一项长达250年的热量之谜，如今被亚利桑那州立大学（ASU）的研究人员揭开了一个令人惊讶的新篇章：在极端炎热的环境中，汗液的降温能力可能会因皮肤上方空气的几乎完全静止而大幅削弱，而这一物理效应此前在科学界很大程度上被忽视。

ASU的研究团队发现，在炎热、干燥且无风的条件下，这种物理效应能使汗液蒸发量减少一半以上。这一发现有望改变科学家们对帐篷、未完工建筑、封闭式工作场所及其他气流稀少区域热危险的评估方式。

这项突破为几个世纪以来一直困扰研究人员的问题增添了意想不到的答案。早在1775年，英国医生查尔斯·布拉格登（Charles Brian Blagden）及其友人曾进入加热至超过230°F（约110°C）的房间。尽管生肉在同一房间内被煮熟，但志愿者们通过大量出汗和汗液蒸发，仍能保持核心体温基本稳定。

ASU工程学副教授康拉德·雷卡切夫斯基（Konrad Rykaczewski）指出：“事实证明，其影响是巨大的。它能使皮肤汗液蒸发量改变超过50%。”

单纯出汗并不能有效散热。降温的关键在于液态汗液从皮肤吸收能量，然后以水蒸气的形式逸散到空气中。留在身体上或滴落的汗液所提供的益处则微乎其微。

当周围空气温度高于皮肤温度时，汗液蒸发的作用尤为关键。在这种条件下，人体会从环境中吸收热量，此时汗液蒸发便成为抵御过热的主要防线。

ASU团队深入研究了温度和湿度如何在身体附近产生相互竞争的气流。当热空气接触到较冷的皮肤时，密度会增大并下沉。与此同时，蒸发汗液释放的水分会产生一股向上的气流，因为潮湿空气比干燥空气轻。

研究发现，在约105°F（约40.6°C）的温度、低湿度且无风的条件下，这些相互竞争的气流可以完全抵消。 由于流经皮肤的空气极少，蒸发速度减缓，导致身体储存更多热量。当研究人员在计算中排除这一效应时，他们发现对一个静止个体在两小时暴露后核心体温升高的估计值，会低估近2°F（约1.1°C）。

为了避免让志愿者处于危险境地，研究人员使用了ANDI，这是一个定制的人体模型，旨在模拟人体热交换过程。ANDI全身分布的传感器可以测量热量的吸收和散失，而其表面的毛孔则能随着温度升高释放模拟汗液。

该团队利用ANDI进行了数十次实验，并开发了ANDI的计算机化版本，在各种环境条件下进行了约100次出汗模拟。这些测试使研究人员能够分离出身体与周围环境之间多种热量传递途径。

雷卡切夫斯基表示：“其中涉及多种热传递途径，因此，隔离每一种途径，确保我们能在计算上复制它，然后将它们全部整合到一个模型中，需要付出巨大的努力。”

雷卡切夫斯基与第一作者什里·维斯瓦纳坦（Shri Viswanathan）以及其他八位ASU研究人员在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表了这些研究成果。

雷卡切夫斯基指出，这种相互竞争的浮力效应在研究电子设备热交换的工程师中早已为人熟知，“但在人体方面却被忽视了。我认为原因在于，该领域的大多数研究人员并非工程学背景。这确实展现了工程师和生理学家进行跨学科研究的巨大益处。”

目前大多数人体热平衡模型并未考虑汗液湿度如何改变皮肤附近空气流动的方式。因此，它们可能会预测比实际发生更多的蒸发量，并低估在干燥无风环境中人体过热的速度。

雷卡切夫斯基强调：“这对于室内环境或气流极少的场所至关重要。想想帐篷、半封闭式工作场所或未完工的建筑。”

更精确的模型可以加强对暴露在极端高温下的工作人员的安全建议。它们还可以改进为急救人员、士兵、运动员以及其他必须在高温下保持活跃的人群设计的冷却服装和热管理系统。

这项最新发现是基于ASU此前关于汗液如何在人体皮肤上移动的研究。去年，该团队通过让志愿者穿着内衬有冷热水管的紧身衣，揭示了汗液形成的隐藏细节。通过加热和冷却参与者，研究人员观察了汗液的出现和扩散过程。

他们发现，汗液首先会浸润皮肤最外层。随后，它会在单个毛孔周围形成浅层水池，最终汇聚成一层薄而连续的汗膜。

最初的汗液蒸发后，会留下淡淡的盐分残留。当志愿者再次被加热时，这些盐分有助于新鲜汗液更快地在皮肤上铺展，使汗膜无需重复之前的积聚阶段即可形成。

连续的汗膜可以使更多液体暴露在空气中，从而可能提高蒸发效率。这些发现也表明，由于毛发覆盖、腺体密度和皮肤结构在身体不同部位有所差异，汗液在身体各处的行为可能不同。

关于汗液是附着在皮肤上蒸发还是在提供有效降温前就流走，仍有许多重要问题待解。ASU团队计划进一步研究皮肤、汗液和服装纺织品在不同条件下的相互作用。

雷卡切夫斯基说：“更大的问题是如何管理汗液，以及可以在皮肤旁放置何种材料来优化降温效果。”

这项工作有望促成能够将汗液扩散到更大面积、使其保持在皮肤附近并促进蒸发的服装。在亚利桑那州，研究人员还将先进的环境传感器与改进的汗液和体温调节模型相结合，以研究不同人群如何体验极端高温。他们的研究成果正为热适应策略和更安全建筑及户外空间的设计提供信息。

雷卡切夫斯基在职业生涯初期并未预料到会专注于汗液研究，但其复杂的物理学原理和普遍相关性吸引了他。“这很有趣，因为它有点‘恶心’，但同时也引人入胜。你可以花一辈子时间做只有二十位专家才关心的专业研究。但汗液不同，因为每个人都会出汗。”