АЭРОИОНИФИКАЦИЯ ЖИЛЫХ И ОБЩЕСТВЕННЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ V.I. ПСЕВДОАЭРОИОНЫ ВЫДЫХАЕМОГО ВОЗДУХА

Акт дыхания, т.е. вдыхание атмосферного воздуха и выдыхание отработанных газов и паров воды с растворенными в ней веществами обмена, представляет собой сложное и, по-видимому, еще весьма недостаточно исследованное явление.

Вместе с газообразными продуктами выдыхаемого воздуха [15,5— 18 % кислорода и 2,5—5% углекислого газа (оксида углерода), остальное — азот ] в окружающее пространство организм выбрасывает пары и огромное количество мелких водяных частиц или капелек, которые образуются при акте выдыхания.

Процесс образования капель тумана и дождя уже давно привлек к себе внимание физиков и метеорологов. Изучение этих явлений привело к возникновению науки о дисперсном состоянии воздушной среды. Атмосферный воздух стали рассматривать как полидисперсный коллоид, отдельные фракции которого обладают различной степенью устойчивости. Учение об атмосферных аэрозолях внесло ясность в целый рад практических вопросов не только метеорологии и геофизики, но, как увидим ниже, физиологии дыхания и гигиены.

Работы Ж. Айткена и его последователей послужили толчком для выяснения роли, которую играют частицы пыли в процессе конденсации водяного пара. Было экспериментально обнаружено, что в очищенном от пыли воздухе капли тумана не образуются и что конденсация пара имеет место только на частичках пыли. Капли возникают начиная с определенного радиуса частиц и никогда не проходят стадии молекулярных размеров. Еще Кельвин показал, что в случае молекулярных размеров поверхностное натяжение неминуемо приводит к испарению частицы в ее зародыше.

В атмосферном воздухе обычно содержатся частицы пыли, радиусы которых варьируют в пределах от 10" до 10'6 см. На центрах таких размеров конденсация влаги происходит при очень малом пересыщении. Капли быстро увеличиваются до видимых размеров, и их рост определяется степенью пересыщения и числом капель в единице объеме. После работ Келлера считается, что процесс конденсации паров на ядрах совершается постепенно только до известного, строго опреде-

Таблица 52. Кратность числа я^ер конденсации в различных помещениях при 25 ООО ядрах в 1 см воздуха

ленного размера. Последующий рост капель происходит скачкообразно путем попарного слияния одинаковых капель.

Ядрами конденсации в атмосфере могут быть частицы сульфатов и морской гигроскопической соли с ничтожной массой (10"              г), кото

рые относятся воздушными течениями на тысячи километров от моря; отбросы работы фабрик и заводов, особенно химических; продукты горения топок, образовывающиеся в воздухе ядра серного ангидрида (диоксида серы) и некоторые другие мельчайшие частицы.

Наружный воздух в подавляющем большинстве случаев изобилует ядрами конденсации. Наблюдения показывают значительные вариации в числе ядер в зависимости от самых разнообразных причин. Наибольшее число ядер конденсации по сравнению с “чистым” воздухом было найдено внутри населенных и производственных помещений. Измерения ряда авторов согласуются с данными немецких ученых В. Амелунга и Г. Ландсмана, которые в одной из своих работ приводят полученные ими данные (табл. 52).

Возникновению ядер конденсации в воздухе способствуют ультрафиолетовая радиация солнца и электрические разряды, возбуждающие химические реакции, которые в свою очередь приводят к образованию центров конденсации. В среднем облачная капля содержит одну часть гигроскопического вещества на 10000 весовых частей воды. Диаметр среднего размера ядра конденсации приблизительно равен 1 мкм.

Было обнаружено, что при известной степени адиабатического расширения влажного воздуха конденсация тумана может иметь место и при полном отсутствии пыли. Опыты показали, что в данном случае центрами конденсации являются аэроионы. Ввиду того, что в воздухе всегда содержится некоторое число аэроионов и водяного пара, при известных условиях расширения пар обладает по-

тенциальной возможностью образования капель тумана. Отрицательные аэроионы обладают лучшей способностью к конденсации пара, чем положительные. Известный английский ученый Вильсон показал, что в системе воздух—водяной пар отрицательные аэроионы становятся центрами конденсации при меньшем расширении, чем аэроионы положительные.

Было также показано, что густой туман может быть получен экспериментально и в отсутствие аэроионов, но при определенном расширении.

При выдохе воздуха из легких организм одновременно выделяет большое количество влаги в виде частиц малого, среднего и крупного размера. Размеры частиц, выбрасываемых при акте дыхания или кашля, являются предметом тщательного изучения в связи с исследованием природы так называемого физиологического бактериального аэрозоля, носителя аэрогенной или капельной инфекции. Для этого пользуются сверхмоментальным фотографированием, специальной микроскопией и др. В настоящее время различают капли физиологического аэрозоля следующих радиусов: 10"6, 10~5, 10~4 и 10’3 см, а также капли крупного размера, подобные дождевым.

Число капель в объеме одного облака физиологического аэрозоля различно и зависит от силы кашлевого толчка или силы акта чихания. Считается, что это число варьирует от 40000 до 4000 капель (С.С. Речменский). Если в акте чихания в основном диспергируется выделение слюнных желез и носо-ротовая слизь, то при кашле в окружающий воздух вылетает и выдыхаемый легочный аэрозоль. Поэтому объяснить решительное несовпадение у многих авторов полученных значений числа капель можно только несовершенной методикой изучения физиологического аэрозоля.

В одном выдохе воздуха, нормальный объем которого можно принять равным 500 см3, содержится в среднем 0,0265 см воды (Рубнер). Легко рассчитать, что водность выдыхаемого воздуха в среднем в 53 раза больше водности облаков, если принять, что 1 м облака содержит 1 г конденсированной воды. В метеорологии считают, что в 1 см3

облака может быть заключено до 500 капель. Это число совпадает с числом ядер конденсации, найденным с помощью счетчика Ж. Айтке- на на определенных высотах в атмосфере. Исходя из этих данных и производя соответствующие вычисления, получаем для одного выдоха воздуха 1,32*107 возможных ядер конденсации. Как увидим ниже, это число на один порядок величин меньше числа ядер конденсации, найденного экспериментально в одном выдохе человека.

Может быть сделан и другой расчет, показывающий максимальную плотность частиц в одном выдохе. Взрослый человек при нормальных условиях выдыхает в 1 ч в среднем 25,5 г воды (от 17 до 34 г по Рубнеру). При числе дыханий в 1 ч, равном 960, на одно дыхание приходится 0,0265 см3 воды. Объем сверхтяжелого аэроиона (радиус 550«10~8 см) равен 7*10~16 см3. Следовательно, в одном выдохе воздуха может находиться 3,8Л013 частиц. Как увидим ниже, число псевдоаэроионов в одном выдохе приближенно равно 108. Отсюда получаем возможное отношение заряженных частиц к незаряженным 1:105, т.е. число заряженных частиц составляет приблизительно стотысячную часть частиц незаряженных, если считать, что вся выдохнутая влага находится в тонкодисперсном состоянии. В действительности такого рода явление не имеет места, так как в выдохнутом воздухе также находятся частицы более крупных размеров. В наших расчетах радиус частиц принят равным 550-10'8—5,5-10‘6 см. Радиус того же порядка имеют частицы табачного дыма (1,7-10-6 см), затем идут частицы дыма от топок [(1,2-5-5)10' см], частицы водяного тумана (2,5» 10’ см) и т.д. Радиус капель облака уже в тысячи и сотни раз больше (3,5 *10'3— 5»10'4 см).

Может быть поставлен вопрос о том, где возникает конденсация влаги на ядрах: в бронхах и трахее или при выдохе воздуха изо рта.

Считается, что выдыхаемый воздух имеет температуру 32°С. Следовательно, конденсация паров при указанных выше условиях может начаться после выдоха воздуха изо рта. Если количество воды в одном выдохе будет больше (0,0354 г), что имеет место при движении, работе, разговоре, пении и т.д., то конденсация пара начинается уже в дыхательных путях. Если принять, что выдыхаемый воздух имеет температуру 35—37°С, то, естественно, он обогащается парами еще в воздухоносных путях.

Таблица 54. Число ядер в помещениях и на открытом воздухе

А. Виганд в 1913 г. впервые сделал попытку подсчитать число частиц в выдыхаемом воздухе. Через 20 лет В. Амелунг и Г. Ландсберг занимались изучением этого вопроса. Несмотря на достаточную и тщательную разработку методики (особая респирационная маска) и тщательность опытов, им не удалось обнаружить автовыработки частиц при выдыхании воздуха.

С изучения того же вопроса начал свои исследования и Г.Р. Уэт (Институт Карнеги, Вашингтон). Он сделал попытку выяснить причины уменьшения числа аэроионов в населенных помещениях. Одной из причин такого сокращения могло быть прилипание легких аэроионов к ядрам конденсации, поступающих в воздух при дыхании или испарении с поверхности кожи. Его работы привели к весьма существенным выводам.

Если присутствие ядер является причиной уменьшения числа аэроионов, то очевидно, что число ядер конденсации со временем увеличивается. Такое увеличение числа ядер в помещении наводит на мысль о возможности их выделения при дыхании. С целью выяснения достоверности такого предположения Г.Р. Уэтом было проведено специальное исследование. Подсчеты производились с помощью счетчика ядер Айткена как в воздухе населенных помещений, так и в воздухе, только что вышедшем из легких.

Первые измерения производились ночью в трех спальных комнатах. Для сравнения был исследован воздух в прилегающей незанятой жилой комнате, а также наружный воздух. Одно из окон в каждой спальне было оставлено открытым. В табл. 54 приведены результаты этих измерений.

Измерения показывают на тенденцию ядер конденсации скапливаться в воздухе занятого людьми помещения, т.е. говорят о том, что человеческий организм выделяет в

Таблица 55. Число ядер конденсации в комнатах различного объема до и после их занятия людьми

Число ядер в 1 см воздуха

alt="" />

воздух ядра конденсации. На основании полученных данных можно произвести только приблизительную оценку скорости, с какой ядра конденсации выделяются человеком. Эту оценку лучше всего сделать на основании результатов, лолученных в комнатах 1 и 2. Если принять, что число ядер увеличилось до 40000 в 1 см в течение ночи (около 8 ч), как результат ее населенности, то скорость увеличения равняется 83 ядрам в 1 см /мин (8»60вЗ - 39840), или на 2,45*10 ядер в 1 мин во всем помещении. Такая скорость роста в числе.ядер в спальной комнате говорит о том, что каждое дыхание выделяет около 1,64-10 ядер.

Более точный результат был получен при подсчете числа ядер в комнатах как до, так и после их занятия, причем все окна и двери были закрыты. Измерения производились в столовой при наличии в ней шести человек; в спальной комнате, где находилось одно лицо; в очень небольшой камере содним человеком и в такой же камере, где сначала тело человека помещалось внутри, а нос высовывался наружу, а затем — нос были внутри, а тело — снаружи (табл. 55).

Общее увеличение числа ядер было вычислено с учетом того, что каждый присутствующий делает 15 дыханий в 1 мин. Объем^одного выдоха 600 см . В каждом 1 см комнаты имеется то же число ядер, что и в 1 см , служившим образцом, т.е. счетчик ядер дает каждый раз соответственно правильные показания.

Далее Г.Р. Уэтом были проведены опыты с целью выяснить число ядер, выделяемых в 1 мин одним лицом, из меньших объемов, содержащих выдохнутый воздух. Детский воздушный шар растягивался дыханием, а затем из него бралась проба воздуха. Шар наполнялся воздухом, вдыхаемым в разных местах с различными величинами содержания ядер. Одновременно с наполнением шара подсчитывались ядра, каждого места. Принимая указанное выше число дыханий в 1 мин и объем выдоха, Г.Р. Уэт вычислил общее число ядер конденсации, выбрасываемых легкими в 1 мин (табл. 56).

При сравнении величины общего числа ядер, выделяемых легкими в 1 мин, с общим увеличением числа ядер в 1 мин в небольшой камере можно видеть, что оба числа принадлежат к одному порядку величин. Этим фактом как бы подтверждается возможность того, что большие величины в больших комнатах получаются благодаря неравномерному распределению ядер по всему объему, что может иногда наблюдаться при отсутствии вентиляции или малом перемещении воздушных масс в закрытом помещении.

Для дальнейшего уточнения числа выделяемые легкими ядра были втянуты в счетчик Айткена непосредственно изо рта, что достигалось путем его перемещения над трубкой счетчика (табл. 57).

Таблица 56. Число ядер конденсации в окружающем воздухе и в шаре, растянутом дыханием человека

Из табл. 57 следует, что число ядер, выделяемое дыханием, не зависит от места измерения: производится ли оно внутри помещения или на открытом воздухе. Данные измерения вполне согласуются с результатами табл. 56 и указывают на независимость фактического числа ядер, отдаваемых дыханием, от числа ядер, принятых в легкие.

Г.Р. Уэт считает, что ядра, отдаваемые легкими, не те, которые поступили в легкие из наружного воздуха. Ядра, принятые легкими, устраняются либо во время прохождения их по бронхам, либо в самих легких, а легкие отдают выдыхаемому воздуху собственный запас ядер. Что является первичным источником ядер в организме? Может ли число ядер, выбрасываемых организмом человека, меняться в зависимости от физиологических условий?

Возникают вопросы также в связи с данными табл. 57. Если легкие вбирают большое число ядер, чем отдают, то каким образом число ядер может увеличиться в занятых помещениях? Для выяснения этого кажущегося разногласия между наблюдаемыми величинами могут быть представлены следующие соображения.

Воздух, выходящий из легких, насыщен влагой. Влажность эта при столкновении с прохладным внешним воздухом будет стремиться конденсироваться на ядрах, находящихся в выдыхаемом воздухе, потому что, возможно, многие, если не все, ядра будут вскоре окружены капельками воды. Если эти капельки ударятся о какую-либо поверх

ность прежде, чем произойдет полное испарение, они могут к ней прилипнуть- Если выдохнутый воздух попадает в приемник небольшого размера, очень многие из ядер будут исключены из подсчетов благодаря близости поверхностей, к которым капельки могут прилипнуть. При больших объемах причина эта может вызвать исключение относительно небольшого числа ядер. Число ядер, выделяемых человеческим организмом в 1 мин, согласно вычислениям, слишком мало в тех случаях, когда часть ядер исключается из подсчета, и слишком велико в тех случаях, когда проба берется из области более насыщенной ядрами. Наиболее точное наблюдение будет в тех случаях, когда проба берется из приемников большого размера. Можно считать, что измерения, произведенные в больших помещениях, дают более верные показатели действительных условий.

Базируясь на изложенных экспериментах и соображениях, Г.Р. Уэт пытался выяснить вопрос о том, являются ли ядра конденсации причиной уменьшения числа легких аэроионов в занятых помещениях.

Как это видно их опытов, в комнате, занятой людьми, ядра конденсации стремятся накапливаться. Данное накопление должно вызвать уменьшение числа легких аэроионов. Ввиду того что такое уменьшение отмечено в воздухе обитаемых помещений рядом исследователей, представлялось интересным вычислить скорость накопления ядер. Для вычисления необходимо было применить уравнение, связывающее концентрации легких аэроионов и ядер конденсации в атмосфере. Величина коэффициента будет зависеть главным образом от отношения заряженных ядер к незаряженным.

Произведя необходимые расчеты, которые мы здесь не приводим, Г.Р. Уэт пришел к заключению, что уменьшение числа легких аэроионов в воздухе занятого помещения происходит благодаря постепенному увеличению содержания ядер в воздухе комнаты. Постепенное увеличение вызвано, как мы уже видели, человеческим организмом, выделяющим около 3^109 ядер конденсации в 1 мин, что соответствует 2j10 ядер в объеме одного выдоха. Большая величина числа выдыхаемых ядер не должна удивлять нас, ибо выше, исходя из теоретических расчетов, мы показали, что максимально возможное число ядер в одном выдохе может быть значительно большим.

Результаты исследований по учету ядер конденсации в жилых комнатах могут быть резюмированы в следующей форме.

В спальных комнатах, после того как они были заняты целую ночь, исследовался воздух с помощью счетчика ядер Айткена. Число конденсационных ядер в 1 см оказалось значительно большим, чем число ядер в соседней, незанятой комнате, а также большим, чем на открытом воздухе.

Воздух в столовой также был исследован счетчиком Айткена как до, так и после ее занятия шестью лицами. Были проведены измерения в спальной комнате с закрытыми окнами и дверями как до, так и во

время ее занятия. Во всех случаях было замечено увеличенное число ядер. Если допустить, что увеличение это вызвано исключительно ядрами, выходящими из легких, то число ядер, отдаваемых дыханием, можно считать фактически одинаковым в обеих комнатах и достигающим до 2 108 ядер в одном выдохе человека.

Воздух в небольшой камере был исследован с помощью того же счетчика ядер как до, так и во время ее занятия. Увеличение в содержании ядер было замечено и в данном случае, но составляло не более как 0,1 части увеличения в больших комнатах. Затем был исследован воздух в небольшом шаре, растянутом дыханием. Число ядер в 1 см шара было приблизительно таким же, как и в камере.

Был исследован воздух, прямо выходящий из легких. Число ядер в 1 см3 равнялось тому, которое было найдено в шаре.

Измерения, проведенные в больших комнатах, дали большее число ядер, чем то, которое получилось в небольшой камере или в шаре. Это хорошо объясняется тем, что часть выдыхаемых ядер пропадает в момент удара их о стенки приемника малого размера, и еще тем, что в больших комнатах пробы воздуха были взяты из участков, наиболее густо насыщенных ядрами.

Возникает вопрос об электрическом заряде выдыхаемых ядер конденсации. Несут ли эти ядра конденсации электрический заряд или они являются электрически нейтральными частицами? Решение этого вопроса имеет большое принципиальное значение с точки зрения гигиенического состояния воздуха обитаемых помещений. Вопрос этот не нов и имеет свою историю.

Еще в начале текущего века были сделаны первые попытки изучения вопроса о том, снабжены ли частицы выдыхаемого воздуха электрическими зарядами. В 1904 г. англичанин И.П. Ашворт показал, что дыхание человека обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. Он произвел следующий опыт. Шары разрядника электростатической машины устанавливаются на таком расстоянии один от другого, чтобы между ними не проскакивала искра. Если теперь пропускать выдыхаемый из легких воздух через искровой промежуток, то появляется искра. Иначе говоря, выдыхаемый воздух оказывается достаточно ионизированным, чтобы сделать расстояние между шарами разрядника проводимым.

В еще более демонстративной форме тот же эффект может быть обнаружен в следующем опыте. Вдоль оси металлической трубки на изоляторах помещается металлический стержень, соединенный с электроскопом. Если подать на стержень потенциал, то листочки электроскопа разойдутся на определенный угол. Если теперь дышать вдоль трубки, то оказывается, что разряжающая способность легочного воздуха на 60—70% сильнее, чем обычного воздуха. Помещая заряженный электроскоп в классной комнате, И.П. Ашворт нашел, что в присутствии учащихся утечка заряда происходила на 50% скорее, чем в комнате без людей.

Спустя 20 лет нами была произведена проверка наблюдений И.П. Ашворта. При каждом выдохе воздуха через короткую (10 см) бумажную трубку между кондукторами электростатической машины проскакивала искра. Аналогичный эффект, только менее демонстративный, был получен и втом случае, когда и в искровой промежуток попадали пары воды из плоской чашки, установленной ниже искрового промежутка. Благодаря тому, что чашка была плоская, пары воды не соприкасались с ее стенками и потому не могли электризоваться в результате трения. Давно известно, что струя пара электризует воздух положительно, сам же пар, как предполагают до сих пор, не является источником

электричества (Блэк, Калишер, Петтинелли). Попадая в искровой промежуток, частицы пара подвергаются по индукции электрозарядке, что способствует резкому возрастанию электропроводности воздуха между кондукторами электростатической машины. Поэтому опыт И.П. Ашворта с электростатической машиной имеет только историческую ценность и не решает вопроса об электрическом заряде выдохнутого воздуха.

Вслед за работой И.П. Ашворта последовало первое систематическое изучение электрического состояния воздуха населенных помещений, осуществленное швейцарским физиком Г. Дюфуром в 1904—1905 гг. Первая серия электрометрических измерений производилась в часы лекций в аудитории (табл. 58).

Исходя из своих наблюдений, Г. Дюфур пришел к следующему заключению: выделения легких и тела, т.е. парообразные и газообразные продукты, которые выбрасывают человеческий организм, оказывают весьма заметное действие на скорость электрического рассеяния изолированного наэлектризованного тела. Контрольные измерения показали, что в необитаемых комнатах разницы между коэффициентом рассеяния вечером и утром не наблюдается. Это говорит о том, что пребывание человека в закрытом помещении искажает электрическое состояние воздуха, увеличивая его проводимость. С точки зрения ионной теории проводимости воздуха это значит, что число зарядов в присутствии людей возрастает, причем степень роста числа зарядов зависит от числа людей и продолжительности их пребывания в закрытом помещении.

Одновременно с данными работами П. Ланжевен, которому принадлежит честь открытия тяжелых ионов в атмосферном воздухе, констатировал следующий важный факт: при увеличении числа тяжелых аэроионов в воздухе число легких аэроионов убывало и, наоборот, рост числа легких аэроионов всегда сопровождался падением числа тяжелых. Это явление было впоследствии подтверждено многими авторами (Ноллан, Гесс, Шово, Линке и Израэль и др.). Было также установлено, что рост числа тяжелых аэроионов стоит в прямом отношении со степенью зафязнения воздуха. Чем больше воздух загрязнен пылью, копотью, дымом, парообразными и газообразными частицами, тем больше в нем находится заряженных частиц. В то же время число легких аэроионов резко снижается.

Таким образом, число легких и тяжелых аэроионов является показателем степени чистоты или загрязнения воздуха. Отношение числа тяжелых аэроионов к легким может служить мерой чистоты воздуха. Чем величина этого отношения меньше, тем воздух чище. Эти факты для наружного атмосферного воздуха уже в начале текущего века следовало считать твердо установленными.

Ставился вопрос о динамике числа легких и тяжелых аэроионов внутри жилых или общественных помещений. К разрешению этого вопроса исследователи подошли не сразу и шли они разными путями.

А.П. Соколов в 1904 г. наблюдал резкие искажения аэроионного режима в пятигорском ресторане после обеда, а также в местах большого скопления людей. Этому интереснейшему наблюдению он не придал особого значения.

Спустя почти 20 лет автор этой книги занялся тщательной проверкой наблюдений Г. Дюфура и А.П. Соколова и произвел ряд дальнейших исследований. В 1923 г. в моем докладе на тему: “Решение задачи Гиппократа" сообщалось: “Я мог проверить данные наблюдения с помощью двух двунитных электрометров Вульфа с электродами в виде металлического шарика, имеющего диаметр, равный 9,5 см. Заряженные до потенциала в 210 В электрометры значительно быстрее разряжаются на открытом воздухе (наблюдения велись только при отсутствии ветра), чем в закрытой комнате. Однако если и в комнате присутствует большое число людей, то электрометр теряет заряд значительно быстрее, чем в пустой комнате”. В табл. 59 дана сводка 124 наших наблюдений.

Как известно, основным ядром тяжелых аэроионов являются жидкие, парообразные или твердые частицы, адсорбирующие легкие газо-

Таблица 58. Коэффициент рассеяния электрического заряда в комнатах

г—

Классная комната объемом 400 м (присутствуют 50-140 чел.)

До лекций              0,2

После 3-часовой лекции и 1 ч работы венти-              0,58

лятора

Изменение              2,9

"До лекций              0,19

После 2-часовой лекции при сильной венти-              0,19

ляции

После 4-часовой 15 мин лекции без венти-              0,72

ляции

Изменение              3,8

До лекций              0,15

После лекций без вентиляции              0,94

Изменение              6,3

ГДо лекций              0,31

J После 2-часовой лекции без вентиляции              0,83

Изменение              2,7

’До лекций              0,43

После 1-часовой лекции при вентиляции              0,52

Изменение              1,2

Спальня объемом 74 м (присутствуют 2 чел )

Вечером

Утром

Изменение

Вечером

Утром

Изменение

Вечером

Утром

Изменение

Вечером

Утром

Изменение

Вечером 5 Утром [ Изменение

Спальня объемом 47 м (присутствует 1 чел )

Таблица 59. Рассеяние положительных и отрицательных зарядов с электродов электрометров (начальный потенциал 210 В)

Примечание. Среднее время полного рассеяния на открытом воздухе принято за 100%.

вые аэроионы или приобретающие электрозаряд благодаря трению. Было показано, что при возрастании числа тяжелых аэроионов число легких аэроионов падает. Было выяснено также, что при увеличении тяжелых аэроионов на десятки и сотни тысяч число легких аэроионов падает только на десятки и сотни. Таким образом, эти процессы оказались связанными между собой лишь частично.

Приведенные выше наблюдения зародили мысль о том, что выдыхаемые из легких частицы несут электрический заряд. Автор экспериментально проверил эту идею в 1930 г.

Воздух поступал в камеру с кроликами извне, со двора лаборатории и, пройдя камеру, втягивался одновременно двумя счетчиками, приспособленными для учета легких и тяжелых аэроионов. После нескольких измерений числа легких и тяжелых аэроионов животных убирали из камеры, и через 0,5 ч производили следующие измерения. Ионизацию воздуха во дворе лаборатории измеряли на уровне форточки.

В табл. 60 даны результаты 32 измерений. При этом мо^кно сделать вывод, что наружный воздух, пройдя камеру с животными, приобретал новые физические свойства: в то время как число легких аэроионов в нем уменьшалось, число тяжелых аэроионов увеличивалось. Увеличение шло не только вследствие прилипания легких аэроионов к частичкам пыли. В то время как число легких аэроионов уменьшалось на несколько десятков, число тяжелых аэроионов возрастало на несколько тысяч. Откуда же брались эти новые тысячи зарядов? Указанное наблюдение заставило сделать допущение о возможности образования псевдоаэроионов при дыхании. С целью проверки этого предположения автором была проведена серия специальных опытов.

Изучая дыхательный аппарат как место приложения аэроионов, обнаружили следующее явление. Свежеприготовленные по способу Дондерса легкие при температуре тела и при растяжении приобретают на внешней поверхности электрический потенциал отрицательного знака. Заряд пропадает при сжатии легких и снова появляется при их растяжении под колпаком.

Оказалось возможным дать следующее толкование этому явлению: выдыхаемые частицы вместе с парами, проходя по бронхиальным путям, благодаря трению электризуются и в то же время заряжают поверхность бронхиальных трубок и прилегающих тканей электричеством другого знака. Можно сказать, что легочный аппарат является

Примечание. Перед чертой приведены данные по легким аэроионам, а после черты - по псевдоаэроионам.

своеобразный электростатической машиной, напоминающей в известной мере гидроэлектростатическую машину Армстронга. В этой машине пар, выходящий под давлением через узкие и коленчатые трубки, электризуется положительно вследствие трения частиц пара о стенки трубки, а источник пара — котел, изолированный от земли, заряжается отрицательным электричеством. В легочном аппарате мы имеем некоторую аналогию с указанной гидроэлектростатической машиной. Разветвленное дерево бронхов, присутствие паров в воздухоносных путях, достаточная скорость движения воздуха по бронхиальным трубкам являются теми необходимыми условиями, которые создают возможность появления разноименного заряда на частичках пара и на поверхности дыхательных путей.

Скорость движения воздуха при выдохе достаточно велика, чтобы способствовать зарядке частиц. Известно, что эта скорость достигает 3 м/с. Опыты с электризацией пыли показали, что при скорости воздушного потока в 0,5 м/с пылинки электризуются до высокого потенциала. При скорости, равной 3 м/с, потенциал возрастает до 9 раз. При скорости движения пылевого потока 12,4 м/с его напряжение поднимается до 20000 В. На пути движения выдыхаемого воздуха, естественно, развиваются более сложные процессы электрозарядки частиц. Ориентировочные исследования позволили выяснить, что ионизирующим воздух фактором может быть также процесс газообмена. Взбалтывание венозной крови в атмосфере кислорода возбуждает его ионизацию. Ионизирующей способностью обладает выделяющийся из крови углекислый газ (оксид углерода). Близкие результаты были найдены при некоторых химических реакциях, сопровождающихся его выделением.

Результаты опытов по изучению электрического заряда выдохнутого воздуха можно было бы взять под сомнение вследствие того, что

Таблица 61. Число электрических зарядов положительной и отрицательной полярности в одном выдохе человека (1938г.)

выдыхаемый воздух содержит пары, которые могут оказывать разряжающее действие на заряд осевого электрода в конденсаторе аспира- ционного счетчика аэроионов благодаря появлению слоя влаги на поверхности поддерживающего электрод янтарного изолятора. Сам же влажный воздух, как это известно еще со времени работ Варбурга (1872), не является проводником электричества.

С целью дальнейшего выяснения вопроса о заряде выдоха мною была проведена серия исследований в Физическом институте Московского университета при технической помощи С.И. Усагина. В этом случае было применено следующее устройство. В стеклянный цилиндр объемом 350 см были ортогонально помещены 14 частых сеток, поочередно соединенных с электрометрами, один из которых был под потенциалом отрицательного знака, другой — положительного. Широкий резиновый наконечник цилиндра с резиновым кольцом плотно охватывался губами. Испытуемый сначала делал глубокий вдох через нос, а затем по возможности медленно выдыхал воздух в стеклянный цилиндр. Расчет числа одноименных зарядов в выдыхаемом воздухе велся по величине потери электрометрами заряда противоположного знака.

Эти опыты показали, что при прохождении биполярно электризованного воздуха по воздухоносным путям не происходит полной рекомбинации частиц. Коэффициент рекомбинации при выдохе, по-видимому, не велик. Необходимо допустить наличие значительных потерь в числе зарядов при попадании воздуха в систему сеток. Опыты дали возможность только примерно определить порядок заряда выдыхаемого воздуха. Число электрических зарядов обеих полярностей оказалось лежащим в пределах от нескольких миллионов до нескольких десятков миллионов в одном выдохе (табл. 61).

Наши наблюдения перекликаются с идеями и наблюдениями Бертолона. Говоря об электрообмене между человеческим телом и окружающей его воздушной средой, Бер- толои указывал на два пути, с помощью которых может осуществляться электрообмен: поры кожи и легкие. Во многих местах своей книги Бертолон настаивал на особом, исключительно важном значении легочного аппарата, которыи"он называл, к великому удивлению не только своих современников, но, по-видимому, и современных нам физиологов, “секреторным органом воздушного электричества”. Поясняя свою мысль, французский ученый писал: “При выдохе воздух, выходящий из легких, уносит с собой излишек электрического флюида и уносит чрезвычайно легко, так как электричество

имеет громадное сродство с водяными молекулами, вплотную присоединяясь к влаге, выходящей из крови через дыхательные пути”. Можнолишь удивляться тому, как полно и как совершенно это высказывание оправдалось в изложенных опытах.

Дальнейшее изучение этого вопроса было осуществлено в 1940—1941 гг. Л.Н. Богоявленским. Для работ с измерением зарядов выдыхаемого воздуха им был сконструирован специальный счетчик. Ввиду той легкости, с которой происходит присоединение легких аэроионов к тяжелым частицам, выходящим при дыхании из полости легких, Л.Н. Богоявленский допускал, что выдох содержит только тяжелые частицы, поэтому счетчик был рассчитан для измерения частиц с подвижностью (2+5) 10~ см /(В-с).

Соотношение между числом частиц положительного и отрицательного знака может изменяться в зависимости от различных условий физиологического характера. Поэтому желательно измерения числа положительных и отрицательных частиц производить одновременно. Для этой цели прибор был дублирован. При расчете степени аспирации был принят во внимание характер выдохов, которые не являются непрерывным потоком воздуха, а следуют один за другим с определенными интервалами, зависящими от возраста и физического состояния подвергаемого наблюдениям субъекта. Испытуемый ставился перед воронкой прибора, откуда выдыхаемый воздух, разделяясь на два одинаковых потока, протекал по двум раструбам в измерительные конденсаторы.

Кроме своего аспирационного счетчика, для измерения числа зарядов в выдыхаемом воздухе Л.Н. Богоявленским был применен эманационный электрометр. Этот прибор, предназначенный для измерения радиоактивности, состоит из цилиндрической камеры с отделяющимся дном. В верхней крышке камеры сделано отверстие с янтарной пробкой. Через отверстие проходит металлический стержень, оканчивающийся двумя тонкими пластинками из инвара. К стержню припаяны дре расположенные в параллельных плоскостях петли из металлизированной кварцевой нити. Нити легко рассматривать с помощью микроскопа, в окуляре которого помещена шкала. Заряд стержню и нитям сообщается с помощью зарядника, изолированного от корпуса npnfiopa янтарными пробками.

Измерения, произведенные двумя описанными приборами, носили предварительный характер и имели главной целью подтверждение самого факта существования заряженных частиц в выдыхаемом воздухе. Каждому измерению числа частиц во вдыхаемом воздухе предшествовало тщательное измерение аэроионов обоих знаков, имеющихся в помещении. Некоторые результаты измерения числа частиц положительной и отрицательной полярности в выдыхаемом воздухе приведены в табл. 62.

Несколько серий измерений числа зарядов выдохнутого воздуха, произведенных с эманационным электрометром, носят также ориентировочный характер и имеют значение при обсуждении вопроса о выборе методики для такого рода исследований. Прибор предназначался для измерений радиоактивных эманаций. Ионы образуются в цилиндре уже после того, как в него была введена эманация. Задача усложняется тем, что в нашем случае в цилиндр аэроионы приходится вдувать извне. Поэтому надлежит учитывать их потери в резиновом шланге, через который производятся выдохи, и главным образом в металлическом кране. Учесть точно потери аэроионов в данной конструкции прибора весьма затруднительно, но надо полагать, что они велики, и полученные цифры должны быть увеличены.

Последняя схема прибора принципиально должна иметь некоторое преимущество перед аспирационной, ибо весь воздух выдоха может быть использован для измерения. Присоединив к выходному крану спирометр, можно делать одновременно измерения и объема выдохнутого воздуха. При увеличении чувствительности электрометра можно измерить заряд каждого выдоха в отдельности. В этих опытах измерялось только число положительных аэроионов. В табл. 63 представлены результаты измерений, произведенных Л.Н. Богоявленским.

При рассмотрении результатов опытов Л.Н. Богоявленского прежде всего обращают на себя внимание колебания концентрации заряженных частиц, которые наблюдаются у одного и того же субъекта во время одного и того же опыта, и расхождения в числе выдохнутых тяжелых аэроионов с данными других исследователей. Если эти колебания легко объяснимы при работе с аспирационным счетчиком аэроионов (форма раструба, при которой нельзя гарантировать засоса всего объема выдыхаемого воздуха, и другие

Т а б л и ц а 62. Число тяжелых частиц положительной и отрицательной полярности в одном выдохе человека, найденное с помощью счетчика Л.Н. Богоявленского

недостатки конструкции прибора аэродинамического характера), то при применении эманационного конденсатора, где в большей мере гарантирован учет всех зарядов выдыхаемого воздуха, эти колебания являются, по мнению J1.H. Богоявленского, непонятными и могут быть объяснены уже не недостатками измерительной аппаратуры, а самим источником частиц — организмом человека, который, по-видимому, выделяет частицы в разном количестве в зависимости от физиологических причин.

В подавляющем большинстве случаев наблюдается преобладание положительного заряда над отрицательным. Но в некоторых единичных случаях заслуживает внимания обратное явление — преобладание отрицательного заряда над положительным. Это

явление наблюдалось постоянно только у испытуемой Т-вой, у которой опыты всегда давали коэффициент униполярности меньше единицы.

Из двух методов, примененных J1.H. Богоявленским для измерения зарядов выдыхаемого воздуха, может быть, следует отдать предпочтение второму (эманационный электрометр). Этот прибор легко сделать очень чувствительным, если применить струнный электрометр. К прибору следует присоединить аппаратуру для одновременного измерения объема воздуха, прошедшего через конденсатор, и внести другие усовершенствования, например укорочение резинового шланга, расширение диаметра крана и т.п.

Несоответствие результатов, полученных рядом авторов, измерявших электрический заряд выдыхаемых частиц, можно объяснить только несовершенством применявшихся методик. Методика, примененная нами в последних опытах, была весьма примитивна и не могла, как уже указывалось, претендовать на точность.

Задача заключалась в выяснении, несет ли выдыхаемый воздух электрические заряды, каково их число и полярность. Измерения числа зарядов, выдохнутых в раструб аспирационного счетчика Л.Н. Богоявленского, не дают точных значений этого числа

Таблица 63. Число частиц положительной полярности в 1 см3 выдохнутого человеком воздуха, измеренное с помощью эманационного электрометра

вследствие частичного прилипания зарядов к стенкам раструба и частичной рекомбинации благодаря сложным аэродинамическим (турбулентным) процессам в раструбе и в верхних частях конденсатора, возникающих под влиянием дыхательного толчка и работы аспирационного аппарата. Этими обстоятельствами следует объяснить резко уменьшенное число частиц в выдохе человека, полученное в указанных опытах. Измерения числа частиц в одном выдохе, произведенные JI.H. Богоявленским с помощью эманационного прибора, почти совпадают с данными других авторов. Т^к, например, в одном из измерений он получил 31500 положительных частиц в 1 см выдохнутого воздуха, а следовательно, во всем выдохе — 1,5-10 . Для частиц обеих полярностей можно допустить значение 3*10 , т.е. на один порядок величин меньше, чем это было найдено Г.Р. Уэтом и другими исследователями.

Г.Р. Уэт в своих работах по изучению числа выдыхаемых ядер конденсации показал, что достаточно точные данные о числе ядер получаются только в том случае, если приемник этих ядер имеет некоторый средний объем, чтобы исключить влияние стенок прибора и аэродинамических особенностей, приводящих к механическому слиянию заряженных ядер, их прилипанию к стенкам прибора и т.д. Аналогичные явления наблюдаются и при изучении числа частиц, выдыхаемых из легких. Поэтому наиболее верной методикой подсчета частиц следует признать макрометодику, т.е. измерение числа частиц в воздухе обитаемых помещений.

В апреле 1959 г. вопрос о величине электрического заряда выдыхаемого воздуха стал снова изучаться автором этой книги, ввиду его большого физиологического и, возможно, диагностического значения. При непосредственном участии Н.Н. Комарова и А.А. Середкина с помощью динамического спектрометра, работающего по способу зарядки, был проведен ряд измерений выдохнутого воздуха. Эти измерения подтвердили прежние исследования. Выдохнутый воздух имеет высокий электрический заряд порядка 250 тыс. пар частиц в 1 см , причем молодые и здоровые люди выдыхают больше частиц, чем пожилые и больные.

Изучение выдыхаемого воздуха было включено в научную тематику Лаборатории аэроионификации Государственной союзной инженерно-технической конторы “Союз- сантехника”.