Введение
Солнечная радиация, включая ультрафиолетовый (УФ)-спектр, является одним из основных климатообразующих факторов. Известно, что человек чутко реагирует на изменение количества поступающей УФ-радиации, поэтому повышение уровня УФ-радиации, вызываемое различными причинами, считается одной из наиболее важных проблем в последние десятилетия.
Под естественным ультрафиолетовым излучением понимается излучение, которое падает на поверхность Земли либо непосредственно от Солнца либо от неба и облаков в виде рассеянного и отраженного излучения [6]. Ультрафиолетовое излучение условно делится на три поддиапазона длин волн: А - от 315 до 400 нм, В - от 280 до 315 нм, С - короче 280 нм. Наиболее важным и очевидным проявлением действия коротковолновой УФ-радиации на человека является образование фотоэритемы и те последующие реакции, которые развиваются вслед за ее появлением. Наибольшие длины волн, вызывающие эритему, лежат между 315 и 320 нм. Ультрафиолетовая радиация данного диапазона называется эритемной ультрафиолетовой радиацией (ЭУФР).
Определенные дозы УФ-облучения необходимы и оказывают позитивное влияние на организм человека. УФ-излучение не относится к повреждающей ионизирующей радиации, но, попадая на кожу человека, вызывает фотоэлектрический и люминесцентный эффект. Проникая в кожу всего на 0,5 мм, оно способно оказать местное и общее действие на лимфо - и кровообращение [72]. Вредные последствия для человека вызывает УФ-недостаточность, которая отмечается в полярных и субполярных областях земного шара. Однако, для здоровья человека весьма опасна передозировка естественной УФ-радиацией, в результате которой происходят нежелательные процессы в его организме, вызывающие серьезные заболевания [30,43,93]. Известно, что УФ-радиация оказывает не только
позитивное, но и негативное влияние как на отдельные органы человека, так и на иммунную систему в целом [13]. В случаях непривычно избыточного действия УФ-радиации, кроме ожогов, возможны фотодерматозы и конъюнктивиты. Глаз - это орган наиболее подверженный влиянию УФ-радиации. Роговая оболочка поглощает почти всю УФ-радиацию на длинах волн ниже примерно 300 нм. На длинах волн более 300 нм главным поглотителем является хрусталик глаза. К сожалению, в отличие от кожи роговая и слизистая оболочки глаза не имеют хорошо развитого адаптивного механизма [91]. Менее 1% УФ-радиации с длинами волн более 315 нм достигает сетчатки в нормальном глазу, но у людей с удаленным хрусталиком нет этого фильтра, защищающего сетчатку. Поэтому длительное воздействие избыточного УФ-излучения может привести к возникновению катаракты. Еще в начале прошлого века офтальмологи обнаружили взаимосвязь между количеством поступающей УФ-радиации и частотой возникновения катаракты у людей. Однако только в последние 20 лет активно ведутся поиски связей между этим заболеванием и изменением количества УФР, как одного из многих факторов, вызывающих данное заболевание [90].
Одним из факторов, определяющих количество УФ-радиации является общее содержание озона (ОСО). Значительное его уменьшение над Антарктикой и прилегающими к ней регионами, наблюдаемое с конца 1970-х годов, становится все более заметным в последние десятилетия [1,89]. Этот процесс сопровождается увеличением количества ультрафиолетовой радиации (УФР), поступающей на земную поверхность. Так весной в Южном полушарии, в те дни, когда наблюдается уменьшение общего содержания озона, количество УФР с длинами волн 300 и 305 нм приблизительно равно своим летним значениям и в четыре раза превосходит значения, соответствующие нормальному уровню озона [76]. Необходимо учитывать, что приведенные зависимости относятся к конкретным районам, в данном
случае к станции с географическими координатами 55° ю.ш., 68 в.д. Аналогичные явления прослеживаются и в других районах полярных областей как в Южном, так и в Северном полушариях. Большинство современных исследований посвящено изучению влияния уменьшения ОСО на количество поступающей ультрафиолетовой радиации. В ряде работ отмечается негативный эффект такого влияния на организм человека в полярных районах [57,79]. По оценкам некоторых ученых, понижение ОСО на 1% сопровождается повышением УФ-радиации на 1,3 % [89]. Такие оценки можно считать приблизительными, так как связи между ОСО и УФ-радиацией достаточно сложны и зависят от географических особенностей изучаемой территории [33]. Во многом они определяются и режимом УФ-радиации в конкретном районе [37,51].
В научной литературе существуют противоречивые мнения относительно долговременных трендов приземной УФР и причин их вызывающих [47,54,79,105]. Так, по данным пиргелиометрических наблюдений в Вельске в 1980-1996 гг. обнаружено, что долговременный тренд спада аэрозольной оптической толщины атмосферы, составляющий 7,4 %, обусловил тренд роста суточной ЭУФР около 1%. Изменения ЭУФР, обусловленные изменениями аэрозольной оптической толщины атмосферы, оказались сравнимы с вариациями, возникающими за счет изменения общего содержания озона. И еще сильнее проявлялось влияние облачности [66]. Результаты наземных измерений УФР спектра В (280-315 нм) (УФ-В) в г. Хиратсука (Япония) за десятилетний период (1990-2000 гг.) выявили возрастание УФ-В излучения в среднем на 1,57% в год [88]. Анализ имеющихся данных о трендах средних зональных среднегодовых значений ЭУФР за период 1979-1992 гг. показал, что в области широт больших, чем 35°-40° в обоих полушариях отмечаются положительные тренды УФР, превосходящие дисперсию примерно в 2 раза [78]. По данным спутниковых
наблюдений долгосрочные тренды в северных широтах за 1979-1991 гг. указывают на возрастание средних зональных доз ЭУФР на 3-7% [104].
В настоящее время экспериментальное изучение тренда солнечного УФ-излучения на поверхности Земли является важным направлением в исследовании атмосферных процессов. Имеется ряд работ, в которых указывается на снижение УФР, обусловленное, в частности, изменением облачного покрова [24,36].
Анализ результатов измерений УФР в 1989-1994 гг. аппаратурой SBUV/2, установленной на спутнике NOOA-11, не обнаружил вариаций в области длин волн более 300 нм, выходящих за пределы погрешности измерений [54].
По данным других исследований, в то время как летом в тропиках наблюдается статистически значимый тренд возрастания УФР порядка 10% за 10 лет, обусловленный трендом спада ОСО, в средних широтах тренда УФР обнаружить не удалось [95]. Более того, по данным наземных наблюдений в г. Томск (1994 - 2001гг.) выявлено уменьшение интенсивности потока УФ-А и УФ-В радиации в период с 1996 по 1999 гг. и относительно большое увеличение потоков в период с 1999 по 2000 гг[8]. Сравнение трендов УФР по данным TOMS с полученными по модели UKMO (U.K. Meteorological Office), продемонстрировало хорошую согласованность. Расчетные модели 2000-2019 гг. показали, что дальнейшее незначительное изменение ОСО приведет к незначительным изменениям среднезональных значений УФР за год и в отдельные сезоны. В то время как в Южном полушарии уменьшение УФР весной статистически незначимо, на севере модель предсказывает значимые уменьшения весной (около 10% в высоких широтах) [58].
Анализ возможных причин таких противоречий указывает на следующие их источники: 1) низкую чувствительность используемых приборов; 2) недоучет влияния других факторов внешней среды на
приземное УФ-излучение при проведении трендового анализа [4]; 3) расхождения в данных наземных и спутниковых наблюдений; 4) различия во временных интервалах; 5) различия в методике обработки исходных данных; 6) различия в размерах изучаемых территорий.
Несмотря на отсутствие общей точки зрения в отношении долговременных изменений УФ-радиации, за последние годы несомненно возрос интерес к данным о пространственно-временной изменчивости поля
ультрафиолетовой радиации.
В 1995 г. Международное Агентство по Исследованию Рака взяло на себя инициативу по разработке программы эпидемиологических исследований, направленных на аспекты проблемы, связанные с раком кожи. При участии ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде) и ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения) был осуществлен совместный проект под названием INTERSUN. Целью проекта было получение информации о влиянии УФР на здоровье людей в различных странах и определение числа
пострадавших в мире людей от ее воздействия [96]. Такие данные необходимы для улучшения прогнозирования изменений УФ-радиации, влияющей на здоровье людей, и для получения возможности заблаговременного предупреждения об угрозе для здоровья [42,65,70].
Медицинская общественность чрезвычайно обеспокоена очевидным увеличением частоты кожных заболеваний, в частности увеличением частоты рака кожи, что вызвано, в основном влиянием УФ-радиации. Поскольку опухоли кожи развиваются очень медленно, в течение 20-30 лет, увеличение частоты опухолевых заболеваний может быть связано как с изменением поведения населения во время отдыха, так и с неблагоприятным УФ-воздействием на биологические экосистемы и человека. В связи с этим большинство научных исследований направлено на совершенствование методов измерения УФ-радиации, а также на биологические исследования
влияния УФ-радиации на различные экосистемы и человека с целью выработки радиогигиенических оценок УФ-радиации и рекомендаций по
мерам защиты [41,52,101]. С октября 1995 г. во многих странах мира ежедневно публикуются данные об УФ-индексе, который характеризует биологически активную (эритемную) УФ-радиацию [69,70].
В 2001 г. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) определила параметры для стандартизации УФ (UV) -индекса, которые используют 30 стран мира в прогностических целях. Параметры разработаны на основе моделей с использованием данных спутниковых наблюдений [58]. Чтобы вовремя обнаружить увеличение ЭУФР, создающее угрозу для здоровья человека, Служба Погоды Германии учредила оперативную схему для прогнозирования УФР. 48-часовой прогноз дает суточный максимум УФ-индекса, рассчитанного по рекомендациям ВМО. Процедура прогноза основана на расчетах с помощью модели радиационного переноса, с учетом высоты над уровнем моря, альбедо подстилающей поверхности и влияния
облачности [97]. Такие прогнозы должны помогать избегать солнечных ожогов и эффектов изменений кожи которые по мнению врачей-дерматологов, приводят к началу раковых заболеваний [82].
Помимо UV-индекса рассчитываются и другие показатели, оценивающие степень влияния УФ-радиации на человека. Метеорологическая служба Соединенного Королевства проводит расчеты среднего количества эритемной ультрафиолетовой радиации, необходимого для возникновения покраснения кожи, которое называется минимальной эритемной дозой (МЭД). Степень воздействия УФ радиации на кожу оценивается через МЭД, при этом учитывается и тип кожи человека, и ее реакция на УФ радиацию [99].
Для объединения усилий в решении проблем, связанных с влиянием УФ-радиации на организм человека, Всемирной Метеорологической
организацией в 1995 был создан Инициативный комитет по мониторингу УФР. Ключевыми направлениями усилий комитета по координации и обмену информацией являются: архивация и анализ данных наблюдений; оценка методик расчета УФР на уровне земной поверхности; получение репрезентативных данных по климатологии УФР, характеризующих как ее средние значения, так и изменчивость. Также ВМО уделяет большое внимание изучению проблемы изменения количества УФ-радиации в связи с глобальными климатическими изменениями [50]. Задание различных сценариев выбросов озоноразрушающих веществ в будущем (без внимания мер, предусматриваемых Монреальским протоколом и Копенгагенским дополнением к нему) позволит получить прогнозируемые оценки вероятностного изменения ЭУФ-радиации [78].
С 1993 г. в данном направлении ведутся исследования и Всемирной Организацией Здравоохранения в рамках программы Prevention of Blindness, приоритетными направлениями которой являются вопросы потенциальной опасности увеличения УФР для зрения людей [94].
Одной из основных задач программы EuroSPICE (The European Project on Stratospheric Processes and their Influence on Climate and the Environment) является обнаружение связей между факторами, влияющими на приземные потоки УФР, особенно в районах с незначительными трендами УФР [70].
Несмотря на обилие научных программ, посвященных данному вопросу, актуальность проблемы остается очевидной. Основные задачи современной деятельности Всемирной Метеорологической Организации в данном научном направлении сформулированы в программе исследований под названием Global Atmosphere Watch Programme (2001-2007). Основная цель этой программы следующая: дальнейшее развитие и координирование сети глобального мониторинга УФР; изучение климатических особенностей в распределении УФР, в частности распределение средних значений, приходящей на земную поверхность УФР и степень ее изменчивости [84].
10
На сегодняшний день исследования пространственных неоднородностей УФР, региональных особенностей и их тенденций освещены крайне недостаточно.
Основной целью диссертационной работы является:
— исследование особенностей географического распределения эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России по данным спутниковых измерений;
- выявление закономерностей изменчивости наземной эритемной ультрафиолетовой радиации в зависимости от сезона и географических особенностей территории.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
1. Исследование пространственного распределения среднемесячных значений эритемной ультрафиолетовой радиации (ЭУФР) в марте и июне.
В эти месяцы наиболее существенно влияние ЭУФР.
2. Анализ показателей межгодовой и внутримесячной изменчивости ЭУФР.
3. Исследование пространственных связей ЭУФР.
4. Выделение районов с синхронным колебанием ЭУФР в течение исследуемого периода.
5. Анализ типов распределения ЭУФР и выделение районов с одинаковым типом распределения ЭУФР.
Поставленные задачи определяют содержание работы.
1-ая глава диссертации посвящена характеристике ультрафиолетовой радиации Солнца, ее роли в важнейших фотобиологических реакциях и зонированию изучаемой территории по характеристикам УФ-климата.
Во 2-ой главе изложена характеристика исходного материала и методы его обработки, используемые для дальнейшего анализа. Исследуется пространственное распределение ЭУФР и долготные неоднородности в пределах выбранных широтных зон, а также временная изменчивость ЭУФР.
11
В 3-ей главе проводится анализ зональных корреляционных связей ЭУФР с выделением районов с мезомасштабными неоднородностями ЭУФР.
В 4-ой главе проводится районирование территории России по основным статистическим характеристикам эритемной ультрафиолетовой радиации.
Результаты диссертации опубликованы в двух статьях.
Основные научные положения диссертации были доложены и обсуждены на научном семинаре Кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды факультета Географии и геоэкологии СПбГУ.
12
ГЛАВА 1
Исследование эритемной ультрафиолетовой радиации.
1.1 Факторы, влияющие на распределение естественной
ультрафиолетовой радиации.
Под ультрафиолетовой радиацией понимают невидимую область электромагнитного излучения с более короткими волнами, чем видимое излучение, простирающуюся от 400 до 10 нм [6]. УФ-радиация характеризуется более высокой биологической активностью, чем видимая инфракрасная радиация. Такая активность объясняется высокой энергией квантов УФ-излучения, которая сообщается поглощающей молекуле. При длине волны менее 315 нм световой квант обладает энергией, достаточной для разрушения молекул белка. Наибольшим бактерицидным действием обладает УФ-радиация с длиной волны менее 280 нм. Поэтому всю область УФ-радиации условно разделяют на три части: УФ-А (315-400 нм), УФ-В (280-315 нм) и УФ-С (короче 280 нм).
Общее количество УФ-радиации в интегральном потоке, достигающем земной поверхности, по разным оценкам не превышает 3-5% [5, 96]. Одним из основных факторов, определяющих уровни и вариации приземной УФ-радиации, является угловая высота Солнца, которая формирует широтное распределение УФ-радиации. Между тем существуют и другие факторы. Прямая УФ-радиация при прохождении изменяется и количественно и качественно [9]. Часть УФ-радиации с длинами волн короче 280 нм поглощается озоном в высоких слоях атмосферы, часть рассеивается молекулами атмосферных газов, часть ослабляется облачностью и аэрозолями [3]. Изменение высоты над уровнем моря приводит к значительному изменению УФ-радиации. Суммарная радиация несколько возрастает с высотой, причем коротковолновая УФ-радиация возрастает несколько больше [6]. Так, по данным наземных измерений УФР на
13
высокогорной станции в Лльтиплано в Андах зарегистрированы значительные дневные дозы ЭУФР (10,6 кДж/м 2) [49].
Общее содержание озона оказывает большое влияние на УФ-радиацию области В. Интенсивность всех видов радиации в этой области уменьшается на 50-60% при удвоении общего содержания озона [5,46]. Значительные кратковременные вариации ОСО, наблюдаемые в высоких широтах (65 с.ш. и ю.ш.) порождают изменения УФР, сравнимые с изменениями за счет вариаций облачности и аэрозоля [61].Так, отмечено значительное повышение УФР в районах с локальным минимумом ОСО [75,80]. Потоки УФ-радиации в области А мало изменяются с изменением ОСО, всего на несколько процентов при изменении ОСО на 50% для высоты Солнца 30°. В области В эта зависимость является существенной: уменьшение ОСО на 50% вызывает примерно 30%-й рост усредненного по дням наблюдений потока [32,12]. Многими исследователями установлена значительная отрицательная корреляция между уровнями УФ-В излучения и ОСО [33,67,86]. Так, на станции Ушуайа (54,49 ° ю.ш., 68,19 ° з.д.) вследствие уменьшения ОСО весной в отдельные годы наблюдается изменение обычного годового хода УФ радиации: поздней весной величины УФ радиации больше, чем летом [56].
Одним из важных факторов, влияющих на перенос УФР через атмосферу, является облачность. Пространственная и временная изменчивость облачности затрудняет как измерение, так и моделирование приходящей УФР, поскольку связь между облачностью и УФР достаточно сложна [36,59,74,87]. По данным Sabziparvar А. и Shine К. наличие облачности обусловливает уменьшение потоков УФР (по сравнению с условиями ясного неба) в пределах от нескольких процентов в аридных и полуаридных районах до 45% в средних широтах [87]. Эксперименты, проведенные в штате Северная Каролина (США) с целью анализа воздействия облаков и дымки на УФР выявили, что 10-бальная кучевая
14
облачность приводит к 99% ослаблению приходящей УФ-В радиации. Летняя дымка ослабляет УФ-В радиацию на 5-23% по сравнению с ясными осенними днями [85]. Несмотря на то, что облачность воздействует на УФР меньше, чем на весь солнечный спектр, она значительно изменяет количество поступающей УФ-радиации [83]. Большая облачность нижнего яруса летом снижает облученность ультрафиолетовым излучением на 30-35% [12], а незначительная облачность верхнего и среднего ярусов повышает облученность рассеянным излучением на 13-15% [12]. На основании многолетних рядов наблюдений метеорологической обсерватории Московского Государственного Университета обнаружена надежная связь между приходом суммарной УФ-радиации со средним баллом общей и нижней облачности, а также с относительной продолжительностью солнечного сияния [24]. В среднем, зависимость УФР от продолжительности солнечного сияния линейная, за исключением случаев, когда солнца нет [79]. Изменение прозрачности атмосферы приводит к резкому изменению прямой и рассеянной УФ-радиации. Ослабление УФ-радиации, обусловленное аэрозолем, в среднем достигает 2-15%, а в регионах скопления городов до 30% [49]. В Африке и Южной Америке за счет сжигания биомассы и пылевого аэрозоля пустынь уменьшение УФР может превосходить 50±12%, под воздействием поглощения радиации шлейфом аэрозолей. В условиях лесных пожаров, возникших в Индонезии в сентябре 1997 г. и в марте 1998 г., ослабление ЭУФР превосходило 70±12% [61]. По результатам экспериментальных наблюдений, проводимых в России (г.Томск) за многолетней изменчивостью потоков УФ-радиации, установлено, что наблюдаемая динамика потоков не связана с динамикой ОСО и облачности, а обусловлена изменчивостью аэрозольной составляющей и солнечной активностью [8]. Результаты исследований влияния загрязнения тропосферы на УФ-В (280-315 нм) показали, что увеличение тропосферного загрязнения за последние 50 лет погасило эффект
15
увеличения УФ-В радиации из-за уменьшения ОСО, начавшегося с 1970-х годов [80].
Изменения УФР вызываются также и влиянием подстилающей поверхности. Летом альбедо земной поверхности в УФ-области спектра составляет лишь 3-5%, и только зимой альбедо снега велико — 70-80% [5]. Наличие снежного покрова обусловливает рост рассеянной ЭУФР на 9-15% [12 ]. Для оценки реальных доз облучения необходимы данные о величине излучения, приходящегося на наклонную поверхность, так как топография сильнее влияет на дозы, чем альбедо. Максимальные различия между величинами доз ЭУФР на горизонтальную и наклонную поверхности могут достигать 57% [100].
Все перечисленные выше факторы, являясь наиболее изменчивыми, могут иметь особенности, связанные с географическими и климатическими характеристиками регионов. Тем не менее, доля эритемной ультрафиолетовой радиации с длинами волн меньше 320 нм на уровне моря даже при очень высокой прозрачности и малом содержании озона составляет не более 5% от всего потока УФ-радиации и резко убывает с уменьшением высоты Солнца. При снижении прозрачности и большем содержании озона эта доля составляет не более 3,5%, убывая до 0% при высоте солнца 15° [6].
1.2 Распределение ресурсов естественной УФ-радиации на
территории России.
Естественная УФ-радиация распределена крайне неравномерно по территории России. Обширные районы полярных и субполярных областей характеризуются отсутствием длительное время естественной УФ-радиации, что приводит к развитию зимой, поздней осенью и ранней весной патологических явлений, получивших название "ультрафиолетовая недостаточность". Наряду с периодами и районами ультрафиолетовой
16
недостаточности есть периоды и районы ярко выраженного избыточного УФ-облучения. Поэтому вопрос о рациональном использовании ресурсов естественной УФ-радиации имеет большое практическое значение.
Первая попытка дать цельное представление о распределении УФ-радиации по территории СССР была предпринята в 1968 группой ученых под руководством В. А. Белинского [6]. Ими было проведено районирование территории СССР в отношении безусловной ультрафиолетовой недостаточности в разные месяцы. Используя расчеты эритемной радиации с помощью радиационной модели более, чем для 160 пунктов были выделены зоны, где господствует режим УФ-недостаточности в определенные месяцы
года [б].
При расчетах эритемной радиации были учтены многолетние результаты
наблюдений:
- за прозрачностью атмосферы;
- за общим содержанием озона;
- оценки альбедо земной поверхности по датам схода и установления снежного покрова;
- оценки потерь УФ радиации, обусловленных облачностью.
Выбор в качестве основной характеристики УФ-ресурсов именно эритемной радиации является не случайным. Известно, что УФ-радиация различных длин волн оказывает разнообразное биологическое действие. Наиболее важным и очевидным проявлением действия УФ-радиации на человека является образование фотоэритемы и те последующие реакции, которые развиваются вслед за ее появлением [38]. Непосредственно после интенсивного облучения Солнцем наступает покраснение кожи, вызванное видимой и инфракрасной радиацией - тепловая эритема, которая довольно быстро и бесследно проходит.
Фотоэритема, обусловленная УФ солнечной радиацией, отличается от тепловой эритемы. Она возникает только после некоторого латентного
17
периода, длительность которого обратно пропорциональна интенсивности облучения. По мере ослабления эритемы наступает фотопигментация, происходит перенос меланина к самому верхнему роговому слою кожи.
Зависимость эритемы от длины волны обусловлена двумя факторами: активным поглощением УФ радиации в белковом веществе живых клеток и пассивным поглощением в роговом слое, играющем роль фильтра.
Наибольшие длины волн, вызывающие эритему, лежат между длинами волн 315 и 320 нм. Кривая эритемной эффективности имеет два максимума: при длине волны 297 нм и между 240 и 250 нм, и минимум при длине волны 280 нм [77]. Она простирается далеко в область коротких длин волн. Однако для естественного УФ облучения имеет значение лишь правая ветвь кривой эритемной эффективности, так как в солнечном спектре у земной поверхности УФ излучение с длиной волны короче 290 - 295 нм отсутствует.
Интенсивность эритемы зависит от дозы (произведения облученности на продолжительность облучения). Действие облучения начинается лишь с некоторого порогового значения дозы. При возрастании дозы интенсивность эритемы монотонно возрастает.
Несмотря на сильное различие свойств кожи у отдельных людей, вариация эритемной реакции незагорелой кожи не очень велика. Однако чувствительность кожи сильно зависит от внешних условий и предшествовавшего облучения [20].
Эритемная чувствительность человеческой кожи изменяется в годовом ходе, достигая максимума весной и осенью и минимума летом. Эритемная чувствительность кожи и, следовательно, пороговая доза, меняется не только с длиной волны УФ-радиации, но и в зависимости от физиологических и патологических условий [77]. Степень эритемы является показателем дозы, применяемой в УФ-терапии. Раньше других была изучена кривая эритемного действия УФ радиации; затем было установлено, что кривая антирахитного действия УФ радиации практически совпадает с кривой эритемного действия |
