Что может повлиять на скорость испарения и продолжительность действия ов

Диплом «Влияние примесей на скорость испарения воды»

ГБОУ Гимназия № 000

«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»

Влияние примесей на скорость испарения воды

3.2. Список литературы

Испарение происходит с интенсивным поглощением тепла, поэтому вода, охлаждающаяся без него, охлаждается медленней, чем с ним.

Актуальность: Если с помощью малого количества примесей можно замедлять или ускорять испарение, то можно контролировать испарение в больших водоемах.

Цель: Исследовать зависимость интенсивности испарения воды от поверхностных пленок на воде.

Задача: Сравнить изменение температуры воды, которая испаряется, не испаряется (испарению можно помешать при помощи крышки) и водой с примесями, интенсивность испарения которой зависит от самой примеси.

Молекулы воды, которые имеют достаточную кинетическую энергию и находятся близко к поверхности, способны оторваться от остальных молекул воды, т. е. происходит испарение. Если быстрые молекулы находятся в толще воды, а не на поверхности, то, ударяясь о другие молекулы, совершают над ними работу и теряют свою энергию. Быстрые молекулы воды, которые оторвались от поверхности воды, уносят энергию с собой, поэтому внутренняя энергия воды понижается, и она охлаждается.

Некоторые примеси, например, поверхностно-активные вещества (ПАВ), могут образовывать молекулярную пленку, снижая поверхностное натяжение на поверхности воды. Эта пленка может помешать молекулам проходить через нее. Снижение поверхностного натяжения может наоборот, облегчить прохождение молекул воды через поверхность воды. В зависимости от того, какой из этих факторов сильнее изменяет скорость испарения, она может изменяться в большую или меньшую сторону.

Мы измеряли температуру воды, которая испаряется, не испаряется (испарению мы мешали при помощи крышки) и воды с примесями, интенсивность испарения которой зависит от примеси. При этом начальная температура воды в обоих случаях одинакова, также одинаковы все остальные условия проведения экспериментов. Температуру мы измеряли при помощи термометров, подключенных к компьютеру системой LabQuest, и программы Logger Lite 1.6.1. Вода остывала в кюветах с площадью поверхности 3*10-3 м2 и объемом 1,64*10-4 м3. Мы находили мощность остывания для каждого случая с единицы площади за каждые 5 секунд проведения эксперимента по следующей формуле:

, где

1. c – удельная теплоёмкость воды (с=4200 Дж/(кг *К))

2. m – масса воды в кюветах (в нашем случае m=0,164 кг)

3. S – площадь поверхности кювет (в нашем случае S=3,168*10-3 м2)

4. t – промежуток времени между считываниями данных (в нашем случае t=5 с)

5. T2-T­1 – изменение температуры за время t

Мощность остывания складывается из мощности испарения (конвекция над сосудом), которая нам и нужна, и других мощностей (теплопередача, излучение, конвекция возле сосуда). Исключить эти факторы из эксперимента невозможно, но возможно исключить испарение, закрыв сосуд крышкой. После этого мы вычитали из мощности остывания с испарением мощность остывания без испарения, и получали чистую мощность испарения воды при данной температуре. Если вычитать из мощности остывания воды с примесью мощность остывания воды с крышкой, то получим мощность испарения воды с примесью. Эту мощность мы сравнивали с мощностью испарения чистой воды с помощью графиков.

В качестве примесей для образования поверхностных пленок мы использовали подсолнечное масло, эфирный раствор стеариновой кислоты, растворы разных моющих средств, мыльный раствор. При этом некоторые из них замедляли испарение, некоторые – ускоряли, а некоторые не влияли на него.

Рассмотрим графики зависимости средних мощностей испарения чистой воды и воды с примесями при данной температуре от температуры.

1. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с маслом при данной температуре от температуры

2. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с поверхностной пленкой стеариновой кислоты при данной температуре от температуры

3. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с моющим средством «Миф» при данной температуре от температуры

4. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с моющим средством «Cif» при данной температуре от температуры

5. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с моющим средством «Help» при данной температуре от температуры

6. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с моющим средством «Help» при данной температуре от температуры

7. Зависимость средней мощности испарения чистой воды и воды с мыльным раствором при данной температуре от температуры

Следующая таблица представляет то, насколько уменьшилась средняя мощность испарения с данной примесью в процентах (отрицательное значение говорит о том, что она увеличилась).

Среднее уменьшение мощности испарения с примесью

Поверхностная пленка стеариновой кислоты

Моющее средство «Миф»

Моющее средство «Cif»

Моющее средство «Help» (1 эксперимент)

Моющее средство «Help» (2 эксперимент)

Мыльный раствор (4 мл)

Мыльный раствор (8 мл)

Мы видим, что поверхностная пленка стеариновой кислоты не влияет на скорость испарения. Моющие средства для посуды («Миф» и «Cif»), а также мыльный раствор замедляют испарение. Масло и моющее средство для стекол («Help») ускоряет испарение. Из среднего замедления испарения и графиков можно заметить, что такие примеси, как «Help», «Миф» и мыльный раствор довольно сильно влияют на скорость испарения, «Cif» и масло влияют гораздо меньше, а пленка стеариновой кислоты не влияет вовсе.

Вывод: С помощью примесей можно довольно сильно влиять на испарение, и, как следствие, можно их применять для контроля испарения. Но примеси могут повлиять не только на испарение, но и на другие процессы.

1. Chemistry and Technology of Surfactants / Edited by Richard J. Farn. — Blackwell Publishing Ltd, 2006. — 315 p.

2. Dierker M., Schäfer H. J. Surfactants from oleic, erucic and petroselinic acid: Synthesis and properties // European Journal of Lipid Science and Technology. — 2010. — Т. 112. — № 1. — С. 122.

3. Поверхностно-активные вещества: синтез, свойства, анализ, применение = Surfactants. A Practical Handbook / Пер. с англ. — СПб.: «Профессия», 2004. — 240 с.

5. Мыла (химич.) — статья из Большой советской энциклопедии

Источник

Факторы, влияющие на скорость испарения воды

«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»

Факторы, влияющие на скорость испарения воды

Определение испарения. Цель работы. Актуальность работы Описание структуры работы.

Механизм испарения на молекулярном уровне. Факторы, влияющие на скорость испарения.

2.1 Влияние на скорость испарения температуры воды.

2.1.1 Неравномерность прогрева воды.

2.1.2 Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число Рэлея. Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью передачи энергии.

2.1.3 Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа Рэлея в воздухе и тип режима перемешивания воздуха.

2.2 Влияние влажности воздуха.

2.2.1 Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха «на бесконечности».

2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.

2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока водяных паров от поверхности.

2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.

Испарение – процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное, происходящий с поглощением тепла.

Цель данной работы: выявить факторы, влияющие на скорость испарения воды.

1. При испарении расходуется большое количество теплоты, следовательно, этот процесс можно использовать для охлаждения.

2. Интенсивность испарения существенно влияет на влажность воздуха, которая является определяющей во многих процессах.

3. Изучение механизмов испарения позволит построить более правдоподобные модели распределения температуры и влажности, т. е. позволит более точно предсказывать различные климатические процессы. Для расчета таких моделей используются современные вычислительные системы, но для их правильной работы необходимо детальное понимание всех процессов, влияющих на формирование погоды.

В данной работе мы рассмотрим факторы, влияющие на скорость испарения воды и их взаимосвязь.

На испарение влияет много факторов, но наиболее значимые из них температура поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью воды. На каждый из этих факторов влияет ряд других:

1. Температура воды. На нее влияет температура окружающего воздуха. Теплообмен от воздуха к воде и обратно осуществляется теплопередачей (непосредственной передачей тепла без перемешивания) и конвекцией. Конвекция в свою очередь может проходить в разных режимах: ламинарном и турбулентном. Ламинарный – это режим, при котором жидкость перемещается стационарными струями без перемешивания. Турбулентный – это режим, при котором жидкость беспорядочно перемешивается из-за большой разности температур.

2. Влажность воздуха над поверхностью воды. На нее влияет интенсивность испарения воды (чем больше пара вышло из воды, тем больше его в воздухе), площадь поверхности (чем больше площадь поверхности, тем больше пара выходит из воды), ветер или другие формы конвекции в воздухе (насколько быстро удаляются водяные пары от поверхности воды).

Далее эти факторы будут рассматриваться более подробно.

Механизм испарения на молекулярном уровне.

Молекулы воды, которые имеют достаточную кинетическую энергию и находятся близко к поверхности, способны оторваться от остальных молекул воды, т. е. происходит испарение. Если быстрые молекулы находятся в толще воды, а не на поверхности, то, ударяясь о другие молекулы, совершают над ними работу и теряют свою энергию. Быстрые молекулы воды, которые оторвались от поверхности воды, уносят энергию с собой, поэтому внутренняя энергия воды понижается, и она охлаждается.

Некоторые молекулы водяного пара, двигаясь хаотически, возвращаются в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. Скорость конденсации зависит от концентрации молекул водяного пара.

2. Факторы, влияющие на скорость испарения.

2.1. Влияние на скорость испарения температуры воды.

На скорость испарения влияют многие факторы, но главный из них – температура поверхности воды. Чем больше температура, тем больше средняя скорость молекул, и, следовательно, больше молекул с большими скоростями, которые способны вылететь с поверхности. Вода не имеет одинаковую температуру во всей толще, для изучения испарения важна температура именно на поверхности. В свою очередь на эту температуру влияет целый ряд факторов:

1. Температура в толще воды. Количество теплоты из толщи воды к поверхности может переноситься двумя способами: теплопередачей или конвекцией. Конвекция начинается тогда, когда жидкость имеет большую температуру на глубине, в этом случае расширяясь при большей температуре, она начинает подниматься вверх. В воде при испарении необходимое для конвекции распределение температур происходит из-за того, что на поверхности вода, испаряясь, становится холоднее.

2. Температура воздуха обычно больше, чем температура на поверхности воды, потому что на поверхности происходит испарение и вода охлаждается. Поэтому, как правило, происходит подвод тепла из воздуха к поверхности. В случае если температура воздуха меньше, то тепловой поток идет в обратную сторону, причем скорость теплоотвода зависит от конвекции воздуха над поверхностью воды.

3. Интенсивность испарения влияет на температуру воды на поверхности. Чем больше интенсивность испарения, тем больше энергии унесли молекулы, и тем меньше температура поверхности. Чем меньше температура, тем меньше энергии в воде, и тем меньше интенсивность испарения.

Мы видим, что все указанные факторы тесно взаимосвязаны между собой: если увеличивается скорость испарения, температура поверхности жидкости уменьшается, следовательно, увеличивается теплообмен между поверхностью и толщей воды, с другой стороны, увеличивается теплообмен между поверхностью воды и воздухом, а также конвекционный поток над водой.

Безусловно, полностью учесть все эти факторы может только компьютерная модель.

2.1.1 Неравномерность прогрева воды.

Рассмотрим более детально процесс передачи тепла в толще воды. Практически всегда в не идеализированных условиях температура в разных местах жидкости неодинакова: вода испаряется только сверху, следовательно, охлаждается только сверху. Нагрев воды также происходит обычно неравномерно. Например, солнечные лучи проникают в толщу воды и по-разному нагревают их в зависимости от прозрачности воды. Любой другой источник более высокой или низкой температуры также передает тепло неравномерно, например рука держащего сосуд человека.

Если температура воды сверху меньше, то начинает происходить конвекция: холодная вода тяжелее горячей, поэтому холодная вода опускается, а горячая – поднимается. Но так как жидкость не перемешивается полностью, а перемещается целыми объемами, температура распределяется неравномерно. В случае возникновения конвекции жидкость начинает двигаться целыми «кусками». Если в этом случае поместить термометр в некоторую точку жидкости, он покажет колебание температуры, которое и будет отражать это движение «кусков» горячей или холодной жидкости.

2.1.2. Конвекция. Ламинарный и турбулентный режим. Число Рэлея. Зависимость типа режима перемешивания жидкости со скоростью передачи энергии.

Как уже говорилось выше, конвекция – это явление, при котором теплообмен происходит путем перемешивания вещества. С ее помощью горячая вода перемещается из толщи к поверхности, а остывшая из-за испарения вода, в свою очередь, перемещается от поверхности ко дну.

Жидкость, при нагревании снизу или охлаждении сверху может перемешиваться в двух режимах: ламинарном и турбулентном.

Ламинарный поток — это поток, при котором жидкость перемещается стационарными струями без перемешивания и беспорядочных быстрых изменений скорости. В случае ламинарных потоков движение жидкости можно изобразить при помощи линий тока: воображаемых линий, вдоль которых перемещаются частицы воды.

Турбулентный поток – это поток, при котором из-за большой разности температур жидкость беспорядочно перемешивается. В этом случае невозможно указать определенную траекторию движения частицы.

В случае турбулентного потока происходит более равномерное перемешивание всей жидкости. Если в случае ламинарного перемешивания перемещаются целые «куски» определенной температуры, то в случае турбулентного режима жидкость имеет почти одинаковую температуру по всему объему.

Вид режима (ламинарный или турбулентный) определяется числом Релея. Число Рэлея – это безразмерная величина, оно считается по формуле

, где

g — ускорение свободного падения; измеряется в м/с2.

β — коэффициент теплового расширения жидкости; вычисляется по формуле

, где ΔV – изменение объема тела, V – начальный объем тела, ΔT – изменение температуры; измеряется в К-1. [1]

ΔT — разность температур между поверхностью и толщей воды; измеряется в К.

L — определяющий линейный размер поверхности теплообмена; измеряется в м. Это максимальная длина на поверхности сосуда, например для круглого сосуда это диаметр, для прямоугольного – диагональ и т. д.

ν — кинематическая вязкость жидкости; численно равна ν = 0,000183/(ρ(1 + 0,0337t + 0,000221t2)), где t – температура и ρ – плотность жидкости; измеряется в 10-6 м2/с. [2]

χ — температуропроводность жидкости; вычисляется по формуле , где — теплопроводность, cp — удельная теплоемкость, ρ — плотность; измеряется в м2/с. [3] [4]

Для воды и цилиндрического сосуда высотой 2,2 см и радиусом 12,5 см при комнатной температуре (20) ниже приведены данные для расчета числа Рэлея и сами расчеты:

t = 20

= 0,6 Вт/(м*К) [9]

χ = /(cp*ρ) = 1,437e-7 м2/c

Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 3669

Разность температур 0,2° была рассчитана программой, которая создает модели испаряющейся воды.

2.1.3. Температура воздуха и ее влияние на температуру воды. Числа Рэлея в воздухе и тип режима перемешивания воздуха.

На температуру поверхности воды также влияет и температура окружающего воздуха.

Если температура воздуха отличается от температуры воды, происходит теплообмен между водой и воздухом за счет теплопередачи и конвекции.

Конвекция в воздухе также определяется числом Рэлея. Там оно меньше на один-два порядка, потому что вязкость и температуропроводность больше у воздуха, чем у воды.

Ниже приведены данные для расчета числа Рэлея и сами расчеты для воздуха:

t = 20

= 0.0257 Вт/(м*К)

χ = /(cp*ρ) = 2,122e-5 м2/c

Ra = (g*β*ΔT*L3)/(ν*χ) = 40990,072

Конвекция в воздухе

На конвекцию также влияет влавжность воздуха. Т. к. водяные пары имеют плотность меньше, чем плотность воздуха, влажный воздух легче сухого и начинает подниматься вверх. Таким образом, чем выше скорость испарения, тем выше влажность воздуха, тем интенсивнее конвекция.

2.2. Влияние влажности воздуха.

Как уже говорилось, при увеличении влажности воздуха над поверхностью воды, увеличивается конденсация т. е. уменьшается интенсивность испарения. Поэтому попытаемся разобраться, какие факторы влияют на величину влажности воздуха, для этого сначала сформулируем точное определение влажности.

Абсолютная и относительная влажность.

Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в кубическом метре воздуха. Из-за малой величины обычно измеряется в г/м3. Относительная влажность воздуха – это отношение текущей абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности при данной температуре. Чем выше температура, тем выше максимально возможная абсолютная влажность.

2.2.1. Связь влажности воздуха у поверхности воды с влажностью воздуха «на бесконечности».

Воздухом «на бесконечности» называется воздух, находящийся на таком удалении от поверхности жидкости, что его влажность не зависит от наличия этой поверхности. Влажность воздуха «на бесконечности» безусловно, влияет на влажность воздуха у поверхности. Пар с поверхности воды вытесняет пар, который уже был в воздухе, тем самым стремиться увеличить влажность «на бесконечности». Чем больше влажность воздуха на бесконечности, тем сложнее вытеснить поднимающемуся пару находящийся на бесконечности» пар, и тем менее интенсивно происходит испарение.

2.2.2 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью испарения.

При высокой влажности, по сути, испарение происходит с той же скоростью, но конденсация происходит быстрее, и, следовательно, можно считать, что испарение происходит медленнее. Конденсация – это обратный испарению процесс, то есть переход из газообразного состояния в жидкое.

2.2.3 Связь влажности воздуха у поверхности воды со скоростью оттока водяных паров от поверхности.

Водяные пары, если их влажность отличается от влажности на бесконечности, перемещаются от поверхности воды при помощи двух процессов: диффузии и конвекции.

Диффузия – это процесс выравнивания концентраций веществ в некотором объеме путем проникновения молекул одного вещества в другое. Она зависит от скорости движения молекул, то есть от температуры среды. Диффузия в газах проходит довольно быстро.

Конвекция – это явление передачи тепла путем перемешивания вещества. Вещество перемешивается из-за разности температур, которая может быть вызвана испарением. Конвекция, по сравнению с диффузией происходит медленно.

Можно также отметить, что ветер, уносящий пар от поверхности, влияет на скорость испарения сильнее предыдущих двух факторов.

2.2.4 Связь влажности воздуха у поверхности с геометрией поверхности.

Подведем итог: на скорость испарения влияют главным образом два фактора: температура поверхности воды и влажность воздуха над поверхностью, но на эти два фактора влияют множество других. На диаграмме представлена общая взаимосвязь этих факторов между собой.

В нашей работе мы изучили факторы, влияющие на скорость испарения воды. В результате выяснено, что на скорость испарения влияют главным образом температура на поверхности воды и влажность воздуха над сосудом, но также влияют и площадь поверхности, конвекция, диффузия, влажность «на бесконечности».

Источник

Сезонность респираторных вирусных инфекций

Во всем мире признано, что респираторные вирусные заболевания имеют сезонность. На протяжении тысяч лет словно по часам в зимний сезон ежегодные эпидемии простуды и гриппа поражают людей, проживающих в умеренном климате. Более того, эпидемии возникают благодаря вирусам, в частности таким как коронавирус, вызывающий тяжелый острый респираторный синдром (SARS-CoV), или недавно появившийся вирус, вызывающий атипичную пневмонию (SARS-CoV-2), которые наиболее активны в зимние месяцы. Механизмы, лежащие в основе сезонности респираторных вирусных инфекций, изучались и обсуждались на протяжении многих лет. Двумя основными факторами, способствующих сезонности, являются изменения параметров окружающей среды и поведения человека. Исследования выявили влияние температуры и влажности на устойчивость вирусов и скорость их передачи. Более поздние исследования подчеркивают важность факторов окружающей среды, особенно температуры и влажности, в модулировании собственных, врожденных и адаптивных иммунных реакций человека на вирусные инфекции дыхательных путей. Здесь мы рассматриваем доказательства того, что на открытом воздухе и в помещении климат связан с сезонностью вирусных респираторных инфекций. Далее мы обсудим детерминанты реакций человека в сезонности респираторных вирусных инфекций, обращая особое внимание на последние исследования в этой области.

Введение

Одно из самых ранних свидетельств зимней эпидемии респираторных инфекционных заболеваний может быть найдено в древнегреческих записях Гиппократа — «Книге эпидемий», написанной около 400 г. до н. э. С тех пор многие респираторные вирусы были идентифицированы как этиологические агенты таких эпидемий. Заметные достижения в вирусологии и иммунологии прояснили первопричину сезонности инфекций. Несмотря на значительные усилия в области здравоохранения, эпидемии вирусных респираторных заболеваний и инфекций желудочно-кишечного тракта по-прежнему широко распространены среди первоначально здорового населения и могут приводить смерти. Расходы на борьбу с простудой в Соединенных Штатах Америки составляют 40 млрд. долл. США в год и более 87 млрд. долл. США в год на борьбу с гриппом. Кроме того, вирусные эпидемии, такие как эпидемии коронавируса, который вызывает синдром тяжелого острого респираторного синдрома 2002–2003 гг., (SARS-CoV) и недавно появившегося SARS-CoV-2, происходящие в зимние месяцы, указывают на то, что зимняя среда способствует распространению различных респираторных вирусных инфекций.

Накопленные результаты исследований указывают на возможные сезонные детерминанты в эпидемиях респираторных вирусов. К ним относятся сезонные изменения температуры, абсолютной влажности (АВ), солнечного света, витаминного статуса и поведения человека — хозяина вируса. Эти предложенные факторы можно классифицировать как сезонные изменения окружающей среды, человеческие поведенческие и вирусные факторы (рис. 1).

Экологические факторы влияют на восприимчивость человека, стимулируя защитные механизмы дыхательных путей и влияя на жизнеспособность и передачу респираторных вирусов.

Поведенческие модели людей влияют на скорость контакта между инфицированными лицами и восприимчивость отдельных лиц. Среди потенциальных факторов сезонности и в качестве критического фактора сезонного роста респираторных вирусных заболеваний были предложены колебания температуры и абсолютной влажности в течение года, особенно в контексте инфекционных эпидемий в зимний сезон. Данный обзор фокусируется на том, как сезонные факторы окружающей среды влияют на передачу инфекции и реакцию дыхательных путей человека на вирусы и как изменения в иммунной системе человека в конечном итоге приводят к тому, что имеется сезонность вспышек вирусных инфекций.

Влияние сезонного климата на микроклимат в помещении

Термин «сезонная инфекция» ассоциирует конкретную инфекцию с определенным сезоном года. Следовательно, предполагаемая связь между инфекциями и сезонным климатом рассматривается как причинно-следственная. Это было до некоторой степени верно, когда люди жили и работали на открытом воздухе с минимальной защитой даже от самых суровых климатических условиях. Промышленные революции изменили все это. Рабочие места на открытом воздухе в сельской местности были перенесены на фабрики и в офисы, что привело и к перемещению туда людей.

При повсеместном внедрении центрального отопления и все более герметичных, изолированных зданий, в закрытом помещении стал поддерживаться постоянный диапазон температурного комфорта, что привело к еще большему разрыву между микроклиматом помещения и сезонных колебаний климата. Такое разобщение особенно заметно в зимнее время, когда отопление внутри помещений вызывает значительное различие внутренней и наружной температуры и относительной влажности воздуха (ОВ), но не влияет на АВ. Показатели измерения внутренней влажности в 40 жилых квартирах в Нью-Йорке и в 6 высококачественных коммерческих зданиях на Среднем Западе составили не то менее 24 % ОВ зимой. Таким образом, в зимнее время низкая АВ на открытом воздухе переходит в низкую внутреннюю относительную влажность, в пределах комфортного диапазона температур от 20 до 24°C.

Количество контактов между людьми значительно увеличивается в рабочие дни по сравнению с выходными днями, в то время как погодные условия, такие как дождь, солнце и холод, оказывают незначительные влияния на контакт между этими людьми. Эти результаты противоречат часто озвучиваемой идее о том, что сбор в помещении из-за неприятных погодных условий оказывает соответствующее влияние на сезонность инфекций. В промышленно развитом мире большинство людей взаимодействуют, работают, спят, ездят на работу и проводят 90 % своей жизни в закрытых помещениях где объем вдыхаемого воздуха ограничен.

Это означает, что подавляющее большинство передач возбудителя от человека к человеку происходят в помещениях. Следствием этого является то, что климат в помещении и темпы изменения воздуха, модулируемые внешними сезонными условиями, являются ключевыми факторами сезонной динамики в эпидемиологии. Кроме того, воздействие внешних условий способствует изменению защиты дыхательных путей на существующий вирус. Многочисленные факторы, описанные на рисунке 1, модулируют пространственно-временное начало и прогрессирование сезонных респираторных вирусных инфекций. С учетом этого, сосредоточившись на регионах с умеренным климатом, нам предстоит обсудить важность экологических факторов для передачи респираторных вирусов и иммунной реакции организма.

Сезонность респираторных вирусов в человеческой популяции

На сегодняшний день выявлено по крайней мере девять различных вирусов в качестве общих возбудителей инфекции дыхательных путей. Согласно эпидемиологическим исследованиям, проведенным в регионах с умеренным климатом, большинство респираторных вирусов склонны к сезонным вспышкам (рис. 2). Вирус гриппа, коронавирус человека и респираторно-синцитиальный вирус человека (RSV) демонстрируют пиковую активность в зимние месяцы (поэтому их иногда называют зимними вирусами). И наоборот, аденовирус, бокавирус человека, метапневмовирус человека (hMPV) и риновирус вызывают заболевания на протяжении всего года (круглогодичные вирусы). Для некоторых энтеровирусов характерно увеличение частоты заболеваемости летом (летние вирусы). Несмотря на то, что уровень заражения достигает пика весной и осенью, зимой тяжесть заболевания, вызванного риновирусной инфекцией, возрастает. Кроме того, вирус парагриппа (PIV) демонстрирует специфическую для данного типа сезонную циркуляцию (рис. 2).

Конфликты репликации среди этих респираторных вирусов могут способствовать тому, что пики их заболеваемости не будут перекрещиваться друг с другом. Эпидемиологическими наблюдениями было установлено, что пики заболевания вирусом гриппа и РСВ в один и тот же период не перекрещиваются, несмотря на то, что зимой преобладают и те, и другие. Во время пандемии гриппа в 2009 г. было установлено, что распространение риновируса задерживает наступление пандемии гриппа в Европе. Используя статистические методы анализа, недавнее исследование показало сильное негативное взаимодействие между вирусом сезонного гриппа А и риновирусом как на популяционном, так и на индивидуальном уровне. Было предложено несколько возможных механизмов, препятствующих перекресту, в том числе сбой в работе взаимодействия поверхностного вирусного рецептора к клетке, клеточной смерти или реакции интерферона макроорганизма (IFN). В качестве защитных механизмов также были предложены защитные интерфероны для борьбы с генетически близкими вирусами, такими как PIV, hMPV и RSV.

Влияние экологических факторов на устойчивость и передачу респираторных вирусов

Устойчивость респираторных вирусов

В современной литературе имеются многочисленные данные, которые говорят о корреляции устойчивости вируса гриппа, находящегося во взвешенных каплях, со степенью испарения капель и связанной с этим перенасыщенностью этими каплями воздуха. Состояние парового равновесия воздуха в помещении выражается в коэффициенте насыщения или относительной влажности (ОВ), которое применимо ко всем каплям, в том числе и к респираторными вирусами, независимо от их источника происхождения, будь то дыхательные пути или аэрозольные частицы из любой другой жидкости, а также места нахождения, в воздухе или на поверхностях.

Таким образом, ОВ влияет на все способы передачи, но имеет наиболее выраженное влияние на передачу воздушно-капельным путем. Исследования передачи вируса у животных на морских свинках и хорьках показали, что равновесное состояние при высоком (> 60 %) и низком ( Таблица 1 | Капельная передача при различных показателях относительной влажности

Эти исследования показали, что температура в зоне комфорта и низкая относительная влажность воздуха, типичные для зимы условия внутри помещений в умеренном климате, способствуют медленной инактивации вируса гриппа. Совсем недавно аналитический химический подход показал, что низкотемпературные условия способствуют упорядочению липидов на вирусной мембране, что приводит к стабильности частиц вируса гриппа.

Передача респираторных вирусов

Созданы модели передачи вируса гриппа у мышей, хорьков и морских свинок. Ранее проведенные исследования с использованием специализированного аппарата для передачи вируса между мышами продемонстрировали возможность того, что сухой и не вентилируемый воздух может увеличить возможность распространения вирусной инфекции гриппа в зимнее время. Скорость передачи между инфицированными и не инфицированными мышами, помещенными в одну клетку, была увеличена при 47 % ОВ в сравнении с 70 % ОВ, а также при условиях меньшей вентиляции. Поскольку передача гриппа между инфицированными и не инфицированными мышами осуществлялась просто за счет помещения их в одну клетку, в экспериментах использовались адаптированные для мышей вирусы гриппа. В отличие от мышей, морские свинки способны к передаче патогенных вирусов гриппа человека и обладают некоторыми сходными с человеком свойствами, такими как наличие функционального антивирусного гена Mx GTPase и рецептора сиаловой кислоты человеческого типа (α2-6) в эпителии верхних дыхательных путей.

Благодаря этим преимуществам было исследовано влияние температуры и влажности на передачу вируса гриппа у морских свинок. Четыре пары инфицированных и неинфицированных морских свинок были помещены в климатические камеры таким образом, чтобы поток воздуха был направлен от инфицированных к не инфицированным морским свинкам. Эффективность передачи оценивалась по проникновению вируса в носовые ходы от зараженных к не зараженным животным. При температуре 20°C передача вируса гриппа при высокой ОВ (80 %) не наблюдалась. Напротив, при низкой ОВ (∼20–35 %) при 20°C передача вируса была высокой. Вирусная передача обычно была более эффективна при 5°C по сравнению с 20°C. Следует отметить, что при температуре окружающего воздуха 5°C передача вируса была возможной даже при 80-процентной относительной влажности воздуха. Одним из возможных объяснений этого результата могло быть снижение резистентности слизистой оболочки и повышение стабильности вириона, оставшегося на слизистой оболочке верхних дыхательных путей при 5°C.

Влияние экологических факторов на противовирусную резистентность дыхательных путей

Слизистая поверхность дыхательных путей постоянно подвергается воздействию окружающей среды. Вдыхаемый воздух содержит летучие и нелетучие загрязняющие вещества и потенциально патогенные микроорганизмы. Многоуровневая защитная система дыхательных путей предотвращает заражение вдыхаемыми вирусами. Показано, что сезонные колебания температуры и влажности вдыхаемого воздуха оказывают непосредственное влияние на защитные свойства слизистой оболочки дыхательных путей на нескольких уровнях (рис. 3). В этом разделе мы сосредоточимся на факторах окружающей среды, оказывающих влияние на противовирусную резистентность дыхательных путей человека.

Внутренние барьеры

Внутренний барьер обеспечивает первую линию защиты от респираторных вирусов на слизистой оболочке дыхательного эпителия. Различный состав эпителия в различных частях дыхательных путей создает барьерную защиту, зависящую от диаметра дыхательных путей.

Эпителиальные клетки представляют собой эффективный механический барьер.

Кроме того, слизь, выделяемая из подслизистых желез в более крупных дыхательных путях, создает химический барьер на поверхности слизистой оболочки.

Выделение слизи

Целостность эпителия дыхательных путей

Дыхательные пути имеют слизистую поверхность I типа, которая покрыта однослойным мерцательным эпителием. Этот эпителий служит второй линией защиты после слоя слизи для обеспечения физического барьера защиты. Немедленная регенерация эпителия дыхательных путей имеет решающее значение для поддержания целостности дыхательных путей. Исследование с использованием морских свинок показало, что экспериментально поврежденные дыхательные пути восстанавливаются в течение 8–15 часов. Эпителиальные клетки на краю поврежденной зоны быстро мигрируют и сплющиваются, чтобы покрыть поврежденную зону, после чего происходит повторная эпителизация. Вдыхание сухого воздуха вызывает немедленную потерю эпителиальных ресничек дыхательным эпителием, отслоение эпителиальных клеток и воспаление трахеи морских свинок. Более того, воздействие сухого воздуха на мышей нарушает восстановление эпителиальных клеток в легких после гриппа. Нарушение целостности эпителия дыхательных путей, вызванное вдыханием сухого воздуха, может приводить к эпидемии определенных типов респираторных вирусных инфекций.

Мукоцилиарный барьер

Мукоцилиарный барьер (МЦБ) служит ключевым механизмом для устранения вдыхаемых болезнетворных микроорганизмов и раздражающих агентов с эпителиальной поверхности дыхательных путей. Двойной слой слизи с различной вязкостью обеспечивает эффективную работу МЦБ (рис. 4). Вязкий слой, обращенный в просвет дыхательных путей, захватывает микрочастицы и микроорганизмы, а нижний, обращенный к стенкам воздухоносных путей (перицилиарный слой), участвует в передаче инерции от реснитчатых клеток к верхним слоям слизи для перемещения микроорганизмов в сторону движения ресничек.

Вдыхание холодного воздуха, который всегда сухой, приводит к ухудшению качества работы МЦБ. Исследование влияния температуры окружающей среды на цилиарный ритм, частоту движения реснитчатых клеток носа и трахеи, выделенных от человека, показало, что эффективность работы слизи начинает снижаться по мере понижения температуры ниже 20°С и совсем не наблюдается при 5°C. Другие исследования, посвященные МЦБ при различных физиологических показателях установили, что вдыхание холодного воздуха замедляет скорость работы МЦБ у цыплят. Более новые исследования показали, что преинкубация мышей в среде с низким уровнем ОВ (10 %) снижает эффективность работы МЦБ по сравнению с 50 % ОВ, что приводит к ослаблению очистки ВДП. Учитывая, что МЦБ зависит от количественного содержания двойного слоя слизи с двумя разными вязкостями, а также осмотического баланса, надлежащее увлажнение слизи необходимо для ее эффективной работы.

Исследование взаимосвязи между температурой и влажностью вдыхаемого воздуха и свойствами слизистой дыхательных путей выявило, что 100 % ОВ является оптимальным показателем для эффективной работы слизистых оболочек и защиты дыхательных путей у человека. Обезвоживание слизистой оболочки, вызванное вдыханием воздуха низкой влажности приводит к снижению эффективности МЦБ. Потеря влаги из верхнего слизистого слоя влечет за собой и потерю влаги в перицилиарном слое, что ведет к уменьшению его толщины и обездвиживает реснички эпителия (рис. 4).

Значимость достаточной влажности в носу, трахее и бронхах была подробно изучена на животных. У людей также был исследован носовой МЦБ. Эти исследования показали, что носовой МЦБ не повреждается сухим воздухом у молодых и здоровых людей, но скорость регенерации слизистой оболочки постепенно снижалась у 174 испытуемых (разного возраста и пола) при сокращении ОВ вдыхаемого воздуха с 70 % до 20 %. Одно из исследований показало, что на скорость регенерации слизистой оболочки влияет альтернативное одностороннее торможение дыхания носовых полостей, обусловленных особенностью носовых циклов. Вентиляция пациентов с анестезией ненагретыми ( Индуцируемый противовирусный врожденный иммунитет

Внутренние иммунные реакции, индуцированные в ответ на вирусную инфекцию, обеспечивают защиту в пределах слизистой оболочки дыхательных путей. Многочисленные классы врожденных иммунных сенсоров распознают вирусы, связывая молекулярные структуры для инициирования противовирусного ответа, включая выработку интерферонов (ИНФ) типа I и тип III. Эти ИНФ являются ключевыми эффекторными цитокинами, которые передают сигнал через свои рецепторы на соседние клетки к запуску экспрессии сотен интерферон-стимулированных генов (ИНФСГ). Эти ИНФСГ действуют на различных стадиях цикла репликации вируса, оказывая противовирусное действие. Влияют ли факторы окружающей среды на противовирусный врожденный иммунитет человека, ранее было неизвестно. Недавние исследования показывают, что зависящие от времени года факторы окружающей среды, такие как температура и влажность, могут повлиять на врожденный противовирусный иммунитет человека, направленный против респираторных вирусных инфекций.

Известно, что в культуре тканей риновирусы реплицируются гораздо лучше при температуре 33°C, что имитирует низкую температуру в носовой полости относительно температуры ядра тела, которая в частности фиксируется и в нижних дыхательных путях (37°C).

Почему вирус обладает высокой способностью к репликации при низкой температуре? Исследование, сосредоточенное на изучении влияния температуры окружающей среды на клетки хозяина, показало, что репликация риновируса при 33°C имеет отношение к неэффективной антивирусной реакции носителя при этой температуре.

При 33°C риновирусы индуцируют выработку лишь небольшого количества интерферонов типа I из инфицированных эпителиальных клеток дыхательных путей. Более того, отключается ключевая сигнальная молекула врожденного вирусного сенсора — MAVS, необходимого для выработки ИНФ типа I из клеток носителя.

Все эти результаты показывают, что устойчивая противовирусная реакция носителя при температуре ядра тела может блокировать распространение риновируса в нижних дыхательных за счет своевременной выработки интерферонов. Кроме того, исследование показывают, что воздействие на нос более холодного воздуха в зимний период может обеспечить надежную репликацию риновируса.

Другие врожденные защитные механизмы

Прямая клиренсация патогена при фагоцитозе или выработке свободных радикалов, играет важную роль в качестве неспецифического иммунного ответа. Сезонные колебания дневного светового периода модулируют физиологическую активность различных видов млекопитающих через выработку мелатонина. Воздействие на сибирских хомячков короткого светового дня (8 ч) снизило фагоцитотическую активность и РВК-производство гранулоцитами и моноцитам по сравнению с воздействием длинного светового дня (16 ч). Напротив, короткий световой период увеличивал естественную цитотоксичность клеток-киллеров. Биосинтез витамина D также модулируется солнечным светом. В течение зимнего сезона витамин D находится в дефиците и это обычное явление. Полученные макрофаги из культуры костного in vitro, взятых от мышей с дефицитом витамина D, имеют нарушения в созревании, а также в выработке поверхностного антигена, лизосомальных ферментов и выработке H2O2. В целом, эти данные говорят о коротком световом дне как о факторе, способствующем нарушению врожденных иммунных реакций в зимний период.

Вирусно-специфический адаптивный иммунитет

Адаптивный иммунитет обеспечивает высоко специфическую и долговременную защиту от инфекционных агентов. Инициирование адаптивного иммунитета начинается тогда, когда антигенпрезентирующие клетки стимулируют молодые Т-клетки к активации и дифференцировке в эффекторные Т-клетки, которые обеспечивают противовирусные реакции на месте заражения. Т-фолликулярные вспомогательные клетки также играют важную роль в стимулировании активации и дифференцировки В-клеток для производства противовирусных антител.

Помимо респираторных вирусных инфекций, усиленные эффекторные Т-клеточные ответные реакции у мышей, размещенных при более высокой температуре, были описаны в контексте противоопухолевого иммунитета, а также в рамках трнасплонтационной болезни (ТЦБ). У мышей, размещенных при более высокой (30°C), термонейтральной температуре для мышей, рост опухоли подавлялся по сравнению с типичной температурой размещения при 22°C за счет увеличения количества антиген-специфичных CD8+ T клеток. Следовательно, у мышей, размещенных при 30°C, чувствительность к лечению рака поджелудочной железы была выше, чем у мышей, размещенных при 22°C. Аналогичным образом, трансплантация основных комплексов гистосовместимости — несовместимых клеток костного мозга — вызывает у мышей, размещенных при 30°C, тяжелую форму ТЦБ, в то время как мыши, размещенные при 22°C, устойчивы к наступлению ТЦБ при данном лечении. Эти исследования позволяют предположить, что температура тела человека может влиять на адаптивные иммунные реакции в целом, и предполагают, что вакцины следует применять при оптимальной температуре, чтобы вызвать максимальный иммунитет.

В контексте респираторной вирусной инфекции недавнее исследование показало, что высокая температура окружающей среды, имитирующая летнюю жару, ослабляет вирусный адаптивный иммунитет после инфицирования вирусом гриппа мышей. Исследование показало, что тепловое воздействие на мышей (36°C) ослабляет вирусно-специфические клеточные реакции CD8+ T и выработку антител после инфицирования вирусом интраназального гриппа. Эти ослабленные противовирусные иммунные реакции у мышей, подвергшихся тепловому воздействию, были частично восстановлены с помощью добавок глюкозы или короткоцепочечных жирных кислот, что указывает на роль диеты и микробиома в ослаблении иммунитета при тепловом воздействии. Согласно докладу Центра по контролю и профилактике заболеваний, все шесть недавних пандемий гриппа, произошедших в Северном полушарии в 1957–2009 годах, были весенне-летними. Роль аномальных температурных колебаний в пандемиях гриппа станет еще более актуальной в связи с усиливающимся влиянием глобального потепления и изменения климата.

Влияние экологических факторов на сопротивляемость респираторным вирусам дыхательных путей

Обезболивание— это способ, позволяющий повысить эффективность борьбы с инфекцией путем снижения последствий после повреждения тканей, вызванного патогенными микроорганизмами или иммунными ответами самого организма, не оказывая прямого воздействия на патогенное звено. Например, смертельные и патологические последствия инфекции гриппа у TLR7 и мышей с MAVS-дефицитом Мх1 переносились при отсутствии каспазы-1/11, не влияя на вирусную нагрузку. Данное исследование показало, что летальность гриппозной инфекции при отсутствии врожденной резистентности обусловлено воспалительно-опосредованной нейтрофильной активацией. Показано, что воздействие низкой влажности на мышей Мх1 увеличивает смертность, потерю веса и вирусную нагрузку на легкие после инфекции гриппа. Кроме того, тяжелое повреждение тканей после инфицирования вирусом гриппа наблюдалось в легочной ткани мышей, подвергшихся воздействию сухого воздуха. Следует отметить, что дефицит каспазы-1/11 спасает от летальности, которая возникает у инфицированных мышей, подвергавшихся воздействию сухого воздуха. Эти исследования показывают, что мыши, подвергающиеся воздействию условий низкой влажности, которые ухудшают противовирусную устойчивость, могут переносить инфекцию, если у них отсутствуют воспалительные каспазы. Эта концепция может быть спроецирована на другие условия, при которых ослабляется врожденная противовирусная резистентность, например, у пожилых людей. Таким образом, вмешательство в развитие воспалительных каспаз может дать возможности для борьбы с пагубными последствиями заболеваний, вызванных гриппом, путем повышения сопротивляемости болезням.

Заключительные замечания и выводы

Состояние слизистой поверхности носа и трахеи при вдыхании воздуха зависит от его температуры и содержания в нем воды. Вдыхание сухого воздуха приводит к эпителиальному повреждению, нарушению работы МЦБ и увеличению количества муцина. Плохая экспрессия ИНФ и восстановление тканей в совокупности с увеличением вирусной нагрузки увеличивает смертность после инфицирования вирусом гриппа, что было доказано в экспериментах на мышах, подвергавшихся 7-дневному воздействию низких показателей ОВ в 10–20 %. Тяжелое течение болезни после воздействия сухого воздуха сопровождается воспалением, активируются каспазы. Аналогичным образом, вдыхание холодного воздуха нарушает работу МЦБ и повышает уровень муцина. Низкая температура ухудшает выработку ИНФ типа I. Напротив, воздействие на мышей высоких температур снижает адаптивные иммунные реакции, специфичные для вируса, после заражения вирусом гриппа. Исследования на животных демонстрируют негативное влияние окружающей среды. Обследование школьников и детских садов, офисных работников и армейских новобранцев показало, что повышение влажности от низкого до среднего уровня снижает уровень заболеваемости респираторными инфекциями. Передача атипичной пневмонии SARS-CoV-2 от человека к человеку в городе Ухань, Китай, началась в декабре 2019. SARS-CoV-2 является близким родственником SARS-CoV, который распространялся зимой в 2002–2003 годах. Учитывая, что рецепторы как для SARS-CoV-2, так и для SARS-CoV, ангиотензин-преобразующий фермент 2, который, по-видимому, концентрируется в небольшом количестве в альвеолах типа II, мы предполагаем, что низкая влажность и температура окружающей среды способствуют жизнеспособности атипичной пневмонии (SARS-CoV-2), нарушению клиренса цилиарной ткани и врожденной иммунной защите, что приводит к легкой и быстрой передаче инфекции между инфицированными лицами. Так как дыхательные пути, в которых расположены альвеолярные клетки типа I и II, не являются достижимыми для капель диаметром более 5 микрометров, вероятно, что по крайней мере тяжелые случаи COVID-19 с вирусной пневмонией являются результатом воздушно-капельной инфекции. Недавнее исследование, в котором изучалась изменчивость на уровне основных репродуктивных показателей COVID-19 по всему Китаю, показало, что не только в сухих и холодных местах наблюдаются явления быстрого распространения вируса, но и в некоторых местах с высоким уровнем АВ также наблюдается более высокая вирусная передача между населением. Точная зависимость между температурой, влажностью и COVID-19. станет более очевидной по мере того, как в северных полушариях придут летние месяцы.

Сезонные изменения экологических факторов могут повлиять не только на местные механизмы защиты, но и на системные физиологические изменения. Термонейтральный температурный баланс потенцирует противоопухолевый иммунитет и возникновение у мышей GVHD. Кроме того, короткий световой день и, как следствие, недостаток витамина D ослабляют неспецифические иммунные реакции. В заключение следует отметить, что сочетание низкой влажности, температуры и недостаток солнечного света могут привести к нарушению местных и системных противовирусных защитных механизмов, что приведет к повышению восприимчивости человека к респираторным вирусам в зимний период (рис. 5).

Ряд исследований демонстрирует влияние экологических факторов на устойчивость респираторного вируса и скорость его передачи. Кроме того, несколько исследований в настоящее время показывают влияние экологических факторов на резистентность человека к респираторной вирусной инфекции и лежащие в ее основе молекулярные механизмы. В совокупности мы можем начать собирать факторы, способствующие распространению вирусов и болезней в зимние месяцы. Однако пик других респираторных вирусных инфекций приходится на весну или лето. Одним из возможных объяснений является конфликт репликации среди респираторных вирусов. Совместное инфицирование животных зимними и весенними респираторными вирусами может дать представление о неизвестных механизмах возникновения весенне-летних эпидемий. Другой нерешенной проблемой является разница в результатах наблюдений даже в высоко-контролируемой среде обитания животных (22,2°C, 50 % относительной влажности воздуха, контролируемый цикл дня и ночи) с использованием одного и того же вируса. В период проведения экспериментов в зимний период (ноябрь-апрель, 58,2 %) по сравнению с летом (май-октябрь, 34,1 %) скорость передачи вируса гриппа была выше. Таким образом, помимо температуры, освещения и влажности, могут существовать и другие контролируемые сезонные факторы окружающей среды, способствующие повышению уровня заражения вирусом гриппа в зимние месяцы.

Как мы можем использовать эти знания для предотвращения распространения респираторных инфекций и болезней в зимние месяцы? В дополнение к вакцинам и противовирусным препаратам все большее внимание уделяется мероприятиям по профилактике респираторных инфекций. Известно, что образ жизни (здоровое питание, сон более 7 часов в день) и соблюдение гигиенических требований (мытье рук, ношение масок) повышают антимикробную резистентность и предотвращают передачу инфекции, соответственно. В дополнение к этим мерам мы может рассмотреть вопрос о контроле над внутренней средой для борьбы с респираторными инфекциями. Такие мероприятия с увлажнителями воздуха осуществляются с 1960-х годов с многообещающими результатами. Совсем недавно исследование в Миннесоте показало, что увлажнение дошкольных классов в период с января по март до ∼45 % ОВ приводит к значительному снижению общего числа заболевших вирусом гриппа и снижению копий вирусных геномов, обнаруженных в воздухе и на объектах, по сравнению с контрольными классами. Такие не фармацевтические мероприятия могут сочетаться со стратегиями вакцинации для достижения лучшей профилактики респираторных вирусных инфекций.

Источник