Физиология и гигиена летчика в экстремальных условиях

3.3. Изменение психофизиологического состояния человека-оператора при воздействии высоких температур при стационарном воздействии

Собственные исследования выполнены с участием 8 здоровых мужчин-добровольцев в возрасте 23–40 лет при температурах 24, 45 и 60°С и относительной влажности воздуха 10%. Испытатели были одеты в летнее полетное обмундирование. Операторская деятельность оценивалась по результатам выполнения задачи выбора из 3 альтернатив совмещенной деятельности. Последняя заключалась в выполнении двухмерного компенсаторного слежения с одновременным решением задачи выбора из 2 альтернатив. Выполнялась простая сенсомоторная реакция на свет.

В процессе теплового воздействия регистрировались показатели функционального состояния человека-оператора (частота дыхания, минутный объем, частота сердечных сокращений) показатели теплового состояния (температура кожи, ректальная температура, влагопотери). Качество операторской деятельности определялось по интегралу ошибки рассогласования между задаваемыми сигналами, получаемыми от упреждающих движений ручкой управления оператора. Оценивалось субъективное со стояние испытуемых по методике САН (самочувствие, активность, настроение), реактивно-ситуационной тревожности, теплоощущения в различных областях тела. Для удобства многократного заполнения анкет САН, тревожности и теплоощущений в ходе работы был создан специальный планшет (рис. 3.7)

Рис. 3.7. – Внешний вид планшета для заполнения анкет САН, тревожности и теплоощущений

Результаты проведенных исследований свидетельствовали о существенном неблагоприятном влиянии изученных микроклиматических условий практически с первых минут воздействия на психофизиологическое состояние человека-оператора. При этом отмечалось опережающее, по отношению к большинству объективных показателей теплового состояния и данных оценки субъективного состояния, изменение качества выполнения тестовых задач, косвенно отражающих уровень работоспособности человека-оператора. Так, ухудшение показателей качества выполнения реакции выбора из 2 альтернатив и управление в режиме двухмерного компенсаторного слежения, выполняемого в сочетании с дополнительной задачей, зарегистрировано с первых минут воздействия (рис. 3.8).

Рис. 3.8 – Динамика изменения качества пилотирования тренажера при температурах 45°С и 60°С: 1 – точность отслеживания цели; 2 – скорость реагирования на допущенную ошибку; 3 – коэффициент надежности

Среди объективных показателей теплового состояния по отношению к исходным значениям и данным исследований проведенных при температуре 24°С, достоверное увеличение с первых минут пребывания в неблагоприятных микроклиматических условиях отмечено только по результатам определения средневзвешенной температуры кожи (рис. 3.7). Несколько позже, начиная с 10 мин при 60°С и с 20 мин при 45°С, достоверно увеличивалась средняя температура тела, а с 40 и 60 мин соответственно – ректальная температура. Следует подчеркнуть, что частота сердечных сокращений в покое достоверно увеличивалась с 15–16 минуты, тогда как при выполнении слежения достоверные отличия отмечаются уже с первых минут работы при обеих температурах. Первые признаки дискомфорта и ухудшения самочувствия (чувство давления на голову, повышенная потливость, слабость, головная боль, пульсация в висках и т. п.) отмечались испытателями на 20–25 мин и 40–60 мин, соответственно при 60°С и 45°С. В пределах указанных временных интервалов отмечалось значимое ухудшение показателей теста САН и средневзвешенных показателей тепловых ощущений (рис. 3.9).

Рис. 3.9 – Изменение самочувствия, активности настроения, теплоощущений головы и средневзвешенных теплоощущений в процессе выполнения деятельности при температуре 45°С и 60°С: С – самочувствие; А – активность; Н – настроение

В дальнейшем при относительно постоянных значениях СВТК, отрицательной динамике других объективных показателей теплового состояния и данных САН, показатели работоспособности претерпевали изменения противоположной направленности, закономерно ухудшаясь при нарастании интенсивности признаков дискомфорта и жалоб на ухудшение самочувствия. Среди последних наиболее характерными являлись: выраженная пульсация в висках, сердцебиение, слабость, апатия, невозможность сосредоточиться на выполнении тестовых задач. У отдельных испытателей отмечалась при обеих изученных температурах идентичная симптоматика: у одного – форсированное увеличение за 1–3 мин минутного объема дыхания (с 9–10 до 16–17 л/мин); у второго – слабость, проявляющаяся в невозможности совершения двигательного акта при выполнении управляющих движений. Среднее время максимально возможного пребывания при 45°С составило 125 мин (100–180 мин), при 60°С – 59 мин (50–66 мин). После выхода из неблагоприятных микроклиматических условий в ближайшие 5–10 мин отмечалось существенное улучшение субъективного состояния, снижение СВТК, СВТО, незначительное снижение СТТ, при продолжающемся увеличении ректальной температуры. Отмеченные изменения сопровождались улучшением в восстановительном периоде и показателей работоспособности.

Для ответа на поставленные в данной главе исследований вопросы нами проведен более детальный анализ переменных, косвенно отражающих состояние работоспособности человека-оператора.

Так, данные выполнения реакции выбора из 2 альтернатив на 3–5 мин воздействия свидетельствуют о достоверном снижении общего количества решаемых задач и увеличении допускаемых при этом ошибочных действий. В дальнейшем некоторое увеличение количества решаемых задач сопровождалось достоверным увеличением ошибок, что было характерно для обеих температур. Однако учет суммарного количества решаемых задач и ошибок, допускаемых при этом, в едином показателе – скорости и правильности переработки получаемой информации, позволил определить достоверное ухудшение (Ркз = 0,05) выполнения данного теста уже на 3–5 мин температурных воздействий. С учетом сказанного, при анализе качества выполнения управления в режиме двухмерного компенсаторного слежения результаты решения дополнительной задачи (реакции выбора из 2 альтернатив) проводились по показателю скорости и правильности переработки получаемой информации. Именно последний наряду с интегралом ошибки рассогласования при выполнении слежения определял значение коэффициента надежности.

Выполнение управления в режиме слежения, вследствие более частой регистрации показателей его выполнения, позволили более четко определить фазность динамики его изменения. В частности, значимое ухудшение интеграла ошибки рассогласования (точность отслеживания цели) в течение первых 20–30 мин было в два раза выше при температуре 60°С, к 40 мин отмечается его улучшение и в последующем – отрицательная динамика.

В то же время определение коэффициента надежности не позволило определить более выраженного снижения работоспособности при большем стресс-стимуле. В частности, коэффициент надежности, определяющий способность оператора к согласованному выполнению основной (слежение) и дополнительной (выбор из 2 альтернатив) задач, свидетельствует о практически равнозначных изменениях в процессе воздействия изученных микроклиматических условий. При этом более выраженное ухудшение точности отслеживания цели при 60°С сопровождалось меньшим снижением показателя скорости и правильности переработки получаемой информации при выполнении реакции выбора. Обратная зависимость характеризует выполнение данного задания при 45°С. Полученные данные показывают, что оба стресс-воздействия обладают выраженной интенсивностью и приводят к близким значениям ухудшения выполнения управления, что подтверждают и относительно близкие между собой величины ухудшения координации движений и скорости реагирования на допущенную ошибку.

Следует отметить, что близкие значения коэффициента надежности, зарегистрированные в течение 50 мин при обоих температурных воздействиях, проявились при разных уровнях ответных реакций организма и степени ухудшения теплового состояния. По-видимому, это обусловлено, с одной стороны, развитием приспособительных реакций в организме в течение первых 20–30 минут с формированием кратковременной фазы резистентности, отмечаемой при развитии стресс-реакции по Г. Селье (Selye H., 1973), с другой стороны, динамикой процесса врабатываемости.

Относительная близость временных параметров качества управления в режиме слежения дополнительной задачи, позволяют предположить, что точкой отсчета, триггером стресс-реакции, являются не отдельные абсолютные значения или совокупность регистрируемых показателей теплового состояния, так как они ниже и отставлены по времени при температуре 45°С, а взаимоотношения между ними, в частности, между температурой кожи (значениями СВТК) и ректальной температурой.

Регистрация параметров скорости простой сенсомоторной реакции на красный свет показала, что скорость ПСМР при температуре 45°С достоверно увеличилась по сравнению с фоновыми значениями уже при первом ее определении, максимально ухудшаясь к 50 мин воздействия, что по времени совпадало с достоверным увеличением ректальной температуры (переходный период). По мере ухудшения теплового состояния скорость реакции на световой стимул несколько уменьшилась. Пребывание при температуре 60°С увеличивало скорость ПСМР по мере ухудшения теплового состояния. Из сказанного можно сделать вывод, что скорость ПСМР, обладая информативностью как тестовая задача для определения текущего уровня работоспособности, менее значима для испытателей ввиду ее относительной простоты, и, как следствие, выполняется при более низком уровне мотивации, не позволяя четко определить динамику ее изменения.

В заключение необходимо подчеркнуть факт завышения по данным субъективной оценки испытателями уровня качества выполнения тестовых заданий.

Так, при опросе, проводимом по окончанию эксперимента, по мнению испытателей, ухудшение качества выполнения управления в режиме слежения при 45°С наступало через 80–100 минут воздействия, а при 60°С – через 45–55 минут. То есть, несмотря на наличие обратной связи о качестве выдерживания горизонтальной и вертикальной планок в допустимых пределах (наличие сигнальных красных ламп) и совершаемых ошибках при выполнении дополнительной задачи, испытатели не могли достаточно объективно оценить свои функциональные возможности до момента выраженного ухудшения не только качества деятельности, но и самочувствия.

Сравнительный анализ данных, полученных при температуре 45°С и 60°С позволяет заключить, что из числа изученных показателей, лимитирующих длительность пребывания в указанных условиях, явились локальные теплоощущения в области головы («очень жарко»), хотя некоторые отличия, по другим показателям, могли определяться последовательным выполнением исследований с первоначальным их проведением при 60°С.

На втором этапе исследований, направленных на уточнение ответа на поставленные задачи, с участием 6 испытателей определялось влияние выполняемых тестовых задач на тепловое состояние человека-оператора.

Результаты проведенных исследований позволили определить синергический характер взаимодействия тепловой нагрузки и тестовых задач как по критериям теплового состояния человека-оператора, так и по времени возможного пребывания в условиях температурного воздействия, соответствующего 60°С. Не останавливаясь на динамике качества выполнения тестовых задач, близкой к вышеописанной, следует отметить достоверное увеличение к 40 мин прироста ректальной температуры и средней температуры тела. Значения средневзвешенной температуры кожи, средневзвешенные тепловые ощущения, теплоощущения в области головы, данные заполнения анкеты САН, общие влагопотери и частота сердечных сокращений в покое не имели существенных различий при выполнении тестовых задач и при пребывании испытателей в покое. И тем не менее отмеченные выше изменения в тепловом состоянии испытателей привели к достоверному (Ркз = 0,05) снижению общего времени пребывания в условиях теплового воздействия при выполнении задач операторского профиля на 10–30% (в среднем 14–16%), хотя отказы при обоих видах исследований происходили при близких значениях СВТК и Тр.

Суммируя полученные данные, можно заключить, что при изученных температурных режимах значимое ухудшение работоспособности отмечается при практическом отсутствии прироста ректальной температуры, незначительных изменениях средней температуры тела, теплонакопления организмом, частоты сердечных сокращений и относительно благоприятных теплоощущениях. Отмеченное согласуется с выводами Дж. Винга (Wing J., 1965) о снижении работоспособности при незначительных физиологических изменениях. Однако точка зрения автора о причине ухудшения работоспособности, обусловленной отвлечением внимания, вследствие теплового дискомфорта, заставляющей испытателя обращать меньше внимания на выполнение тестовых задач, которую поддерживает и Е. Поултон с соавт. (Poulton E., 1976), или отвлечением внимания вследствие потоотделения в области головы, сонливости, которую несколько позже повторно выдвигает и В. Гретер (Greter W., 1973), на наш взгляд, не являются определяющими.

К этой же категории относится и предложение М. Алнутт (Alnutt M., 1971) об ухудшении деятельности вследствие «психологического дискомфорта». Исходя из полученных нами данных, нельзя согласиться и с мнением ряда других исследователей, предлагавших в разное время в качестве порогового применительно к нарушению работоспособности считать прирост ректальной температуры на 0,8–1,5°С (Blockley W. V., 1954, Marcus P., 1976), увеличение средней температуры тела до значений соответствующих 37,8–37,9°С (Gibson T. M., 1979 339, Wissler E. H., 1984).

Так, исходя из указанных значений изменения показателей теплового состояния в наших экспериментах следовало ожидать ухудшения работоспособности на 45–50 мин при воздействии соответствующем 60°С и 80–90 мин – при 45°С. Ю. И. Приемский (1978) предлагает в качестве пороговых значений, оказывающих значимое ухудшение работоспособности летного состава, применять прирост теплонакопления равный 170 кДж/м2. Названная величина, являясь расчетной, есть не что иное как прирост ректальной температуры до 37,8–37,9°С (0,7–0,8°С) или увеличение средней температуры тела до 37,8°С, что практически повторяет вышеназванных авторов.

По нашим данным, прирост теплонакопления порядка 170 кДж/м2 также соответствует 45–50 мин пребывания при 60°С и 80–90 мин при 45°С.

Учитывая, что в проведенных нами исследованиях ухудшение работоспособности наступало при отсутствии значимого прироста ректальной температуры, нельзя согласиться и с ранее рассмотренной точной зрения П. Ханкок (Hancock P. A., 1982), базирующейся на корреляционной зависимости ухудшения работоспособности от прироста ректальной температуры.

Статичность данных зависимости «степень теплового дискомфорта – уровень работоспособности», предлагаемых Л. Г. Головкиным с соавт. (1986) также не позволяют считать их достаточно обоснованными, хотя предложение авторов использовать теплоощущения человека как дополнительный критерий возможного ухудшения работоспособности согласуется с нашими данными (лимитирующий признак пребывания в неблагоприятных микроклиматических условиях).

Это подтверждают и данные изменения температуры тела и качества пилотирования тренажера в разное время суток, что было показано в наших исследованиях, проведенных с участием 12 испытателей. Так, суточные колебания ректальной температуры в диапазоне 0,6–1,0°С не сопровождались значительным изменением показателей работоспособности. Значения показателей САН, частоты сердечных сокращений и артериального давления имели акрофазу минимум в 4–5 часов утра (рис. 3.10).

Рис. 3.10 – Изменение активности, самочувствия (левый график), систолического и диастолического давления и частоты сердечных сокращений (правый график) в течение суток: С – самочувствие; А – активность; АД(с) – систолическое артериальное давление; АД(д) – диастолическое артериальное давление; ЧСС – частота сердечных сокращений

Следует подчеркнуть, что предварительная оценка локального перегрева головы позволила также установить, что на фоне отсутствия прироста ректальной температуры по мере перегревания головы отмечается ухудшение пилотирования тренажера (рис. 3.11).

Подтверждением ведущей роли изменения температуры кожных покровов, определяющей качество пилотирования тренажера, являются и материалы следующих двух разделов исследований.

Особенно наглядно это нашло подтверждение при работе человека-оператора в интермиттирующем режиме воздействия высоких температур в диапазонах: 60 и 24°С, 33 и 50°С, 24 и 33°С.

Рис. 3.11 – Динамика изменения ректальной температуры и качества управления в условиях общего (А) и локального (Б) режимов теплового воздействия: Тр – ректальная температура тела; Σ – интеграл ошибки рассогласования

Таким образом, анализ существующих точек зрения не позволяет объяснить ухудшение работоспособности испытателей с первых минут пребывания в исследованных микроклиматических условиях. В то же время обращает на себя внимание, не столько отмеченный уже выше факт выраженного с первых минут воздействия прирост средневзвешенной температуры кожи (порядка 4–5°С), сколько характер ее соотношения с ректальной температурой. В частности, наиболее частой причиной увеличения средней температуры тела, теплосодержания, ректальной температуры у человека в обычных условиях жизнедеятельности является физическая нагрузка. При этом, имеющиеся сведения свидетельствуют, что физическая работа легкой и средней степени тяжести как в термонейтральных условиях, так и при высоких температурах (50°С при низкой относительной влажности) на фоне роста ректальной температуры сопровождается увеличением и СВТК, которая обычно на 3–4°С ниже ректальной. Предел невозможного дальнейшего выполнения физической работы в условиях высокой температуры преимущественно ограничивается временем, необходимым для их конвергенции (Pandolf R. B., 1978). Это объясняется тем, что в процессе онто- и филогенеза у человека мог закрепиться только подобный характер соотношения между ректальной температурой и средневзвешенной температурой кожи. Поэтому, вынудив человека-оператора противодействовать температурным условиям выше 45°С и тем самым внеся существенный разбаланс в так называемый «температурный образ» (Иванов К. П., 1990), интегрирующий в целях поддержания гомеостаза температуру кожи, крови, внутренних органов (ректальная температура, гипоталамуса), мы тем самым добились асимметрии эволюционно детерминированных взаимоотношений между Тр и СВТК, что, по нашему мнению, и нашло отражение в ухудшении выполнения тестовых задач, определяющих работоспособность человека-оператора с первых минут температурного воздействия.

Анализ полученных данных позволил определить синергический характер взаимодействия высокой температуры и операторской деятельности на максимально возможное время пребывания в неблагоприятных микроклиматических условиях. Обратный характер взаимодействия отмечается при выполнении физической нагрузки в условиях высокой температуры. Так, по данным А. А. Смирнова (Смирнов А. А., 1961), максимально переносимое время в покое при температуре 60°С (относительная влажность – 20–30%) равное 60 мин увеличивается до 75 мин (на 25%) при выполнении легкой физической нагрузки. Аналогичное взаимоотношение СВТК и ректальной температуры, полученное при выполнении физической работы средней степени тяжести при температуре 50°С А. И. Фрейнк (1982) объясняет тем, что выполнение физической работы, активизируя кожный кровоток, усиливает в 3–4 раза интенсивность потоотделения, что позволяет поддерживать СВТК на 3,0–3,5°С ниже, чем в покое, и, как следствие, пролонгировать уже отмечавшейся выше конвергенции ректальной температуры и температуры кожи.

Сказанное позволяет заключить, что широкое использование в модельных экспериментах динамической физической нагрузки различной степени тяжести для получения уровня энерготрат, характерных для летчиков (Ажаев А. Н., 1979) является, по-нашему мнению, недостаточно адекватной моделью для изучения теплового состояния человека-оператора (летчика), у которого побудителем увеличения уровня энерготрат на различных этапах выполнения полетного задания является нервно-психическая (эмоциональная) и интеллектуальная нагрузки. А с учетом того, что для летной деятельности более характерна отрицательная физическая работа, соответствующая в физиологическом смысле сокращению мышц изометрического типа, еще раз можно подчеркнуть недостаточную адекватность используемых положительных физических нагрузок теплового состояния организма для имитации изменений степени тяжести летного труда. Это, по-нашему мнению, обусловлено тем, что при статической работе (от 117 до 440 Вт), по сравнению с динамической, при равном потреблении кислорода пульс был на 10 уд/мин чаще, а СВТК на 3°С выше, что отмечено и нами при выполнении задач операторского профиля.