日光活动水平与气候带对氧密度年周期变化的影响

全文:

Обоснование

Накоплен достаточно обширный материал о влиянии геофизических и погодных факторов на здоровье человека [1–3].

Серьёзный вклад в изучение гелиометеотропных реакций организма внесли российские учёные [4]. Метеотропные реакции наблюдаются при заболеваниях сердца, сосудов, бронхов и лёгких, органов пищеварения, суставов, кожи, при нервной и психической патологии [5, 6].

В северном регионе возникают условия для нарушения временнÓй организации психофизиологических функций организма, обусловленные характерным гелиофизическим статусом циркумполярных областей [7].

В настоящее время интерес специалистов различного профиля сосредоточен на влиянии экзогенных факторов на динамику содержания кислорода в приземном воздухе [8]. Существует несколько классификаций погод, где определяющим фактором, влияющим на здоровье человека, является величина парциальной плотности кислорода (ППК), или весового содержания кислорода. Различают гипоксический, спастический, индифферентный, гипотензивный типы погоды, требующие или не требующие медицинского контроля [9, 10].

Необходимо отметить, что имеющиеся классификации не учитывают варианты погод с повышенным содержанием кислорода, хотя в ряде исследований установлено негативное воздействие гипероксии на здоровье и самочувствие человека [11–15]. Представляется актуальным оценить влияние активного и спокойного солнца на формирование цирканнуальных ритмов ППК в приземном слое воздуха в разных климатических поясах.

Цель исследования. Оценить влияние окологодовых вариаций солнечной активности на сезонную динамику ППК атмосферного воздуха в субарктическом и субтропическом регионах.

Материалы и методы

Для расчёта ППК (г/м³) использовали ежедневные среднесуточные значения температуры окружающего воздуха (Т, ^оС), атмосферного давления (Р, мм рт. ст.) и относительной влажности (φ, %). ППК прямо пропорциональна атмосферному давлению за вычетом парциального давления водяного пара и обратно пропорциональна температуре воздуха: O₂=83×(P–φ)/T. Наблюдается прямая корреляция ППК с парциальным давлением кислорода во вдыхаемом и альвеолярном воздухе в зависимости от физических характеристик [16].

Данные об относительном ежедневном числе солнечных пятен (число Вольфа — W) получены из общедоступных материалов Королевской обсерватории Бельгии (Брюссель)¹. исследование проводили в 2024 г. Проведение исследования одобрено локальным этическим комитетом БУ «Ханты-Мансийская государственная медицинская академия» (заключение № 214 от 15 октября 2024 г.).

Сравнивали 2007 г., как наиболее спокойный год 23-го цикла солнечной активности (среднемесячный сглаженный минимум W — 2,2), и 2001 г. — год активного солнца (W — 180,3). Для оценки временны́х рядов применяли вейвлет-анализ². По результатам вейвлетного преобразования можно судить, как со временем меняется спектральный состав временнÓго ряда.

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

Город Ханты-Мансийск — столица Ханты-Мансийского автономного округа — Югры; координаты: 61° с.ш. 69° в.д. Климат в регионе резко континентальный: зима суровая, продолжительная, с сильными ветрами и метелями, весенними возвратами холодов, поздними весенними и ранними осенними заморозками. 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 мин³.

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 большая часть ежегодных осадков. Зима длится с июня по август (~3 мес.), осадки практически не выпадают. В провинции обильное солнечное освещение в течение всего года, особенно зимой. Сезонные вариации фотопериода незначительны, градиент в пределах 3 ч (22 июня продолжительность светового дня 10 ч 39 мин, 22 декабря — 13 ч 36 мин)⁴.

Результаты

Описательные статистики W (усл. ед.) и внутригодовые ритмы солнечной активности за 2001 и 2007 гг. представлены в табл. 1 и на рис. 1.

 

Таблица 1. Внутригодовые ритмы солнечной активности за 2001 и 2007 гг.

Table 1. Intra-annual rhythms of solar activity in 2001 and 2007

Год Year	Период, сут Period, days	Энергия ритма, усл. ед. Rhythm energy, arb. units	p
2001	165,3	4,55	0,001
	105,1	2,33	0,001
	59,7	1,08	0,024
	9,8	0,87	0,012
2007	27,0	4,08	0,001
	13,7	1,43	0,001
	8,7	1,04	0,001

 

Среднегодовые уровни W (усл. ед.), А (усл. ед.) и c_v (%) в годы спокойного (2007 г.) и активного (2001 г.) солнца значимо отличаются (см. рис. 1). Спектр ритмов также различен (см. табл. 1).

 

Рис. 1. Описательные статистики числа солнечных пятен (усл. ед.), 2001 и 2007 гг.: А — амплитуда; c_v — коэффициент вариации.

Fig. 1. Descriptive statistics of sunspot numbers (arb. units), 2001 and 2007: A, amplitude; c_v , coefficient of variation.

 

В 2001 г. наиболее мощным является ритм, близкий к полугодовому (165,3 сут), и ритмы, близкие по периоду к трём, двум месяцам и неделе (табл. 1, рис. 2). В 2007 г. динамика W подчиняется ритму с периодом 27,0 сут с наибольшей амплитудой весной и осенью и низкоамплитудными двух- и околонедельными всплесками в зимний период (см. табл. 1, рис. 2).

 

Рис. 2. Вейвлет-спектрограммы вариаций солнечной активности: А — 2001 г.; В — 2007 г.

Fig. 2. Wavelet spectrograms of solar activity variations: A, 2001; B, 2007

 

По среднегодовым величинам ППК и амплитуде окологодовых колебаний в исследуемых климатических поясах в различные годы солнечного цикла достоверной разницы не обнаружено. Однако выявляются значимые отличия коэффициента вариации ППК в субарктическом регионе в годы с различным уровнем солнечной активности (табл. 2, рис. 3). Обнаруживается также выраженная тенденция к различиям коэффициента вариации ППК между субарктическим и субтропическим регионами в год спокойного солнца. Сезонные колебания ППК в Ханты-Мансийске в 2001 г. выше и составляют от 148 г/м³ летом до 395 г/м³ зимой (2007 г. — 260 г/м³ летом и 330 г/м³ зимой). Вариативность состояния «гипероксия/гипоксия» выходит далеко за рамки медицинской классификации погоды.

 

Рис. 3. Окологодовая динамика парциальной плотности кислорода в Ханты-Мансийске и Полокване в годы активного (2001 г.) и спокойного (2007 г.) солнца.

Fig. 3. Circannual changes of partial oxygen density in Khanty-Mansiysk and Polokwane during years of high (2001) and low (2007) solar activity.

 

Таблица 2. Описательные статистики парциальной плотности кислорода в Ханты-Мансийске и Полокване в 2001 и 2007 гг.

Table 2. Descriptive statistics of partial oxygen density in Khanty-Mansiysk and Polokwane in 2001 and 2007

Показатели Indicator	Ханты-Мансийск | Khanty-Mansiysk		Полокване | Polokwane
	2001	2007	2001	2007
Мезор, M±m | Mesor, M±m	278,23±50,10	283,24±14,79	272,59±6,19	274,22±6,55
Амплитуда, усл. ед. | Amplitude, arb. units	79964,45	80445,13	74341,42	75237,27
Коэффициент вариации, % | Coefficient of variation, %	18,15*	5,22**	2,27	2,39

Примечание. *р=0,022; **р=0,058.

Note: *р = 0.022; **р = 0.058.

 

В Полокване в 2001 г. зимне-летняя вариация ППК (см. табл. 2) изменяется от 262 г/м³ летом до 286 г/м³ зимой и практически не отличается от 2007 г. (260 г/м³ летом, 290 г/м³ зимой), хотя и попадает в разряд неблагоприятной кислородной погоды [17].

В год активного солнца (2001 г.) обнаруживается полиритмия постоянных и вставочных ритмов ППК как в субарктическом, так и в субтропическом регионах [18]. Полиритмичность ППК (2001 г.) в Ханты-Мансийске равна 5, в Полокване — 4 (табл. 3).

 

Таблица 3. Структура окологодовых ритмов парциальной плотности кислорода в Ханты-Мансийске и Полокване в 2001 и 2007 гг.

Table 3. Structure of circannual rhythms of partial oxygen density in Khanty-Mansiysk and Polokwane in 2001 and 2007

Город | City	Год | Year	Период, сут | Period, days	Амплитуда, усл. ед. | Amplitude, arb. units	p
Ханты-Мансийск Khanty-Mansiysk	2001	325,9	35,51	0,001
		147,6	3,899	0,001
		83,8	1,604	0,001
		105,1	1,477	0,005
		27,0	1,059	0,003
	2007	291,1	35,52	0,001
		93,8	4,395	0,001
		147,6	3,081	0,002
Полокване Polokwane	2001	291,1	45,67	0,001
		83,8	1,088	0,010
		59,7	1,024	0,012
		131,8	0,998	0,015
	2007	291,1	44,30	0,001
		83,8	2,068	0,002
		24,1	0,692	0,042

 

В Ханты-Мансийске (субарктический регион) в год активного солнца (2001 г.) выявляется 5 значимых ритмов ППК, в Полокване (субтропики) в этом же году — 4 значимых ритма (см. табл. 3). В год спокойного солнца (2007 г.) в обоих регионах обнаруживается по 3 значимых внутригодовых ритма ППК.

Обсуждение

Спокойное солнце характеризуется постоянством во времени электромагнитного излучения во всём его спектральном диапазоне и так называемого солнечного ветра — слабого потока электронов, протонов, ядер гелия, представляющего собой радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. Периодически, приблизительно каждые 11 лет, происходит увеличение солнечной активности (возникают солнечные пятна, хромосферные вспышки, протуберанцы в короне Солнца). В это время усиливается волновое солнечное излучение на разных частотах, из солнечной атмосферы выбрасываются в межпланетное пространство потоки электронов, протонов, ядер гелия, энергия и скорость которых намного больше, чем у частиц солнечного ветра. Этот поток частиц распространяется в межпланетном пространстве и через определённое время (12–24 ч) достигает орбиты Земли. [19]. Магнитное поле Земли служит защитой от солнечного ветра, но часть заряженных частиц способна проникать внутрь магнитосферы Земли. Это происходит в основном в высоких широтах, где имеются две так называемые воронки (каспы), одна в северном, другая в южном полушарии [20], для которых характерны особенности, обусловленные сезоном года (зимне-летние) и уровнем солнечной активности.

Реакции на гелиогеофизические факторы у человека варьируют от простых к системным, отягощаются антропогенными факторами риска и оказывают биоритмотропное десинхронизирующее влияние на функциональные системы организма [21].

Некоторые авторы выдвигают гипотезу о чувствительности биологических объектов к слабым электромагнитным полям искусственного и природного происхождения, влиянии магнитных пульсаций, частота колебаний которых лежит в диапазоне низкочастотных биологических ритмов [22]. Обнаружена термосферная реакция, обусловленная магнитными бурями, которая проявляется в виде уменьшения отношения концентраций атомарного кислорода и молекулярного азота в высокоширотных областях более чем в десять раз, в сравнении со спокойным уровнем магнитного поля. При этом в северном полушарии выраженность термосферной реакции в 1,5 раза больше, чем в южном [23].

В нашем исследовании получены данные о гелиометеотропном влиянии уровня солнечной активности на кислородный статус. Оно проявляется патологическим десинхронозом окологодовой вариабельности ППК с гипероксическим акцентом в субарктическом регионе и гипоксическим — в субтропиках.

Исходя из этого, необходимо осуществлять мониторинг ППК во вдыхаемом воздухе для оценки гипоксии/гипероксии и включать её показатели в прогноз погоды.

Заключение

В субарктическом регионе наблюдаются высокие значения ППК в год спокойного солнца и очень высокие в год с высокой солнечной активностью. На Севере окологодовая вариативность состояния «гипероксия/гипоксия» выходит далеко за рамки благоприятного типа погоды. В субтропическом климате фиксируется гипоксический вариант колебаний ППК вне зависимости от уровня солнечной активности. Показатель полиритмии как критерий десинхроноза ритмов ППК в приземном слое воздуха можно использовать для диагностики гелиометеотропных реакций при флюктуациях солнечной активности. Для прогнозирования возникновения неотложных состояний необходим мониторинг ППК.

Дополнительная информация

Вклад авторов. О.Н. Рагозин — существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, редактирование и окончательное утверждение рукописи; Л. Мутэло — анализ данных; Е.Ю. Шаламова — подготовка первого варианта статьи; А.Б. Гудков — редактирование и окончательное утверждение рукописи; И.В. Радыш — 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 БУ «Ханты-Мансийская государственная медицинская академия» (заключение № 214 от 15.10.2024).

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

Author сontributions: O.N. Ragozin: conceptualization, study design, writing—review & editing; L. Muthelo: formal analysis; E.Yu. Shalamova: writing—original draft; A.B. Gudkov, I.V. Radysh: writing—review & editing; E.R. Ragozina: investigation; I.A. Pogonysheva: formal analysis. All authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors made substantial contributions to the conceptualization, investigation, and manuscript preparation, and reviewed and approved the final version prior to publication).

Ethics approval: The study was approved by the Local Ethics Committee of the Budgetary Institution Khanty-Mansiysk State Medical Academy (Approval 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 to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously published material (text, images, or data) was used in this work.

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

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review process involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

 

¹ WDC-SILSO. Royal Observatory of Belgium, Brussels. Режим доступа: http://www.sidc.be/silso/datafiles Дата обращения: 07.11.2024.

² Программа исследования биологических ритмов методом вейвлет-анализа. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014611398 от 03.02.2014.

³ Ханты-Мансийский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Режим доступа: http://www.ugrameteo.ru Дата обращения: 07.11.2024.

⁴ Green Book: Adapting South African Settlements to Climate Change. Режим доступа: https://greenbook.co.za Дата обращения: 07.11.2024.

作者简介

Oleg N. Ragozin

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

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

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

俄罗斯联邦, Khanty-Mansiysk

Livhuwani Muthelo

Limpopo University

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

PhD

南非, Polokwane

Elena Yu. Shalamova

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

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

Dr. Sci. (Biology), Associate Professor

俄罗斯联邦, Khanty-Mansiysk

Andrei B. Gudkov

Northern State Medical University

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

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

俄罗斯联邦, Arkhangelsk

Ivan V. Radysh

Peoples’ Friendship University of Russia

Email: iradysh@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0939-6411

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

俄罗斯联邦, Moscow

Elina R. Ragozinа

Khanty-Mansiysk State Medical Academy

Email: elinka1000@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0199-2948
SPIN 代码: 2372-6621
俄罗斯联邦, Khanty-Mansiysk

Irina Pogonysheva

Nizhnevartovsk State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: severina.i@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5759-0270
SPIN 代码: 6095-8392

Cand. Sci. (Biology), Associate Professor

俄罗斯联邦, Nizhnevartovsk

参考

补充文件