Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Численное моделирование обтекания воздушными потоками реальных горных массивов украинских карпат и стран средиземноморского региона - Израиля и Кипра 20
1.1. Постановка задачи и описание использовавшихся моделей 20
1.2. Результаты численного моделирования обтекания воздушными потоками горных массивов Украинских Карпат и стран Средиземноморского региона - Израиля и Кипра 54
Глава 2. Исследование влияния неоднородных (барханных) поверхностей во вновь опустыненных территориях на аэрозольное загрязнение атмосферы и на возникающие при этом экологические проблемы для окружающих регионов 84
2.1. Физико-географическая характеристика опустынивающихся регионов Приаралья и Калмыкии 84
2.2. Современное состояние исследований выноса в атмосферу Аридного аэрозоля 97
2.3. Полевые исследования - корреляционный и химический анализ данных 107
2.4. Результаты и выводы 119
Глава 3. Исследование экологических проблем, вызванных аэрозольным загрязнением атмосферы над территорией России 128
3.1. Исследование экологического состояния различных регионов России путем комплексных измерений загрязнения атмосферы с помощью вагона-лаборатории 12
3.2. Исследование влияния региональной урбанизации на качество воздуха и экологию окружающей среды 134
3.3. Измерения загрязнения атмосферы в регионе Кавказских Минеральных Вод 150
3.4. Исследование пространственно-временной изменчивости динамики переноса примесей в атмосфере над акваторией
Байкала 157
3.5. Оценка корреляции содержания элементов в приземном аэрозоле с их содержанием в гидрозоле в поверхностном слое реки Обь 161
3.6. Создание стратегии проведения самолетных измерений трансконтинентального переноса атмосферных загрязнений над территорией РФ 166
3.7. Оценка влияния пусков ракет-носителей с космодрома Байконур на окружающую среду - 171
Глава 4. Исследование влияния климатических, метеосиноптических и антропогенных факторов на здоровье населения 178
4.1. Загрязнение атмосферы как фактор биотропности погоды 178
4.2. Создание системы оперативного медицинского прогноза погоды (ОМПП) 197
4.3. Модель количественной оценки связи метеопатии с погодными, геофизическими и антропогенными факторами в форме комплексного Индекса патогенности погоды 210
Заключение 226
Список литературы 233
Список сокращений 293
Приложения 295
- Постановка задачи и описание использовавшихся моделей
- Физико-географическая характеристика опустынивающихся регионов Приаралья и Калмыкии
- Исследование влияния региональной урбанизации на качество воздуха и экологию окружающей среды
- Загрязнение атмосферы как фактор биотропности погоды
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Влияние неровностей поверхности Земли различных масштабов на состояние атмосферного пограничного слоя (АПС) огромно и с учетом процессов загрязнения атмосферы формирует возникновение ряда экологических проблем. Оно определяет и климатический режим, и текущую погоду не только в горных регионах, высота которых часто превышает высоту АПС, но и в крупных городах, особенно расположенных в холмистой или предгорной местности, где вследствие температурных инверсий в АПС значительно возрастает уровень загрязнения атмосферы и зачастую образуются смоги. Многие регионы Земли подвержены процессам опустынивания в результате антропогенных нагрузок и изменения климата. В пустынных регионах или местностях, подверженных процессам опустынивания, существенное влияние на структуру и состояние приземного слоя атмосферы оказывают даже небольшие неровности — песчаные барханы, которые за счет неравномерного нагрева верхушки барханов и между барханных понижений вызывают явления отрыва и выноса аридного аэрозоля. При этом одним из важнейших процессов, влияющих на состояние атмосферы и почвы, является тепломассообмен в системе почва-атмосфера, что, в конечном счете, и влияет на климат. Таким образом, проблема опустынивания является актуальной общемировой климатической и социальной проблемой.
Исследование экологических проблем, связанных с влиянием неровностей поверхности Земли на загрязнение атмосферы, является актуальнейшей задачей и она может быть решена путем вначале феноменологического описания соответствующего явления, а затем изучения физических механизмов этих процессов и математического моделирования этих явлений.
В конце 70-х - начале 80-х годов одной из наиболее актуальных проблем стала проблема взаимодействия атмосферы с горными системами, для чего был проведен ряд экспедиций, посвященных анализу влияния реальных горных
массивов на процессы в различных слоях атмосферы. Подавляющее большинство гидродинамических моделей в это время были двумерными. Это было связано с трудностью моделирования полной трехмерной задачи обтекания реальных горных массивов воздушными потоками. Для решения этих актуальных задач автором была создана новая трёхмерная негидростатическая модель обтекания препятствий произвольной формы потоком несжимаемой жидкости со свободной поверхностью и с соответствующим реальному (для воздушных потоков) профилем скорости для решения пространственной задачи обтекания воздушными потоками реальных горных массивов, что было принципиально новым подходом. В 1987-1989 гг. эта модель была использована для моделирования обтекания Украинских Карпат. Далее модель применялась и развивалась уже как модель слабосжимаемой адиабатической жидкости в целях решения актуальных задач обтекания горных массивов воздушными потоками для некоторых стран Средиземноморского региона (Израиля, Кипра). Такая проблема теперь решалась уже не только как гидродинамическая задача обтекания горных массивов, но и как часть актуальной задачи о переносе примеси над такими горными регионами. Заметим, что при процессе переносе примеси над горными регионами, вследствие образования застойных зон, возникают экологические проблемы, приводящие к опасным последствиям для здоровья людей и сообществ.
В настоящее время одной из актуальных и важных задач исследования окружающей среды является изучение и прогнозирование глобальных и региональных изменений в атмосфере и гидросфере Земли в связи с их воздействием на окружающую среду. К числу таких изменений относятся как природные катастрофы, так и более медленные, продолжающиеся месяцами и годами локальные изменения местного климата, в частности, опустынивание, засухи и другие локальные мезо-метеорологические явления. В двадцатом веке хозяйственные и другие возмущения поверхности почвы привели к значительному увеличению масштабов опустынивания. Такие территории
являются серьезным источником аридного аэрозоля, который поступает в атмосферу во время пыльных бурь и, как показали организованные и проведенные под руководством и непосредственном участии автора экспедиционные, исследования 1991-92, 1995-2007гг., также в сухую*жаркую погоду в отсутствие сильного ветра. Кроме хорошо известной эмиссии почвенных частиц, происходящей в организованных вихревых структурах пограничного слоя (например, пыльные дьяволы), существуют и другие механизмы выноса в атмосферу аридного аэрозоля, включающие эмиссию тонкодисперсных фракций (<2,5 мкм). Хотя тонкодисперсный аэрозоль составляет относительно небольшую часть потока массы в атмосферу, но, учитывая его долгое время жизни в атмосфере, способность влиять на процессы конденсации и участвовать в физико-химических процессах, он оказывает важное климатическое и экологическое влияние. Поэтому особое внимание автора и его коллег было уделено решению > актуальной и новой проблемы исследования процессов выноса тонко- и нанодисперсного аэрозоля из вновь опустыненных регионов, ранее недостаточно изученных из-за технических трудностей измерений в запыленной и очень жаркой атмосфере.
Экспериментальное изучение основных факторов аэрозольного
загрязнения атмосферы, вызывающих различные экологические проблемы в
России, также является одной из наиболее актуальных задач. Актуальными
задачами в этом направлении являются: получение информации об
экологическом состоянии различных регионов России, включая исследование
влияния региональной урбанизации на качество воздуха и экологию
окружающей среды; проведение самолетных измерений
трансконтинентального переноса атмосферных загрязнений над территорией России; оценка влияния пусков ракет-носителей на окружающую среду и решение других экологических задач в этом направлении, которые и выполнены в рамках представляемого диссертационного исследования.
Опасными явлениями для здоровья населения также являются процессы глобального потепления и, вследствие этого, изменения климата, которые
сопровождаются резкой перестройкой атмосферных процессов и учащением повторений опасных атмосферных явлений. Это приводит к серьезным последствиям для здоровья жителей различных возрастных групп в регионах России, сельчан и горожан. В больших городах основными причинами госпитализации и даже смертельных исходов в жаркие дни становятся ишемическая болезнь сердца, заболевания органов дыхания, центральной-нервной системы, несчастные случаи и суициды. В последние годы в зимнее время в средней полосе и на севере России на физическое и ментальное здоровье дополнительное негативное воздействие оказывают продолжительные периоды аномально теплой и пасмурной погоды, как, например, зимой 2006-2007 гг., что также увеличивает заболеваемость наиболее распространенными социально-значимыми заболеваниями,
В этой связи чрезвычайно важным и актуальным становится решение задач, связанных с оценкой влияния* климатических и метеорологических вариаций различного пространственно-временного масштаба на состояние популяционного здоровья людей.
Цель работы. Целью диссертационной работы явилось теоретическое и экспериментальное исследование физических механизмов процессов аэрозольного загрязнения атмосферного пограничного слоя над неоднородными поверхностями, а также влияния вызванных ими экологических проблем на здоровье населения.
Задачи работы
1. Создание трёхмерной негидростатической модели обтекания препятствий произвольной формы потоком несжимаемой и слабосжимаемой адиабатической- жидкости со свободной поверхностью и соответствующим реальному профилем скорости применительно к задачам обтекания воздушными потоками реальных горных массивов Украинских Карпат, некоторых стран Средиземноморского региона (Израиля, Кипра), а также использование этой численной модели при решении актуальной задачи
переноса загрязнений над горными регионами и возникающих при этом процессе экологических проблемах вследствие образования застойных зон.
2. Изучение условий и механизмов формирования почвенной эмиссии
тонкодисперсного (<2,5 мкм) пустынного аэрозоля со вновь опустыненных
территорий, проведение исследований химических и физических характеристик
аридного аэрозоля и почвы с целью оценки их влияния на окружающую среду и
климат, установление причин и определение условий образования
«неподвижных» вертикальных термиков, выносящих аридный аэрозоль;
параметризация процессов выноса субмикронной фракции агрегатных
аэрозольных частиц в маловетреную жаркую погоду; обоснование гипотезы о
структуре пограничного слоя атмосферы в аридных регионах.
3. Исследование экологических проблем, вызванных аэрозольным
загрязнением атмосферы над территорией России:
получение информации об экологическом состоянии различных регионов России и влиянии железной дороги на загрязнение атмосферы и почв вдоль железнодорожного полотна на основе комплексных измерений концентраций малых газовых примесей и аэрозоля в атмосфере;
влияние региональной урбанизации (для мегаполисов Москвы и Пекина) на качество воздуха и экологию окружающей среды;
- оценка корреляции химических элементов в приземном аэрозоле с их
содержанием в гидрозоле поверхностного слоя реки Обь;
-создание стратегии проведения самолетных измерений
трансконтинентального переноса атмосферных загрязнений над территорией России;
- оценка влияния пусков ракет-носителей с космодрома Байконур на
окружающую среду.
4. Исследование влияния климатических, метеосиноптических и
антропогенных факторов на появление метеопатических реакций,
затрагивающих как общее самочувствие метеочувствительных людей и
сообществ, так и адаптационные процессы на уровне основных регуляторных
систем организма. Организация мониторинга состояния воздушного бассейна исследуемой территории, с оценкой особенностей концентрации и физико-химических характеристик трансграничного переноса аэрозоля.
Область исследования. Экологические процессы, связанные с влиянием неровностей поверхности Земли на аэрозольное загрязнение атмосферы.
Предмет исследования. Физические механизмы процессов аэрозольного загрязнения атмосферы над неоднородными поверхностями.
Методы исследований. В качестве основных методов исследований в работе используются экспериментальные методы получения информации процессов аэрозольного загрязнения атмосферы над неоднородными поверхностями, физических процессах в атмосфере путем организации экспедиционных исследований. На основе теоретического анализа результатов экспедиционных исследований были развиты методы численного моделирования задач обтекания. Статистический (корреляционный) анализ экспериментальных данных позволил выявить закономерности процессов аэрозольного загрязнения атмосферы над неоднородными поверхностями России, создать физическую модель отрыва тонкодисперсных (менее 400 нм) аэрозольных частиц от пустынной поверхности и предложить формулу оценки зависимости концентрации выносимых частиц от температуры поверхности при скоростях ветра менее 3 м/с. Проведенные исследования также дали возможность оценить влияние антропогенного загрязнения атмосферы на здоровье населения.
Достоверность полученных в работе результатов и выводов обусловлена использованием большого экспериментального материала, полученного применением апробированных методов экспериментальных исследований в проведенных под руководством автора экспедиционных исследованиях, сопоставлением с созданными автором моделями и результатами других исследователей, и математических и статистических (корреляционных) методов обработки результатов. Предложенные на основании созданной автором модели рекомендации учтены Министерством
энергетики Израиля и Высшим техническим советом Кипра, а созданные специальные версии модели для территорий этих стран использованы метеослужбами Израиля и Кипра. На работы и результаты автора имеются ссылки отечественных и зарубежных исследователей.
Научная новизна работы
1. Впервые для решения задач обтекания воздушными потоками горных
массивов, связанных с анализом экологических ситуаций, возникающих
вследствие переноса загрязнений, создана численная модель слабо сжимаемой
расслоенной адиабатической жидкости, дающая более точную картину
возможного распространения атмосферных загрязнений в расчётной области,
чем модель несжимаемой жидкости.
С использованием этой модели были решены актуальные экологические задачи возможного переноса примесей от крупных электростанций над территориями Израиля и Кипра для разработки предложений об оптимальных с экологической точки зрения мест расположения этих источников атмосферных загрязнений.
2. Установлены основные механизмы выноса в атмосферу
тонкодисперсного (<2,5 мкм) пустынного аэрозоля; определены причины и
условия образования «неподвижных» вертикальных термиков, выносящих
аридный аэрозоль.
Впервые выявлено и проанализировано явление выноса в маловетреную жаркую погоду из вновь опустыненных территорий Калмыкии и Приаралья субмикронной фракции (<400 нм) агрегатных аэрозольных частиц, особенно опасных для здоровья населения окружающих территорий. Выдвинута, обоснована и подтверждена измерениями сети доплеровских содаров новая гипотеза о пространственной структуре пограничного слоя атмосферы в аридных регионах.
3. Впервые создана физическая модель отрыва от пустынной поверхности
тонкодисперсных (менее 400 нм) аэрозольных частиц и предложена формула
оценки зависимости концентрации выносимых частиц от температуры
поверхности при скоростях ветра менее 3 м/с.
Это впервые позволяет включать в численные модели влияния опустыненных территорий на атмосферу оценку выноса тонкодисперсного аэрозоля при малых скоростях ветра в зависимости от температуры поверхности, которую можно получить из спутниковых данных.
Впервые сделана оценка среднего значения массовой концентрации аэрозоля как в летний период, так и в зимний периоды во всех природно-территориальных комплексах (ПТК) России.
Оценено влияние мегаполисов Москвы и Пекина на региональные климатические характеристики загрязнения атмосферы.
Разработаны методические рекомендации для городских администраций по учету влияния загрязнения атмосферы Москвы и Пекина на здоровье населения.
Оценено влияние процессов опустынивания на состояние воздушной среды Пекина.
8. Впервые оценены корреляции содержания элементов в приземном
аэрозоле с их содержанием в гидрозоле в поверхностном слое воды реки Обь.
Создана новая стратегии проведения самолетных измерений трансконтинентального переноса атмосферных загрязнений над территорией России.
Впервые оценено влияние ракеты Протон на атмосферу с помощью самолета-лаборатории.
Создана новая система оперативного медицинского прогноза погоды, предусматривающая синоптико-метеорологический мониторинг, оперативное выявление биотропных погод и гелиогеомагнитных ситуаций, систему оповещения медицинских учреждений и населения.
12. Впервые предложена модель количественной оценки индекса
патогенности погоды, путем интегрирования 50 дифференцированных по
степени патогенности различных факторов погоды и 20 параметров загрязнения
атмосферы.
Научная и практическая значимость
Созданные система оперативного медицинского прогноза погоды и
модель количественной оценки патогенности погоды - Индекс патогенности
погоды (ИГШ), предусматривающие синоптико-метеорологический
мониторинг, оперативное выявление биотропных погод, гелиогеомагнитных
ситуаций, систему оповещения медицинских учреждений и населения
используются Центральной клинической больницей РАН, Российским
кардиологическим научно-производственным комплексом Минздрава и более
чем 30 здравницами особо охраняемого эколого-курортного региона
Российской Федерации - Кавказские Минеральные Воды.
Полученные данные о распространении атмосферных загрязнений в атмосферы Земли в ранее не исследованных неоднородных поверхностях имеют важное значение для изучения глобальных распределений параметров атмосферы, их вариаций и региональных особенностей.
Результаты проведенных исследований расширяют и существенно дополняют знания о физических процессах в атмосфере над неоднородными поверхностями.
Разработанная параметризация выноса из пустынных поверхностей тонкодисперсного (<400 нм) аэрозоля позволяет включать в численные модели влияния опустыненных территорий на атмосферу оценку выноса тонкодисперсного аэрозоля при малых скоростях ветра в зависимости от температуры поверхности, которая может быть получена из спутниковых данных.
Впервые для решения задач обтекания воздушными потоками горных массивов, связанных с анализом экологических ситуаций, возникающих вследствие переноса загрязнений, создана численная модель слабосжимаемой расслоенной адиабатической жидкости, дающая более точную картину возможного распространения атмосферных загрязнений в расчётной области, чем модель несжимаемой жидкости.
Предложенные на основании расчетов по созданной модели
рекомендации о размещении крупных электростанций на территориях Израиля и Кипра были учтены Министерством энергетики Израиля и Высшим техническим советом Кипра, а созданные специальные версии модели для территорий этих стран были переданы для использования в практической работе метеослужб Израиля и Кипра.
Обработка многолетних данных измерений аэрозольных характеристик в
атмосфере Москвы и Пекина, выполненная под руководством автора в рамках
государственного контракта от 01 августа 2007 г. № 02.515.11.5081, позволила
китайским участникам работы дать рекомендации, принятые и реализованные
Администрацией Пекина, для снижения уровня аэрозольного загрязнения в
Пекине во время Олимпиады-2008.
Основные положения, выносимые на защиту:
Модель слабосжимаемой расслоенной адиабатической
негидростатической жидкости, дающая более точную картину возможного
распространения атмосферных загрязнений в расчётной области, чем модель
несжимаемой жидкости.
Применение этой модели для решения задач обтекания гор воздушными потоками, связанных с анализом экологических ситуаций, возникающих вследствие переноса загрязнений над реальными горными массивами.
Разработанная параметризация оценки выноса из пустынной поверхности тонкодисперсного аридного аэрозоля (<400 нм) (при малых скоростях ветра в зависимости от температуры поверхности) позволяет включать ее в численные модели влияния опустыненных территорий на атмосферу.
Методические рекомендации для городских администраций по учету влияния загрязнения атмосферы Москвы и Пекина на здоровье населения.
Созданная система оперативного медицинского прогноза погоды и модель количественной оценки ее патогенности - индекс патогенности погоды (ИПП), предусматривающие синоптико-метеорологический мониторинг, оперативное выявление биотропных погод, гелиогеомагнитных ситуаций,
оповещение медицинских учреждений и населения для проведения экстренной профилактики метеопатических реакций.
Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом более чем 25-летних исследований автора. Все исследования по численному моделированию задач обтекания гор воздушными потоками и созданию моделей отрыва частиц тонкодисперсного аридного аэрозоля выполнены лично автором. В совместных работах и публикациях, относящихся к экспериментальным исследованиям физических механизмов и экологических процессов загрязнения атмосферы над неоднородными поверхностями, участие и вклад автора были определяющими, а результаты, выносимые на защиту в настоящей работе, получены лично автором или под его руководством и его непосредственном участии. В совместных работах и публикациях, связанных с экспериментами, участие автора заключалось в постановке, организации и проведении экспериментальных исследований, анализе и обсуждении полученных результатов.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на XI Всесоюзном семинаре по численным методам вязкой жидкости (Свердловск, 1988); Всесоюзном совещании «Численное моделирование состава и динамики свободной атмосферы» (Суздаль, 1988); Всесоюзном совещании «Состояние и охрана воздушного бассейна курортных регионов» (Кисловодск, 1990); 8-м Беер-Шеванском международном семинаре по МГД-потокам и турбулентности (Иерусалим, Израиль, 1996); Расширенной научной рабочей группе НАТО по научным, экологическим и политическим проблемам Прикаспийского региона (Москва, 1996); 14-й Международной конференции «Радиоактивность и атмосферные аэрозоли» (Хельсинки, Финляндия, 1996); Международном симпозиуме «Технологическое и цивилизационное воздействие на окружающую среду. Ситуация на постсоветском пространстве» (Карлсруе, Германия, 1996); Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 1997); Международном симпозиуме по химии атмосферы и глобальному состоянию окружающей
среды в будущем (Нагоя, Япония; 1997); Европейской аэрозольной конференции. (Гамбург, Германия, 1997); 9-м- международном симпозиуме по акустическому зондированию атмосферы и океана (Вена, Австрия, 1998); Международной конференции «Физика атмосферного аэрозоля» (Москва, 1999); 6-й Научной конференции по Международному глобальному атмосферно-химическому проекту (IGAG) (Болонья, Италия, 1999); Международной конференции «Аэрозоли и здоровье», (Карлсруе, Германия, 2000); Второй международной-конференции памяти А. М. Обухова «Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов» (Кисловодск, 2000); 7-й Международной конференции по атмосферным наукам и их приложениям к исследованиям качества воздуха и Выставке и рабочей группе по моделированию4 качества воздуха (Тайбей, Тайвань, 2000); Первой международной рабочей группе по пыльным бурям и связанному с ними' осаждению- аэрозоля (Сеул, Республика Корея; 2002); Третьей международной конференции к 200-летию Кавказских Минеральных Вод «Состояние и- охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов» (Кисловодск, 2003); IV Международной конференции "Естественные* и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2003); Второй международной рабочей группе по минеральной пыли (Париж, Франция, 2003); Объединённой ассамблее Европейского геофизического общества, Американского геофизического общества и Европейского геофизического союза (Ницца; Франция, 2003); VIII Международной конференции по наукам об атмосфере и качеству воздуха (Цукуба, Япония, 2003); Международной конференции по загрязнению атмосферы (Дубай, 2004); Г Генеральной- ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2004); Юбилейной научно-практической конференции, посвященной 85-летию ФГУ «ПГНИИК Росздрава», (Пятигорск, 2005); Совещании-семинаре ГМЦ России «Специализированное гидрометеорологическое обеспечение туризма и отдыха: состояние и перспективы развития», (Кисловодск, 2005); Тайваньско-российском
двустороннем симпозиуме по водным и экологическим технологиям (Тайбэй, Тайвань, 2005); II Генеральной ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2005); Научной ассамблее Международной ассоциации по метеорологии и наукам об атмосфере (Пекин, Китай, 2005); Международной конференции «Погода и биосистемы» в РГГМУ (Санкт-Петербург, 2006); Международном научном конгрессе Всемирной федерации водолечения и климатолечения (Андорра, 2006); III Генеральной ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2006); Международной рабочей группе Международного научно-технического-центра «Байкал-2006» (Иркутск, 2006); Рабочей встрече Американского геофизического союза (Сан-Франциско, США, 2006); Конференциях по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине», (Москва, 2006, 2007, 2008); Международном симпозиуме по физике и химии атмосферы (Чифу, Китай, 2007); Международном научном конгрессе «60-я сессия Всемирной федерации водолечения и климатолечения» (Милано-Мариттимо, Италия, 2007); IV Генеральной ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2007); Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и сохранение природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь, 2007); Конференциях "Рациональное природопользование" (Москва, 2007, 2008); XXIV Генеральной ассамблее Международного геодезического и геофизического союза (Перужда, Италия, 2007); V Генеральной ассамблее Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2008); IV Всероссийском форуме «Здоровье нации - основа процветания России» (Москва, 2008); Международной конференции «Физика атмосферы, климат и здоровье» (Кисловодск, 2008); Втором^ Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008). Исследования проводились при поддержке проектов программы РАН «Фундаментальные науки — медицине»; программ отделения наук о Земле РАН (код ОНЗ-11; ОНЗ-12), федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по
приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (в рамках государственного контракта от 01 августа 2007 г. № 02.515.11.5081), Международного Научно-Технического Центра (код 035: 1235: 3715) и проектам Российского фонда фундаментальных исследований (коды 97-05-65611-а, 97-05-79058-к, 98-05-79109-к, 99-05-64353-а, 99-05-79006-к, 00-05-79-004-к, 03-05-64775-а, 03-05-79021-к, 04-05-08010-офи а, 04-05-08047-офи а, 04-09-79067-к, 05-05-39012-ГФЕН-а, 05-05-66800-ЫЦНИЛ-а, 05-05-66808-НЦНИЛ-а, 05-05-74687-3, 05-05-79171-э-к, 05-05-90596-ННС-а, 05-05-97232-р байкал а, 06-05-65216-а, 06-05-79100-к, 07-05-12069-офи).
Публикации. По теме диссертации опубликована 101 печатная работа, из них в рецензируемых журналах по списку ВАК 18, получен 1 патент.
Общая характеристика работы
Возмущения воздушного потока, вызванные неровностями поверхности Земли (рельефом) охватывают спектр от нескольких метров до масштабов, сопоставимых с крупномасштабными звеньями общей циркуляции атмосферы. По каждому участку воздействия спектра таких неровностей на атмосферу возникают различные экологические проблемы, физические механизмы ряда из них исследованы в представляемой диссертационной работе, как по эмпирическим данным, так и путем численного моделирования.. В диссертации рассмотрены процессы в различных слоях атмосферы - пограничном слое атмосферы, приземном и приводном слоях, в верхней части тропосферы (самолетные измерения) и верхних слоях - влияние ракет на атмосферу.
В первой главе диссертации исследовано влияние на пограничный слой атмосферы толщиной ~1 км мезомасштабных (порядка сотен километров) горных массивов. Воздействие таких горных массивов простирается выше границы планетарного пограничного слоя, поскольку сила плавучести
(вызывающая смещения, зависящие от величины параметра плавучести в атмосфере, как в стратифицированной жидкости ~1 км) может генерировать вихри, которые могут вызывать как "захваченные" волны (горизонтальные вблизи слоя инверсии), так и вертикально распространяющиеся волны, которые могут проникать даже в верхние атмосферные слои, влияя на перенос пассивной примеси. Поэтому для исследования переноса примеси в регионах с большим количеством горных массивов, необходимо учитывать негидростатический характер процесса.
Для решения задач гидродинамического обтекания воздушными потоками реального горного массива (Украинских Карпат) автором была создана модель обтекания препятствий потоком несжимаемой жидкости
Затем для моделирования задач обтекания, которые включают в себя исследование проблем переноса примеси в пограничном слое атмосферы, автором была создана модель слабосжимаемой адиабатической расслоенной жидкости с использованием потенциальной температуры в качестве вертикальной координаты, которая использовалась для решения актуальной экологической проблемы переноса примеси над горными регионами Израиля и Кипра.
Далее в диссертации рассмотрено влияние на приземный слой атмосферы небольших неоднородностей рельефа - песчаных барханов, неравномерный нагрев которых создает термические неоднородности пустынных поверхностей, приводящие к возникновению микромасштабных циркуляционных ячеек типа бриза и горно-долинного ветра, вызванных градиентами температуры на малых пространственных масштабах, и вызывает конвективные процессы, приводящие к явлениям отрыва и выноса аридного аэрозоля. Поверхность песчаной пустыни практически всегда (даже в отсутствие неоднородностей состава почвы) является термически неоднородной. Соответственно, усиление термических неоднородностей стимулирует формирование механических неоднородностей в приземном слое атмосферы и появление пылевых эмиссий.
Приповерхностный слой атмосферы (до 2 м) в аридных районах в жаркую
сухую погоду обычно характеризуется сильным вертикальным градиентом температуры (как показывают измерения в Калмыкии, его величина может превышать 10 К/см), что создает условия для преодоления частицами тонкодисперсного аэрозоля вязкого подслоя, поэтому этот фактор является одной из основных причин, способствующих эмиссии тонкодисперсного аэрозоля в атмосферу при слабом ветре и создает условия для формирования интенсивных вихревых структур, термиков и "неподвижных столбов" (вертикальных струй).
В целях изучения пространственного и временного распределения аэрозоля и малых газовых примесей в атмосфере в рамках мониторинга атмосферного воздуха над территорией России были проведены измерения пространственно-временного распределения аэрозоля с борта вагона-лаборатории.
Загрязнение атмосферы мегаполисов изучено в рамках исследования влияния региональной урбанизации на примере Москвы и Пекина на качество воздуха и экологию окружающей среды.
Исследование процессов аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы завершают измерения загрязнения атмосферы в курортном регионе Кавказских Минеральных Вод.
Далее представлены результаты исследования аэрозольного загрязнения водных поверхностей: накопления и осаждения атмосферных примесей в Байкальской котловине и сопоставления элементного состава крупных частиц в обской воде с элементным составом приземного аэрозоля. Это исследование фактически выполнено для всего обследуемого региона Западно-Сибирской низменности в целом.
Для выполнения проекта YAK-AEROSIB, проводимого по Договору о франко-немецко-российском научном объединении по изучению углеродного и озонового цикла в Евразии (GDRE+) Институтом физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН (ИФА РАИ) и другими российскими институтами, было необходимо создать технологии и методы информационного обеспечения
стратегии и тактики трансконтинентальных самолётных измерений переноса атмосферных примесей из Европы над территорией Сибири, что и было сделано в следующем разделе диссертации.
В рамках участия в Совместной российско-казахстанской программе "Оценка влияния запусков ракет-носителей (РН) с космодрома "Байконур" на окружающую среду" были выполнены экспериментальные исследования влияния РН на загрязненность атмосферы и объектов окружающей среды компонентами ракетного топлива на территориях, прилегающих к районам падения ступеней ракет, запускаемых с космодрома «Байконур».
Учеными доказано наличие тесной связи между здоровьем человека и состоянием атмосферы. Различные сочетания параметров погоды, особенно при ее резких изменениях, вызывают различные виды ответных реакций. Физиологические реакции, появляющиеся у людей в связи с неблагоприятными погодными условиями, получили название метеопатических реакций (МПР) Зачастую МПР вызываются аэрозольным и газовым загрязнениями приземной атмосферы далее в количествах ниже установленного предельно допустимого уровня загрязнения атмосферы (ПДК). Особенно выраженными подобные МПР становятся при высокой температуре воздуха (25С и выше), явлениях инверсии, малых скоростях ветра, так как при этом происходит быстрое накопление атмосферных загрязнений.
Важным способом профилактики метеотропных реакций является инициированное автором создание системы Медицинского прогноза погоды (МПП) (с учетом загрязнения атмосферы), основанного на климато-физиологических исследованиях влияния факторов внешней среды на состояние здоровья больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями и разработке способов профилактики у них метеопатии. Эти результаты представлены в четвертой главе диссертации.
Постановка задачи и описание использовавшихся моделей
Реальный поток, натекающий на горный массив, стратифицирован и по скорости, и по температуре. Горные системы, отдельные горы и даже холмы не являются абсолютно симметричными. Эти два фактора определяют необходимость рассматривать трехмерную (пространственную) задачу обтекания рельефа при отсутствии плоскости симметрии. При крупномасштабных атмосферных процессах - от нескольких сотен километров и более — сила Кориолиса нарушает симметрию. При наличии плоскости симметрии картина, естественно, должна получиться абсолютно симметричной. (Отсутствие точной симметрии на рисунках в некоторых работах свидетельствует о неточности воспроизведения поставленной задачи используемым алгоритмом [1, 2].) При наличии вертикальной плоскости симметрии потока и рельефа частица потока не может покинуть плоскость симметрии, она вынуждена переваливать через вершину горы и вследствие уравнения неразрывности притягивать соседние частицы. Поэтому критерии устойчивости для трехмерного потока при наличии плоскости симметрии и без нее должны быть разными. Отсутствие плоскости симметрии дает возможность частице обойти вершину. Следовательно, возникающие возмущения потока слева и справа от горы будут различными. Поэтому к результатам моделирования пространственного обтекания с наличием плоскости симметрии следует относиться с осторожностью, даже к качественным выводам [1, 2]. Например, число волн слева и справа от горы может быть разным, не говоря уж о параметрах волн. Основное воздействие рельефа - возникновение волн различного пространственного и временного масштабов и различной амплитуды. В зависимости от масштаба горной системы целесообразно ввести условную шкалу рельефа, соответствующую шкале метеорологических процессов.
1. Локальный рельеф - отдельная гора или котловина, сопоставимые с размером города (создающего так называемую тепловую гору).
2. Мезометеорологический рельеф (порядка 50-200 км). Его масштаб сопоставим с масштабом горно-долинной и бризовой циркуляции или чуть больше него, но меньше масштаба, на котором заметно сказывается отклоняющая сила вращения Земли.
3. Субсиноптический (порядка 150-600 км), где сила Кориолиса на временных масштабах более 6 часов должна учитываться наряду с воздействием орографических особенностей. Характерными примерами могут служить рельефы Кольского и Крымского полуостровов.
4. Синоптический (500-2000 км). Это масштаб движущихся барических систем - циклонов, ложбин, гребней, антициклонов. Основные горные системы Европы относятся именно к этому масштабу: Карпаты, Урал, Кавказ, Альпы и др.
5. Наиболее крупные горные системы Земли, сравнимые с квазистационарными центрами действия атмосферы - климатическими образованиями. Это Гималаи и Тибетское плато в Азии, Скалистые горы и Кордильеры в Америке.
В идеале пространственная модель обтекания реального рельефа должна воспроизвести волновые структуры и особенности, возникающие в потоке, всех перечисленных масштабов. Однако по очевидным соображениям этого нельзя добиться даже с помощью суперкомпьютеров, и поэтому приходиться ограничиваться моделированием процессов одного-двух масштабов и лишь в отдельных случаях при определенных процессах выделять подобласть, где необходимо получить более детальную картину течения. (Например, как это делается в современных прогностических схемах, когда в полях облачности, ветра, обнаруживается тайфун.)
Наряду с квазирегулярными и уединенными волнами в потоке могут возникать особенности, обусловленные характеристиками самого потока и рельефа. Можно назвать три основных вида особенностей.
I. Резонансные явления. Они проявляются в увеличении амплитуды
возмущения либо по мере распространения возмущения в потоке (вдоль потока или при распространении по вертикали), либо при генерации серии возмущений (амплитуда каждого последующего возмущения увеличивается), либо при росте амплитуды со временем. Резонансные явления могут возникать во всех масштабах и во многих случаях. Для их описания, во всяком случае качественного, обычно достаточно использовать линейные модели. Орография может служить причиной формирования блокингов -систематически формирующихся устойчивых, практически неподвижных в течение недель, а то и месяцев, высоких теплых антициклонов. II. Явление обрушения, наблюдающееся в природе, например бора. Обрушение сопровождается резким усилением ветра, а в холодное время года, при "сваливании" холодного воздуха на теплую влажную подстилающую поверхность, - мощным обледенением. Бора в районе Новороссийска наблюдается главным образом в холодное полугодие после холодного вторжения через Маркотхский перевал. Обрушение - в основном локального или мезометеорологического масштаба. Трудности моделирования обрушения, не говоря о термодинамических эффектах, связаны с адекватным представлением таких нелинейных взаимодействий в потоке, которые приводят, в частности, к появлению многозначного решения - к возникновению спиралеобразных структур. Хотя обрушение - явление масштаба меньше субсиноптического, но условия его формирования определяются синоптическими процессами. Так бора проявляется при интенсивном холодном вторжении с плоской горы на море с четкой фронтальной инверсией на высоте нескольких сотен метров над горой при наличии области пониженного давления над морем, которая "...как бы всасывает холодный воздух..." [3]. Явление обрушения в атмосфере существенно отличается от обрушения чисто гидродинамического типа двумя особенностями: - в потоке несжимаемой жидкости, плотность которой существенно больше плотности внешней среды, есть свободная поверхность. В атмосфере же фронтальная поверхность разделяет воздушные массы, плотность которых различается в экстремальных случаях на несколько процентов. В случае возникновения больших сдвигов скорости между фронтом и завихрением может возникнуть самостоятельная вторичная циркуляция;
- "сваливающийся" и закручивающийся холодный воздух вытесняет находившийся у подошвы горы воздух не только вдоль потока, но и в стороны, что приводит к необходимости обязательно моделировать трехмерную структуру потока с учетом взаимодействий синоптического (фронт) и локального (горы) масштабов.
Случаи противоположного процесса - натекания воздуха с моря на практически отвесную скалу - менее изучены, так как обычно не сопровождаются катастрофическими последствиями (процессы натекания интенсивно изучаются океанологами). Однако названные трудности моделирования "сваливания" остаются и при моделировании "натекания". В настоящее время известны первые успешные попытки численного моделирования обрушения или натекания в двухмерном потоке [4].
III. Области застоя и (или) вторичных течений. Вблизи крутых склонов, как с наветренной, так и с подветренной стороны могут возникать либо застойные зоны, т. е. практически области безветрия, либо области замкнутой циркуляции (рис. 1). Это отчетливо получается при лабораторном моделировании двухмерного потока [5] (см. рис. 1).
Физико-географическая характеристика опустынивающихся регионов Приаралья и Калмыкии
Исследование аэрозольного загрязнения атмосферы тесно связано с задачей идентификации источников аэрозоля. Пустынные и полупустынные территории являются важным источником аэрозоля, который поступает в атмосферу во время пыльных бурь и, как будет показано дальше, также в сухую жаркую погоду в отсутствие сильного ветра.
В течение 1991-2007 гг. проведены комплексные экспедиции на опустынивающихся территориях Калмыкии и Приаралья, где процессы геохимической миграции элементов были изучены в недостаточной степени. Получены новые материалы, позволяющие охарактеризовать современную подстилающую поверхность с точки зрения солепылевыноса, сравнить процессы выноса аэрозоля в Приаралье и Калмыкии с другими опустынивающимися регионами.
Почвы пустынных и полупустынных ландшафтов, в силу специфичности своего генезиса и комплекса природно-климатических условий, могут быть важным источником поступления тонкодисперсных пылеватых частиц в атмосферу. Насыщение атмосферы тонкодисперсным аэрозолем происходит, как правило, в результате развития дефляционных явлений, суховеев и пыльных бурь, вихревых приземных потоков, возникающих на границе раздела двух сред — почвы и атмосферы. Данному обстоятельству способствует ряд объективных факторов: высокая температура нагревания подстилающей поверхности при малом количестве выпадающих осадков, слаборазвитая или разреженная растительность пустынных почв, высокая степень засоления почвенного покрова.
Тонко- и среднедисперсные частицы (0,002-0,1 и 0,1-10 мкм соответственно), поднимающиеся с поверхности пустынных почв в результате диффузионно-конвективных процессов, оказывают существенное влияние на важнейшие климатообразующие процессы в атмосфере, направленность и интенсивность протекания в ней ряда химических процессов, а также общую эпидемиологическую ситуацию в регионе в целом [59, 60].
Частицы мелких размеров ( 1 мкм), накапливаясь в глубоких отделах легкого человека, способны вызывать возникновение ряда онкологических и других заболеваний [59, 60]. Увеличение содержания в атмосфере тонких фракций пыли на каждые 10 мкг/м повышает смертность среди местного населения до 1%. Данное обстоятельство может быть связано отчасти и с тем, что под действием УФ-излучения на поверхности пылеватых частиц в атмосфере протекают различные фотохимические процессы, приводящие к образованию экологически неблагоприятных и токсичных соединений. Возможно именно в этой связи на территории Калмыкии, несмотря на весьма низкий уровень загрязнения атмосферы выбросами промышленных предприятий, у коренного населения наблюдается относительно высокий уровень роста опасных для жизни заболеваний [61].
Динамика опустынивания ландшафтов Приаралья
Осушение Аральского моря привело к возникновению новой пустынной территории, котрая является очагом выноса пылесолевых частиц в атмосферу. Процессы геохимической миграции элементов этой новейшей пустыни в настоящее время изучены в недостаточной степени. В 1990-х годах проводились комплексные экспедиции на всей территории Приаралья. Материалы этих исследований позволяют:
1) рассмотреть направления миграции элементов в формирующихся геохимических ландшафтах осушенного дна, дельт Сырдарьи и Амударьи;
2) определить биогеохимическую дифференциацию элементов и влияние растительного покрова на образование аэрозолей;
3) оценить эти ландшафты с точки зрения атмосферного солепылевыноса с учетом факторов пыления с использованием элементов-индикаторов;
4) провести типизацию наземных ландшафтов по их способности к образованию аэрозолей;
5) сделать сравнительный анализ процессов выноса аэрозоля в Приаралье с другими опустыненными регионами.
(Под термином Приаралье понимается Аральское море и прилегающая к нему суша на расстоянии 300-400 км от моря.)
Климат Приаралья резко континентальный с большим меридиональным градиентом температуры зимой и очень малым летом. Средняя температура в январе на севере моря, у Аральска, -13С; на юге, у Муйнака, -7С, что составляет почти 2 градуса на 100 км. В июле в обоих пунктах средняя температура 26С. Абсолютный минимум температур близ моря составляет от — 33 до -37С, абсолютный максимум от 41 до 44С. Число ясных дней в году примерно 260. Продолжительность положительного радиационного баланса более 10 месяцев. Сухость климата, особенно в теплое полугодие, проявляется низкой относительной влажностью даже на прибрежных станциях и очень малым количеством осадков. Так, например, по Каракалпакстану максимум осадков за год составил 230 мм; минимум - 60 мм. При этом среднегодовое количество осадков в Аральске 125 мм, в Муйнаке 105 мм. Как правило, осадки выпадают при холодных северных и северо-западных вторжениях в зимнее время. Беспрепятственное прохождение холодных и теплых фронтов по Аралу обусловлено отсутствием горных систем. Несмотря на сравнительную однородность рельефа, режим ветра достаточно разнообразен как во времени, так и в пространстве. В определенной мере это обусловлено особенностью синоптических процессов [62].
Почти четверть года Аральское море и восточная часть Арала находятся под воздействием южной части гребня или отрога Сибирского антициклона. Это определяет доминирующие во времени ветры СВ направлений, в основном не очень сильных, 3-5 м/с в приземном слое. Но их большая продолжительность определяет перенос субмикронных фракций на юго-западную часть Арала и дальше [62-66]. При резкой перестройке барического поля ветры СВ румбов усиливаются и нередко возникают пыльные бури [63]. Наблюдающиеся иногда прорывы южных циклонов (Южно-Каспийских и Мургабских) обуславливают кратковременный, но интенсивный перенос загрязняющих веществ далеко на север, за Орск и Оренбург.
Считается, что основную роль в усыхании Аральского моря сыграло нерациональное изъятие на хозяйственные нужды стока двух рек, питающих море: Амударьи и Сырдарьи. Существенный вклад принадлежит и климатической составляющей. В 1980-е годы Амударья и Сырдарья были сравнительно маловодны из-за возросшего забора вод на орошение. Поэтому испарение намного превышало возможный приток.
Уменьшение объема моря с 1080 км в 1957 г. до 377 км в 1989 г. (т.е. почти в 3 раза) привело к повышению солености почти в 2,5 раза: с 11 до 26 промилле, что в свою очередь отразилось на биоте. По мере усыхания солоноватого водоема толщина соленой корки увеличивается, что сказывается на структурных характеристиках почвы. Увеличение площади выдувания пылесолевых частиц влечет за собой увеличение общего содержания загрязняющих веществ в атмосфере, особенно при пыльных бурях. По различным оценкам для поддержания современного состояния Аральского моря необходимо поддерживать сток рек на уровне 22-30 км3 в год.
Исследование влияния региональной урбанизации на качество воздуха и экологию окружающей среды
В ходе исследований проведены экспериментальные работы по измерению параметров аэрозолей в г. Москве и г. Пекине. Определялись массовая и счетная концентрации аэрозолей и функция распределения частиц по размерам, а также проводился отбор проб на химический анализ. В данном разделе диссертации приведены данные по счетной и массовой концентрациям и функции распределения частиц по размерам для наиболее характерных дней. Данные по массовой концентрации приведены также в виде кривых РМ10, РМ2,5, РМ1,0 [146, 147], которые можно использовать для оценки влияния аэрозолей на здоровье человека.
Основной вклад в наблюдаемые уровни содержания в атмосфере мелких взвешенных частиц диаметром менее 10 мкм (РМ10) вносит автотранспорт (истирание дорожного полотна), цементная пыль и крупномасштабный атмосферный перенос (обуславливает фоновые значения на уровне 15-40 мкг/м ) [148-150]. Взвешенные частицы сами по себе и в комбинации с другими загрязнителями, в том числе газообразными, представляют очень серьезную угрозу для здоровья человека. Частицы размером менее 10 мкм составляют 40—70% всех взвешенных частиц и являются наиболее опасными для здоровья людей, они способны проникать глубоко в легкие и накапливаться, а частицы размером менее 1 мкм проникают сквозь стенки мембран и могут накапливаться на стенках кровеносных сосудов и в других органах человека.
Содержание РМ10 на уровне менее чем 100 мкг/м , выраженные в виде ежедневной осредненной концентрации РМ10, оказывают свое влияние на показатели смертности, статистику возникновения респираторных и сердечнососудистых заболеваний, а также на другие показатели состояния здоровья [151]. Именно по этой причине в пересмотренном варианте критериев качества атмосферного воздуха, рекомендованных ВОЗ для стран Европы, не устанавливается рекомендуемый критерий по краткосрочным осредненным концентрациям. Любые концентрации РМ10 в атмосферном воздухе считаются вредными для здоровья.
Мониторинг РМ10 в Москве был организован с 2004 г. Среднегодовая концентрация мелких взвешенных частиц с диаметром до 10 мкм в среднем по городу составила 34 мкг/м . Предельно допустимая концентрация на взвешенные вещества мелких размеров в России не установлена (ПДК на общее количество взвешенных частиц в атмосфере в России составляет 50 мкг/м3 среднее за сутки). Действующие нормативы ЕС для РМ10 составляют 40 мкг/м3. На измерительных приборах, находящихся под непосредственным воздействием автотранспорта, среднегодовые концентрации РМ10 составили 39-46 мкг/м , что находится на границе или превышает нормативы, установленные в ЕС. На территориях, удаленных от источников загрязнения, -27-38 мкг/м3. В периоды действия дополнительных источников выбросов взвешенных веществ, таких как лесные пожары в Московской области, крупные пожары на объектах города Москвы, аварийные выбросы промышленных предприятий, содержание РМ10 на отдельных городских территориях существенно превышало нормативы ЕС и составляло более 50 мкг/м3. На рис. 26 [147] показан ход изменения концентрации частиц диаметром менее 10 мкм (РМ10), частиц диаметром менее 2,5 мкм (РМ2,5) и частиц диаметром менее 1 мкм (РМ1) во время измерений на трассе большого кольца Московской железной дороги 05.10.2006 г. Анализ экспериментальных данных показал, что антропогенное воздействие города проявляется лишь для 20-30% реализаций суточных измерений.
Для обработки данных экспериментальных исследований необходимо проводить химический анализ аэрозольных частиц, так как, кроме непосредственного вреда, они могут сорбировать на поверхности более вредные вещества, и способствовать их накапливанию в организме человека. В этом разделе приведены результаты элементного анализа проб аэрозольных частиц с целью проведения корреляционного анализа между размером частиц и их элементным составом, что может дать представление об элементном составе частиц определенного размера (см. табл. Б1а,б приложения Б1). Эти данные могут быть полезны с точки зрения оценки накопления тех или иных элементов в организме человека и их влияния на здоровье.
Загрязнение атмосферы как фактор биотропности погоды
Высокую чувствительность к погодным и космическим факторам людей, особенно обремененных недугами, исследователи отмечали в различные времена [210-217]. В условиях глобального изменения климата, которое сопровождается частой и резкой перестройкой атмосферных процессов, тепловыми аномалиями, засухами, изменения окружающей среды воздействуют на человека через метеорологические и гелиогеофизические факторы, приводя к неблагоприятным последствиям для здоровья [218-229].
Для климата России характерна контрастная смена погодного режима с резкими переходами от одних неблагоприятных климатических условий к другим дважды в году - зимой и летом. Эти контрастные переходы способствуют ухудшению состояния здоровья лиц с неустойчивой метеоадаптацией (чаще всего страдающих сердечно-сосудистыми, респираторными и другими заболеваниями). При этом последствия изменения климата для здоровья населения различны для жителей разных регионов России, для сельчан и горожан, для различных возрастных групп [230—236].
В больших городах основными причинами смертельных исходов в жаркие дни становятся ишемическая болезнь сердца, диабет, заболевания органов дыхания, несчастные случаи, суициды и убийства, а причинами госпитализации - заболевания сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, почек, нервной системы, эпилепсия [237]. В зимнее время в средней полосе и на севере России в последние годы на физическое и ментальное здоровье дополнительное негативное воздействие оказывают продолжительные периоды аномально теплой и пасмурной погоды, как, например, зимой 2006-2007 гг. [238-242].
В связи с этим чрезвычайно важным становится решение задач, связанных с оценкой влияния климатических и метеорологических вариаций различного пространственно-временного масштаба на состояние здоровья больных с заболеваниями сердечно-сосудистой системы, у которых доля метеозависимых людей возрастает до 60-90% [243-247].
Изменения погодных условий в атмосфере связано, прежде всего, с перемещением крупных воздушных масс от мест их зарождения (обычно это полюса или экватор) в другие широты. Воздушная масса, поступающая на новые территории, резко отличается от воздуха, который попадается ей на пути [248]. Когда встречаются две разные воздушные массы, линия их раздела образует острый угол с поверхностью Земли. Метеорологи называют эту линию раздела на поверхности Земли атмосферным фронтом. Когда одна воздушная масса вытесняет другую, говорят о «прохождении атмосферного фронта» [249— 253]. В период прохождения атмосферного фронта отмечаются наиболее резкие изменения всего погодного комплекса (температуры, давления, влажности воздуха) часто сопровождающиеся обильными осадками, сильными ветрами. При резко выраженных противодействующих воздушных массах могут возникать опасные и особо опасные атмосферные явления, обладающие высокой разрушительной силой: ураганы, смерчи, торнадо.
Резкие изменения погоды, участившиеся вследствие глобального потепления вызывают метеопатические реакции (МПР). При изменении атмосферных параметров выше или ниже определённых пределов могут возникать стрессовые ситуации или катастрофы (чрезмерная жара -температура воздуха выше +40С, чрезмерный холод — температура воздуха ниже -40С, ураганы, атмосферные вихри, крупный град, высокие перепады давления воздуха и др.) [254].
У больных людей приспособительные возможности к воздействию атмосферных процессов ослаблены, поэтому порог их чувствительности к этим воздействиям снижен.
Исследуя чувствительность человека к изменению температуры воздуха при переменах погоды, врачи установили, что терморецепторы кожи человека ощущают отклонение температуры воздуха от климатической нормы на 8С и более градусов, а порогом чувствительности на внутрисуточную амплитуду температуры воздуха следует признать 12С и выше [255].
Барорецепторы человека, ответственные за приспособляемость организма к изменениям давления атмосферы, четко реагируют даже на кратковременное изменение давления воздуха, порог этой чувствительности составляет 8-12 гПа за 12 часов. Но, если здоровый человек такую перемену давления переносит вполне благополучно, то у человека с нарушениями функций сердечнососудистой системы, подобные изменения давления воздуха, особенно в сочетании с резкой переменой других факторов погоды, могут негативно отразиться на состоянии здоровья.
МПР носят, как правило, временный (преходящий) характер и проявляются возникновением различных патологических реакций или симптомокомплексов, к которым относят церебральные (с явлениями раздражительности, возбуждения, бессонницы, головными болями, тахикардией, одышкой, иногда депрессией, чувством страха), ревматоидные (с артралгиями, миальгиями, невралгиями), катаральные и др. [256-259].
До 60% сердечно-сосудистых катастроф у людей вызваны изменением погодных условий [260, 261]. Крайне неблагоприятны погодные условия, в которых отмечается одновременное резкое понижение атмосферного давления (на 12 гПа и более), повышение влажности (увеличение парциального давления водяного пара на 18 гПа и более) и температуры воздуха (на 12С и выше), приводящие к резкому снижению содержания кислорода. При таких условиях у людей довольно часто возникают реакции гипоксического типа, проявляющиеся слабостью, сонливостью, ощущением недостатка воздуха, одышкой, болями ишемического характера [262, 263].
У больных гипертонической болезнью повышение артериального давления иногда связаны с резким повышением атмосферного давления в сочетании с резким снижением температуры воздуха и увеличением влажности воздуха. С увеличением высоты местности над уровнем моря (низкогорье, среднегорье, высокогорье), сопровождающейся постоянным присутствием природной гипоксии и гипобарии, биотропная чувствительность человека к воздействию погодных факторов возрастает. МГТР могут возникать при более низких, чем на уровне моря, изменениях метеорологических величин (давления воздуха, содержания кислорода, изменения электрического поля атмосферы, аэрозольного загрязнения атмосферы и др.). Этот «фактор риска» следует принимать во внимание в период пребывания в горной местности людям, имеющим физиологические расстройства в системе дыхания и кровообращения [264].
