Содержание к диссертации
Введение
1 Концепция формирования информационной среды биометеорологических исследований
1.1 Биоинформационные связи гелиогеофизических явлений внешней среды в системе «Погода-Человек» 18
1.1.1 Состояние изученности проблемы влияния гелиогеофизических факторов на организм человека 18
1.1.2 Междисциплинарность биометеорологических исследований 38
1.1.3 Международное сотрудничество 50
1.2 Организация единой информационной среды для решения задач прикладной климатологии 57
1.2.1 Обоснование создания единой информационной среды 57
1.2.2 Информационные ресурсы гидрометеорологической, геофизической информации и данных о загрязнении окружающей природной среды 64
2 Разработка методики комплексной оценки комфортности климата и погоды 70
2.1 Методы комплексной оценки воздействия погодных факторов на организм человека 72
2.2 Методика экспертной оценки и отбора информативных комплексных биометеорологических показателей 101
2.2.1 Выбор оптимальных комплексных показателей для оценки степени благоприятности и биотропности погоды 101
2.2.2 Разработка автоматизированного программного комплекса «ВіоМ» для расчета, обработки и анализа биометеорологической информации 107
3 Комплексная оценка биотропности климата и погоды для городов Северо-Западного региона РФ 114
3.1 Комплексная оценка биоклимата отдельных городов Северо-Западного региона 114
3.2 Оценка изменчивости погоды Санкт-Петербурга (биометеорологический мониторинг) за период с 1997 по 2007 гг. 126
4 Методологические подходы к оценке биометеорологической информации в системе «Погода и здоровье населения» 137
4.1 Комплексные исследования влияния погодных факторов на заболеваемость (сердечно-сосудистую патологию) населения некоторых городов России 137
4.2 Информационные технологии и методы оценки гелиометеочувствительности человека 143
4.3 Интерактивные обучающие модули для изучения влияния климата и погоды на здоровье человека 150
Заключение 153
Список использованных источников 156
Приложения 187
- Состояние изученности проблемы влияния гелиогеофизических факторов на организм человека
- Выбор оптимальных комплексных показателей для оценки степени благоприятности и биотропности погоды
- Оценка изменчивости погоды Санкт-Петербурга (биометеорологический мониторинг) за период с 1997 по 2007 гг.
- Интерактивные обучающие модули для изучения влияния климата и погоды на здоровье человека
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Погода и климат являются основными составляющими среды обитания и оказывают комплексное влияние на состояние здоровья человека. Процессы его адаптации к различным климатическим условиям зависят и от биоклиматических особенностей регионов проживания человека и от состояния его здоровья. По заключению Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) в результате изменения климата в будущем на планете ожидается дальнейшее увеличение частоты и интенсивности наводнений, засух и других погодных и климатических экстремальных явлений, в частности, «волн тепла», которые могут оказать неблагоприятное воздействие на организм человека.
Актуальность проблемы исследований определяется как одно из важнейших направлений ряда программ международных организаций (ООН, ВМО, ВОЗ, ЮНЕСКО, ВБО, ЮНЕП, МГЭИК и др.) - создание долгосрочных совместных программ междисциплинарных исследований для предотвращения неблагоприятного влияния изменений погоды и климата на здоровье человека. В 2009 году принята Климатическая доктрина России, в которой отмечается, что «изменение климата является одной из важнейших международных проблем XXI века, которая выходит за рамки научной проблемы и представляет собой комплексную междисциплинарную проблему, охватывающую экологические, экономические и социальные аспекты устойчивого развития Российской Федерации». В Стратегии развития Гидрометслужбы до 2030 года ставится задача широкой информатизации и реализации ряда актуальных научно-исследовательских программ, в т.ч. изучение адаптации населения к климатическим изменениям. Планируется создать Национальный климатический центр, в который будут входить институты самого различного профиля.
Решение комплексной междисциплинарной проблемы выявления причинно-следственных связей между состоянием (качеством) окружающей среды и здоровьем населения является одной из ведущих среди социальных задач, и становится вызовом XXI века. Особенно актуальными являются вопросы адаптации населения к прогнозируемому изменению (потеплению) климата и к ухудшению экологической обстановки.
Очевидно, что общее число факторов, в той или иной степени влияющих на здоровье человека настолько велико, что поставить и решить задачу объективной комплексной оценки влияния погоды на здоровье человека (биотропности погоды) имеет большое научно-практическое значение. Для достижения этой масштабной цели было необходимо создать методологию научного исследования, включающего обобщение и развитие известных, и разработку новых методов на основе информационных технологий.
Исследования, проведенные в 1979-1990 годах в рамках государственных фундаментальных программ СО РАН СССР, «Адаптация», «Глобэкс», «Солнце-климат-человек», показали высокую значимость для здоровья человека сочетанного воздействия космических, метеорологических, геомаг-
нитных и гравитационных возмущений, а также необходимость учета гелио-импритинга для понимания механизма, и прогнозирования возможных ге-лиометеотропных реакций (ГМТР).
Результаты работы научных исследований двух последних десятилетий свидетельствуют о возрастающей индивидуальной чувствительности человеческого сообщества к изменениям солнечной активности, атмосферной циркуляции, геомагнитной активности и другим факторам космической и земной погоды. Эта проблема разрабатывалась и формировалась известными отечественными учеными, такими как: акад. Агаджанян А.Н. с соавт., Андронова Т.И. с соавт., Борисенков Е.П. с соавт., Бреус Т.К., Владимирский Б.М., Головина Е.Г. с соавт., Григорьев К.И. с соавт., Гранберг И.Г. с соавт., Гурфин-кель Ю.И., Ефименко Н.В., Жирков A.M. с соавт., акад. Казначеев В.П., По-волоцкая Н. П. с соавт, Рагульская М.В., Ревич Б.А., Сороко СИ., Трофимов А.В., Трошин В.Д., Хаснулин В.И., Хайруллин К.Ш., Шеповальников В.Н., Уянаева А.И., Ягодинский В.Н. и многие др.
Однако, целый ряд фундаментальных исследований по оценке влияния погоды и климата на организм здорового и больного человека, к сожалению, пока является незавершенным, и пока нет единого мнения как в оценке «био-тропных» факторов, имеющих избирательное значение для организма человека, а так и глубокого понимания механизмов этого воздействия. Значительная часть исследований является локальными, и требует создания комплексных унифицированных методов и технологий исследований на основе сотрудничества специалистов: климатологов, биометеорологов, геофизиков, биофизиков, медико-географов, курортологов, экологов и др.
Цель и задачи исследования. Цель исследования состоит в создании методологии комплексной оценки влияния климата и погоды на организм человека на основе многофакторного подхода и выбора оптимальных информационных методов экспресс-оценки комфортности /дискомфортности погоды и индивидуальной гелиометеочувствительности человека. Основные задачи исследования:
Обобщить результаты исследований по проблеме влияния климата и погоды на организм человека и сформировать базы знаний, включающих основные методические решения.
Выполнить контент-анализ информационных ресурсов по гелиогео-физической, экологической и медицинской тематике для оценки доступности, достоверности и достаточности информационной базы в регионах северо-запада.
Выбрать репрезентативный биоклиматический индекс/показатель (БМП) для использования предиктором в биоклиматических исследованиях и на основе информационных технологий, провести биоклиматическое районирование территорий Северо-западного региона.
Создать методику для биоклиматической типизации погоды и автоматизированный программный комплекс для проведения расчетов.
Предложить технологию экспресс-оценки индивидуальной гелиометеочувствительности организма человека и наблюдений за погодой в рамках
единой информационной системы и применении информационно-коммуникационных технологий.
Методология и методы исследования. Методология настоящего исследования базируется на использовании основных принципов и методов, применяемых в прикладной климатологии, биометеорологии, курортологии и медицинской географии и скрининговых исследованиях в медицине. Автором была проведена классификация и ранжирование комплексных биометеорологических показателей (БМП), включающих основные метеорологические параметры, и использующихся в отечественной и зарубежной практике. Разработана методика оценки мнений экспертов на основе метода факторного анализа, на основе которой были отобраны оптимальные БМП. В качестве автоматизированной реализации данной методики разработан программный модуль «ВіоМ» для создания баз данных комплексных показателей и проведения биоклиматической типизации погоды.
Для биоклиматической оценки в работе использовался показатель А. Миссенарда (ЕТ), характеризующий тепловую чувствительность организма (уровень дискомфорта) к погоде и климату, имеющий 6-ти градусные ступени изменения теплового состояния. Для комплексной оценки использовались данные климатических (Кобышева Н.В. с соавт.) и биоклиматических ресурсов (Хайруллин К. Ш. и Карпенко В.Н.), оценка биоклиматического потенциала отдельных городов ЕТР проведена по методике Н.П. Поволоцкой.
Для оценки влияния погодных факторов на организм человека использовался «коэффициент биотропности» (Гурфинкель Ю.И.) и биогелиометео-граммы. Технологии оценки индивидуальной ГМТР включали субъективную оценку (данные гемодинамики, тестов и опросников) и скрининговые исследования с использованием аппаратно-программных средств АПК «ОМЕГА-М», программных комплексов «BIOW» и «Скринмед» (Хаснулин В.П.).
Обоснованность и достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается применением методов системного и комплексного анализа, корректной постановкой задачи, качеством климатической и метеорологической информации и объемом экспериментальных данных, привлеченных для исследования, методиками, разработанными автором, сравнением нескольких методов оценки биоклимата, применением математического аппарата и современных технологий обработки данных.
Информационная база исследования. Исходными фактическими материалами для создания баз данных комплексных биометеорологических показателей и биоклиматической типизации погоды послужили климатические и многолетние метеорологические данные, достоверность которых обеспечивалась методами контроля, используемого в Гидрометслужбе. Для проведения комплексной оценки были подготовлены электронные многофакторные архивы солнечной и геомагнитной активности, синоптической и медико-экологической информации.
Научная новизна работы. Впервые ставится инновационная задача формирования единой информационной среды (ЕИС) для решения междисциплинарных задач: прикладной климатологии, медицинской метеорологии,
климатопатологии, биометеорологии и биоклиматологии, а также для рекреационной, медицинской и биогеографии, курортологии, геоэкологии, экологии человека и других смежных наук. Для формирования ЕИС впервые выполнено и апробировано следующее:
предложена концепция биометеорологической информационной системы (БИС) и разработана рабочая схема и алгоритм;
проведено ранжирование БМП и разработана методика экспертной оценки для выбора наиболее оптимальных комплексных показателей оценки комфортности погоды;
разработан автоматизированный комплекс расчета, обработки и анализа биометеорологической информации;
— предложена методика и информационная технология экспресс-
оценки индивидуальной гелиометеочувствительности человека.
— показаны пути усовершенствование схемы организации биометеоро
логического мониторинга, проведена интегрированная оценка биоклимата
отдельных городов Северо-запада с новых методических позиций, выявлена
изменчивость погоды Санкт-Петербурга за период с 1997 по 2007 гг.
Теоретическое значение диссертационного исследования заключается в разработке концепции методологии биометеорологической информационной системы, на основе формирования единой информационной среды, включающей базы данных и базы знаний, электронные библиотечные ресурсы, электронные справочники, программные модули, дистанционные обучающие программы и др. Методику экспертной оценки можно применить для изучения и отбора других оптимальных показателей, например в медицинской географии или экологии.
Реализация БИС и возможность получения многофакторной информации в режиме реального времени, представление биометеорологической информации в виде WEB-карт, в том числе и для медицинских прогнозов погоды в глобальную сеть Интернет, даст возможность интеграции международных междисциплинарных исследований в области прикладной климатологии, биометеорологии, курортологии и других смежных областей знаний.
Практическая значимость работы. Выполненный биоклиматический анализ и районирование (на основе биоклиматической типизации погоды) территории Северо-западного региона позволяет обосновать рекомендации по размещению населенных пунктов, производства или рекреации с учетом возможных сценариев изменения климата. Результаты оценки биоклимата и биометеорологического мониторинга могут быть использованы для подготовки медико-географических и биометеорологических атласов территорий. Предложенная комплексная оценка биоклиматического режима городов может стать информационным обоснованием для демографических программ. Результаты исследования, уточнение биоклиматической типизации погоды и внедрение в практику автоматизированного программного комплекса позволит усовершенствовать специализированный прогноз погоды для медицинских целей.
Методическое решение расчета комплексных БМП реализовано в ходе выполнения проекта «Экологические и метеорологические аспекты здоровья человека» (ФЦП «Интеграция», 2001 г.). Разработка АПК «BioM» успешно используется в оперативной работе биоклиматических станций в г. Кисловодске (кардиологическая клиника им. В.И. Ленина) и г. Сестрорецке (санаторий «Сестрорецкий курорт»). Методика экспресс - оценки индивидуальной гелиометеочувствительности организма человека использовалась для оценки влияния экстремальных факторов на функциональное здоровье человека в проекте «Фундаментальные науки - Медицине» (Атмосфера и здоровье).
Методические подходы к оценке биотропности погоды опубликованы в монографиях (С.С. Андреев, Ю.П. Переведенцев, Л.А. Хандожко), в Руководстве по специализированному климатологическому обслуживанию экономики (под. ред. Н.В. Кобышевой) и применены в ряде диссертационных работ (С.С. Андреев, А. Гарабатыров, А.Р. Иошпе, Г.С. Сергеева). Результаты формирования единой информационной среды, успешно используются в РГГМУ в учебном процессе в курсе «Экология человека» и «Медицинская география», а также при подготовке бакалаврских, дипломных, магистерских и диссертационных работ, также они могут быть внедрены в других учебных заведениях.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Концепция формирования информационной среды для прикладных задач климатологии, на основе доступной гелиофизической, гидрометеорологической, экологической, медицинской и социально-демографической информации с применением достижений современных информационных технологий.
Классификация и ранжирование БМП по категориям включения гидрометеорологических параметров и методика экспертной оценки и отбора информативных БМП.
Методика комплексной оценки биоклимата городов Северо-западного региона и анализ вариаций пространственно-временной изменчивости биометеорологического режима Санкт-Петербурга на основе оптимальных показателей, характеризующих степень благоприятности климата, и применении современных информационных технологий.
Результаты оценки биоклимата городов Северо-западного региона, включающие районирование территорий и анализ вариаций пространственно-временной изменчивости биометеорологического режима.
Информационные технологии и методы экспресс - оценки индивидуальной гелиометеочувствительности организма человека.
Создание и реализация обучающих медиа-проектов по тематике прикладной климатологии на основе WEB-технологий.
Личный вклад в решение проблемы. Автору принадлежит идея и разработка концепции формирования единой информационной среды для организации исследований по оценке влияния климата и погоды на организм человека, разработка и алгоритмизация структуры биометеорологической информационной системы. Автор самостоятельно провел контент-анализ
библиографических источников, ранжирование БМП, разработку анкеты, организацию экспертного опроса по отбору оптимальных БМП, подготовку методики экспертных оценок. Автором выполнена постановка задачи организации и проведения комплексной оценки биоклимата городов. Автор предложил усовершенствованную схему биометеорологического мониторинга и провел все экспериментальные работы. Автор принимал участие в формировании архивов многопараметрических данных, подготовке, отборе и анализе экспериментального материала, в разработке методики АПК «ВіоМ» для создания баз данных и анализа биометеорологической информации. Автор проводил изучение и отбор информационных технологий и методов индивидуальной гелиометеочувствительности организма. Автору принадлежит создание сценариев подготовки контента для обучающих модулей и программная реализация медиа-проектов на основе WEB-технологий.
Апробация результатов работы. Основные материалы и результаты исследований, изложенные в диссертации, докладьшались и обсуждались на Итоговых сессиях Ученого совета РГГМУ (1997-2010 гг.), заседаниях Русского географического общества (1998-2010 гг.), а также на Международных форумах, конгрессах и конференциях как в России (Астрахань, Калуга, Кисловодск, Москва, Пермь, Санкт-Петербург и др.), так и за рубежом (Америка, Германия, Израиль, Польша, Япония). Результаты диссертационной работы включены в итоговые отчеты по НИР проекта «Экологические и метеорологические аспекты здоровья человека» и Web - проекта «Погода и человек». Обучающие медиа-проекты были выполнены при грантовой поддержке Министерства высшего образования и науки РФ, ФЦП «Интеграция», Комитета по природопользованию и окружающей среде Администрации Санкт-Петербурга, научного центра штата Джоржия (США).
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 100 работ, в т. ч. в журналах, рекомендованных ВАК (8 публикаций), в Бюллетене Всемирной Метеорологической организации, в журналах «Метеоспектр» Росгидромета (3 публикации), а также в Аналитическом вестнике Совета Федерации РФ и в материалах российских и международных научных мероприятий (форумах, конгрессах, конференциях, семинарах и др.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографии из 265 наименований. Общий объем работы составляет 155 страниц основного текста, включая 20 рисунков, 25 таблиц и приложения на 23 страницах.
Состояние изученности проблемы влияния гелиогеофизических факторов на организм человека
Проблема солнечно-земных связей является весьма актуальной и привлекает исследователей разных областей знаний: в XXI веке активно происходит процесс синтеза наук в этом научном направлении. Как показывает исторический опыт, такая ситуация чрезвычайно благоприятна не только для развития самих междисциплинарных наук, но и для появления принципиально новых открытий! И! областей знания. В конце 90-х годовXX века было выделено отдельное научное направление «космическая погода». Это»относительно молодая область науки, изучающая солнечную деятельность и её влияние на Землю [32, 33, 34, 35]. Ученые, работающие в этой области, пытаются прогнозировать солнечные вспышки и- корональные выбросы, солнечный ветер и геомагнитные бури и др.- явления, связанные с воздействием Космоса. Проблемы проведения междисциплинарных исследований
В знаниях древних цивилизаций нашей планеты значительное место занимало восприятие нашей планеты как единого живого организма [88, 192]. Однако исторически развитие знаний происходило очень неравномерно и во многом зависело не только от интеллектуального уровня общества, но и от способа хранения и передачи информации. Несмотря на многочисленные исследования, посвященные вопросам влияния атмосферы, действия лунных приливов, феномена «земного эха солнечных бурь» и других видов влияния флуктуации геофизических полей на медицинские и социальные процессы, весьма сложным является решение задачи количественного анализа и прогно за этих эффектов воздействия на человека. В наше время активно происходит процесс синтеза наук и множеству представлений о среде (природной, производственной, антропогенной, социальной, рекреационной, жилой и т.д.) соответствует и разнообразие методов оценки ее состояния [60,. 80, 81, 83, 126]. Оценка воздействия факторов окружающей среды на здоровье населения — это область междисциплинарных интересов различных научных направлений: медицинской метеорологии и климатологии, биоклиматологии и биометеорологии, климатопатологии и климатотерапии, медицинской географии, курортологии и экологии человека и других смежных наук. Всех их объединяет общая направленность исследований: взаимосвязи устанавливаются на основе зависимостей между параметрами среды и показателями здоровья населения:
Для определения, причинно-следственных тенденций, закономерностей и механизмов влияния, принимая во внимание многофакторность, многофункциональность и различие единиц измерения, характеризующих систему «среда-человек»,.необходим отбор оценочных показателей, которые адекватно отражали бы эти сложные взаимосвязи.
Состояние изученности проблемы влияния климата и погоды на здоровье человека обусловлено объективными характеристиками зависимости функционального состояниячеловека от воздействия окружающей среды: - одновременное воздействие огромного числа разнородных факторов, часть из которых даже не измеряется, ограничивает возможности декомпозиции-объекта исследования и, следовательно, возможность,детерминированного описания феномена; - результат действия отдельного, выделенного, фактора, как правило, достаточно сложно распознать, поскольку он зачастую слабо. выражен» или сглажен («зашумлен») воздействием прочих факторов; - сложность «приемника воздействий» - организма человека приводит к тому, что даже сходное воздействие приводит к непохожей-реакции у разных индивидуумов, ил и у одного индивидуума в разное время. Можно отметить существующие проблемы междисциплинарных исследований, такие как: а) локальность исследований влияния погоды; б) отсутствие единых принципов, методов и технологий решения проблем; в) неполноту или ограниченность использованной информации; г) использование устаревших методов обработки данных.
Истории развития и изучения проблем «СОЛНЦЕ-БИОСФЕРА» и «ПОРОДА-ЧЕЛОВЕК» очень сходны между собой. Обе эти проблемы прошли через стадии, когда делались многочисленные сопоставления, большей частью ошибочные, что привело не столько к установлению эмпирических закономерностей, сколько это периодически вызывало недоверие и даже полное отрицание самой возможности таких связей и скепсис среди ученых. Космические воздействия
Как известно, что гипотеза влияния Космоса на земную жизнь, уходит своими корнями, в глубокую древность, история науки хранит память об именах ученых, высказывавших феноменальные гипотезы, которые не могли быть проверены при. их жизни в силу преждевременности или-отсутствия надлежащего научного знания. Наибольшую трудность в изучении космофизических корреляций представляет очевидная-нерегулярность многих космофизических процессов [29]. Например; когда говорят, об 11-летнем, цикле солнечной активности (СА), имеют в виду лишь среднюю величину этого периода, в то время как отдельные циклы могут длиться- от 9 до 15 лет. В результате синер-гетического действия многих космических факторов само количество причин, приводящих, к изменению состояния Луны, Солнца и планет, других звезд и галактик, является очень большим и непредсказуемым:
В конце XVII! столетия (пример развития междисциплинарных наук) основатель звездной астрономии; Вильям Гершель построил первую-модель Галактики. Также он сделал попытку установить корреляционную связь между числом солнечных пятен, неурожаями и ценами на хлеб [187]. После этих открытий цикличности появления солнечных пятен и связи их числа с маг нитной активностью наблюдался период увлечения сопоставлением с солнечными пятнами всевозможных явлений. Однако уже к концу XIX века были поставлены под сомнение даже надежно установленные факты, касающиеся воздействия Солнца и Луны на Землю.
В XVII веке немецкий ученый-натурфилософ Риттер Новалис [192], изучая «подземное электричество», сформулировал учение об электромагнетическом единстве неба и Земли — сидеризм, основанное на гипотезе о воздействии планет и Солнца на земные образования, и гипотезе о подобии микрокосма (человека) макрокосму (Вселенной). Риттер, считая, что «природа рифмует себя в человеке», проводил аналогию между макро- и микрокосмом в гипотезе «электрической системы тела». В этом отношении сравнение Земли с человеческим организмом, известное с глубокой древности, рассматривается не просто как поэтическая метафора, а как отражение реальных планетарных процессов. В пользу такой точки зрения свидетельствуют как философско-религиозные концепции большинства древних цивилизаций нашей планеты, так и открытия современной физики, кибернетики, психологии.
Основоположник электрографии Я.О. Наркевич-Иодко (1891 г.) впервые обратил внимание на влияние атмосферного электричества на растения и человека, пытался найти универсальный метод оценки физиологического и патологического состояния живых организмов. Он впервые рассматривал вопросы ионизации атмосферы и разработал технологии использования электрических свойств воздуха для искусственной ионизации в помещениях.
Выбор оптимальных комплексных показателей для оценки степени благоприятности и биотропности погоды
В настоящее время уже научно подтверждено, что на развитие неблагоприятных метеопатических реакций влияет практически весь атмосферно-физический комплекс, то есть влияет погода в её интегрально-типовом выражении, охватывающем всю совокупность метеорологических, синоптических и гелиогеофизических факторов. На это указывали многие российские и зарубежные учёные: В.И. Вернадский, А.Л. Чижевский, А.В. Клоссовский, Г.Д. Данишевский, а позднее Н.А. Агаджанян, В.Г. Бокши, Н.М. Воронина, И.И. Григорьев, Н.А. Данилова, Н.Р. Деряпа, Я.М. Зонис, А.А. Исаев, В.П. Казначеев, П.Г. Мезерницкий, Н.П. Поволоцкая, В.И. Русанов, В.И. Хаснулин, Тромпа, Ассман, Лоури, Армени и многие другие.
Вышеописанные факторы влияния внешней среды на организм человека (гл. 1) можно рассматривать с точки зрения их биометеорологической информативности, которая в разной степени определяет степень биотропности погоды. Очевидно, что невозможно полностью описать атмосферу и человеческий организм путем измерений, наблюдений и вычислений, используя несколько обобщенных переменных. В конце XIX века биологическое значение «климата», «погоды», «воздуха» рассматривалось для классификации курортов, и в основу определения была положена идея использования величины градиента потенциала электрического поля, т.к. в это время очень большое значение придавалось атмосферному электричеству и электромагнетизму. В курортологии тогда считалось, что характер местности гораздо более зависит от электрического поля (ЭП), чем от метеопараметров. Была выдвинута гипотеза, что именно электрическое состояние атмосферы является первоначальной причиной всех климатических особенностей, являясь ключом к всевозможным вариациям метеоэлементов и их физиологических воздействий.
В дальнейшем российскими учеными было накоплено много экспериментального материала для выработки методов комплексной оценки биотропности погоды, таких как: показатели, критерии, параметры, схемы, классификации и типизации погоды с учетом физиологии человека для курортно-рекреационных целей [60]. Исследования были направлены на решение основных задач, таких как: - оценка условий комфорта жизнедеятельности человека и здоровья; - профилактика заболеваний; - определение режима труда; - принятие архитектурных решений; - оценка теплозащитных свойств одежды; - решение проблем акклиматизации и дезадаптации; - оценка курортных и рекреационных ресурсов. Автор, обобщив известные научные публикации XX века, посвященные комплексной оценке влияния климата и погоды, систематизировал методы, классификации, алгоритмы и рабочие схемы оценки биотропности погоды, использующие существующие синоптические, биоклиматические и статистические методы анализа, выделил те, которые могут быть применены для прогноза биотропного воздействия погоды в наше время. Биоклиматическая классификация погоды Федорова-Чубукова
Из отечественных биоклиматических классификаций погоды первой является типизация известного климатолога Е.Е. Федорова [190], автора учения о классификации и типизации погод на основе принципов комплексной климатологии (понятие погоды суток и погоды момента). Впервые Е.Е. Федоров предложил систематизацию погоды на основе оригинального метода шифрования погоды по метеопараметрам — «карточка каталога погоды суток», который дает четкую количественную и качественную характеристику разнооб разных типов погоды, тем самым он получил формулу местной погоды каждого дня, которую было удобно использовать для автоматизации работ метеорологических станций. В этом методе Федоров предложил в качестве одного из приемов климатологического анализа выражать климат через местные погоды с помощью комплекса метеорологических элементов и явлений.
Под типом погоды понималась комплексная характеристика погоды по определенным признакам, градациям большего или меньшего числа элементов. Один и тот же тип погоды, объединяя некоторое число случаев погоды, может повторяться в одном и том же месте и может встречаться в различных географических районах и, таким образом, им можно пользоваться при климатологических исследованиях. В основе построения классификации лежит понятие «погода суток», которое обосновывается суточной периодичностью во внеполярных районах главнейшего погодообразующего фактора - радиационного режима, позволяет уточнить представление об изменениях метеорологического режима в течение суток и потому широко используется при анализе климата в прикладных целях.
В этой классификации используются 16 классов, каждый из которых объединяет типы погоды, более или менее однородные с точки зрения растениеводства, транспорта и физиологического состояния человека [60]. Классы объединены в три обширные классификационные группы: безморозные погоды от солнечной жаркой и сухой до жаркой и очень влажной (классы I-VIII и I-IX), погоды с переходом температуры воздуха через 0 С (VIII-IX классы) и морозные погоды - от слабо морозной до крайне морозной (классы X-XVI).
Это направление в дальнейшем было развито учениками его научной школы: А.И. Барановым, Н.Н. Галаховым, А.П. Гальцовым, Л.В. Клименко, С.А. Максимовым, Я.И. Фельдманом, Л.А. Чубуковым и др., а также его последователями в Болгарии, Чехословакии, Польше, Китае на Кубе и в других странах. Учеными были выполнены работы по биоклиматическому районированию и классификации климата для регионов России: Поволжья, Урала, Ев ропейской части, Кавказских Минеральных Вод, Крайнего Севера, Приморья, Дальнего Востока, Западной Сибири, Азербайджана, Армении, Грузии, Латвии, Средней Азии (Узбекистана, Туркменистана, Казахстана) и -других-регионов бывшего СССР. Биоклиматические исследования на основе теплового баланса человека
Одним из факторов окружающей среды является тепловое воздействие на организм, и теплообмен между человеком и окружающей средой это один из основных процессов организма. Его интенсивность зависит как от внутренних факторов (метаболизм, периферический поток крови, потоотделение), так и от метеорологических параметров (солнечная радиация, температура воздуха, влажность, движение воздуха). Тепловое равновесие организма на оптимальном термическом уровне необходимо для поддержания постоянной температуры тела и, следовательно, гомеостаза организма человека.
Впервые К. Buttner и Н. Pfleiderer (1938) определили, что тепловой баланс формируется под влиянием радиационных и метеорологических факторов, и надо также учитывать физиологические параметры, зависящие от активности человека, и теплоизоляцию одежды. Решение уравнения теплового баланса позволяет определить критерии, количественно характеризующие степень теплообмена между телом человека и окружающей средой в условиях оттока и притока тепла (отклонение от теплового оптимума).
Оценка изменчивости погоды Санкт-Петербурга (биометеорологический мониторинг) за период с 1997 по 2007 гг.
Изучению взаимосвязи изменчивости погодных факторов и функциональных состояний организма человека посвящено множество научных и практических работ [9, 11, 12, 17, 21, 23, 32, 35, 42, 47, 50, 51, 52, 56, 57, 71, 85, 86, 87, 89, 91, 96, 97, 100, 101, 110, 113, 116, 120, 139, 144, 149, 150, 159, 163, 164, 165, 166, 167, 168, 169, 170, 177, 178, 179, 192, 193, 194, 195, 199]. Фундаментальные исследования, проведенные с 1979 по 1990 гг. в рамках государственных программ СО РАН СССР, показали высокую значимость для здоровья человека сочетанного воздействия космических, метеорологических, геомагнитных и гравитационных возмущений, а также необходимость учета гелиоимпритинга для понимания механизма, и прогнозирования возможных гелиометеотропных реакций (ГМТР) [23, 35, 38, 41]. Однако, в настоящее время нельзя считать достаточной общую теоретическую разработку оценки ГМТР для составления медицинских прогнозов погоды и профилактики. Это, прежде всего, относится к изучению механизма влияния погоды на организм человека, в т.ч. в период адаптации. Без знания этого механизма затруднено обоснованное практическое использование медицинских прогнозов погоды.
XX заложил фундамент междисциплинарных исследований, которые активно и плодотворно развиваются в наше время. Результаты работы научных исследований двух последних десятилетий свидетельствуют о возрастающей индивидуальной чувствительности человеческого сообщества к изменениям солнечной активности, атмосферной циркуляции, геомагнитной активности и другим факторам космической и земной погоды. Медико-биологические эффекты МБ были исследованы в ряде работ Т.К. Бреус с со авт. (2005), НТ:Птицыной ссоавт. (1997),-Н.А. Агаджаняном-схоавт. (2001), Ю.И. Гурфинкелем с соавт. (2005) и др.
Впервые многоцентровые статистические исследования были проведены братьями Дюлль (1937) в период с 1928 по 1932 гг. для Копенгагена, Цюриха, Франкфурта-на-Майне, Берлина, Гамбурга, Будапешта и было доказано синхронное влияние магнитных бурь (МБ) на показатели смертности. В 2005 г. на основе междисциплинарного сотрудничества ряда организаций были проведены многоцентровые статистические исследования влияния геомагнитных возмущений на острую сердечно - сосудистую и церебральную патологии [51, 52]. В сотрудничестве с учреждениями Здравоохранения России (Центральная клиническая больница № 1 ОАО РЖД и госпиталь ветеранов войны, г. Москвы; Троицкая клиническая больница РАН, Покровская многопрофильная больница Санкт-Петербурга, больница скорой помощи, г. Батуми, городская и областная больницы, г. Калининграда), были сформированы архивы многофакторных данных. Продолжительность наблюдений варьировалась от 1.5 до 14 лет.
Всего было рассмотрено 9928 случаев острого инфаркта миокарда (ИМ) и 10712 случаев острого нарушения мозгового кровообращения (ОНМК, инсульта). Для оценки магнитной активности использовались к-индекс - трехчасовая характеристика магнитного поля в баллах от 0 (спокойное поле) до 9 (сильно возмущенное состояние) и сведения о продолжительности МБ и их интенсивности. Для обработки экспериментального материала использовалась методика Ю.И. Гурфинкеля по расчету коэффициента биотропности для сердечно-сосудистых заболеваний. Основой этого метода является известный метод «наложенных эпох», когда среднесуточное количество заболевших в неблагоприятные дни (относительно магнитных возмущений) сравнивалось с количество заболевших в благоприятные дни. Для сравнения расчетов использовались показатели других дней: количество заболевших за день до начала МБ (-1), в первые сутки после ее окончания (+1) и во вторые сутки (+2). Результаты исследований—показали-увеличение-коэффициента, биотропности_ почти в 2 раза в неблагоприятные дни, что доказывает, что чувствительность сердечно-сосудистых заболеваний к неблагоприятной космической погоде [51, 52]. Для пациентов с ИМ среднее значение коэффициента биотропности к составило 2.0 J (стандартное отклонение 0,24), для ОНМК — 2.0 (стандартное отклонение 0.14). Оказалось, что сильнее всего МБ влияют на заболеваемость ИМ в течение трех суток после ее начала, при этом максимум приходится на вторые сутки после начала МБ. Данные по заболеваемости ОНМК свидетельствуют о том, что среднесуточная заболеваемость достоверно увеличивается на вторые сутки от начала МБ, а максимум приходится на третьи сутки.
Анализируя полученные данные клиник ЦКБ №3 МПС и ЦКБ № 1 ОАО РЖД г. Москвы (см. Приложение Г табл.. TV) можно отметить, что около 15 % от числа МБ за период с 1992 г. по 2001 г. не дали биотропного эффекта. Близкое к этой цифре (13 % от числа МБ) приводит и Н.А. Агаджанян (2001) по данным анализа статистических данных Центральной скорой помощи г. Твери. Причина, по которой от 13 до 15 % от числа МБ, не вызывают роста заболеваемости, пока не ясна. По мнению Н.Г. Клейменовой и В.А. Троицкой (1993), «почерк» каждой МБ обусловлен ее волновой характеристикой и не обязательно связан с индексами С А, т.к. в ходе развития геомагнитных возмущений возникают пульсации, периоды которых совпадают с периодами некоторых биологических процессов, т.е. способны вызвать резонансные эффекты. Возможно, определяющим моментом биотропности геомагнитных факторов, является внезапность начала МБ и степень сжатия магнитосферы, предшествующей геомагнитной активности.
Интерактивные обучающие модули для изучения влияния климата и погоды на здоровье человека
Проведена комплексная обработка доступных данных космической погоды, состояния атмосферы, экологической ситуации для выбранных периодов исследования, проанализированы взаимосвязи состояния здоровья с изменчивостью погоды. Биометеорологический мониторинг индивидуальной ГМЧ человека позволил синхронно оценивать функциональное состояние организма при изменении космической и земной погоды, что дает перспективы его использования в практической работе [149-153,163-168].
Достоверность полученных результатов определяется организацией эксперимента и корректностью разработанной методики и программы экспериментов. Результаты показали, что все участники эксперимента оказались в разной степени гелиометеочувствительны, вариабельность физиологические реакций и психологический дискомфорт были выражены в большей степени в группе роста [149, 165-167]. Особое влияние оказывали параметры вариации космической и земной погоды, а также и нестабильность геомагнитного поля Земли. Индивидуальная ГМЧ определялись следующими факторами: общим состоянием защитных функций (иммунной и эндокринной систем); скоростью физиологических адаптационных процессов; типом нервной системы и развитостью систем адаптации к внешней среде; концентрацией внимания, эмоциональной активностью и психологией личности. Оптимальными показателями сердечной деятельности, рассчитанными по стандартным методикам вариационного анализа ритма сердца АПК «ОМЕГА-М», оказались следующие: Индекс вегетативного равновесия ИВР, указывающий на соотношение между активностью симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы (ВНС). Показатель адекватности процессов регуляции ПАПР, который отражает соответствие между активностью парасимпатического отдела ВНС и ведущим уровнем функциониров!шшГс йну воТо"узла: Вегетативный показатель ритма ВПР, который позволяет судить о вегетативном балансе с точки зрения оценки активности автономного контура регуляции. Индекс напряжения ИН регуляторных систем, отражающий степень централизации управления сердечным ритмом. Информационный подход в исследовании ГМЧ и процессов адаптации и акклиматизации, психоэмоциональной лабильности на основе экспресс-метода показал реальные возможности в понимания механизмов ГМЧ и разработки современных технологичных методов гелиометеопрофилактики.
Создание и развитие информационно-образовательной среды ВУЗа для проведения обучения, научных исследований и управления является одной из приоритетных задач повышения качества образования в России. В рамках развития ЕИС и в условиях высоких требований, предъявляемых к современному образованию, возрастает роль информационного и технологического обеспечения образовательного процесса. В качестве развития ЕИС и для дистанционного обучения в глобальной сети Интернет представлены WeB-проекты, разработанные автором.
Автор принимал участие с 1999 по 2001 гг. в международном экологическом телекоммуникационном проекте "ECO-CONNECTION" (Повышение уровня социальной ответственности через изучение наук об окружающей среде при помощи Интернет). Этот проект был разработан творческим коллективом российских и американских преподавателей Санкт-Петербурга и научного центра штата Джоржия (США). Проект "ECO-CONNECTION" был отмечен премией Computerworld 21st Century Achievement Award in the Category of the Energy, Environment lind Agriculture (2007ВашингтонгСША) и-включает 8мо- — дулей по экологической тематике. Каждый компьютерный модуль состоит из несколько тем-уроков, включающих теоретическое объяснение материала, проведение лабораторных экспериментов, изучение оперативной экологической информации дистанционными средствами, обсуждение полученных результатов и принятие решения по проблеме [247].
В рамках создания системы открытого образования в РГГМУ при поддержке ФЦП «Интеграция» (2001 г.) был разработан экологический образовательный WEB-проект «Окружающая среда и здоровье» [156, 158]. Структура построения курса состоит из нескольких тематических компьютерных модулей. В проекте была реализована инновационная методика обучения и проведения экспериментов на основе интерактивного обучения в сети Интернет, информационная карта проекта дана в таблице 4.2. Аудиовизуальный лекционный материал
«Информационные технологии в прикладных задачах биометеорологии» был реализован для целей дистанционного обучения с использованием технологии Macromedia Flash 6. Модуль рассчитан на 45 минут (голос лектора синхронизирован с показом анимированных слайдов) и включает темы: 1) Обсуждение проблемы, 2) Создание информационной среды, 3) Биометеорологические исследования, 3) Заключение.
Телекоммуникационный проект "Погода и человек в 2001 г. был создан при финансовой поддержке Экологического фонда Администрации Санкт-Петербурга [248]. Главной задачей проекта является создание средствами WEB-технологий виртуального информационного пространства для изучения вопросов, связанных с влиянием погоды и климата на здоровье человека. Главная страница WEB - проекта «Погода и человек» дана на рисунке 4.4.
