автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ связи биосферных процессов, циклов углерода и инфарктов миокарда, с изменчивостью общего содержания озона

На правах рукописи

ЗУЕВА Нина Евгеньевна

АНАЛИЗ СВЯЗИ БИОСФЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ, ЦИКЛОВ УГЛЕРОДА И ИНФАРКТОВ МИОКАРДА, С ИЗМЕНЧИВОСТЬЮ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (экология)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Красноярск 2006

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского Отделения Российской Академии Наук (г. Томск)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

член-корреспондент РАН,

доктор физико-математических наук,

профессор

Владимир Владимирович Зуев

доктор технических наук профессор

Кашкин Валентин Борисович

кандидат физико-математических наук Шашкин Александр Владимирович

Институт водно-экологических проблем СО РАН (г. Барнаул)

Защита состоится « 20 » декабря 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета К 212.253.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Сибирском Технологическом Университете (660049, Красноярск, пр. Мира, 82, СибГТУ)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГТУ. Автореферат разослан «19» ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

С.В. Ушанов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Проблема влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации в диапазоне 280-315 нм (УФ-В радиация) на биосферу Земли является одной из наиболее актуальных. С особой остротой она проявилась в последней четверти XX века, когда в результате глобального истощения стратосферного озонового слоя, являющегося единственным природным фильтром, защищающим живые организмы от жесткого ультрафиолетового солнечного излучения, произошел рост числа заболеваний раком кожи. Однако до настоящего времени однозначного мнения о влиянии солнечной радиации УФ-В диапазона на здоровье человека не существует.

Наблюдаемое в наши дни значимое увеличение содержания в атмосфере основных парниковых газов, прежде всего диоксида углерода (С02), привлекает особое внимание, поскольку рассматривается как один из главных факторов, способных привести к потеплению климата с достаточно негативными для человечества последствиям. Однако современные модели климата не учитывают такой значимый фактор, как долговременное глобальное истощение стратосферного озона, в значительной степени определяющего направления и амплитуды потоков С02 между атмосферой и наземными экосистемами. Длительное истощение стратосферного озона провоцирует повышение доз коротковолновой УФ-В радиации, которая оказывает негативное воздействие на фотосинтетичсский аппарат и увеличивает интенсивность дыхания растений. В северных и средних широтах основной сток С02 из атмосферы осуществляется главным образом за счет фотосинтеза в наземной растительной биоте, поэтому его подавление всего на единицы процентов может приводить к дополнительному увеличению содержания СОг в атмосфере по объемам, сравнимым или даже превышающим вклады за счет индустриального фактора.

Цель работы. Исследовать влияние вариаций общего содержания озона (ОСО) на изменчивость стока С02 в растительную биоту и риск заболевания острым инфарктом миокарда.

Основные задачи. 1. Исследовать степень влияния вариаций общего содержания озона на изменение уровня приземной коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

2. Установить возможность использования долговременных рядов ОСО в исследованиях биосферных процессов при отсутствии достоверных рядов радиационных наблюдений.

3. Выявить тенденции изменений концентрации углекислого газа в тропосфере над лесами юга Западной Сибири, связанные с вариациями общего содержания озона.

4. Исследовать воздействие современного долговременного глобального истощения стратосферного озона на накопление диоксида углерода в атмосфере и определить имело ли место подобное событие в прошлом.

5. Исследовать влияние естественных доз коротковолновой ультрафиолетовой (УФ-В) радиации, контролируемой общим содержанием озона, на частоту заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ).

Достоверность результатов диссертационной работы определяется статистической обеспеченностью исследуемых временных рядов и использованием апробированных статистических методов корреляционного анализа.

Научная новизна работы.

• Показано, что вне зависимости от влияния прочих факторов в средних и высоких широтах Северного полушария колебания уровня приземной УФ-В радиации полностью контролируются общим содержанием озона.

• Впервые установлена статистически значимая отрицательная связь усредненных значений ОСО по данным космической аппаратуры TOMS с молярной концентрацией диоксида углерода на высоте 1,5 км по данным самолетных измерений над лесами юга Западной Сибири в период максимума летнего солнцестояния (июнь-июль).

• Показано, что долговременное глобальное понижение уровня общего содержания озона способствует накоплению диоксида углерода в земной атмосфере и является достаточно редким явлением, не имеющим аналогов, по крайней мере, на временной шкале с 1675 по 2000 годы.

• Впервые установлено, что воздействие умеренных доз УФ -В радиации снижает риск заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ). Найдена статистически высокая положительная корреляция между уровнем ОСО в период максимума летнего солнцестояния и количеством случаев ОИМ, регистрируемых в период с сентября текущего года по май следующего.

4

Практическая значимость.

• При отсутствии достоверных данных радиационных наблюдений в УФ-В диапазоне спектра для анализа биосферных процессов в средних и высоких широтах Северного полушария в качестве адекватной замены предложено использовать временные ряды ОСО.

• Показано, что глобальное истощение озона относится к числу значимых факторов в глобальном цикле углерода, который необходимо учитывать при создании моделей климата.

• Установлено позитивное влияние умеренных естественных доз УФ -В радиации в качестве профилактической меры по снижению риска возникновения острого инфаркта миокарда.

• Найденная высокая значимая корреляция суммарного озона и случаев острого инфаркта миокарда позволяет использовать длинные ряды ОСО для среднесрочного прогноза ОИМ регрессионными методами.

Личный вклад автора: участие в постановке задачи и выборе экспериментального материала, формирование и обработка полученных временных рядов, анализ результатов. Настоящая работа является итогом исследований выполненных автором в 2003-2006 гг. Положения, выноснмые на защиту:

1. В исследованиях воздействия на биосферные процессы УФ-В радиации на длинах волн короче 310 нм в зоне умеренных и полярных широт Северного полушария при отсутствии рядов радиационных данных в качестве их эквивалентной замены могут быть использованы временные ряды общего содержании озона (ОСО).

2. Наличие высокой значимой корреляции измеренных в июне-июле значений ОСО и концентраций С02 на высоте 1,5 км над хвойными лесами юга-запада Сибири позволяет связать увеличение глобального содержания СОг в атмосфере в 30-е годы и последнюю четверть XX века с глобальной депрессией фотосинтеза из-за повсеместного длительного спада ОСО.

3. Для региона юга Западной Сибири существует статистически высокая положительная корреляция между усредненными летними (июнь-июль) значениями ОСО и количеством острых инфарктов миокарда, регистрируемых в период с осени текущего года до начала нового летнего сезона. Максимальная корреляция проявляется для периода ноябрь-апрель.

Публикации. По результатам работы имеется 13 публикаций. Список 10 основных публикаций приводится в конце реферата.

Апробация работы. Результаты работ докладывались на международных и российских конференциях:

«Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики (EESFEA-2003)» (Томск 2003), «Информационно-волновые технологии в комплексной реабилитации пациентов в лечебных и санаторно-курортных учреждениях» (Томск 2004), «ENVIROMIS-2004» (Томск 2004), «XII Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Томск 2005), «XIII Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Томск 2006).

На разных этапах работа была поддержана грантами: по проектам РФФИ № 03-05-65105, № 04-04-96016-р2004урал_а, № 05-05-98003-р_обь_а и интеграционному проекту СО РАН № 95.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 127 страницах и содержит 15 таблиц, 44 рисунка. Список литературы включает 120 наименований.

Основное содержание работы

Введение. Обосновывается актуальность темы, формулируются цель и задачи исследования, вводятся положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Суммарный озон и ультрафиолетовая солнечная радиация. В главе сформулированы основные представления об озоне и солнечной ультрафиолетовой (УФ) радиации. Рассмотрены фотохимические и химические циклы озона. Введены понятия озоносферы, общего содержания (или суммарного) озона (ОСО). Приведена градация диапазона ультрафиолетового излучения по длинам волн и биологическому воздействию. Описана пространственно-временная структура поля ОСО и УФ радиации.

Глава 2. Влияние вариаций суммарного озона на изменчивость уровня приземной солнечной радиации УФ-В диапазона. В главе анализируется корреляция изменчивости состояния озоносферы и уровня приземной УФ-2? радиации в диапазоне 300-315 нм двух регионов умеренного пояса Северного полушария, кардинально отличающиеся по своему широтному расположению и климатическим условиям.

2.1. Связь уровня приземной ультрафиолетовой радиации с общим содержанием озона (ОСО). Несмотря на повышенный интерес к проблеме влияния УФ-В радиации на биосферные процессы ряды данных наземных измерений являются короткими и не превышают одного десятилетия на отдельных станциях, давая порой противоречивые результаты. Поэтому, исследуя отклик биологических объектов на воздействие УФ -В радиации, мы используем ряды ОСО, которые являются статистически обеспеченными. Следовательно, возникает проблема достоверности такой замены.

Дошедшая до поверхности Земли солнечная ультрафиолетовая радиация может изменяться в широких пределах в зависимости от времени года, времени суток, географических координат, состояния атмосферы и облачности. Известно, что в отсутствии облачности долговременные изменения уровня УФ-Л радиации определяются, главным образом, уровнем ОСО из-за интенсивного поглощения полосах озона Хартли и Хаггинса (200- (340) 360 нм). Однако данные о значимости влияния колебаний суммарного озона на вариации солнечного УФ излучения в условиях меняющихся параметров облачности, аэрозольного наполнения атмосферы и альбедо поверхности довольно противоречивы.

2.2. Постановка задачи и анализ спектрального состава УФ-2? радиации регионов умеренного пояса Северного полушария. Для проведения корреляционного анализа были выбраны ряды наземных наблюдений ежедневных доз радиации (Е) на длинах волн 295, 300, 305, 310, 315 нм Эдмонтона (Канада; 53,55°с.ш.; 114,10°з.д) и Кагосимы (Япония; 31,58°с.ш.; 130,565°в.д), кардинально отличающиеся по своему широтному расположению, степени континентальное™ и климатическим условиям. Ряд суточных значений ОСО Эдмонтона получен по данным космической аппаратуры TOMS, для Кагосимы использовались данные ежедневных наземных измерений. Сформированные временные ряды Эдмонтона и Кагосимы охватывают периоды 25.07.1996-31.12.2004 и 01.01. 1991-31.12.2001, соответственно.

Колебания как ОСО, так и дозы приземного солнечного УФ -В излучения (Е) имеют ярко выраженный годовой ход (климатическую норму), с выраженной несинхронностью. Значительное отличие, связанное с широтными особенностями регионов, наблюдается в положении климатических максимумов ОСО и в уровне суммарного озона двух климатических зон, особенно в зимне-весенние месяцы. Максимум суммарного озона Эдмонтона приходится на март-апрель, а Каго-

7

симы - на период с середины апреля до середины июня. При этом в среднем содержание озона для Эдмонтона на 18,6 % выше, чем для Кагосимы.

Наибольшие значения дневных доз радиации (Е) независимо от длины волны излучения и широтного расположения региона наблюдаются в летние месяцы при годовом максимуме солнцестояния, поэтому положение максимумов кривых годового хода совпадает. Однако спектральный состав излучения в значительной степени зависит от региона наблюдений. Количественный анализ показал, что суммарная доля излучения на длинах волн 300, 305 и 310 нм весьма значима и составляет 30,0-38,4 % от среднесуточной суммарной дозы радиации УФ-В диапазона в зависимости от региона и времени года. Мизерность доли радиации на длине волны 295 нм (от 0 до 0,084 % среднесуточной суммарной дозы) позволяет в дальнейшем не рассматривать излучение на данной длине волны. Отметим, что для многих живых организмов на Земле, наиболее деструктивным является волновой диапазон 305-310 нм.

2.3. Результаты корреляционного анализа. Для проведения корреляционного анализа влияния суточных и среднемесячных колебаний ООО на изменение уровня УФ-2? излучения, вследствие существенного временного сдвига, годовой ход был исключен, ряды нормированы и выражены в относительных единицах по формуле:

где — текущее значение ряда, — климатическая норма, соот-

ветствующая данному значению.

Оценка статистической значимости полученных результатов выполнялась с использованием ¿-критерия Стьюдента. Результаты анализа показали, что для доверительной вероятности /?=0,99 статистически высокая отрицательная корреляция наблюдается между рядами относительных отклонений суточных значений ОСО и дозы УФ-В радиации для диапазона длин волн короче 315 нм в регионах с высоким и короче 310 нм с низким уровнем суммарного озона.

В качестве примера на рис. 1 представлены диаграммы рассеяния и линейные регрессии нормированных временных рядов суточных значений ОСО и дозы УФ-В радиации на длине волны 305 нм для полного периода наблюдений. Хорошо видно, что точки на диаграммах рассея-

(1)

ния плотно группируются вокруг прямой регрессии, особенно для Эдмонтона (рис. 1а), что свидетельствует о наличии статистически очень высокой отрицательной корреляции рассматриваемых временных рядов.

Е , отн . ед . 2,0

1,51.00,5-

о,о -

-0,5 --1,0-

» • Л. ••

Эдмонтон

В = - 0,666 р <*0.Ч

2,0 1.5 1,0 0,5 0,0-0,5-1,0-

-0,3 -0.2 -0,1

0,0 0,1 0,2 Кагосима

0,3

р <"0.6"001

т—.—|—.—|—1—■—I—|—I—|—.—|—.—,

-0,15 -0,10 -0,05 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25

ОСО , отн . ед .

Рис. 1. Диаграммы рассеяния и прямые регрессии нормированных временных рядов суточных значений ОСО и дозы УФ-В радиации на длине волны 305 нм Эдмонтона (а) и Кагосимы (б) для полного периода наблюдений

Применение метода сглаживания рядов скользящим средним, а также усреднения в рамках периода синоптических колебаний около 10 дней позволило существенно ослабить фактор аэрозольно-облачного влияния на вариации УФ-В радиации, что особенно важно для регионов с низким уровнем суммарного озона.

Как правило, к серьезным изменениям физиологических и биохимических процессов в живых организмах приводит длительное воздействие повышенных доз УФ -В радиации. Поэтому в исследованиях мы чаще используем временные ряды значений ОСО, усреднение за период от месяца до года. В регионах умеренных широт с высоким

уровнем суммарного озона корреляционный анализ показал наличие статистически высокой отрицательной корреляции рядов нормированных среднемесячных (/?=0,99) и среднегодовых (//=0,95) значений ОСО и дозы УФ -В радиации для диапазона длин волн короче 315 нм. В регионах с относительно низким уровнем суммарного озона статистически высокая отрицательная корреляция рядов среднемесячных и среднегодовых значений ОСО и дозы УФ -В выявлена для диапазона длин волн короче 310 нм. Результаты анализа представлены в табл. 1.

Таблица 1. Коэффициенты корреляции и доверительные интервалы рядов относительных отклонений среднемесячных значений и среднегодовых значений дозы УФ-В радиации и ОСО.

Длина волны, нм Эдмонтон. (R±A r0 9¡) Кагосима. (Я±А г0,95)

Усреднение по месяцу (08.1996 -12.2004) Усреднение по году (19972004) Усреднение по месяцу (01.1991 -12.2001) Усреднение по году (1991 -1992,19942001)

300 305 310 315 -0,76 ±0,08 -0,68 ±0,11 -0,55 ±0,14 -0,30 ±0,18 - 0,80 ± 0,29 -0,81 ±0,28 -0,81 ±0,28 -0,77 ±0,33 -0,73 ±0,08 -0,50 ±0,13 -0,28 ±0,16 -0.12 ±0.17 -0,73 ±0,31 - 0,69 ± 0,34 -0,64 ±0,41 - 0,60 ±0.44

N 100 8 130 10

('" 1Шп)о,95 (г т1п)о.9Ч -0,20 -0,26 -0,70 - 0,82 -0,17 -0,23 -0,62 -0,75

Глава 3. Состояние озоносферы н изменчивость содержания углекислого газа в атмосфере Земли. В главе рассматриваются проблемы, связанные с глобальным круговоротом углерода, а также влияние УФ -В радиации на сток углекислого газа (СОг) в растительную биоту.

3.1. Глобальный круговорот углерода. Глобальный круговорот углерода на Земле тесно связан с климатом, круговоротом воды и биогенных веществ, продукцией фотосинтеза на суше и в океане. Наблюдаемое сегодня значимое увеличение содержания С02 в атмосфере, привлекает особое внимание, поскольку рассматривается как один из главных факторов, способных привести к потеплению климата с достаточно негативными для человечества последствиям. Значительную

роль в стабилизации углеродного обмена в биосфере играют леса Северного полушария, на которые приходится около 40% стока глобального СОг из атмосферы.-

3.2. Влияние УФ -В радиации на высшие растения. Известно, что воздействие УФ -В радиации на растения происходит, прежде всего, на молекулярном уровне. В основе всех нарушений жизнедеятельности растения при воздействии УФ-В радиации лежат повреждения биологически важных макромолекул, прежде всего нуклеиновых кислот и белков, имеющих полосы поглощения в этом диапазоне. Наиболее критичной мишенью для повреждающего действия УФ-5 радиации является молекула ДНК. Поглощение квантов УФ -В радиации инициирует цепь фотохимических и биохимических реакций, в результате которых серьезно нарушаются регуляторные, ферментативные, транспортные и другие функции белков, без которых невозможен нормальный ход метаболизма и физиологических процессов. Повышение интенсивности УФ-В радиации серьезно нарушает работу фотосинтетического аппарата, увеличивают интенсивность дыхания растений, способствуя, таким образом, росту концентрации углекислого газа в атмосфере Земли.

3.3. Связь колебаний концентрации углекислого газа в тропосфере над хвойными лесами Западной Сибири с изменениями состояния озоносферы. Вследствие кумулятивного эффекта наиболее сильно негативное влияние повышенных доз УФ-ß радиации на активность фотосинтеза проявляется у вечнозеленых хвойных пород деревьев, которыми главным образом представлены таежные леса Сибири. Поскольку на этих широтах в Северном полушарии уровень приземной УФ-2? радиации контролируется состоянием озоносферы, должна проявляться связь между колебаниями уровня ОСО и концентрацией углекислого газа в тропосфере.

Молярные концентрации углекислого газа NCOz на высотах 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5,5 и 7 км за период 1997-2004 гг. были получены по данным измерений самолета-лаборатории Ан-30 «Оптик - Э» Института оптики атмосферы СО РАН. Чтобы максимально ослабить влияние антропогенного фактора, измерения проводились в экологически чистом регионе над бором Ордынского района Новосибирской области. Ряды среднемесячных значений ОСО для Новосибирска были получены по данным космической аппаратуры TOMS.

На рис. 2 представлены временные ряды среднемесячных концентраций С02, усредненных для атмосферных слоев (0,5-3) и (4-7) км,

11

и среднемесячных значений ОСО за период с июня 1997 по декабрь 2004 года включительно. Здесь же приведены линейные тренды анализируемых рядов, Очевидно, что на фоне выраженного отрицательного тренда ОСО содержание СОг в атмосфере из года в год увеличивалось, хотя интенсивность индустриальных выбросов С02 в Сибири, как и в целом по России в этот период нельзя считать высокой.

-- (0,5- 3) км-----линейный тренд (0,5 - 3) км

ОСО

Годы

Рис. 2. Временные хода среднемесячных значений концентраций С02, усредненных для атмосферных слоев (0,5-3) и (4-7) км (о), и ОСО (б) за период наблюдений с июня 1997 по декабрь 2004 года.

Показаны линейные тренды анализируемых рядов.

Профили вертикального распределения концентраций углекислого газа, усредненных для летних (июнь-июль) и зимних (декабрь-февраль) месяцев, приведены на рис. 3.

В зимний период (рис. 3 а) в связи с отсутствием фотосинтетического стока и резко возрастающим выбросом в атмосферу антропоген-12

ного СОг, его концентрация в рассматриваемом высотном диапазоне существенно превышает ее значения в летний период (рис. 3 б), что особенно ярко проявляется в нижних слоях тропосферы (1-3 км).

июнь - июль декабрь - февраль

Рис. 3. Профили вертикального распределения концентраций углекислого газа, усредненные для сезонов июнь-июль (а) и декабрь-февраль (б) Выделены высотные диапазоны 0,5-1 км и 1-3 км.

Корреляционный анализ временных рядов средних летних (июнь-июль) значений молярных концентраций СОг и ОСО позволил выявить наличие связи между данными параметрами и определить высотный диапазон ее проявления.

Зависимость модуля коэффициента корреляции |/?| временных рядов, усредненных за два месяца (июнь-июль) значений ОСО и концентраций СОг на соответствующих высотах тропосферного слоя показана на рис. 4 а. Очевидно, что статистически значимая для доверительной вероятности /?=0,95 отрицательная корреляция между годовыми ходами усредненных за июнь-июль значений суммарного озона и молярной концентрацией С02 наблюдается только на высоте самолетных изме-ений 1,5 км. Коэффициент корреляции рассматриваемых рядов

J?=(— 0,77±0,33). На рис. 4 б приведены диаграмма рассеяния и прямая регрессии летних значений ОСО, полученных с помощью космической аппаратуры TOMS, и полученных по результатам самолетных измерений молярных концентраций СОг в тропосферном слое 1,5 км.

Ncо,, млн.'1

368-

366-

364-

362

360

358-

356-

354-

ч

в)

\

\

\

\

R = - 0,766; р = 0,02667

ЗЗО 335 340 345 350 355 ОСО , е-Д.

Рис. 4. Зависимость модуля коэффициента корреляции рядов усредненных по двум летним месяцам значений ОСО и молярных концентраций С02 от высоты тропосферного слоя (а); диаграмма рассеяния и прямая регрессии летних значений ОСО, полученных с помощью космической аппаратуры и молярных концентраций диоксида углерода в тропосферном слое 1,5 км, полученных по результатам самолетных измерений (б).

3.4. Влияние долгопериодных колебаний общего содержания озона на изменчивость глобального содержания углекислого газа в атмосфере. Распределение глобального поля ОСО характеризуется пространственно-временной неоднородностью и обычно даже в одном поясе в умеренных и субполярных широтах наблюдается чередование зон с низким и высоким уровнем суммарного озона. Таким образом, в глобальном масштабе происходит усреднение воздействия УФ-5 радиации на фотосинтетические процессы, определяющее мало изменяющийся с годами уровень глобального стока углекислого газа.

Однако в 30-е годы и в последней четверти XX столетия наблюдался весьма существенный рост концентрации глобального С02 (рис. 5 а), весьма очевидный при вычитании из представленного временного

ряда параболического тренда (рис. 5 6). Следовательно, на фоне непрерывно возрастающего антропогенного вклада в глобальный круговорот СО2 должен существовать некий достаточно значимый фактор, который не учитывается в современных моделях глобального изменения климата.

Го&ы

Рис. 5. Временной ход глобального содержания СО2 в атмосфере в XX веке, его параболический тренд (а), молярная концентрация С02 (глобальное содержание) в отклонениях от параболического тренда (б).

Привести к «глобальной депрессии фотосинтеза» в растительной биоте и, следовательно, способствовать росту С02 в планетарном масштабе мог наблюдаемый в последней четверти XX века в умеренных и особенно полярных широтах как Северного, так и Южного полушарий спад ОСО со средней скоростью 2,5% за 10 лет.

Существующая методика реконструкции палеоповедения озоно-сферы, основанная на использовании древесно-кольцевых хронологий (плотность годичного кольца) позволяет восстанавливать состояние озоносферы до нескольких столетий в прошлое. Наличие соответствующей базы данных дендрохронологических параметров позволило получить временные ряды ОСО с общим началом в 1675 году в регионах, охватывающих довольно обширную территории Евразии. Отметим, что до 2000 года реконструированные данные дополнены данными TOMS. Координаты регионов древесно-кольцевые хронологий приведены в табл. 4.

Регион Координаты Регион Координаты

Киргизия 41°6' с.ш. 75° 15' в.д. Россия: р. Вилюй 63°4' с.ш. 125°8 в.д.

Швейцария 46°7' с.ш. 9° Г в.д. Россия: р. Полуй 65°3' с.ш. 69°5' в.д.

Известно, что в колебаниях ОСО проявляются общие периоды, связанные с 11-летним солнечным циклом (11 лет и 22 года). Процедура сглаживания скользящим окном 22 года позволяет выявить более долгопериодные колебания. Сглаженные временные ряды ОСО для выбранных регионов, сведенные вместе, изображены на рис. 6.

Годы

Рис. 6. Сглаженные скользящим окном 22 года временные ряды индексов ОСО, реконструированные по дендрохронологическим данным. Выделены . области синхронного спада ОСО в регионах, указанных в табл. 4.

Очевидно, что, вследствие пространственно-временной неоднородности поля ОСО в таких протяженных масштабах, колебания сглаженных рядов происходят несинхронно практически на всем временном интервале длиной 325 лет. Синхронизованный спад в долгопериодных колебаниях ОСО в анализируемом временном диапазоне наблюдается только на двух участках: в 30-е годы и в последнюю четверть XX столетия (области 1 и 2 на рис. 6). Длительное понижение ОСО в глобальном масштабе неизбежно влечет за собой «глобальную депрессию фотосинтеза». Именно в эти периоды в XX веке наблюдалось значимое повышение концентраций глобального С02 в атмосфере, а также максимумы приземных температур. 16

Глава 4. Влияние изменений состояния озоносферы на циклы острых инфарктов миокарда. В главе исследуется современное состояние вопроса о влиянии УФ-В радиации на здоровье человека. Рассматривается роль витамина в жизнедеятельности организма человека. Проводится корреляционный анализ вариаций уровня суммарного озона и циклов острых инфарктов миокарда на основе данных эпидемиологии острых инфарктов миокарда (ОИМ) в городе Томске за период с 1986 по 2004 год.

4.1. Влияние УФ -В радиации на здоровье человека. До настоящего времени однозначного мнения о влиянии солнечного излучения УФ-В диапазона на здоровье человека не существует. Так, по одним оценкам воздействие больших доз вызывает повреждение кожи, вплоть до фотоканцерогенеза, глазные аномалии, а также изменения в иммунной системе, способные видоизменять течение карциномы или инфекционных болезней. По другим оценкам в умеренных дозах УФ-В радиация, воздействуя на некоторые микроорганизмы, в частности на паразита Лейшмана и вирус Герпеса, обладает общетерапевтическим действием, активизирует обмен веществ и, следовательно, улучшает общее состояние здоровья человека. Существует мнение, что благоприятные воздействия УФ-В облучения могут проявляться в улучшении состояния при артериосклеротическом кардиосклерозе.

4.2. Инфаркт миокарда и основные причины развития атеросклероза. Инфаркт миокарда является сердечно-сосудистым заболеванием, характеризующимся образованием очага некроза в миокарде в результате нарушения коронарного кровоснабжения. Известны исследования, в которых были предприняты попытки анализа связи заболеваемости острым инфарктом миокарда (ОИМ) как с отдельными кли-матообразующими элементами, так и с их совокупностью.

4.3. Роль витамина Бз в жизнедеятельности организма человека. Одной из наиболее жестко поддерживаемых констант человеческого организма является концентрация кальция в плазме крови. Необходимость в этом обусловлена той важной ролью, которую ион кальция играет в обмене веществ и осуществлении целого ряда жизненно важных функций организма. Кальций является инициатором мышечного сокращения, участвует в свертывании крови и нервном возбуждении. Снижение его концентрации в крови ниже нормального уровня ведет к снижению мышечного тонуса и тетании. Изменения внутриклеточного обмена кальция являются причиной нарушения сердечного ритма. Недостаток его в организме повышает риск сердечнососудистых заболеваний. Однако для нормального всасывания кальция в тонком кишеч-

нике и его полноценного использования организмом необходим витамин 03 (холекальциферол), синтез которого в коже человека возможен только под воздействием солнечной УФ-Л радиации.

4.4. Анализ связи вариаций уровня суммарного озона и циклов острых инфарктов миокарда. В Томске эпидемиология острых инфарктов миокарда (ОИМ) изучается среди .постоянных жителей города старше 20 лет. Клинический и эпидемиологический фрагмент ОИМ для исследований был взят нами из базы данных эпидемиологической программы Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) «Регистр острого инфаркта миокарда», действующей в Томске с 1984 года.

На рис;7 представлены временные ряды среднегодовых значений ОИМиОСО.

900-

850-

о

(В 800-

р

£ 750-

1 700-

о

650-

600

1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004

370-

360-

© 350-

о"

о 340-

о

330-

320-

1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004

Рис. 7. Погодовое распределение случаев острого инфаркта миокарда (а), и среднегодовые значения общего содержания озона (б) (штрихпунктирные прямые — линейные тренды; выделенные области соответствуют периоду глобальной депрессии озона.)

Прямая регрессии (линейный тренд) ОИМ (рис. 7 а, пунктирная линия) указывает на систематическое увеличение случаев заболевания на фоне отрицательного тренда ОСО (рис. 7 б) за период наблюдений (1986-2004 гг.), что, вероятно, является проявлением неблагополучной социальной и экологической обстановки в регионе. Отметим явно проявляющееся в 1992-1996 гг. снижение уровня озона и соответствующее ему уменьшение количества случаев ОИМ.

Синтез в коже человека витамина и его аккумуляция в организме в условиях Томска возможны только в период максимальной инсоляции, то есть в июне-июле. Исследования показали, что минимальное по году количество случаев ОИМ наблюдается в период вблизи максимума летнего солнцестояния, в июле-августе. Однако актуальным является вопрос о пролонгации УФ-В воздействия. Для решения поставленной задачи был получен временной ряд средних значений ОСО за период июнь-июль каждого года. Временные ряды значений регистрируемых ОИМ были сформированы скользящим окном с усреднением от двух до шести месяцев, начиная с июня текущего года, то есть с момента воздействия УФ-5 радиации, по май следующего. Доя удобства корреляционного анализа, сформированные временные ряды были стандартизованы путем вычитания трендов и перевода их в безразмерные индексы /,(/) по формуле:

стандартное (среднеквадратичное) отклонение.

Анализ результатов свидетельствует о наличии статистически значимой положительной корреляции (6=0,95) между уровнем суммарного озона в период максимальной инсоляции (июнь-июль) и количеством случаев острого инфаркта миокарда, регистрируемых за период с сентября текущего года по май следующего (рис. 8 б).

Наиболее высокий уровень корреляции (рис. 4.в) наблюдается для временного интервала ноябрь-апрель К (/5=0,95) = (0,603 ± 0,312), при этом величина Л превышает гтш для /3=0,99.

(4)

где Х,(1) — текущее значение ряда; X — среднее значение ряда; ЯО -

0,4-

.... ** т!п 0.09

/ш ' »»ип 0.95

09Ш$ч: 1 . 1 1 1 . 1 ишк ... м1 | ■ 1 1 | ■ 1 1 |

Гш!п 0.99

1 ч Гп1п 0.95

1 1 I 1 1 1 I 1 1 1 1*1 1 \ 1 1 " 1 1 / « . I . 1 . 1 . 1

06-11 08-01 10-03 12-05 02-07 04-09

Интервал усреднения

Рис. 8. Значения коэффициентов корреляции (К) временных рядов индексов . средних за июнь - июль значений уровня ОСО и значений, соответствующих количеству ОИМ усредненных по а) — трем, б) - пяти и в) — шести месяцам. Показаны значения коэффициентов корреляции, необходимые для достижения статистической значимости для доверительной вероятности /М),95 (сплошной линией), и 0-0,99 (пунктирной линией) при выборке //=18

Временные ряды годовых значений индексов ОСО, усредненного за июнь-июль, и среднего количество случаев ОИМ, регистрируемых в

ноябре-апреле, диаграмма рассеяния и прямая регрессии представлены на рис. 9.

Годы

6)

Индексы ОСО

Рис. 9. Временные ряды (а) индексов средних за июнь-июль значений ОСО и индексов усредненных по шести месяцам, ноябрь-апрель, случаев ОИМ.

Диаграмма рассеяния и прямая регрессии (б).

Понятно, что связь уровня приземной УФ -В радиации в максимуме летнего солнцестояния с количеством регистрируемых случаев ОИМ носит обратный характер. Таким образом, воздействие естественной УФ-2? радиации в летний период (июнь-июль) снижает риск возникновения острого инфаркта миокарда в период минимальной инсоляции, начиная с поздней осени (октябрь-ноябрь) и практически до начала нового летнего сезона. Однако необходимо отметить, что чрезмерные дозы УФ-Д радиации могут приводить к обратному эффекту.

Заключение. Сформулированы основные выводы , полученные по результатам проведенных исследований. Основные выводы:

1. Между рядами относительных отклонений суточных и среднемесячных значений ОСО и дозы УФ -В радиации, а также между рядами среднегодовых значений, на длинах волн короче 310 нм в регионах умеренных широт Северного полушария существует статистически высокий уровень отрицательной корреляции.

2. При отсутствии статистически обеспеченных временных рядов дозы УФ-В радиации на длинах волн короче 310 нм в регионах средних и высоких широт Северного полушария для анализа биосферных процессов в качестве адекватной замены могут быт£ использованы временные ряды ОСО.

3. Статистически значимая отрицательная корреляция существует между значениями ОСО, полученными с помощью космической аппаратурой TOMS, и самолетными измерениями концентраций СО2 на высоте 1,5 км.

4. Глобальная депрессия фотосинтеза, вызванная истощением озона в больших пространственных масштабах над территорией Евразии способствует дополнительному росту глобального СО2 в атмосфере Земли.

5. Воздействие умеренных доз УФ -В радиации, способствуя выработке в коже человека витамина D3, уменьшает риск заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ).

6. Минимальное по году количество случаев ОИМ регистрируется в период, близкий к максимуму летнего солнцестояния (июль-август).

7. Между усредненными значениями ОСО в период максимальной инсоляции (июнь-июль) и количеством случаев ОИМ, регистрируемых с осени текущего года по май следующего, существует статистически значимая положительная корреляция с максимумом, приходящимся на временной интервал ноябрь-апрель.

Основные публикации по теме диссертации

1. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Бондаренко C.JI. Анализ связей циклов человеческой смертности и колебаний озоносферы с использованием дендрохронологических данных // Сибирский экологический журнал. 2004. №1. С.3-7.

2. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Зяблов Ю.И., Окрутил СЛ.. Связь циклов острых инфарктов миокарда в Томске с колебаниями озоносферы //

Современные достижения в исследованиях окружающей среды и экологии. Сборник научных статей, посвященный памяти академика В.Е. Зуева Томск: STT. 2004. С.233-236.

3. Зуева Н.Е. Влияние изменений общего содержания озона в атмосфере на частоту возникновения острых инфарктов миокарда. // Материалы научной конференции «Информационно-волновые технологии в комплексной реабилитации пациентов в лечебных и санаторно-курортных учреждениях. Томск 12-14 окт. 2004. ТНИИ-ФиК. С.195-197.

4. Бондаренко СЛ., ЗуевВ.В., Зуева Н.Е., Бондаренко М.А. Влияние колебаний озоносферы и связанной с ними солнечной УФ~В радиации на рост и продуктивность хвойных лесов // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18 № 1-2. С.120-123.

5. Зуев В .В., Белан Б.Д., Зуева Н.Е., Инойе Г., Мачида Т. Связь стока углекислого газа из атмосферы над бореальными лесами Сибири с колебаниями озоносферы Н Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18 № 7. С.б18-620.

6. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Бондаренко СЛ. Влияние долгопериодных колебаний озоносферы века на изменчивость глобального содержания СОг в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. № 7. С.621-626.

7. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Зяблов Ю.И., Округин С.А. Связь колебаний озоносферы, модулирующих уровень УФ-2? солнечной радиации, и циклов острых инфарктов миокарда И Оптика атмосферы и океана.

2005. Т. 18. № 7. С.627-631.

8. Zueva N.E., Zuev V.V., Belan B.D., Inouye G„ Machida T. Interrelation between carbon dioxide sink from the atmosphere over boreal forests of Siberia and variations of ozonosphere // Abstract of the papers at the "XII Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics". Tomsk, 27-30 June, 2005. Tomsk: IAO SB RAS. P.69.

9. Зуев B.B., Зуева H.E. Влияние вариаций суммарного озона на изменение уровня солнечной УФ-В радиации // Оптика атмосферы и океана. 2006. Т. 19. №12. С. 1053-1061.

10. Zueva N.E., Zuev V.V. Influence of the total ozone variations on changes of the level of the ultraviolet solar radiation of the UV-B-range // Abstracts of the papers at the Х1П Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. Tomsk, July 2-7,

2006. Tomsk. IAO SB RAS. P.59.

Издательство «В-Спектр» Подписано к печати 08.11.2006. Формат 60*84'/i6. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman». Печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ 58.

Тираж отпечатан в издательстве «В-Спектр» ИНН/КПП 7017129340/701701001, ОГРН 1057002637768 634055, г. Томск, пр. Академический, 13-24, тел. 49-09-91. E-mail: bmwm@list.ru

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СУММАРНЫЙ ОЗОН И УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ РАДИАЦИЯ.

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ АТМОСФЕРНОМ ОЗОНЕ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ

РАДИАЦИИ

1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

1.3. УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

ГЛАВА 2. ВЛИЯНИЕ ВАРИАЦИЙ СУММАРНОГО ОЗОНА НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ

УРОВНЯ ПРИЗЕМНОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ УФ-5 ДИАПАЗОНА

2.1. СВЯЗЬ УРОВНЯ ПРИЗЕМНОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ

С ОБЩИМ СОДЕРЖАНИЕМ ОЗОНА (ОСО)

2.2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И АНАЛИЗ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА УФ-В РАДИАЦИИ РЕГИОНОВ УМЕРЕННОГО ПОЯСА СЕВЕРНОГО ПОЛУШАРИЯ

2.3. РЕЗУЛЬТАТЫ КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА.

2.3.1. КОРРЛЕЯЦИОНИЫЙ АНАЛИЗРЯДОВ СУТОЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОСО И ДОЗЫ ПРИЗЕМНОЙ УФ-В РАДИАЦИИ

2.3.2. ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕДУРЫ СГЛАЖИВАНИЯ СКОЛЬЗЯЩИМ СРЕДНИМ НА СВЯЗЬ ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ СУТОЧНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ОСО И ДОЗЫ УФ-В РАДИАЦИИ

2.3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПОЛЬЗОВАПЯ УСРЕДНЕНИЙ ПРИ АНАЛИЗЕ

СВЯЗИ ИЗМЕНЧИВОСТИ ПРИЗЕМНОЙ УФ-В РАДИАЦИИ И КОЛЕБАНИЙ ОСО

ГЛАВА З.СОСТОЯНИЕ ОЗОНОСФЕРЫ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ

УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ

3.1. ГЛОБАЛЬНЫЙ КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА

3.2. ВЛИЯНИЕ УФ-В РАДИАЦИИ НА ВЫСШИЕ РАСТЕНИЯ

3.2.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА ФОТОСИНТЕЗА

3.2.2. ВЛИЯНИЕ УФ-В РАДИАЦИИ НА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ

3.3. СВЯЗЬ КОЛЕБАНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ТРОПОСФЕРЕ НАД ХВОЙНЫМИ ЛЕСАМИ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ С ИЗМЕНЕНИЯМИ СОСТОЯНИЯ ОЗОНОСФЕРЫ

3.4. ВЛИЯНИЕ ДОЛГОПЕРИОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ ОСО НА ИЗМЕНЧИВОСТЬ ГЛОБАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В АТМОСФЕРЕ

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ ОЗОНОСФЕРЫ НА ЦИКЛЫ

ОСТРЫХ ИНФАРКТОВ МИОКАРДА

4.1. ВЛИЯНИЕ УФ -В РАДИАЦИИ НА ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА

4.2. ИНФАРКТ МИОКАРДА И ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ АТЕРОСКЛЕРОЗА

4.3. РОЛЬ ВИТАМИНА D-, В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА

4.4. АНАЛИЗ СВЯЗИ ВАРИАЦИЙ УРОВНЯ СУММАРНОГО ОЗОНА И ЦИКЛОВ

ОСТРЫХ ИНФАРКТОВ МИОКАРДА

4.4.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

Актуальность работы. Проблема влияния коротковолновой ультрафиолетовой радиации в диапазоне 280-315 нм (УФ-5 радиация) на биосферу Земли является одной из наиболее актуальных. С особой остротой она проявилась в последней четверти XX века, когда в результате глобального истощения стратосферного озонового слоя, являющегося единственным природным фильтром, защищающим живые организмы от жесткого ультрафиолетового солнечного излучения, произошел рост числа заболеваний раком кожи. Однако до настоящего времени однозначного мнения о влиянии солнечной радиации УФ -В диапазона на здоровье человека не существует.

Наблюдаемое в наши дни значимое увеличение содержания в атмосфере основных парниковых газов, прежде всего диоксида углерода (СОг), привлекает особое внимание, поскольку рассматривается как один из главных факторов, способных привести к потеплению климата с достаточно негативными для человечества последствиям. Однако современные модели климата не учитывают такой значимый фактор, как долговременное глобальное истощение стратосферного озона, в значительной степени определяющего направления и амплитуды потоков СОг между атмосферой и наземными экосистемами. Длительное истощение стратосферного озона провоцирует повышение доз коротковолновой УФ-В радиации, которая оказывает негативное воздействие на фотосинтетический аппарат и увеличивает интенсивность дыхания растений. В северных и средних широтах основной сток СОг из атмосферы осуществляется главным образом за счет фотосинтеза в наземной растительной биоте, поэтому его подавление всего на единицы процентов может приводить к дополнительному увеличению содержания СО2 в атмосфере по объемам, сравнимым или даже превышающим вклады за счет индустриального фактора.

Цель работы. Исследовать влияние вариаций общего содержания озона (ОСО) на изменчивость стока С02 в растительную биоту и риск заболевания острым инфарктом миокарда.

Основные задачи.

1. Исследовать степень влияния вариаций общего содержания озона на изменение уровня приземной коротковолновой ультрафиолетовой радиации.

2. Установить возможность использования долговременных рядов ОСО в исследованиях биосферных процессов при отсутствии достоверных рядов радиационных наблюдений.

3. Выявить тенденции изменений концентрации углекислого газа в тропосфере над лесами юга Западной Сибири, связанные с вариациями общего содержания озона.

4. Исследовать воздействие современного долговременного глобального истощения стратосферного озона на накопление диоксида углерода в атмосфере и определить имело ли место подобное событие в прошлом.

5. Исследовать влияние естественных доз коротковолновой ультрафиолетовой (УФ-£) радиации, контролируемой общим содержанием озона, на частоту заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ).

Достоверность результатов диссертационной работы определяется статистической обеспеченностью исследуемых временных рядов и использованием апробированных статистических методов корреляционного анализа.

Научная новизна работы.

• Показано, что вне зависимости от влияния прочих факторов в средних и высоких широтах Северного полушария колебания уровня приземной УФ-В радиации полностью контролируются общим содержанием озона.

• Впервые установлена статистически значимая отрицательная связь усредненных значений ОСО по данным космической аппаратуры TOMS с молярной концентрацией диоксида углерода на высоте 1,5 км по данным самолетных измерений над лесами юга Западной Сибири в период максимума летнего солнцестояния (июнь-июль).

• Показано, что наблюдаемые в XX веке долговременные глобальные понижения уровня общего содержания озона способствуют накоплению диоксида углерода в земной атмосфере и являются достаточно редким явлением, не имеющим аналогов, по крайней мере, на временной шкале с 1675 по 2000 годы.

• Впервые установлено, что воздействие умеренных доз УФ -В радиации снижает риск заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ). Найдена статистически высокая положительная корреляция между уровнем ОСО в период максимума летнего солнцестояния и количеством случаев ОИМ, регистрируемых в период с сентября текущего года по май следующего.

Практическая значимость

• При отсутствии достоверных данных радиационных наблюдений в УФ-В диапазоне спектра для анализа биосферных процессов в средних и высоких широтах Северного полушария в качестве адекватной замены предложено использовать временные ряды ОСО.

• Показано, что глобальное истощение озона относится к числу значимых факторов в глобальном цикле углерода, который необходимо учитывать при создании моделей климата.

• Установлено позитивное влияние умеренных естественных доз УФ-В радиации в качестве профилактической меры по снижению риска возникновения острого инфаркта миокарда.

• Обнаруженная связь колебаний уровня суммарного озона и количества случаев острого инфаркта миокарда позволит в дальнейшем прогнозировать риск заболевания.

Личный вклад автора: участие в постановке задачи и выборе экспериментального материала, формирование и обработка полученных временных рядов, анализ результатов. Настоящая работа является итогом исследований выполненных автором в 2003-2006 гг.

Положения, выносимые на защиту:

1. В исследованиях воздействия на биосферные процессы УФ-2? радиации на длинах волн короче 310 нм в зоне умеренных и полярных широт Северного полушария при отсутствии рядов радиационных данных в качестве их эквивалентной замены могут быть использованы временные ряды общего содержании озона (ОСО).

2. Наличие высокой значимой корреляции измеренных в июне-июле значений ОСО и концентраций СО2 на высоте 1,5 км над хвойными лесами юга-запада Сибири позволяет связать увеличение глобального содержания СОг в атмосфере в 30-е годы и в последнюю четверть XX века с глобальной депрессией фотосинтеза из-за повсеместного длительного спада ОСО в эти периоды времени.

3. Для региона юга Западной Сибири существует статистически высокая положительная корреляция между усредненными летними (июнь-июль) значениями ОСО и количеством острых инфарктов миокарда, регистрируемых в период с осени текущего года до начала нового летнего сезона. Максимальная корреляция проявляется для периода ноябрь-апрель.

Апробация работы. Результаты работ докладывались на международных и российских конференциях:

Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики (EESFEA-2003)» (Томск 2003), «Информационно-волновые технологии в комплексной реабилитации пациентов в лечебных и санаторно-курортных учреждениях» (Томск 2004), «ENVIROMIS-2004» (Томск 2004), «XII Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Томск 2005), «XIII Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics» (Томск 2006).

На разных этапах работа была поддержана грантами: по проектам РФФИ № 03-05-65105, №04-04-96016-р2004урала, №05-05-98003-робьа и интеграционному проекту СО РАН № 95.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 127 страницах и содержит 15 таблиц, 44 рисунка. Список литературы включает 120 наименований.

Основные выводы

1. Между рядами относительных отклонений суточных и среднемесячных значений ОСО и дозы У Ф-В радиации, а также между рядами среднегодовых значений, на длинах волн короче 310 нм в регионах умеренных широт Северного полушария существует статистически высокий уровень отрицательной корреляции.

2. При отсутствии статистически обеспеченных временных рядов дозы УФ-В радиации на длинах волн короче 310 нм в регионах средних и высоких широт Северного полушария для анализа биосферных процессов в качестве адекватной замены могут быть использованы временные ряды ОСО.

3. Статистически значимая отрицательная корреляция существует между значениями ОСО, полученными с помощью космической аппаратурой TOMS, и самолетными измерениями концентраций С02 на высоте 1,5 км.

4. Глобальная депрессия фотосинтеза, вызванная истощением озона в больших пространственных масштабах над территорией Евразии способствует дополнительному росту глобального С02 в атмосфере Земли.

5. Воздействие умеренных доз УФ -В радиации, способствуя выработке в коже человека витамина D3, уменьшает риск заболевания острым инфарктом миокарда (ОИМ).

6. Минимальное по году количество случаев ОИМ регистрируется в период, близкий к максимуму летнего солнцестояния (июль-август).

7. Между усредненными значениями ОСО в период наибольшей инсоляции (июнь-июль) и количеством ОИМ, регистрируемых с осени текущего года вплоть до следующего летнего сезона, существует статистически значимая положительная корреляция с максимумом, приходящимся на временной интервал ноябрь-апрель.

Заключение

В работе показано, что воздействия УФ -В радиации на биосферу Земли является одним из наиболее значимых факторов, которые необходимо учитывать при оценке происходящих изменений климата и создании климатических моделей. Отсутствие долгосрочных рядов измерений радиации в волновом диапазоне 300-310 нм для исследований в регионах умеренного пояса Северного полушария может быть скомпенсировано наличием статистически обеспеченных рядов инструментальных наблюдений ОСО. Существующая методика реконструкции палеоповедения озоносферы по плотности годичных колец темнохвойных пород деревьев позволяет проводить анализ долгопериодных колебаний ОСО, и, следовательно, УФ-В радиации по всей длине дендрохронологического сигнала.

1. Банах Г.Ф., Ипполитов И.П., Лопасова Т. А. Влияние атмосферы на коротковолновую границу солнечной УФ радиации у поверхности Земли // Космические исследования. 1986. - Т. 24. - Вып. 6. - С. 890-895.

2. Белинский В.А., Гарадэ/са МЛ., Меженная Л.М., Незваль Е.И. Ультрафиолетовая радиация Солнца и неба. М.: Изд-во МГУ, 1968. - 228 с.

3. Бетиг З.Р., Мазур Н.А., Метелица В.И. Сравнительные данные по регистрам инфаркта миокарда в Москве и в Берлине. Эпидемиология сердечнососудистых заболеваний.-М.: Медицина, 1977. С. 166-193.

4. Бондаренко СЛ., Зуев В.В., Зуева Н.Е., Бондаренко М.А. Влияние колебаний озоносферы и связанной с ними солнечной УФ-В радиации на рост и продуктивность хвойных лесов // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. № 1-2. С.120-123.

5. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Химия и физика стратосферы и мезосферы. JI.: Гидрометеоиздат, 1987.-413 с.

6. Будыко М. И. Изменения климата JI.: Гидрометеоиздат, 1974. - 279 с.

7. Веретененко С.В., Пудовкин М.И. Эффекты форбуш-понижений галактических космических лучей в вариациях общей облачности // Геомагнетизм и аэрономия. 1994. - Т. 34. - № 4. - С. 38.

8. BumuHCKuii Ю.И. Солнечная активность. М.: Наука, 1983. - 192 с.

9. Гуральник И.И., Дубинский Г.П., Ларин В.В., Мамиконова С.В. Метеорология. JL: Гидрометеоиздат, 1988. - 440 с.

10. Гущин Г.П. Исследование атмосферного озона. Л.: Гидрометеоиздат, 1963. -269 с.

11. Гущин Г.П., Виноградова Н.Н. Суммарный озон в атмосфере JL: Гидрометеоиздат, 1983. -237 с.

12. Добровольский Г.В., Куст Г.С. Деградация почв «тихий кризис планеты». // Природа. - 1996. - №5. - С. 54-63.

13. Зуев В.В, Зуева Н.Е., Бондаренко С.Л. Аиализ связей циклов человеческой смертности и колебаний озоносферы с использованием деидрохронологических данных // Сибирский экологический журнал, 2004 а. №1. С.3-7.

14. Зуев В.В. Дистанционный оптический контроль стратосферных изменений. Томск: МГП «РАСКО», 2000. - 140с.

15. Зуев В.В. Лидарный контроль стратосферы Новосибирск: Наука, 2004. - 307 с.

16. Зуев В.В., Белая БД., Зуева Н.Е. Инойе Г., Мачида Т. Связь стока углекислого газа из атмосферы над бореальными лесами Сибири с колебаниями озоносферы // Оптика атмосферы и океана. 2005 а. - Т. 18., №7. - С. 618-620.

17. Зуев В.В., Бондаренко С.Л. Анализ деидрохронологических рядов для реконструкции палеоповедения озонового слоя атмосферы // Труды международной конференции «Экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики», Томск, 5-8 сентября, 20016. С. 3-12.

18. Зуев В.В., Бондаренко С.Л. Взаимосвязь долгопериодной изменчивости озоновогослоя атмосферы с обусловленной УФ-В воздействием изменчивостью плотности древесины // Оптика атмосферы и океана. 2001а. Т. 14. - №.12. -С.1-4.

19. Зуев В.В., Бондаренко С.Л. Реконструкция многовекового хода общего содержания озона на основе деидрохронологических данных / Доклады Академии наук.- 2003. Т.392., №5. - С. 682-385.

20. Зуев В.В., Бондаренко С.Л. Реконструкция палеоповедения озонового слоя из деидрохронологических данных с использованием спутниковых данных TOMS // Исследование Земли из космоса. 2002. - № 6. - С. 48-53.

21. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Бондаренко C.JI. Влияние долгопериодныхколебаний озоносферы века на изменчивость глобального содержания СОг в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2005 б. - Т. 18. № 7. - С. 621-626.

22. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Зяблое Ю.И., Округин С.А. Связь колебаний озоносферы, модулирующих уровень УФ-В солнечной радиации, и циклов острых инфарктов миокарда. // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18. - №.7. -С.627-631.

23. Зуев В.Е., Комаров B.C. Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы JL: Гидрометеоиздат, 1986. - 264 С.

24. ЗуевВ.В. Динамика озоносферы на рубеже XX и XIX веков // Исследования в области океанологии, физики атмосферы, географии, экологии, водных проблем и геокриологии. М.: ГЕОС, 2001. -С. 30-36.

25. ЗуевВ.В., ЗуеваН.Е. Влияние вариаций суммарного озона на изменение уровня солнечной УФ-В радиации // Оптика атмосферы и океана, 2006. Т. 19. - №12 С.1053-1061.

26. Зуев В.В., Смирнов С.В. Наблюдения за общим содержанием озона над Томском // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 1996. Т. 32. № 4.- С. 573-575.

27. Исаев А.А. Статистика в метеорологии и климатологии. М.: МГУ. 1998. 248 с.

28. Казимировский Э.С., Матафонов Г.К., Вергасова Г.В., Белинская А.Ю.

29. Тренды и низкочастотные вариации в общем содержании озона над Восточной Сибирью // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. -1999.-Вып. 109(2).-С. 190-199.

30. Комов В.П., ШведоваВ.Н. Биохимия: Учебник для вузов (Высшее образование: Современный учебник). - М.: Дрофа, 2004,- 640 с.

31. Кондратьев К.Я., Донченко В.К. Экодинамика и геополитика. Т.1. Глобальные проблемы (К.Я. Кондратьев). СПб. 1999 - 1032 с.

32. Кондратьев К.Я., Федченко ПЛ. Влияние спектра солнечной радиации на эволюцию биосферы.- М.: Наука Вестник Российской Академии Наук, 2005. Т. 75.N. 6. С. 522-532.

33. Кондратьев К.Я., Крапивин В. Ф. Моделирование глобального круговорота углерода М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004 - 336с.

34. Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М.: Высшая школа. 2005. -737 с.

35. Макарова Е.А., Харитонов А.В., Казачевская Т.В. Поток солнечного излучения. -М.: Наука, 1991.-400 с.

36. Махоткин Л.Г. Эквивалент массы Бемпорада // Труды ГГО. 1960, Вып. 100. -С. 15-16.

37. Михалев А. В., Черниговская М. А., Шалин А. Ю. Нерегулярные вариации приземной ультрафиолетовой радиации // Оптика атмосферы и океана. 2002. -Т. 15.-№2.-С. 189-193.

38. Михалев А.В., Тащилин М.А., Черниговская М.А. Пространственные и временные вариации эритемпой ультрафиолетовой радиации по данным спутника EARTH PROBE // Солнечно-земная физика, 2004. Вып. 5. - С. 128-130.

39. Михалев А.В., Тащилин М.А., Черниговская М.А., Шалин А.Ю. Эритемная ультрафиолетовая радиация по данным наземных и спутниковых измерений // Оптика атмосферы и океана. 2003. - Т. 16. - № 1. - С. 63-67.

40. Михалев А.В., Черниговская М.А., Шалин А.Ю. Сезонные икороткопериодные изменения приземной солнечной ультрафиолетовой радиации в Восточной Сибири // Исследования по геомагнетизму аэрономии и физике Солнца. 2001. - Вып. 112. - С. 243-252.

41. Незваль Е.И. Статистические характеристики прихода ультрафиолетовой радиации в Москве по данным за 1968-1992 гг. // Метеорология и гидрология. 1996. -№8.-С. 64-71.

42. Никберг И.И., Ревущий Е.Л., Сакали Л.И. Гелио-метеотропные реакции человека -Киев: Здоровье, 1986 96 с.

43. Ныколайкин Н.И., Николайкина Н.Е., Мелехова О.П. Экология М.: Дрофа, 2004 -624с.

44. Никольский Г.М. Ультрафиолетовое излучение Солнца и межпланетная среда. JL: Гидрометеоиздат, 1962.-432 с.

45. Палий И.А. Прикладная статистика. М.: Высшая школа. 2004. 176 с.

46. Ролдугин В.К., Старков Г.В. Изменение прозрачности атмосферы в 11-летием цикле солнечной активности // Доклады Академии наук. 2000. - Т. 370. -№5.-С. 675-677.

47. Романовский В.Е., Цынко Т.Ф. Атеросклероз: можно и нужно бороться Ростов-па-Дону: Феникс, 2003 - 160 с.

48. Русанов В.И. Методология оценки влияния погоды и солнечной активности на здоровье человека. Проблемы солнечно-биосферных связей Новосибирск: Наука, 1982- 124 е.

49. Camnaeea Р.А., Утергалиева Г.И., Багдановская Г.К. и др. Влияние климата на течение сердечно-сосудистых заболеваний Алма-Ата: Наука, 1983 - 140 с.

50. Спиричев В.Б. Что могут и чего не могут витамины М.:Миклош, 2003 - 300 с.

51. Тальрозе В.Л., Порейкова А.И., Ларин И.К. и др. Химико-кинетические критерии воздействия на озоносферу веществ естественного и антропогенного происхождения // Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1978. Т. 14. № 4. С. 355-365.

52. Тимурьянц Н.А., Титкин О.Г. Влияние изменений солнечной активностина динамику заболеваемости и смертности населения. // Ташкент: Медицина, 1985.N 5. С. 150-151.

53. Торговичев В. А., Мальковский А. П., Геогджаев И. В. Спектральные измерения солнечной ультрафиолетовой радиации прибором СУФС-М // Метеорология и гидрология. 1994.-№ 12.-С. 103-110.

54. Хвостиков И.А. Физика озоносферы и ионосферы. Ионосферные исследования, № 11.-М.:Изд-во Академии Наук СССР, 1963.-663 с.

55. Хргиап А.Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона. М.: Изд-во МГУ, 1981.- 216 с.

56. Черниговская М.А., Михалев А.В., Тащилин М.А. Многолетние вариации эритемпой ультрафиолетовой радиации в Иркутске по данным спутниковых измерений // Оптика атмосферы и океана. 2005. - Т. 18.-№ 1-2.-С. 160-166.

57. Черниговская М.А., Михалев А.В., Тащилин М.А. Пространственные и временные неоднородности полей эритемпой ультрафиолетовой радиации над территорией России // Оптика атмосферы и океана. 2004. - Т. 17. - №. 1. -С.81-85.

58. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь.- М.: Мысль, 1976. 367 с.

59. Швер Ц.А., Форманчук Н.П. Климат Иркутска. —Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 247 с.

60. Юлдашев К.Ю., Хамитов Л.Я. Сезонные и суточные ритмы обострения ишемической болезни сердца и их прогнозирование в условиях региона. // Ташкент: медицииа, 1986. N 1. С. 43-45.

61. Bais A., Blumthaler М., Webb A.R., GroeberJ., Kirsch P.J., Gardiner В.G., Zerefos C.S., Svenoe Т., Martin T.J. Spectral UV measurements over Europe within the SESAME activities. // J Geophys. Res. 1997. V 102. N D 8. P. 1151-1154.

62. Bernhard G., Mayer В., Seckmeyer G., Moise A. Measurements of spectral solar UV irradiance in tropical Australia // J. Geophys. Res. 1997. 102. ND 7. P. 8719 8730

63. Bodhaine В.A., Button E.G., Hofman D.G., McKenzi R.L. UV measurementsat Mauna Loa: Julyl995 to Jyle 1996.// Geophys. Res. 1997 102 ND 15P. 1926519274.

64. Bojkov R.D., Fioletov V.E. and Diaz S.B. The relationship between solar UV irradiance and total ozone from observations over southern Argentina // Geophys. Res. Lett.1995. V. 22 P. 1249- 1252.

65. Phys. Med. Biol., 1982. V. 27. P. 715-720. Diffey B.L. Stratospheric ozone depletion and risk of non-melanoma skin cancer in

66. British population. // Phys. Med. Biol., 1992. V. 37. N 12. P. 2267-2274. Diitsch H.U. The ozone distribution in the atmosphere // Canad. J. Chem. 1974. -V. 52.-P. 1491-1504.

67. Ellinger R., Huber M., Ambach W., Blumthaler M. Variability of solar UV-B irradiance with cloudiness and ozone in Innsbruck // Proc. 24th Int. Conf. Alpine Meteorol.1996, Bled, Sept. 9-13, 1996. Ljubljana: ICAM'96. 1996. P. 431-436.

68. Grant W.B. An ecologic Study of Dietary and Solar Ultraviolet-B Links to Breast Carcinoma Mortality Rates // Cancer. 2002. V 94. N 1. P. 272-281.

69. Hollosy F. Effect of ultraviolet radiation on plant cells // Micron. 2002. V. 33. N2. P. 179-197.

70. Joaefsson IV., Landelivs T. Effect of clouds on UV irradiance: As estimated from doud amount, cloud type, precipitation, global radiation and sunshine duration // J. Geophys. Res. D. 2000. - Vol. 105. - N 4. - P. 4927-4935.

71. KondratyevK.Ya., Varotsos C.A. Atmospheric Ozone Variability: Implications for Climate Change, Human Health and Ecosystems. Chichester U.K.: Springer PRAXIS, 2000. 617 pp.

72. Kricker A. Armstrong B.K, Jones M.E., Burton R.C. Health, solar UV radiation and environmental change. Lyon: International Agency for Research on Cancer, 1993. - IARC Technical Report N 13.

73. Kylling A., Bais A.F., Blamthaler M., Schreder J., Zerofos C.S., Kosmidis E. Effect of aerosols on solar UV irradiances during the Photochemical Activity and Solar Ultraviolet Radiation Campaign // J. Geophys. Res. 1998. 103. ND 20. P. 2605726060.

74. Madronich S. UV radiation in natural and perturbed atmosphere In: Environmental Effects of Ultraviolet Radiation M. Tevini (ed.) - Lewis Publ.- Boca Raton, FL. 1993-PP.1769.

75. Madronich S., McKenzie R. Caldwell M.M., Bjoern L.O. Changes inultraviolet radiation reaching the Earth's surface. 1995b. Ambio. 24. P. 143-152.

76. Madronich S., McKenzie R.L., Caldwell M.M., Bjoern L.O. Changes in ultraviolet radiation reaching the Earth's surface. WMO. Global Ozone Research and Monitoring Project Report. 1995a. No 37. WMO Geneva, Switzerland. P. 1-30.

77. Mayer В., Secmeyer G., Kylling A. Sistematic long-term comparison of spectral UV measurements and UVSPEC modeling results // J. Geophys. Res. 1997. 102. P. 8755 8767.

78. McKenzie R.L., PaulinKJ., Bodeker G.E., Liloy J.В., Sturman A.P. Cloud cover measured by satellite and from ground: Relationship to UVradiation at the surface. // Int. J Remote Sensing. 1998. V. 19. N. 15. P. 2969-2985

79. McKenzie R.L., Seckmeyer G., Bais A.F., Kerr J.B., Madronich S. Satellite retrievals of erythemal UV dose compared with ground-based measurements at northern and southern midlatitudes 11 J. Geophys. Res. D. 2001. - Vol. 106. - N 20. - P. 2405124062.

80. McKinley A. F., Diffey B.L. A reference action spectrum for ultraviolet induced erythema in human skin 11 CIE J., 1987. V. 6. P. 17 22.

81. Mikhalev A.V., Chernigovskaya M.A., Shalin A.Yu. Irregular variations of the ground-level ultraviolet radiation // Proceedings of SPIE.-20026. Vol. 4678. - P. 654-659.

82. Mikhalev A.V., Chernigovskaya M.A., Shalin A.Yu., Kazimirovsky E.S. Variations of the ground-level ultraviolet radiation in East Siberia // Adv.Space Res. -2001. -Vol. 27.-N6-7.-P. 1109-1114.

83. Mikhalev A.V., Chernigovskaya M. A., Shalin A.Yu., Kazimirovsky E.S. Surface ultraviolet radiation over East Siberia: seasonal variations // Annals Geophysical. 2002a. -Vol. 20.-N4.-P. 559-564.

84. Mikhalev A.V., Tashchilin M.A., Chernigovskaya M.A. Spatialinhomogeneities of erythemal ultraviolet radiation fields // Proceedings of SPIE. -2004. Vol. 5397. - P. 300-309.

85. Mikhalev A.V., Tashchilin M.A., Chernigovskaya M.A., Shalin A.Yu. Erythemal ultraviolet radiation as deduced from data of ground-based and satellite measurements 11 Proceedings of SPIE. 2003. - Vol. 5027. - P. 258-265.

86. Mints F.M., Lass J. W., Blaha R.A. Increased solar ultraviolet-B associated with record low ozone over Texas // Geophys. Res. Lett. 1995. - Vol. 22. - № 3. - P. 227-230.

87. Minschwaner K., Varney L., Starke V. Effect of aerosols on surface UV at Socorro, New Mexico: Measurements based on global irradiances and a direct sun photometer // Proc. SPIE. 2001. - Vol. 4482. - P. 265-270.

88. Mich P., Lastovicka J. Analysis of laminated structure in ozone vertical profiles in central Europe //Ann. Geophys. 1996. V. 14. P. 744-752.

89. Penhale P. A. (Eds.), Ultraviolet Radiation in Antarctica measurements and Biological Effects. AGU Antarctic Research Series. 1994. V. 62. American Geophysical Union. Washington DC. P. 39-42.

90. PetzoldtK., NaujokatB. and Neugebohren K. Correlation between stratospheric temperature, total ozone and tropospheric weather system I I Geophys. Res. Lett. 1994. V.21.No. 13. P. 1203-1206.

91. Renaud A., Staehelin J. Influence of total ozone variation on UV-B (erythema) radiation, an analysis of UV-biometer measurements at Davos, Switzerland // Ann. geophys-1997.-Vol. 15.-P. 703.

92. Renaud A., Staehelin J., Frohiich C., Philipona R., Heimo A. Influence of snow and clouds on erythemal UV radiation: Analysis of Swiss measurements and comparison with models // J. Geophys. Res. D. 2000. - Vol. 105. - N 4. - P. 4961-4969.

93. Ruscone T.G., Grosignane P., Micheletti T.et al. Meteorogical influences on myocardial infarction in the metropolitan area of Milan. // Int. J. Cardiol., 1985. N 9. P. 75-80.

94. Sprtova M., Marek M.V., Nedbal L., Prasil O., Kalina J. Seasonal changes of photosynthetic assimilation of Norway spruce under impact of enhanced UV-B radiation // Plant Science. 1999. 142. P. 37-45.

95. Udelhofen P.M., Gies P., Roy C, Randel W. J. Surface EV radiation over

96. Australia, 1979-1992: Effects of ozone and cloud cover changes on variations of UV radiation // J. Geophys. Res. D. 1999. - Vol. 104. - N 16. - P. 19135-19159.

97. Ultraviolet Radiation. An Authoritative Scientific Review in Environmental and Health Effects of UV, with Reference to Global Ozone Layer Depletion. Environmental Health Criteria Geneva, Switzerland, WHO 160, 1994.

98. Word Health Organization Myocardial Community Registers. Copenhagen, 1976. (WHOMCR).

99. Zerefos C., Meleti C., Balis D., Tourpali K., Bais A.F. Quasi-biannual and longer-term changes in clear-sky UV-B solar irradiance. // J. Geophys. Res. Lett. 1998. V.25, N23. P. 4345-4348.

100. Zerefos C.S. Factors influencing the transmission of solar ultraviolet irradiance through the earth's atmosphere. // in: Zerefos C.S., Bais A.F. (eds.). Solar Ultraviolet Radiation. // NATO ASI Series, Berlin: Springer-Verlag. 1997. V 52. P 133-141.