limites thermiques humaines
Frontières mouvantes – conditions environnementales.
À partir de quelle température l'être humain ne peut-il plus survivre ? La question paraît simple, mais notre capacité à évacuer la chaleur corporelle par la transpiration rend la réponse étonnamment complexe. Bien qu'il soit biologiquement nécessaire de maintenir la température corporelle centrale en dessous de 37 °C, il est possible pour l'être humain de survivre et même de travailler (quoique avec des performances réduites) à des températures supérieures à 49 °C, à condition que la transpiration puisse s'évaporer et qu'il dispose de suffisamment d'eau potable. Cependant, les limites environnementales de la tolérance humaine sont également soumises à d'autres facteurs.
L'humidité relative mesure la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air par rapport à la quantité maximale que celui-ci peut contenir. Elle influence la facilité avec laquelle la transpiration s'évapore et refroidit. Outre la température ambiante, l'humidité est le facteur le plus important pour déterminer la tolérance thermique maximale d'une personne. Il est essentiel de noter que l'humidité relative varie avec la température : l'air chaud peut contenir davantage de vapeur d'eau [1]. À faible humidité relative, la transpiration s'évapore facilement, permettant ainsi de supporter des températures élevées. Dans des régions sèches comme El Paso, les températures peuvent être élevées, mais l'humidité relative peut être inférieure à 10 % aux heures les plus chaudes de la journée [2]. À l'inverse, les villes humides comme Miami sont à la fois chaudes et humides, avec un taux d'humidité moyen l'après-midi d'environ 65 % (parfois plus élevé).
L'humidité relative et la température sont combinées dans un indice appelé température humide. Cet indice se mesure à l'aide d'un thermomètre enveloppé dans un linge humide ; l'humidité s'évapore du linge, à l'instar de la transpiration sur notre peau, refroidissant ainsi le thermomètre (Fig. 1). Du fait de ce refroidissement par évaporation, la température humide est presque toujours inférieure (et parfois nettement inférieure par temps sec) à la température ambiante. L'indice de température humide est la mesure idéale pour déterminer les conditions environnementales les plus extrêmes auxquelles l'être humain peut survivre, car il tient compte de notre capacité à nous refroidir par la transpiration. Il définit également un seuil de survie impératif : au-delà d'une température humide de 35 °C, l'être humain ne peut plus se refroidir physiologiquement.
Figure 1 : Thermomètre à bulbe humide. Cet appareil comporte trois capteurs ; l’instrument central est un thermomètre à bulbe humide. Le revêtement en coton, légèrement saillant, est imbibé d’eau et entoure le thermomètre. Cette version « naturelle » du thermomètre à bulbe humide est exposée à l’air. Crédit photo : Aviateur de première classe Corey Hook (USAF), Système de distribution d’informations visuelles de la Défense.
Cette limite de température humide de 35 °C repose sur des lois physiques : la chaleur se propage du chaud vers le froid. Pour abaisser notre température corporelle interne (normalement de 37 °C, voir plus bas), notre peau doit être à environ 35 °C. Cette différence d'environ 2 °C entre la température interne et la température cutanée crée un gradient thermique qui permet au sang de transporter la chaleur jusqu'à la surface de la peau afin qu'elle soit dissipée dans l'environnement. Si l'air ambiant est plus froid que 35 °C, la chaleur peut s'échapper par convection. Si l'air au contact de notre peau est à plus de 35 °C, la chaleur peut encore s'évacuer par évaporation de la transpiration. Cependant, si la température de l'air est supérieure à 35 °C et que l'humidité est élevée, la transpiration ne peut pas s'évaporer efficacement. Dans ces conditions de chaleur et d'humidité, il nous est physiquement impossible d'évacuer la chaleur de notre peau, et donc de faire baisser notre température corporelle interne. (Pour un bref aperçu des pertes de chaleur chez l'humain, consultez notre article « Physiologie thermique 101 »).
Des scientifiques se sont récemment interrogés sur la pertinence de fixer une limite de 35 °C pour la température humide – les limites théoriques n'ayant de sens que si elles se vérifient dans la réalité. Des tests menés sur des sujets humains suggèrent une limite inférieure, même chez des individus jeunes, en bonne santé et en pleine forme – possiblement aussi basse que 31 °C dans des environnements chauds et humides.[3] Ces valeurs proviennent de mesures de la température corporelle centrale de jeunes volontaires marchant sur un tapis roulant dans un laboratoire où la température et l'humidité sont contrôlées. Au-delà de certaines températures humides, la température corporelle centrale des sujets augmente rapidement, ce qui suggère l'existence de seuils critiques à partir desquels même un exercice relativement léger peut devenir dangereux.
Les températures de thermomètre mouillé proches de 31 °C sont rares dans la nature[4]. Cependant, dans les régions où l'eau s'évapore tout au long de la journée (par exemple, près des côtes), la température de thermomètre mouillé peut atteindre près de 31 °C. Par exemple, la température de thermomètre mouillé extrême moyenne à Miami est supérieure de quelques degrés à celle de Phoenix, malgré des températures ambiantes nettement plus élevées à Phoenix (tableau 1). Dans le climat actuel, les températures de thermomètre mouillé qui atteignent nos limites physiologiques ne se produisent que brièvement le long des côtes du golfe Persique, de la mer Rouge, dans certaines parties de l'Inde et du Pakistan, et le long de la côte sud du golfe du Mexique. Aux États-Unis, les températures de thermomètre mouillé élevées dans le Sud expliquent la forte incidence des maladies liées à la chaleur dans ces régions.
Stockage de chaleur dans le corps humain.
Pour mieux comprendre les limites de tolérance à la chaleur chez l'être humain, il est nécessaire d'introduire les concepts de stockage de chaleur et de production de chaleur compensable par rapport à la production de chaleur non compensable.
Le stockage de la chaleur dans le corps est un processus d'équilibre. Lorsque nous faisons de l'exercice ou travaillons, nos muscles produisent de la chaleur résiduelle, appelée production de chaleur métabolique.[5] Notre corps active alors des mécanismes pour libérer cette chaleur, en ajustant leur intensité au niveau de production de chaleur métabolique.
Ce processus fonctionne de manière similaire à un thermostat domestique. Le thermostat de votre maison (par exemple, réglé à 22 °C) et celui de votre corps (environ 37 °C) possèdent une température de consigne fixe. Dans le cerveau, l'hypothalamus compare les relevés de température provenant des récepteurs cutanés et du système nerveux central à cette température de consigne. Si une température plus élevée est détectée, des mécanismes de refroidissement s'activent et fonctionnent jusqu'à ce que la température de consigne soit à nouveau atteinte, à l'instar d'un climatiseur. Kenefick et al., de l'Institut de recherche en médecine environnementale de l'armée américaine, présentent une description détaillée (et accessible) de ce processus dans cet article de la revue Sports Medicine .
Si la quantité de chaleur produite par le corps est égale à la quantité dégagée, la chaleur stockée reste inchangée – la température demeure stable. Il existe une équation pour cela :
À gauche du signe égal figure la variation de la chaleur stockée dans le corps (le symbole « delta » représente la variation). Pour que cette variation reste nulle (ce qui est nécessaire pour la plupart des animaux à sang chaud), la somme des termes du côté droit doit également être nulle.
M représente la production de chaleur métabolique, c'est-à-dire la chaleur générée par le corps et les muscles, et est toujours positive (signe « + »).
E représente la perte de chaleur par évaporation de la sueur, qui est toujours négative (« signe - »), puisque l'évaporation refroidit le corps.
Ra , Cv et Cd représentent les échanges thermiques avec l'environnement par rayonnement, convection et conduction ; le symbole « +/- » indique que la chaleur peut circuler dans les deux sens. Le plus souvent, elle s'écoule du corps vers l'extérieur, mais dans les environnements chauds (par exemple, lorsque l'air ou l'asphalte est à plus de 35 °C), elle pénètre dans le corps.
Tant que Δ = 0, la production de chaleur est compensée et notre température corporelle interne reste stable. Lorsque M (chaleur métabolique) augmente, par exemple lors d'un effort physique, les autres facteurs Ra, Cv, C et E doivent compenser cette augmentation. Notre corps accroît alors la transpiration, redirige le flux sanguin vers la peau, dilate les vaisseaux sanguins proches de la surface cutanée et augmente le rythme cardiaque afin d'évacuer plus rapidement la chaleur vers la peau.
Dépassement des limites de stockage de chaleur.
Lorsque la production de chaleur métabolique dépasse les pertes de chaleur, le stockage de chaleur dans le corps augmente – une situation appelée « stress thermique non compensable ». À ce stade, la température corporelle centrale commence à s'élever. Le seuil d'élévation avant l'apparition d'un coup de chaleur dépend de facteurs individuels. Des températures corporelles supérieures à 41,7 °C ont été mesurées chez des athlètes de haut niveau bien entraînés, sans aucun dommage [6]. Un institut de recherche à Singapour a mesuré de telles températures chez des soldats lors d'un semi-marathon militaire – une épreuve suffisamment courte pour que la production de chaleur métabolique élevée soit tolérée. Deux participants ont atteint environ 41,7 °C, la moyenne étant plus proche de 40 °C. La définition clinique du coup de chaleur commence à 40 °C ; une différence de 1 à 2 °C est donc extrême ! D'autres études montrent également, occasionnellement, des valeurs supérieures à 41 °C chez les athlètes.
Ces études montrent que les athlètes de haut niveau dotés d'une bonne tolérance à la chaleur peuvent supporter des températures élevées, mais pas de façon continue. Au-delà de 40 °C environ, les protéines des tissus commencent à se dénaturer. L'entraînement à la chaleur augmente la production de protéines de choc thermique, qui ont un effet protecteur sur les cellules ; c'est pourquoi de nombreux athlètes intègrent spécifiquement ce type d'entraînement à leurs programmes. Pour le commun des mortels, la limite supérieure reste incertaine, car, pour des raisons éthiques, aucune étude ne peut délibérément pousser les limites jusqu'au coup de chaleur.
Peut-on éteindre le ventilateur pour le refroidir ?
L'équilibre thermique du corps humain engendre des contradictions intéressantes. L'une d'elles concerne les ventilateurs. Si la température cutanée doit être maintenue à 35 °C et que la chaleur se propage du chaud vers le froid, un ventilateur devrait entraîner une augmentation nette de la chaleur lorsque la température ambiante dépasse 35 °C. Cela signifie-t-il que les ventilateurs sont inutiles, voire dangereux, par forte chaleur ?
La réponse est nuancée. L'utilisation de ventilateurs par forte chaleur est scientifiquement controversée. En dessous de 35 °C, la circulation de l'air favorise la convection en éliminant la couche d'air chaud située au-dessus de la peau. Au-dessus de 35 °C, cette couche est remplacée par de l'air encore plus chaud. C'est pourquoi certaines autorités déconseillent l'utilisation de ventilateurs par temps chaud : le CDC recommande de les éviter au-dessus de 32 °C, l'OMS fixe la limite à 40 °C et le NHS (Service national de santé britannique) à 35 °C.
Les scientifiques répondent à ces différences par : « Cela dépend. » La circulation de l'air est généralement bénéfique. L'efficacité des ventilateurs dépend fortement de l'humidité ; il n'existe donc pas de seuil fixe. La chaleur apportée par l'air chaud est souvent largement compensée par une évaporation accrue. Cette évaporation est favorisée car la circulation de l'air remplace l'air saturé de transpiration au contact de la peau. Des modèles montrent que pour les personnes en bonne santé et ayant une transpiration normale, un ventilateur est probablement bénéfique jusqu'à 39 °C, et même jusqu'à 42 °C par faible humidité.
À propos de l'auteur : Erik est doctorant à l'université Duke, où il étudie les défis que pose la hausse des températures à l'entraînement militaire. Vétéran de l'armée américaine, Erik a servi dans des climats extrêmes variés, allant des déserts du sud-ouest des États-Unis et du Moyen-Orient (49 °C) aux conditions arctiques du centre de l'Alaska (-41 °C).
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[1] Aux températures élevées habituelles que nous connaissons, une augmentation de température de 1 °C (1,8 °F) accroît d'environ 7 % la capacité de l'air à contenir de la vapeur d'eau. Techniquement, cette relation n'est pas linéaire, mais cette valeur de 7 % constitue une bonne approximation pour les températures rencontrées sur Terre.
[2] Je sais par expérience personnelle, ayant travaillé dans le désert de Chihuahua au nord d'El Paso, que vous terminez probablement la journée avec une croûte de sel due à l'évaporation de la sueur, mais que vous êtes rarement trempé car la sueur s'évapore très rapidement dans l'air sec.
[3] Et des valeurs encore plus faibles dans les environnements chauds et secs, ce qui montre que les températures élevées limitent la survie même par humidité modérée ou faible. L'interaction entre la température et l'humidité sur la thermorégulation est un domaine de recherche complexe et en constante évolution.
[4] Outre la chaleur et l'humidité, la stabilité atmosphérique est nécessaire pour atteindre des températures de bulbe humide vraiment élevées. Dans de nombreuses régions du monde, l'énergie thermique attire l'humidité vers les hautes couches de l'atmosphère (comme lors des orages de l'après-midi), ce qui empêche une humidité extrême du sol.
[5] De la chaleur métabolique est également générée au repos, mais en si petites quantités que le maintien d'une température centrale stable ne pose généralement pas de problème.
[6] Il est important de souligner que 41,7 °C est la valeur la plus élevée que j'aie trouvée dans la littérature. Elle a été observée chez des athlètes d'élite très entraînés et représente probablement la limite absolue de survie pour l'être humain.
