Излучение и теплота

Существование невидимых лучей за красной границей видимого спектра открыл в 1800 г. английский физик Вильям Гершель. Многие ученые сразу же заинтересовались природой этих лучей (названных впоследствии инфракрасными), их способностью нагревать различные тела. В 1835 г. французский физик Ампер высказал очень смелую по тем временам мысль о единстве природы тепловых и световых лучей. Дальнейшие исследования инфракрасных лучей показали, что они, как и лучи видимого света, возникают в нагретых телах и подчиняются одним и тем же законам отражения, преломления, рассеяния. Если видимые лучи охватывают область от 4000 до 7600 А, то область инфракрасного излучения простирается от длинноволновой границы видимого спектра до области радиоволн. При этом области радиоизлучения и инфракрасного света как бы заходят одна за другую.

Радиоволны отличаются от оптических видов излучения прежде всего не длиной волны, а способом возникновения. Если видимые, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи возникают главным образом при нагреве твердых, жидких и газообразных веществ, то радиоволны генерируются при колебательном разряде между двумя наэлектризованными проводниками. Существует обширная промежуточная область спектра, лучи которой в зависимости от способа их возникновения относятся либо к инфракрасной области, либо к радиоволнам. Советские физики А. Глаголева-Аркадьева и М. Левитская получили радиоволны длиной 125, 70 мк и короче. Немецкие физики Г. Рубенс и О. Бейер в спектре излучения паров ртути обнаружили лучи с длиной волны 340 мк. Учитывая способ возникновения, эти лучи отнесли к инфракрасному диапазону. Ё спектре солнечного излучения на долю инфракрасных лучей приходится больше 50% общей энергии, а в спектре обычных ламп накаливания — около 95 %; максимум излучения приблизительно соответствует 1,2 мк. С уменьшением температуры светящегося тела максимум излучения становится более длинноволновым; доля видимого света в излучении уменьшается. При этом резко снижается и суммарная энергия излучения. Например, при температуре черного тела 1550°С максимум излучения приходится на 1,7 мк; с переходом к максимуму в области 10 мк общая интенсивность излучения падает в 70 раз, а у волн длиной 18 мк — в 700 раз. Практически для получения мощного потока инфракрасного излучения пользуются источниками, температура которых достаточно высока (выше 1500°С); ненужный видимый свет отфильтровывают.

Фотоны инфракрасного света, естественно, по размерам меньше фотонов видимого света. Они соответствуют электронным переходам между высшими энергетическими уровнями. Так, первая инфракрасная серия в спектре водорода характеризует переход электронов с высших уровней на третий энергетический уровень. Инфракрасные линии спектра, соответствующие излучению отдельных атомов, имеют сравнительно небольшую длину волны и лежат недалеко от красной границы видимого спектра, в так называемой близкой инфракрасной области.

Инфракрасное излучение молекул обусловлено изменением колебательного состояния отдельных атомов и групп атомов, а также сдвигами во вращении молекулы. Кванты колебательной энергии молекул сравнительно велики — их энергия на порядок (примерно в 10 раз) меньше энергии фотонов видимого света; соответствующие линии излучения лежат в той же близкой инфракрасной области. Кванты энергии вращения молекул еще на порядок меньше. Поэтому изменение вращательной энергии молекул сопровождается излучением в далекой инфракрасной области.

Обширный диапазон инфракрасных лучей разделяется на три области: ближние лучи — от видимого света примерно до длины волны 3 мк, которые выделяются с помощью призм из кварцевого стекла; средние — с длиной волны от 3 до 16 мк, которые выделяются с помощью призм из каменной соли; дальние — с длиной волны больше 16 мк. Инфракрасные лучи, проникающие в ткани на глубину в несколько миллиметров, лежат в наиболее коротковолновой области, от видимого света до лучей длиной 1,5 мк (рис. 19). Лучи с более длинными волнами обладают только поверхностным действием.

Рис. 19. Проникающая способность видимого и инфракрасного излучений по отношению к коже человека (поглощение в %)

Непрерывный спектр инфракрасных лучей дают лампы накаливания и электронагревательные приборы. Линейчатый спектр излучают пары металлов, нагретые газы, электрические разряды в газе и некоторые твердые тела. Пары ртути, широко применяемые для получения ультрафиолетовых лучей, высвечивают ряд интенсивных линий и в инфракрасной области — 7730, 9260, 10 140, 13 000 А, 4 и 5,5 мк. Газоразрядные трубки, наполненные неоном, дают многочисленные линии вблизи видимой области спектра. Цезиевая лампа отдает 25% своего света в виде линий длиной 8521 и 9844 А. Натриевая газосветная лампа излучает двойную линию 8183—8194 А. Многие соединения кислорода и кремния дают при нагреве инфракрасные полосы излучения на слабом непрерывном фоне. Их используют в специальных горелках.

Когда лучи одной спектральной области необходимо выделить, а лучи других диапазонов поглотить, пользуются специальными фильтрами. Обычная вода, например, прозрачна для лучей видимого света, но легко поглощает инфракрасные лучи. Если к ней добавить немного медного купороса, поглощение значительно усиливается. Когда же нужно поглотить видимые лучи, а инфракрасные пропустить, пользуются растворами черных красителей либо йода в сероуглероде или четыреххлористом углероде. Обычное стекло не пропускает инфракрасных лучей с длиной волны больше 1,5—2 мк. Зеленые растения, интенсивно поглощающие благодаря содержанию хлорофилла лучи красной и синей областей видимого света, хорошо отражают инфракрасные лучи.

Фото- и киносъемки, сделанные в инфракрасных лучах, из-за особенностей отражения и поглощения имеют необычный вид: вода в водоемах кажется черной, а зеленые растения на берегу — белыми. Растения, подвергающиеся в нормальных условиях жизнедеятельности наиболее интенсивному инфракрасному облучению солнечного света, обладают и наибольшей способностью отражения инфракрасных лучей. Мхи и водоросли, растущие в темноте и под поверхностью воды, лишены этой способности. Высокогорные растения, подвергающиеся действию особенно интенсивных потоков радиации, отражают инфракрасные лучи вдвое энергичнее, чем равнинные растения тех же или близких видов. Лист, растущий на полном свету, отражает 27% падающих инфракрасных лучей; другой лист такого растения, развивающегося в расщелине скалы, отражает всего 22% лучей. Можно предположить, что в процессе эволюционного развития растения приобрели способность использовать лучи определенных участков солнечного спектра, а от других защищаться. В данном случае таким защитным механизмом растений оказалось отражение.

Инфракрасные, как и другие лучи оптического диапазона, возникают в веществе при его нагреве и, поглощаясь веществом, нагревают его. Иными словами, эти лучи служат средством переноса тепла, передачи тепловой энергии на расстояние.

Теплота — форма движения материи, состоящая в беспорядочном колебательном и вращательном движении слагающих тело микрочастиц (молекул, атомов, электронов и др.). Чем ниже температура тела, тем меньше амплитуда их колебаний. При абсолютном нуле (0° по шкале Кельвина) движение атомов и молекул прекращается. Но при любой температуре выше абсолютного нуля, т. е. практически в наших земных условиях везде, наблюдается колебание атомов и молекул, их хаотическое движение, степень выраженности которого и характеризует, собственно, температуру тел.

Существенная особенность теплоты, отличающая ее от других видов энергии, заключается в том, что она присуща всем без исключения материальным частицам в любой момент их существования. В результате неупорядоченности движения микрочастиц некоторый переход в тепло наблюдается при любом превращении одного вида энергии в другой. Обратный переход от тепловой к кинетической, электрической, химической и другим формам энергии затруднен; он совершается с меньшим коэффициентом полезного действия.

Выравнивание энергетического уровня, т. е. передача тепла от более нагретых тел к менее нагретым, может происходить различными путями. Первый путь — передача тепла посредством теплопроводности — осуществляется при непосредственном контакте тел с различной температурой. Частицы более нагретого тела передают часть своей вибрационной энергии частицам более холодного тела.

Второй путь — передача тепла путем конвекции — связан с тем, что воздух по мере нагрева становится менее плотным и поднимается вверх. Массы воздуха, нагреваясь у поверхности горячих предметов, при движении переносят часть тепловой энергии. Способ переноса тепла конвекцией используется для обогрева помещений. Тепловые завесы, устраиваемые у входа в метро, театры и другие общественные здания, представляют собой не что иное, как конвекционные токи нагретого воздуха, идущие от специальных обогревателей. Конвекционные токи возникают и в природе в результате неравномерного нагрева земной поверхности Солнцем. И конвекция, и теплопроводность предполагают наличие материальной среды, служащей посредником при переносе энергии.

Лучистая теплопередача коренным образом отличается от двух рассмотренных выше типов. Она не нуждается в вещественных посредниках и может осуществляться в пустоте, между телами, отделенными друг от друга колоссальными расстояниями. Кроме того, излучение — это свойство, присущее всем без исключения телам, нагретым свыше абсолютного нуля. Следовательно тело с более низкой температурой тоже излучает тепло во все стороны, в том числе и по направлению к телу с более высокой температурой, и лишь суммарный баланс теплообмена складывается так, что в направлении от более нагретого тела к менее нагретому переносится больше лучистой энергии, чем в обратном направлении.

Суммарный тепловой баланс Земли в самом общем виде таков. Из общего количества солнечной лучистой энергии, падающей на Землю (2·1011 вт), около 42% отражается обратно в мировое пространство, 14% поглощается атмосферой и только 44% — земной поверхностью, ее лито- и гидросферой. Из этих 44% расходуется на испарение влаги почти половина — 18%, на конвективный нагрев воздуха — 6% и на теплообмен излучением— 20%. В среднем за год со всей поверхности земного шара испаряется Солнцем 520 тыс. км3 воды. Столько же выпадает в виде осадков, однако весьма неравномерно. Отдача тепла в мировое пространство происходит главным образом за счет отражения солнечных лучей атмосферой. Из 42% солнечного тепла, отражаемого Землей, на долю атмосферы приходится 38%. Поверхность Земли отражает всего 4%. Это в большой мере результат присутствия в атмосфере водяных паров, поглощающих инфракрасное тепловое излучение планеты (парниковый эффект).

В состоянии непрерывного лучистого теплообмена о окружающей средой находится каждый живой организм, в том числе и организм человека. Это значит, что состояние организма, его температура в значительной степени зависит от температуры среды, от того, как сложится баланс излучений между организмом и окружающими его предметами. Максимум излучения тела человека приходится на длину волны 9,3 мк. Этот факт свидетельствует о важной роли инфракрасного излучения в жизнедеятельности человека. Ведь таким путем тело человека теряет значительную часть своего тепла.

 

Действие инфракрасных лучей на организм

Наиболее мощный источник инфракрасного излучения в земных условиях — это Солнце, свет которого более чем наполовину состоит из инфракрасных лучей с длиной волны 0,75—2 мк. Ежегодно Земля получает с инфракрасным излучением Солнца 6,7·1020 кал. тепла. Нагретые Солнцем поверхность Земли и атмосфера, в свою очередь, непрерывно излучают тепловые лучи в том же спектральном диапазоне.

Наряду с прямым влиянием инфракрасной радиации на животный организм, о чем речь пойдет ниже, немалое значение имеет и косвенное ее влияние в результате изменения температуры и других физических параметров воздуха.

Поглощение инфракрасных лучей атмосферой, зависящее от присутствия в ней водяных паров, возрастает при увеличении абсолютной влажности. В спектре Солнца появляется, широкая полоса поглощения между 0,9 и 3 мк. Воздух нагревается не только за счет прямого поглощения инфракрасных лучей, но и вторично, путем конвекции в результате нагрева земной поверхности. По мере увеличения температуры воздуха изменяется его газовый состав: уменьшается содержание кислорода (на экваторе оно на 0,5% меньше, чем в средних широтах). Этот процесс усиливается с повышением содержания в воздухе водяных паров. Кроме того, при нагреве воздух расширяется, в связи с чем снижается давление кислорода у поверхности Земли. Такие атмосферные явления, как ветер, дождь, гроза, в значительной степени обусловлены неравномерным солнечным нагревом земной поверхности и атмосферы. Тропические ураганы — наиболее могучее явление природы, связанное с испарением влаги и образованием конвекционных токов воздуха,— не что иное как способ отдачи тепла, аккумулированного водами тропических морей вследствие нагрева лучами Солнца. Морская вода поглощает до 95% падающей лучистой энергии Солнца. Именно деятельность Солнца, неравномерный нагрев и испарение влаги обусловливают движение воздушных и водных масс, глобальную систему ветров, циклонов и антициклонов, теплых и холодных течений, разнообразие климатических зон, погодных «условий, непосредственно влияющих на жизнедеятельность животных и растений, на самочувствие и состояние людей. Колебания атмосферного давления и температуры, особенно падение давления и увеличение температуры в сочетании с повышенной влажностью воздуха, действуют крайне неблагоприятно на людей, особенно с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Изменение температуры воды, нагрев ее лучами Солнца влияет на растворимость ряда веществ, а это, в свою очередь, может вносить изменения в жизнедеятельность растительных и животных организмов. Чем ближе к экватору, тем больше в океане кораллов и других организмов, накопляющих в теле известь, тем больше степень окостенения рыб. Для северных холодных морей характерны крупные бурые водоросли, своя богатая фауна и флора.

Микроорганизмы, простейшие, одноклеточные водоросли и грибы переносят значительные колебания температуры, не погибая (состояние анабиоза). Они выживают при температуре значительно ниже нуля, вплоть до температур жидкого азота (77° К). Разумеется, при этой температуре их жизненные процессы резко угнетены, размножение невозможно. Но одноклеточные сохраняют способность оживать при переносе в обычные температурные условия. Они выдерживают нагрев, в том числе и лучистый, до 60°С и выше. Отдельные организмы выработали специальные приспособления, позволяющие им переносить и более высокие температуры. Споры некоторых бактерий, грибков имеют толстую оболочку, защищающую их от колебаний температуры, влажности и других неблагоприятных воздействий. Семена растений также очень устойчивы к изменениям условий среды.

Более сложно устроенные организмы не могут переносить сильного охлаждения, но и у них выработались приспособления, помогающие им выживать в зимнюю стужу и летнюю жару. Земноводные, пресмыкающиеся, рыбы при понижении температуры среды впадают в состояние оцепенения, забираются в норы, речной ил, уходят в глубины воды. При повышении температуры они постепенно оживают, становятся подвижными, начинают отыскивать пищу, размножаются.

У наиболее сложно устроенных животных, млекопитающих и птиц температура тела поддерживается на постоянном уровне. Специальные системы терморегуляции помогают развитию сложнейших жизненных процессов, совершенствованию мозга и других органов животных. Однако и у части млекопитающих выработалась система приспособлений, например зимняя спячка, позволяющих переносить неблагоприятные сезоны года.

Для обеспечения стабильной температуры тела необходимо, чтобы внутри организма вырабатывалось достаточное количество тепла. В организме человека и других высших животных вся энергия, образующаяся при сгорании, окислении пищевых веществ, в конечном счете превращается в тепло и отдается в окружающую среду. Тепловой баланс организма зависит от количества выработанного тепла (теплопродукции) и его выведения, удаления (теплоотдачи). Работа системы терморегуляции осуществляется автоматически с помощью центральной нервной и эндокринной систем.

Отдача тепла телом человека осуществляется тремя путями: конвекцией (нагревом воздуха), излучением и испарением. Наиболее важное значение имеет теплоотдача путем излучения инфракрасных лучей, на долю которой в обычных условиях приходится от 45 до 60% выводимого организмом тепла. Чем выше температура окружающих нас предметов, тем менее эффективна отдача тепла радиацией. Если воздух, так же как и тело, имеет высокую температуру, главную роль в теплоотдаче играет испарение. Однако возможности механизма отдачи тепла испарением тоже не беспредельны.

Когда теплоотдача затруднена, температура тела повышается, кровяное давление резко падает, пульс учащается, становится слабым, кожа лица багровеет, наступает потеря сознания — тепловой удар. Такое состояние развивается при особо неблагоприятных условиях чаще всего у людей, страдающих заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Обычно организм справляется с неблагоприятными условиями среды, пуская в ход свой богатый арсенал средств регуляции теплообмена.

Помимо самочувствия, один из наиболее точных показателей теплового состояния организма — температура кожных покровов, которая всегда ниже температуры тела. Если человек находится в благоприятных температурных условиях (например, при температуре воздуха в комнате около 21° С и такой же температуре стен), температура кожи туловища, лба равняется примерно 33,5° С. Кожа конечностей даже в состоянии полного теплового комфорта холоднее кожи туловища (ниже на 2—5°С). За счет изменения температуры конечностей поддерживается постоянство температуры туловища и головы, в которых размещены жизненно важные органы. Если воздух и предметы вокруг нас становятся холоднее, наш организм отвечает на это понижением температуры конечностей. С повышением температуры среды кровь начинает двигаться более мощным потоком по сосудам конечностей, приливает к коже. Ее температура (и теплоотдача) увеличивается. Еще более чувствительным и точным показателем теплообмена и теплового равновесия человека, чем температура кожи, может служить инфракрасный лучистый поток от отдельных участков тела.

Кожа животного имеет нервные чувствительные образования — рецепторы, которые служат приемниками температурных раздражений. Рецепторы представляют собой чувствительные окончания нервных клеток, имеющие на конце утолщения в виде шляпки гриба размером 0,25—1,35 мм. Холодовые рецепторы расположены в сосочковом слое кожи, на границе между эпидермисом и собственно кожей, тепловые — немного глубже. Функцию температурных рецепторов кожи можно сравнить с работой палочкового аппарата сетчатки глаза. Подобно палочкам, они не различают цветов, т. е. не чувствуют разницы в длине волны излучения, а реагируют лишь на повышение или понижение температуры.

Из кожных рецепторов нервное возбуждение по нервным стволам направляется в спинной мозг, а оттуда в так называемый промежуточный мозг, ведающий поддержанием постоянства температуры тела. Ощущения холода и тепла осознаются нами; следовательно, нервное раздражение достигает уровня коры головного мозга. Из центральной нервной системы соответствующие указания поступают к мускулам, кровеносным сосудам, сердцу, железам внутренней секреции, потовым железам и др. Система терморегуляции, так же как и весь организм, работает по принципу рефлекса, реагируя на внешние температурные воздействия.

Инфракрасные лучи, оказывая тепловое действие на организм, повышают температуру тех слоев кожи, в которых они поглощаются. Роговой слой кожи, весь эпидермис прозрачны для лучей видимого света, в особенности для красных. Красные и ближние инфракрасные лучи (с длиной волны до 1,5 мк) поглощаются преимущественно в дерме, но некоторая их часть (25—30%) проникает глубже, на 2,5—4 см, достигая подкожного жирового слоя и даже расположенных под ним органов. Более длинноволновые лучи целиком поглощаются в эпидермисе.

Используя инфракрасные лучи различного диапазона, можно достичь нужного лечебного результата. Так, для глубинного прогрева тканей рекомендуется использовать источники коротковолновых инфракрасных лучей, а для поверхностного обогрева — источники длинноволновой радиации.

Если мощность лучистого потока велика, ощущение тепла при действии радиации на кожу переходит в болевое ощущение; его порог для волн разной длины различен. Видимые лучи вызывают ощущение резкой боли при интенсивности 3,11 кал/см2·мин, коротковолновые инфракрасные лучи — при 1,79, а длинноволновые — при 1,33 кал/см2·мин. Такое различие объясняется глубиной проникновения лучей в кожу. Тонкие безмякотные нервные волокна, дающие ощущение боли, разветвляются на границе эпидермиса и собственно кожи. Поэтому боль появляется прежде всего при действии лучей, поглощающихся ближе к поверхности кожи. Чем больше проникающая способность лучей, тем легче они переносятся нашей кожей.

По данным специальных опытов, ощущение боли появляется при повышении температуры кожи примерно до 43,5°С, на 10°С выше нормальной температуры кожи. Источники радиации, дающие поверхностный нагрев, быстрее 'повышают температуру кожи и раньше вызывают неприятные ощущения. Наиболее глубоко проникает в ткани инфракрасное излучение Солнца, поэтому переносится оно значительно легче, чем более длинноволновое излучение искусственных источников.

Какие же изменения возникают в организме человека под действием инфракрасной радиации? Небольшие по величине кванты инфракрасных: лучей несут слишком мало энергии, чтобы вызвать типичнее фотохимическое действие, хотя для ближних лучей (0,76—1,5 мк) такой эффект полностью исключить нельзя. Нельзя исключить также возможность фотосенсибилизированного возбуждения молекул при поглощении этих лучей, несмотря на то, что присутствие в организме специфических фотосенсибилизаторов пока не установлено.

Главное, а возможно, и единственное действие инфракрасных лучей состоит в глубинном (ближние лучи) или в более поверхностном (дальние лучи) прогреве живых тканей. Повышение температуры под действием инфракрасных лучей усиливает биологическую активность микроорганизмов и клеток кожи, ускоряет их размножение, темп обменных реакций, увеличивает подвижность клеток, способных к самостоятельному движению,— лейкоцитов и гистиоцитов, усиливает способность поглощать инородные тела и микроорганизмы. Повышение температуры увеличивает скорость обменных процессов.

В присутствии некоторых красителей (метилвиолета, цианиновых красителей) действие инфракрасных лучей на микроорганизмы значительно усиливается, наступает гибель клеток.

Таким образом, фотосенсибилизация в принципе возможна и в инфракрасных лучах.

При действии инфракрасных лучей на кожу человека глубина их проникновения зависит не только от длины волны лучей, но и от степени пигментации кожи, ее увлажнения, величины кровенаполнения кожных покровов (вода прекрасно поглощает инфракрасные лучи). Увлажнение кожи и легкий ее отек создают как бы жидкую подушку, своеобразный защитный экран, поглощающий инфракрасную радиацию. Усиливая ток крови в сосудах, расположенных в подсосочковых слоях кожи, инфракрасные лучи повышают обмен между кровью и тканями, облегчают вымывание из клеток продуктов обмена. Повышение температуры кожи оказывает легкое раздражающее действие на нервные окончания и, таким образом, на деятельность нервной системы в целом. Дозированный прогрев кожи оказывает болеутоляющее действие. Благодаря ускорению кровотока и оживлению деятельности потовых желез инфракрасное излучение способствует рассасыванию кожных поражений (абсцессов, фурункулов), ускоряет их созревание, облегчает удаление ядовитых веществ. Тепловые процедуры, ускоряя размножение клеток, способствуют заживлению кожных ран и накоплению пигмента в коже.

Наконец, достоверно установлено, что после воздействия инфракрасных лучей на кожу в крови человека появляются активные продукты распада белков, похожие на те, которые образуются в результате ультрафиолетового облучения. Можно предполагать, что повышение температуры кожи усиливает деятельность ферментов, расщепляющих белки.

Активные продукты распада белков наряду с нервными импульсами, возникающими в коже, распространяют местное действие инфракрасных лучей на весь организм. Эти нервные и гуморальные (жидкостные) влияния при умеренных дозах инфракрасной радиации нормализуют тонус вегетативной нервной системы, снимают чрезмерное напряжение, расслабляют тонус мышц, сосудов, оказывают болеутоляющее, противовоспалительное действие. Вот почему инфракрасные лучи широко используются в медицине для лечения самых разнообразных заболеваний.

 

Термография на службе здоровья

Термография — это метод регистрации собственного инфракрасного излучения тела человека. Сейчас твердо установлено, что излучение кожи в инфракрасной области не зависит от степени пигментации, расовой принадлежности и индивидуальных особенностей (толщины, характера рогового слоя) и определяется только температурой. Некоторые индивидуальные колебания излучения наблюдаются в лучах с длиной волны короче 5 мкм, но на эту область приходится всего 1% излучения кожи. Таким образом, термография — это метод регистрации распределения температур по поверхности тела человека.

Температура кожи, подкожной клетчатки и подлежащих тканей, служащих источником инфракрасного излучения, в свою очередь, зависит от трех факторов: кровоснабжения изучаемого участка, интенсивности обменных процессов в нем, а также различий в теплопроводности. У каждого человека распределение температур по поверхности тела стабильно и при одинаковых условиях измерения воспроизводится в повторных опытах. Но у разных людей топография температур может различаться довольно значительно. Абсолютные значения кожных температур могут колебаться у одного и того же человека, главным образом на коже конечностей, довольно широко в зависимости от времени суток, температуры и влажности помещения, сезона года и т. п. Поэтому при термографических исследованиях принимаются во внимание лишь отклонения от симметричности распределения температур относительно продольной оси тела человека. В большинстве случаев симметричные участки тела человека действительно имеют одинаковую температуру.

Однако не столь уж редки случаи, когда аномальное ветвление артериальных стволов, различия в тонусе веточек вегетативной нервной системы (так называемые вегетативные асимметрии) вносят те или иные искажения в эту картину. Такие именно случаи и являются наиболее распространенной причиной ошибок в диагностике с применением термографии, о чем далее говорится более подробно.

Излучение абсолютно черного тела пропорционально, как следует из закона Стефана-Больцмана, четвертой степени температуры. Кожа человека при температуре тела ведет себя как абсолютно черное тело, и при повышении температуры кожи на 1°С ее полное излучение возрастает на 1,4%. В интересующей нас области от б до 10 мкм прирост составляет 2,4%. Современные приборы позволяют улавливать колебания лучистого потока с точностью до долей процента и разность температур отдельных участков кожи в пределах 0,1—0,01° С. Принцип действия термографов основан на фокусировании (с помощью системы зеркал) излучения определенного участка кожи на чувствительный приемник, преобразующий лучистую энергию в электрический ток. Пройдя через усилитель, ток питает источник света, освещающий фотопленку и вызывающий ее почернение. Луч по пленке перемещается синхронно с перемещением системы зеркал таким образом, что точка на пленке соответствует точке на коже. Почернение пленки пропорционально силе тока и, следовательно, температуре участка кожи. Вместо фотопленки в современных термографах используют электронно-лучевые трубки, что позволяет получать изображение за доли секунды. Переход к цветной термографии с использованием электронно-оптических преобразователей увеличивает количество оттенков цвета (по сравнению с черно-белым изображением) и повышает чувствительность прибора.

Итак, при исследовании излучения симметричных участков кожи обнаружилась разница их температур. В каких случаях и какую диагностическую информацию это может дать? По-видимому, наиболее полезна термография при выявлении опухолей грудной железы. В науке накоплен уже довольно большой опыт, который показывает, что почти всегда над раковой опухолью температура выше на 1—3° С, чем в симметричном участке. Местное повышение температуры наблюдается и при маститах, абсцессах грудной железы, воспалившейся кисте, быстро растущей доброкачественной опухоли — фиброаденоме и т. п. В процессе беременности и кормления также нередко наблюдается повышение температуры отдельных участков железы. Определенную путаницу вносят случаи вегетативной дистонии и аномалий распределения сосудов. Таким образом, данные термографии, как правило, не позволяют однозначно поставить точный диагноз. Однако в довольно большом проценте случаев изучение топографии температур позволяет обнаружить рак грудной железы, не выявляемый рентгеновским исследованием. Это подтверждает целесообразность использования нового метода, несмотря на его сложность, дороговизну аппаратуры. Использование этого метода позволяет быстро и без вреда для организма выявить и выделить из массы здоровых людей лиц, подлежащих более подробному и всестороннему обследованию.

Кроме опухолей грудной железы, с помощью термографии довольно успешно выявляются также опухоли костей и столь тяжелые сосудистые заболевания, как облитерирующий эндартериит, тромбофлебит, в самых начальных стадиях. В акушерстве с помощью термографа удается точно определить местоположение плаценты, облегчается распознавание ранних стадий беременности (по повышению температуры грудных желез).

Успешно используется метод термографии и в других областях биологии, медицины, ветеринарии.

 

Тепловой луч в деятельности человека

Главное промышленное использование инфракрасных лучей — инфракрасная сушка. Подбирая соответствующий источник излучения, расстояние между ним и материалом, подвергаемым сушке, при сравнительно небольших затратах можно добиться очень быстрого и хорошего результата.

Метод инфракрасной сушки доказал уже свои преимущества перед конвекционной сушкой: более глубокий и равномерный прогрев, получение мощных, направленных в нужную сторону лучистых потоков (отсюда быстрота сушки), экономическая эффективность. Инфракрасным облучателям можно придать любую форму, удобную для создания равномерного поля прогрева.

Метод инфракрасной сушки изделий, покрываемых лаком, дает возможность быстро удалять растворитель. Лак наносится на изделие довольно тонким слоем, который в инфракрасных лучах прогревается на всю глубину. Благодаря применению этого вида сушки стало возможным использование искусственных смоляных лаков, пленка которых очень тверда и прочна. В зависимости от толщины слоя лака пользуются разными источниками, дающими либо ближние инфракрасные лучи (такие источники, главным образом лампы накаливания, называют «светлыми» из-за высокой температуры нити накала, дающей и видимые лучи), либо длинноволновый поток («темные» источники, представляющие собой металлические трубки, разогреваемые током).

Инфракрасные лучи применяются для сушки древесины, бумаги, а также в полиграфической, текстильной, кожевенной, обувной, пищевой промышленности, в производстве керамики, пластмасс, синтетических волокон и т. д.

Все шире применяются новые системы лучистого отопления жилищ, общественных и культурно-бытовых помещений. Змеевики, по которым течет горячая вода или циркулирует пар, монтируются в специальные панели, расположенные в стенах, полу, реже в потолке. Давая мощный поток тепла, такая система отопления позволяет сохранять в помещении свежий прохладный воздух. Для обогрева цехов, выставочных залов, пассажирских помещений, вокзалов, школ, столовых используют светильники, лампы накаливания, а также «темные» излучатели — металлические трубки. На инфракрасные лучи почти не влияют атмосферные помехи. В связи с этим инфракрасная фотография позволяет успешно производить съемку отдаленных предметов, в частности аэрофотосъемку земной поверхности с большой высоты (нескольких десятков и даже сотен километров), а также фотографирование небесных туманностей, дальних скоплений дозвезднои материи и т. п.

Чтобы защитить фотопленку от действия видимых лучей, на объектив надевают специальные красные светофильтры. Для повышения чувствительности фотопленки к инфракрасным лучам в ее состав добавляют фотосенсибилизаторы, главным образом из группы цианиновых красителей, избирательно поглощающие лучи с длиной волны 0,8—1,2 мк (из ближней инфракрасной области) и ускоряющие почернение фотопластинки.

Инфракрасная фотография нашла применение и в медицине. На снимках, сделанных в инфракрасных лучах, хорошо видны поверхностно расположенные вены кожи: на фотографиях они кажутся темными и обнаруживаются даже в тех случаях, когда не видны глазом. При нарушениях кровообращения в брюшной полости, особенно в системе воротной вены (например, при закупорках ее ветвей, циррозах, застое крови в печени сердечного происхождения и т. п.), усиливается отток крови по венам передней брюшной стенки. Количество и величина этих сосудов возрастают.

Инфракрасная фотография помогает врачу поставить правильный диагноз болезни. При заболеваниях сосудов нижних конечностей фотография в инфракрасных лучах позволяет контролировать полноту излечения тромбофлебитов, эффективность оперативного лечения варикозного расширения вен и т. п.

С помощью инфракрасных лучей можно обнаружить нагретые тела (ракеты, самолеты, корабли, танки и т.п.), а также определить направление и скорость их движения. Инфракрасный тепловой индикатор, соединенный с усилителем, позволяет обнаружить цель в темноте и на значительном расстоянии по тепловому излучению и осуществить точную наводку орудия или ракеты.

Приборы теплового самонаведения оказались незаменимыми при разработке противоракетных систем. Такие приборы, устанавливаемые в головке противоракеты, обнаруживают корпус ракеты, раскаленный трением о воздух до 2000—3000° С, на расстоянии нескольких километров и обеспечивают самонаведение на эту быстродвижущуюся мишень. Инфракрасные приборы успешно используются также в разведке, для сигнализации, предотвращения пожаров, охраны важных объектов, для навигации и т. п. Возможна организация связи на инфракрасных лучах. Создание инфракрасных телескопов имеет большое значение для астрономических наблюдений.

Спектры поглощения различных веществ в инфракрасных лучах настолько индивидуальны и характерны, что с их помощью можно установить химическое строение сложных органических соединений, заметить ничтожные изменения структуры белков, нуклеиновых кислот, не обнаруживаемые другими методами.

Источники инфракрасного излучения широко используются в медицине. Задолго до открытия этого вида лучей и создания специальных ламп при лечении различных заболеваний люди пользовались средствами, способствующими уменьшению потерь собственного тепла. Шерстяные повязки при болях в пояснице, заболеваниях почек, ревматизме, специальные укутывания ограничивают теплоотдачу, повышают температуру кожи, рефлекторно воздействуют на вегетативную нервную систему, ослабляют спазмы, усиливают кровообращение. Применение теплых компрессов, грелок, электрических нагревательных подушек — новый шаг в области лечения теплом. Увлажнение компресса усиливает эффект, так как теплопроводность влажного эпидермиса увеличивается во много раз.

Наиболее современным методом физиотерапии является применение специальных ламп накаливания, излучающих инфракрасную радиацию ближнего диапазона, которая наиболее глубоко проникает в тело. Дозированное облучение отдельных участков кожи этими лучами дает отличный результат при заболеваниях лимфатической системы (отек, воспалительные инфильтраты), суставов (артриты, инфекционные артриты, ревматические поражения), грудной клетки (плевриты), органов брюшной полости (энтериты), печени, желчного пузыря. Особенно эффективен этот метод лечения при невралгиях, невритах, миозитах, различных кожных заболеваниях (фурункулах, карбункулах, абсцессах, пиодермитах, экземах), мышечных контрактурах. Инфракрасные лучи способствуют заживлению ран, оказывают болеутоляющее, антисептическое, противовоспалительное, отвлекающее действие, стимулируют жизненные процессы.

Однако пользуясь источниками инфракрасных лучей, необходимо помнить, что они представляют собой серьезную опасность для глаз. Ближние лучи вызывают сильный нагрев хрусталика и стекловидного тела, а длительное воздействие лучей приводит к катаракте, параличу зрачка, отслойке сетчатки. В связи с этим люди, работающие на специальных производствах и в физиотерапевтических учреждениях, должны носить защитные очки.

Инфракрасные лучи, обладающие сравнительно высокой проникающей способностью, находят свою область применения и в лечении глазных болезней. Нередко к офтальмологу обращаются больные с помутнениями роговицы, с просьбой об операции. Но прежде чем приступать к пересадке роговицы, врач должен знать, каково состояние глаза, радужной оболочки, зрачка там, под бельмом, будет ли видеть глаз после операции. Установить это можно только с помощью инфракрасных лучей, проникающих через мутную роговицу столь же легко, как сквозь прозрачную, и отражающихся от хрусталика и радужки. Снимок в инфракрасных лучах дает врачу нужную информацию для решения вопроса о целесообразности операции. Еще большие перспективы имеет применение электронно-оптических преобразователей, позволяющих непосредственно видеть в инфракрасных лучах состояние глаза. Этот метод удобен не только при непрозрачности роговицы, но и при сильной светобоязни, вызванной болезнью (наблюдение в темноте неболезненно в этом случае) , облегчает отыскание инородных тел в глазу и исследование опухолей.

Инфракрасный обогрев дает отличные результаты в животноводстве, где в холодные периоды года бывают значительные потери молодняка. Особенно целесообразно сочетание ультрафиолетового и инфракрасного облучения молодняка, позволяющее не только обеспечить оптимальный температурный режим, но и восполнить недостаток лучей, способствующих синтезу витамина D, ускоряющих рост и развитие животных.

Итак, невидимый тепловой луч успешно работает на пользу человека.