Собственный пар мешает поту охлаждать тело в жару

В 1775 году английский врач Чарльз Блэгден зашёл с друзьями в разогретую комнату. Температура там была выше 110 градусов Цельсия, рядом на противне жарилось мясо. Термометр показывал температуру духовки. Люди высидели там немалое время и вышли живыми: пот стекал с кожи, испарялся и уносил тепло.

С тех пор эта история считается примером того, как надёжно работает наше охлаждение. На том же правиле строят модели теплообмена: чем суше и горячее воздух вокруг, тем охотнее испаряется пот. Инженеры из Университета штата Аризона нашли случай, где правило подводит, и случай самый обычный: горячий воздух стоит на месте, сквозняка нет. Тогда пар от пота сам мешает поту испаряться.

Остывший у кожи воздух тонет, а пар тянет его вверх

У разгорячённой кожи в жаркий день на воздух действуют две силы плавучести. Первая связана с температурой. В пустыне или в сауне воздух обычно горячее кожи. Коснувшись её, он немного остывает, тяжелеет и опускается, а на его место приходит новый горячий. Это движение и считали двигателем испарения: оно уносит влажный слой и подставляет коже сухой.

Вторую силу создаёт сам пот. Молекулы водяного пара легче молекул азота и кислорода, из которых состоит воздух. Испарившийся пот делает воздух у кожи легче окружающего, и тот всплывает, как воздушный шар с тёплым воздухом.

В безветренную жару обе силы работают одновременно и в разные стороны. Авторы работы в Science Advances назвали это «дуэлью плавучести». Воздух у кожи почти замирает, влага скапливается там же, и поту почти некуда испаряться.

Манекен, который потеет вместо человека

На людях такое проверять опасно, добровольца легко довести до теплового удара. Поэтому команда взяла манекен ANDI, тепловую копию человека с независимыми сегментами тела. Через поры в его коже выходит подогретая вода, искусственный пот, который ведёт себя как настоящий.

Манекен ставили в камеру, где меняли температуру и влажность, а воздух держали почти неподвижным. Прогнали пятнадцать режимов, каждый по три раза, и сверили результаты с компьютерной моделью движения воздуха у кожи.

Испарение проседает больше чем наполовину

При температуре около сорока одного градуса и влажности десять процентов испарение с манекена упало почти на 56%. Это против прогноза обычной модели, которая пар не учитывает. Цифра получена на манекене, в одной серии опытов, не на живом теле.

Манекен воспроизводит физику тела, но не всё тело. Он потеет равномерно, а живой человек пятнами. Опыты шли без одежды, и авторы прямо пишут, что ткань способна сильно изменить и тепло-, и массообмен. Позы проверили три: стоя, сидя и лёжа, все неподвижные. Что будет с человеком в футболке или на слабом ветру, не проверяли.

Авторы пересчитали результат на типичное жаркое аризонское лето. За два часа такой погоды старые модели недооценивают рост температуры тела на целый градус Цельсия.

В доме без ветра работает та же физика, что в пустыне

Конрад Рыкажевский, один из руководителей работы, говорит: «Оказалось, что эффект огромный» (цитата по пресс-релизу университета). По его словам, важнее всего это там, где воздух почти не движется: в помещении, на стройплощадке под навесом, в палатке в жаркой экспедиции.

От комнаты Блэгдена до манекена в камере прошло двести пятьдесят лет, и всё это время жару и сухость считали союзниками пота. Теперь видно, где правило ломается: в неподвижном горячем и сухом воздухе, будь то раскалённая комната или безветренный полдень в пустыне. Как помочь коже испарять пот в такой момент, пока не решено. По словам Рыкажевского, это вопрос следующей работы.