The contribution of weather factors to seasonal variations in oxygen partial density in different climatic zones

Full Text

Обоснование

На организм человека оказывают влияние множество погодных и геофизических факторов, основными из которых являются температура, влажность, атмосферное давление, солнечная радиация, магнитная активность, состав воздуха [1–3]. Интенсивность биотропного воздействия обусловлена не только величиной этих факторов, но и периодичным и апериодичным изменением их во времени [4]. Длительная экспозиция высокой температуры вызывает гипертермию и сопутствующие ей синдромы, такие как тахикардия, гипер- или гипотензия, головная боль, судорожный синдром, водно-электролитные нарушения [5]. В результате охлаждения возможны многообразные функциональные изменения, ухудшающие здоровье [6, 7]. Так, определены 33 вида и класса болезней и синдромов, где острое воздействие холода может являться как причинным (этиологическим) фактором возникновения дисфункций, так и выступать решающим условием для реализации других патологических процессов (патогенетический фактор), способствуя обострению их клинического течения и утяжелению исходов.

Высокая влажность усиливает патогенное воздействие как высоких, так и низких температур. При высокой влажности нарушаются процессы вентиляции и альвеолокапиллярной диффузии [8]. Пары́ воды участвуют в поддержании уровня парциальной плотности кислорода (ППК) во вдыхаемом воздухе и в процессах теплоотдачи. Атмосферное давление влияет на значительное число функций организма человека, в том числе на газообмен и работу системы кровообращения [9].

В настоящее время растёт озабоченность компетентных специалистов изменением содержания кислорода в приземном воздухе [10, 11]. Существует несколько классификаций погод, где влияющим на здоровье человека определяющим фактором является величина ППК. Это гипоксический, спастический, индифферентный, гипотензивный типы, требующие или не требующие медицинского контроля [12, 13].

Необходимо отметить, что среди этих типов погод не рассматриваются ситуации с повышенным содержанием кислорода, хотя в ряде работ было установлено негативное воздействие на здоровье и самочувствие человека повышенного содержания кислорода во вдыхаемом воздухе [14], в том числе и в высоких широтах [15].

С учётом сочетания периодических и апериодических изменений погодных факторов представляется актуальным оценить их внутригодовые вариации в различных климатических поясах и определить их вклад в формирование сезонных ритмов ППК.

Цель исследования. Оценить вклад погодных факторов субарктического и субтропического климатических поясов в сезонную динамику ППК в атмосферном воздухе.

Материалы и методы

Погода испытывает периодические и апериодические изменения, поэтому для математического анализа изменений погоды применен вейвлет-анализ [16]. Анализ сигналов производили в плоскости wavelet-коэффициентов (масштаб–время–уровень) [17]. По результатам вейвлетного преобразования можно судить, как меняется спектральный состав временнÓго ряда со временем, то есть возможно отслеживать погодные «всплески»: циклоны с атмосферными фронтами и их влияние на постоянные ритмы погодных компонентов [4].

Определяли средний уровень показателя (мезор, M±m), амплитуду ритма (А, усл. ед.), периоды постоянных и вставочных (квантованных) ритмов (сут/мес.), коэффициент вариации (c_v, %) и коэффициент синхронизации (r, усл.ед.) анализируемых временны́х рядов. Статистическую значимость ритмов оценивали путём многократной (5000) случайной перестановки уровней исходного временнÓго ряда. Приведённые в статье значения р показывают долю случаев, когда энергия выделенной частотной составляющей в исходном ряду превышала соответствующую энергию в случайной перестановке.

Для оценки окологодовых вариаций погодных факторов использовали ежедневные среднесуточные значения температуры окружающего воздуха (Т,°С); атмосферного давления (Р, мм рт. ст.), относительной влажности (φ, %) и ППК (г/м³).

ППК (другое определение — весовое содержание кислорода) прямо пропорционально атмосферному давлению за вычетом парциального давления водяного пара и обратно пропорционально температуре воздуха: O₂=83×(P–φ)/T, которое коррелирует с парциальным давлением кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе в зависимости от физических характеристик [18, 19].

Для минимизации влияния гелиогеофизических факторов на погоду выбран 2007 г. как наиболее спокойный год, 23 цикла солнечной активности (среднемесячный сглаженный минимум чисел Вольфа составляет 2,2). Продолжительность фактических сезонов года на исследуемых территориях представлена в табл. 1.

 

Таблица 1. Продолжительность фактических сезонов года в Ханты-Мансийске (Россия) и Полокване (ЮАР)

Table 1. Duration of actual seasons of the year in Khanty-Mansiysk (Russia) and Polokwane (South Africa)

Ханты-Мансийск | Khanty-Mansiysk

Август August

Сентябрь September

Октябрь October

Ноябрь November

Декабрь December

Январь January

Февраль February

Март March

Апрель April

Май May

Июнь June

Июль July

Лето Summer

Осень Autumn

Зима Winter

Весна Spring

Лето Summer

Полокване | Polokwane

Август August

Сентябрь September

Октябрь October

Ноябрь November

Декабрь December

Январь January

Февраль February

Март March

Апрель April

Май May

Июнь June

Июль July

Зима Winter

Весна Spring

Лето Summer

Осень Autumn

Зима Winter

Сухой сезон Dry season

Влажный сезон Wet season

Сухой сезон Dry season

 

Город Ханты-Мансийск, координаты: 61° с. ш. 69° в. д. Климат резко континентальный: суровая продолжительная зима с сильными ветрами и метелями, весенними возвратами холодов, поздними весенними и ранними осенними заморозками. Характерна следующая фактическая продолжительность сезонов года¹: осень с 05 сентября по 11 октября (36 дней); зима с 12 октября по 27 апреля (200 дней); весна с 28 апреля по 09 июня (42 дня); лето с 10 июня по 04 сентября (87 дней). В течение года наблюдаются выраженные изменения фотопериода: минимальная продолжительность светового дня отмечена 22 декабря и достигает 5 ч 32 мин; летом во время белых ночей светлое время суток составляет 19 ч 17 мин.

Город Полокване — административный центр муниципалитета Полокване, района имени Тропика Козерога и провинции Лимпопо (ЮАР), координаты: 23° ю. ш. 29° в. д.

Лето в Лимпопо продолжается с ноября по март (~5 мес.). В этот сезон выпадает бÓльшая часть ежегодных осадков. Дневная температура может колебаться от 25 до 40 °C и более. Осень (апрель, май) — переходный сезон, характеризуется умеренными температурами и уменьшением количества осадков. Дневные температуры колеблются от 20 до 30 °C, количество осадков значительно уменьшается. Зима длится с июня по август (~3 мес.). Осадков практически не выпадает. Продолжительность весны, переходного периода от сухого сезона к влажному, ~2 мес. (сентябрь, октябрь). Колебания температуры от 20 до 35 °C. В провинции обильное солнечное освещение в течение всего года, особенно зимой. Сезонные вариации фотопериода незначительны, в пределах трёх часов (22 июня продолжительность светового дня — 10 ч 39 мин, 22 декабря — 13 ч 36 мин)².

Этическая экспертиза

Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом Ханты-Мансийской государственной медицинской академии (заключение № 214 от 15 октября 2024 г.).

Результаты

Среднегодовые величины, амплитуда колебаний и коэффициент вариации температуры, атмосферного давления, относительной влажности и ППК в Ханты-Мансийске и Полокване представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Среднегодовые величины, амплитуда колебаний и коэффициент вариации температуры, атмосферного давления, относительной влажности, парциальной плотности кислорода в Ханты-Мансийске и Полокване

Table 2. Average annual values, amplitude of fluctuations and coefficient of variation of temperature, atmospheric pressure, relative humidity, partial oxygen density in the cities of Khanty-Mansiysk and Polokwane

Параметры | Parameters	M±m	А	cv
Ханты-Мансийск | Khanty-Mansiysk
Температура, °С | Temperature (°C)	0,84±13,86	192,74	1641,15
Атмосферное давление, мм рт. ст. | Atmospheric pressure (mmHg)	1012,34±10,16	1024936,77	1,00
Относительная влажность, % | Relative humidity (%)	77,75±10,31	6151,88	13,27
Парциальная плотность кислорода, г/м3 | Partial oxygen density (g/m3)	283,24±14,79	80445,13	5,22
Полокване | Polokwane
Температура, °С | Temperature (°C)	17,77±4,36	334,77	24,52
Атмосферное давление, мм рт. ст. | Atmospheric pressure (mmHg)	1021,29±4,24	1043051,72	0,41
Относительная влажность, % | Relative humidity (%)	63,28±14,41	4212,23	22,77
Парциальная плотность кислорода, г/м3 | Partial oxygen density (g/m3)	274,22±6,55	75237,27	2,39

Примечание. М — средний уровень; m— стандартная ошибка; А — амплитуда колебаний (усл. ед.); c_v— коэффициент вариации (%).

Note. M — average level; m — standard error; A — oscillation amplitude (conventional units); c_v— variation coefficient (%).

 

Среднегодовые значения ППК в Ханты-Мансийске и Полокване значимо не отличаются (см. табл. 2), но наблюдаются достоверные сезонные различия (рис. 1), минимальные значения отмечаются в летние месяцы как в северном, так и в южном полушариях, однако коэффициент вариации ППК в Ханты-Мансийске выше —5,22% (от 260 г/м³ летом до 330 г/м³ зимой), тогда как в Полокване вариация ППК в течение года составляет 2,39% (от 260 г/м³ летом до 290 г/м³ зимой).

 

Рис. 1. Динамика парциальной плотности кислорода в Ханты-Мансийске и Полокване: ось абсцисс — величина парциальной плотности кислорода (г/м³), ось ординат — месяцы и сезоны.

Fig. 1. Dynamics of the partial oxygen density in Khanty-Mansiysk and Polokwane: the abscissa axis is the value of the partial oxygen density (g/m³), the ordinate axis is months and seasons.

 

При проведении вейвлет-анализа колебаний ППК в Ханты-Мансийске обнаруживаются два вставочных [20] ритма, или всплеска [21]: 101,1 сут/4,65 усл. ед./0,001³ и 135 сут/2,99 усл. ед./0,001 продолжительностью с января по июнь (зимне-весенний период). При сравнении спектрограммы ППК с таковыми других погодных параметров аналогичная продолжительность вставочных ритмов зафиксирована при колебаниях Т (101,1 сут), Р (75,3 сут) и φ (68,3 сут). У показателя влажности выявляются осенне-весенние всплески (19,0 сут; 17,3 сут). Корреляционный анализ вариаций погодных факторов и ППК в Ханты-Мансийске указывает на сильную положительную связь отношения ППК/Т (r=0,924) и умеренную положительную связь отношений ППК/Р (r=0,318) и ППК/φ (r=0,386).

Годовые колебания ППК в субтропическом климатическом поясе тоже имеют два вставочных ритма: 83,1 сут/2,11 усл. ед./0,002 и 23,2 сут/0,69 усл. ед./0,035, но в отличие от субарктического пояса мощность высокоамплитудного ритма с периодом 83,1 сут наблюдается в виде двух всплесков: январь–март и октябрь–декабрь, что соответствует влажному (летнему) сезону, а низкоамплитудный, но значимый ритм с периодом 23,2 сут наблюдается в максимум сухого сезона — июнь–июль (рис. 1). Температура воздуха в субтропическом поясе характеризуется постоянным низкоамплитудным трёхмесячным ритмом (101,1 сут/1,46 усл. ед./0,003) в отличие от вставочного в субарктическом климате.

Вариации атмосферного давления имеют постоянный высокоамплитудный (2,46 усл.ед.) ритм с периодом 101,1 сут (0,001) и кратковременные «вставочные» ритмы — 21,0 сут (0,001), 34,4 сут (0,001) и 50,9 сут (0,015), максимум мощности которых приходится на середину сухого сезона (май–август). Показатель влажности имеет постоянный ритм с периодом 83,1 сут (0,001) с максимальной мощностью в течение всего сухого сезона. Уровень взаимосвязи между ППК и погодными факторами в субтропическом климатическом поясе умеренно положительный: ППК/Т (r=0,627); ППК/Р (r=0,489); ППК/φ (r=0,351).

Обсуждение

При анализе хронобиологических особенностей колебаний ППК можно отметить, что в субарктическом регионе годовой ритм ППК модулируется вставочными внутригодовыми ритмами погодных факторов, вклад которых в результирующую величину ППК не одинаков в различные сезоны года. Наблюдается совпадение по временной оси вставочных ритмов ППК, температуры воздуха и влажности преимущественно в зимний период, летом величина ППК в большей мере зависит от короткопериодных вставочных ритмов атмосферного давления. Внутригодовой размах величин показателя достаточно высок (c_v — 5,22%), для сравнения в Москве — 2,7% [15]. Анализ окологодовых вариаций ППК показывает, что в субарктическом регионе наблюдаются стабильные сезонные изменения с гипероксией в зимний период и гипертермической гипоксией в летний.

В субтропическом климатическом поясе наблюдается ригидный ритм ППК (c_v — 2,39%) с низким мезором, что свидетельствует о неблагоприятном кислородном типе погоды [12], причиной которого могут быть преимущественно постоянные низкоамплитудные ритмы погодных факторов. Повышение ППК (ритм с периодом 23,2 сут) в мае–июне сухого сезона обусловливается кратковременными колебаниями атмосферного давления. Субтропический регион характеризуется круглогодичной погодной гипоксией с незначительным приростом ППК во время сухого сезона.

На севере преобладают вставочные сезонные ритмы, на юге — низкоамплитудные постоянные окологодовые. За счёт этого и формируются ригидный субтропический и выраженный сезонный субарктический ритмы ППК.

Количественная оценка погодных условий с медицинской точки зрения включает три типа кислородной погоды: благоприятная с ППК около 285±5 г/м³, условно неблагоприятная — с ППК 270–280 г/м³, неблагоприятная — с ППК ниже 270 г/м³ [19]. В медицинской классификации погоды по И.И. Григорьеву [12, 18] эти типы погоды классифицируются как требующие усиленного медицинского контроля (ППК 289–260 г/м³) и строгого медицинского контроля (ППК менее 260 г/м³), в отличие от весьма благоприятного типа (ППК более 315 г/м³). На этом классификация заканчивается, нигде не рассматривается влияние повышенной ППК, то есть гипероксии, что отмечают и некоторые авторы [15].

Кислород необходим для жизни, но как любое лекарственное средство он обладает положительным биологическим и сопутствующими токсическими эффектами. Патофизиологические процессы гипероксии связаны с повышением уровня активных форм кислорода, которые могут легко вступать в реакцию с окружающими биологическими тканями, повреждая липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Антиоксидантная защита может быть нарушена из-за гипероксии. Активные формы кислорода приводят к окислительному стрессу. Активированный эндотелий альвеолярных капилляров характеризуется повышенной адгезивностью, что приводит к накоплению клеточных популяций, таких как нейтрофилы, которые являются источником активных форм кислорода. Повышенный уровень активных форм кислорода вызывает гиперпроницаемость, коагулопатию и отложение коллагена, а также другие необратимые изменения, происходящие в альвеолярном пространстве [22].

Согласно теории А.И. Журавлева [23], первичное действие физических факторов связано с их влиянием на свободнорадикальные процессы. По способу генерировать свободные радикалы все факторы делились автором на 3 основные группы: 1) инициирующие свободные радикалы — ионизирующая радиация, ультрафиолетовые лучи, ультразвук, повышенное парциальное давление кислорода (оксигенотерапия); 2) ингибирующие свободнорадикальное окисление — пелоиды, сероводородные ванны, пониженное парциальное давление кислорода; 3) косвенно действующие на радикальные процессы — различные токи, видимое и инфракрасное излучение, микроволны и др. [24].

В анестезиологии и интенсивной терапии применение длительной искусственной вентиляции лёгких, наряду с увеличением использования гипербарической оксигенотерапии, сделало гипероксию серьёзной клинической проблемой. Даже сейчас, спустя почти 240 лет после открытия кислорода, остаются неясными безопасные с медицинской точки зрения верхние пределы и продолжительность вдыхаемой высокой фракции кислорода [25, 26].

В последнее время гипероксия применяется в виде интервальных гипоксически-гипероксических тренировок в спортивной [27] и клинической [28] медицине. Эффективность таких тренировок повышают чередованием коротких гипоксических экспозиций гипероксическими (2–3 мин газовая смесь с 30% О₂) импульсами [29].

Вместе с тем во многом не решена проблема «доза–эффект», считающаяся одной из важнейших в отношении свободнорадикальных процессов. Определение уровня активных форм кислорода, а также соотношения прооксидант/антиоксидант может быть использовано для объективной градации воздействия кислорода и других физических факторов [30].

Заключение

В субарктическом регионе годовой ритм ППК модулируется вставочными внутригодовыми ритмами погодных факторов, вклад которых в результирующую величину ППК не одинаков в разные сезоны года. Наблюдается совпадение по временнÓй оси вставочных ритмов ППК, температуры воздуха и влажности преимущественно в зимний период, летом величина ППК в большей мере зависит от короткопериодных вставочных ритмов атмосферного давления. Население Ханты-Мансийска подвергается воздействию изменённой газовой среды в течение всего года. Гипероксия в течение пяти месяцев: ноябрь, декабрь, январь, февраль, март. Нормоксия, весенний компонент: апрель, май, июнь; осенний компонент: сентябрь, октябрь. Гипертермическая гипоксия: июль, август.

Причинами обнаружения в субтропическом климатическом поясе ригидного ритма ППК (коэффициент вариации — 2,3%) с низким мезором могут быть преимущественно постоянные низкоамплитудные ритмы погодных факторов. У жителей провинции Лимпопо в сухой сезон (с мая по сентябрь включительно) ППК незначительно отличается от нормы, но в течение влажного сезона (с ноября по май) наблюдается гипоксия, которая в соответствии с медицинской классификацией погоды определяется как требующая усиленного медицинского контроля.

С учётом наличия апериодических составляющих в динамике погодных факторов в математической обработке данных необходимо применение методов, которые оценивают изменения спектрального состава временнÓго ряда со временем. Медицинские классификации погод рекомендуем дополнить такими пунктами как «гипероксический день» и «гипероксический» тип погоды.

Дополнительная информация

Вклад авторов. О.Н. Рагозин — существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, редактирование и окончательное утверждение рукописи; И.В Радыш — редактирование и окончательное утверждение рукописи; Л. Мутэло — анализ данных; Е.Ю. Шаламова — подготовка первого варианта статьи; А.Б. Гудков — редактирование первого варианта статьи; Э.Р. Рагозина — набор первичного материала; И.А. Погонышева — анализ данных. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Этическая экспертиза. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом Ханты-Мансийской государственной медицинской академии (заключение № 214 от 15 октября 2024 г.).

Источники финансирования. Отсутствуют.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Authors’ contribution. O.N. Ragozin — a significant contribution to the concept and design of the study, editing and final approval of the manuscript; I.V. Radysh — editing and final approval of the manuscript; L. Muthelo — data analysis; E.Yu. Shalamova — preparation of the first version of the article; A.B. Gudkov — editing the first version of the article; E.R. Ragozinа — a set of primary material; I.A. Pogonysheva — data analysis. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors have made a significant contribution to the development of the concept, research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Ethical expertise. The study was approved by the local ethics committee Khanty-Mansiysk State Medical Academy (conclusion No. 214 dated October 15, 2024).

Funding sources. No funding.

Disclosure of interests. The authors have no relationships, activities or interests for the last three years related with for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality. In creating this work, the authors did not use previously published information (text, illustrations, data).

Data availability statement. The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work, and no new data was collected or created.

Generative AI. Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review. This paper was submitted to the journal on an unsolicited basis and reviewed according to the usual procedure. Two external reviewers, a member of the editorial board, and the scientific editor of the publication participated in the review.

 

¹ Ханты-Мансийский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Режим доступа: http://www.ugrameteo.ru Дата обращения: 07.11.2024.

² Green Book: Adapting South African Settlements to Climate Change.Режим доступа: https://greenbook.co.za Дата обращения: 07.11.2024.

³ Здесь и далее: период/амплитуда/значимость.

About the authors

Oleg N. Ragozin

Khanty-Mansiysk State Medical Academy; Nizhnevartovsk State University

Email: oragozin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5318-9623
SPIN-code: 7132-3844

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Khanty-Mansiysk; Nizhnevartovsk

Ivan V. Radysh

Peoples' Friendship University of Russia

Email: iradysh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0939-6411
SPIN-code: 4780-5985

MD, Dr.Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Moscow

Livhuwani Muthelo

University of Limpopo

Email: livhuwani.muthelo@ul.ac.za
ResearcherId: AHC-1001-2022

PhD

South Africa, Polokwane

Elena Yu. Shalamova

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

Email: selenzik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5201-4496
SPIN-code: 8125-9359

Dr. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

Andrey B. Gudkov

Northern State Medical University

Email: gudkovab@nsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5923-0941
SPIN-code: 4369-3372

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

Elina R. Ragozinа

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

Email: elinka1000@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0199-2948

Postgraduate Student

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

Irina А. Pogonysheva

Nizhnevartovsk State University

Author for correspondence.
Email: severina.i@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5759-0270
SPIN-code: 6095-8392

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

Russian Federation, Nizhnevartovsk

References

Supplementary files