le stress thermique quantifié
La limite absolue
L'an dernier, une étude fascinante a tenté de déterminer la limite thermique absolue de survie chez l'être humain. Contrairement à de nombreuses études thermophysiologiques antérieures, les volontaires sont restés au repos pendant les tests et ont pu boire de l'eau à volonté. L'objectif de l'étude était d'identifier les conditions environnementales dans lesquelles des individus jeunes et en bonne santé ne peuvent plus survivre, même à l'ombre.
Le protocole expérimental consistait à faire entrer des volontaires dans une chambre thermique à 41,7 °C où l'humidité était progressivement augmentée jusqu'à ce que leur température corporelle atteigne un seuil critique. À ce seuil, la température corporelle des sujets augmentait rapidement. La combinaison température-humidité à laquelle ce seuil critique se produisait marque la transition entre un stress thermique compensable et un stress thermique non compensable. En d'autres termes, l'étude a permis d'identifier les conditions environnementales à partir desquelles les processus biologiques des sujets ne suffisaient plus à les refroidir.
Les tests ne s'arrêtèrent pas là. Munis d'informations sur les conditions ayant entraîné un stress thermique irréversible, les sujets retournèrent dans la chambre pour trois séances supplémentaires. L'une d'elles servait de témoin à une température plus basse, tandis que les deux autres testaient leur capacité à thermoréguler pendant neuf heures dans des conditions légèrement supérieures ou inférieures au seuil critique identifié. La durée exceptionnelle de neuf heures du protocole expérimental – l'étude la plus longue de ce type à ma connaissance – visait à garantir que la température corporelle des sujets puisse se stabiliser, si possible, en dessous du seuil de 40 °C associé au coup de chaleur.
Lors de la séance où les conditions étaient légèrement supérieures au seuil critique, huit des douze participants ont dû interrompre l'expérience avant la fin des neuf heures. Ces personnes avaient toutes atteint la limite de sécurité du protocole, fixée à 39,2 °C de température corporelle centrale, ou présentaient des signes de coup de chaleur, tels que nausées et vertiges. En analysant le taux d'augmentation de la température corporelle centrale, les chercheurs ont conclu qu'un coup de chaleur – et potentiellement le décès – surviendrait en moyenne après 9,8 heures d'exposition.[1]
Outre la durée du test, cette étude est unique car la température est restée constante à 41,7 °C tout au long des essais, aussi bien au-dessus qu'en dessous du seuil critique. Pour déterminer les conditions environnementales létales, les chercheurs ont fait varier l'humidité. La conclusion selon laquelle un coup de chaleur surviendrait après 9,8 heures repose sur une température humide d'environ 33,7 °C, et non sur la seule température ambiante.
Température humide ( Twb ) – Un indice scientifique
La température humide ( T <sub>wb</sub> ) est un indice thermique couramment utilisé dans la recherche sur la chaleur humaine, car la température seule ne permet pas de bien décrire les limites de la survie humaine en conditions de forte chaleur. Dès 1905, le chercheur J.S. Haldane constatait que les hommes pouvaient supporter des températures supérieures à 48,9 °C « sans grand inconfort » dans des conditions sèches et ombragées. Haldane observait également que ce n'était pas le cas en conditions humides, lorsque la transpiration ne pouvait s'évaporer de la peau.
Nous avons déjà abordé le rôle de l'humidité dans la thermorégulation dans des articles précédents (voir cette vidéo pour une brève explication). La transpiration nous rafraîchit lorsque l'énergie thermique de notre corps est transférée à la sueur, qui s'évapore ensuite en vapeur d'eau. Ce changement d'état consomme une grande quantité d'énergie thermique, permettant ainsi à l'évaporation de la sueur d'évacuer efficacement la chaleur corporelle dans l'environnement.
La température humide tient compte de ce processus d'évaporation. Elle se mesure en plaçant un coton-tige imbibé d'eau sur un thermomètre. Ce dernier se refroidit par évaporation de l'eau contenue dans le coton-tige, tout comme notre peau se refroidit par la transpiration. L'évaporation consommant de l'énergie thermique, la température humide ne peut jamais dépasser la température ambiante.
L'ampleur du refroidissement dépend toutefois directement de l'humidité. Dans des conditions très sèches, comme dans le désert, l'évaporation entraîne une température de fond (T <sub>wb</sub>) nettement inférieure à la température ambiante. À l'inverse, à 100 % d'humidité relative, la T <sub>wb</sub> est égale à la température ambiante, puisqu'aucune évaporation (et donc aucun refroidissement) n'est possible.
Puisque la température corporelle ( T <sub>wb</sub>) imite la capacité humaine de thermorégulation par la transpiration, elle est fréquemment utilisée dans les études sur les seuils thermiques humains. Sur le plan physique, un seuil absolu de viabilité humaine de 35 °C (T <sub>wb </sub>) a été proposé – correspondant à la température que la surface de la peau ne doit pas dépasser afin de maintenir un gradient thermique suffisamment important pour dissiper la chaleur métabolique issue des processus biologiques fondamentaux (c’est-à-dire la chaleur corporelle générée par le fonctionnement des organes).
Depuis , les chercheurs ont affiné le seuil absolu de température corporelle (Twb) nécessaire à la survie humaine grâce à l'expérimentation. L'étude mentionnée précédemment en est un exemple : elle montre que ce seuil, pour les jeunes adultes en bonne santé, est plus proche de 32,2 °C ( et qu'une Twb de 33,7 °C est mortelle en moins de 10 heures). Des protocoles de recherche impliquant une activité physique légère, comme la marche, permettent d'établir des seuils encore plus bas, aux alentours de 27,8 °C.
Heureusement, la température moyenne de référence pour l'humidité (Twb ) dépasse rarement 35 °C, mais les prévisions pour les décennies à venir indiquent que ce phénomène deviendra beaucoup plus fréquent dans certaines régions du monde. Aujourd'hui déjà, les vagues de chaleur humide extrêmes sont plus de deux fois plus fréquentes qu'en 1979 !
Un exemple intéressant de recherche sur les limites de survie thermique de l'être humain est la « ligne de mort par la chaleur », proposée par Elizabeth Schickele en 1946. Ses travaux pour l'armée américaine ont examiné les conditions environnementales lors de 157 décès liés à la chaleur chez des recrues en entraînement pendant la Seconde Guerre mondiale. Le graphique obtenu illustre la relation entre la température (à gauche) et l'humidité (sous forme de pression de vapeur, en haut et en bas du graphique) ; il s'agit d'une des études fondamentales sur les effets combinés de la chaleur et de l'humidité sur la survie humaine.
La « ligne de mort par chaleur » d'Elizabeth Schickele. Les cases « A » et « B » au-dessus de la ligne indiquent les conditions de température et d'humidité dans lesquelles des cas de maladie par la chaleur et de mort par chaleur ont été constatés chez les recrues.
Température humide du globe (WBGT) – La norme de santé au travail
L'utilisation de la température et de l'humidité seules est insuffisante pour mesurer la température humide et prendre en compte d'autres facteurs environnementaux influençant le stress thermique, notamment le rayonnement solaire. Afin de créer un indice adapté au travail en extérieur, l'indice WBGT (Wet Bulb Globe Temperature) a été mis au point.
L'indice WBGT trouve son origine dans l'entraînement militaire américain. Dans les années 1950, des médecins militaires ont mené des études sur les conditions environnementales à l'origine de maladies liées à la chaleur (et parfois de décès) chez les recrues de l'armée de terre et de la marine. La plupart des entraînements militaires se déroulant en extérieur, il est rapidement apparu nécessaire de disposer d'un nouvel indice thermique pour identifier les conditions dangereuses pour les recrues non entraînées. À l'aide de méthodes épidémiologiques, les chercheurs ont quantifié les conditions dans lesquelles l'interaction de la température, de l'humidité, du vent et du rayonnement solaire entraînait une augmentation de l'incidence des maladies liées à la chaleur.
Il en résulta l'indice WBGT, aujourd'hui utilisé par l'armée américaine et de nombreuses organisations syndicales. La valeur WBGT est une moyenne pondérée de trois relevés de thermomètre mesurant différentes conditions environnementales. La composante principale (70 %) est la température ambiante (Twb), un indicateur parfait de la transpiration, idéal pour un indice thermique utilisé par l'armée. La température ambiante à l'ombre ne représente que 10 % de la valeur WBGT. Ce faible pourcentage s'explique par le fait que la température de l'air seule est un indicateur peu fiable du stress thermique.
Le troisième instrument est un thermomètre à « sphère noire » – un thermomètre placé à l'intérieur d'une sphère métallique noire creuse. Cette sphère absorbe le rayonnement solaire, augmentant ainsi la température interne. Contribuant à hauteur de 20 % à la valeur totale de l'indice WBGT, la sphère noire réfléchit la chaleur supplémentaire provenant du rayonnement solaire.
Aujourd'hui, l'armée américaine utilise l'indice WBGT pour adapter les activités aux différents niveaux de stress thermique. Le manuel technique de l'armée (TB Med 507) recommande l'apport hydrique, les cycles travail-repos et la durée de l'effort continu en fonction de la tâche, allant de « légère » à « très lourde ».
Directives militaires WBGT pour les activités d'entraînement intermittentes en environnements chauds et humides. Les valeurs de température sont dérivées de l'indice WBGT, et non de la température ambiante.
Conçu pour une utilisation en extérieur, l'indice WBGT est l'un des indices thermiques les plus utilisés pour évaluer le stress thermique au travail. Des organismes tels que l'OSHA (Occupational Safety and Health Administration), l'ACSM (American College of Sports Medicine) et le Korey Stringer Institute l'utilisent. Même certains districts scolaires s'en servent pour évaluer les risques liés aux jeux d'enfants en plein air.
Indice de chaleur (IC) – Plus fréquent, moins utile
L'indice de chaleur est le T wb De même, il combine la température et l'humidité pour calculer une « température ressentie » qui tient compte de l'effet rafraîchissant de la transpiration. Avec la température ambiante, l'indice de chaleur est l'un des indices thermiques les plus utilisés aux États-Unis.
L'indice de chaleur est basé sur la température, l'humidité, la thermorégulation et des hypothèses datant de 1979. Cependant, par fortes chaleurs, de nombreux chercheurs affirment que cet indice produit des résultats « physiquement irréalistes ». Dans des conditions de chaleur ou d'humidité extrêmes, les valeurs sont calculées par extrapolation mathématique. Selon une estimation, environ 1 % des journées chaudes et humides d'été, sur un site d'étude en Oklahoma, sont « indéfinies » selon le calcul actuel (c'est-à-dire qu'une valeur est donnée, mais qu'elle ne correspond plus à la température ressentie). Avec l'augmentation de la température et de l'humidité, la fréquence de ces « conditions indéfinies » ne fera que croître.
L'incertitude liée au calcul de l'indice de chaleur par temps chaud et humide explique sa moindre utilisation dans la recherche scientifique. Il est néanmoins parfois intégré aux études. Une équipe de recherche ayant mis au point une méthode permettant d'étendre l'indice aux conditions extrêmes a estimé qu'une valeur de 71,7 °C représente la limite de survie des personnes en bonne santé sans refroidissement actif.
(Au passage, l'étude contenait l'une de mes phrases préférées tirées d'un article de recherche sur la thermorégulation : les rapports scientifiques sont généralement arides, mais les chercheurs ont clairement indiqué que leurs hypothèses incluaient une « personne idéale sans gêne » — c'est-à-dire quelqu'un prêt à se déshabiller complètement pour optimiser sa thermorégulation. Je trouve cela tout à fait approprié dans une situation de chaleur extrême où la vie est en danger !)
Malgré les réserves scientifiques, l'indice de chaleur est fréquemment utilisé aux États-Unis pour alerter en cas de fortes chaleurs. Le graphique ci-dessous illustre la relation entre la température et l'humidité et démontre l'influence considérable de l'humidité sur la perception de la chaleur. Par exemple, une journée où la température atteint 37,8 °C à Tucson peut être ressentie comme une température d'environ 35 °C lorsque l'humidité est inférieure à 15 %. À mesure que l'humidité augmente et que l'évaporation diminue, l'indice de chaleur dépasse rapidement la température ambiante réelle.
L'indice de chaleur – la température ressentie dans différentes conditions environnementales. Source : Service météorologique national
Autres indices
D'autres indices thermiques ont été développés pour définir les limites du WBGT et de la température de la bande interdite (T<sub> wb</sub>) . Pour pallier ce problème, l'indice universel de confort thermique (UTCI) a été développé afin de mesurer plus précisément le stress thermique individuel. Cet indice intègre des modèles physiologiques et vestimentaires avancés, ainsi que des variables environnementales telles que la température et l'humidité. Malheureusement, ces indices sont moins faciles à utiliser car ils nécessitent la saisie de données individuelles concernant les vêtements, l'équipement ou la surface de peau exposée.
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À propos de l'auteur : Erik Patton a obtenu son doctorat à l'Université Duke, où il a mené des recherches sur les défis posés par la hausse des températures dans l'entraînement militaire. Vétéran de l'armée américaine, Erik a servi dans divers climats extrêmes, des déserts du sud-ouest des États-Unis et du Moyen-Orient (48,9 °C) aux conditions arctiques du centre de l'Alaska (−41 °C).
[1] Il est à noter que la température corporelle centrale a continué d'augmenter même lorsque les sujets ont subi le test dans des conditions juste en dessous du seuil de basculement entre le stress thermique compensable et non compensable. Cependant, le taux d'augmentation était significativement plus faible, ce qui a conduit les chercheurs à conclure qu'environ 35 heures d'exposition continue étaient nécessaires pour déclencher un coup de chaleur.
