Philadelphia 1989.
  6. ^ Emanuel M. Roth, Rapid (Explosive) Decompression Emergencies in Pressure-Suited Subjects, NASA CR-1223, November 1968.
  7. ^ ((en)) Maggie McKee, Future spacesuits to act like a second skin (2007) New Scientist, Приступљено 24. 10. 2012
  8. ^ ((en)) Shock wave in Charles Q Choi, Space diver' to attempt first supersonic freefall. (2010) New Scientist, Приступљено 24. 10. 2012
  9. ^ Hall, WM and EL Cory. Anoxia in Explosive Decompression Injury, American Journal of Physiology, 1950, 160:361-365.
  10. ^ Edelmann A, WV Whitehorn, A Lein, FA Hitchcock, Pathological Lesions Produced by Explosive Decompression, WADC-TR-51-191.
  11. ^ Dunn JE, RW Bancroft, W Haymaker, DW Foft, Experimental Animal Decompressions to Less Than 2 mmHg Abs. (Pathological Effects), Aerospace Medicine, 1965, 36:725-732.
  12. ^ Burch BH, JP Kemp, EG Vail, SA Frye, FA Hitchcock, Some Effects of Explosive Decompression and Subsequent Exposure to 30 mmHg Upon the Hearts of Dogs, Journal of Aviation Medicine, 1952,23:159-167.
  13. ^ Cooke JP, RW Bancroft, Some Cardiovascular Responses in Anesthetized Dogs During Repeated Decompressions to a Near-Vacuum, Aerospace Medicine, Nov. 1966, 37:1148-1152.
  14. ^ Casey HW, RW Bancroft, JP Cooke, Residual Pathological Changes in the Central Nervous System of Dogs Following Rapid Decompression to 1 mmHg, Aerospace Medicine, 1966, 37:713-718.
  15. ^ Kolesari GL, EP Kindwall, Survival Following Accidental Decompression to an Altitude Greater Than 74,000 Feet (22,555 m), Aviation, Space and Environmental Medicine, Dec. 1982, 53(12):1211-1214.
  16. ^ Boyce J, (Moderator), Ad Hoc Space Station Hyperbaric Treatment Facility Design Safety Committee, Nov 30, 1987, NASA Johnson Space Center, Houston TX.
  17. ^ Ivanov PN, AG Kuznetsov, VB Malkin, YO Popova, Decompression Phenomena in the Human Body in Conditions of Extremely Low Atmospheric Pressure, Biophysics (USSR), 1960, 5:797-803.
  18. ^ Parker JF and VR West (editors), Bioastronautics Data Book, 2nd edition, NASA SP-3006, 1973, pg. 5.

Спољашње везе[уреди]