Основные биометеорологические факторы

Условно атмосферные факторы делят на три группы: метеорологические (химические, физические), радиационные (солнечные, космические), теллурические (земные). Как известно, на организм человека непосредственное влияние оказывают физико-химические факторы атмосферы.

К химическим факторам относят газы воздуха и различные примеси. Состав и процентное соотношение газов, входящих в  состав атмосферного воздуха, строго постоянны и не изменяются ни от широты, ни от высоты местности. Азот занимает примерно 78% по объему, кислород — 21% по объему, аргон 0,93% по объему. Другие одноатомные газы — неон, гелий, криптон и др. занимают менее 1% по объему. К природным примесям атмосферного воздуха относят углекислый газ, озон, ионы, пары воды.

К физическим (метеорологическим) факторам относят температуру воздуха, атмосферное давление, влажность воздуха, В также такие атмосферные явления, как облачность, осадки, ветер.

Температура воздуха

Температура воздуха определяется преимущественно солнечной радиацией, в связи с чем отмечаются периодические(суточные и сезонные) изменения температуры. Внезапные колебания температуры обычно связаны с общими процессами циркуляции атмосферы. Для характеристики термического режима атмосферы пользуются величинами среднесуточных, среднемесячных и среднегодовых температур, а также максимальными и минимальными ее значениями. О степени колебаний температуры судят по величине суточной амплитуды (разность максимальных и минимальных значений за сутки), междусрочной, междусуточной изменчивости (разность между срочными  или суточными значениями температуры двух соседних суток). Температура является одной из важных характеристик погоды и климата. По температурному режиму выделяют три большие группы погод: 1) безморозные, 2) погоды с переходом температуры воздуха через 0°С и 3) морозные погоды. Неблагоприятное влияние на человека могут оказывать экстремальные (максимальные и минимальные) значения температуры, а также значительные колебания ее.

Атмосферное давление

Атмосферное давление измеряется в миллибарах (мбар) или миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). По системе СИ атмосферное давление определяется в паскалях (Па) или килопаскалях (кПа). 1013 мбар (760 мм рт. ст) равно 101,3 кПа.,1 мбар = 108 Па. Нормальное или стандартное атмосферное давление-это среднее давление на уровне моря при температуре воздуха 0°С водяных паров. Оно равно 760 мм рт. ст. или 1013 мбар (101,3 кПа). По мере подъема давление снижается на 1 мм рт. ст. на каждые 11м высоты. Давление воздуха характеризуется частыми апериодическими колебаниями, которые связаны с изменением погоды. При этом перепады давления могут достигать в условиях климата средней полосы России 10-20 мбар (1-2 кПа), а в резко континентальных регионах — 20-30 мбар (2-3 кПа) за 3-6 ч.

Влажность воздуха

Влажность воздуха характеризуется тремя основными величинами - упругостью пара (мбар) и относительной влажностью, т. е. процентным отношением упругости (парциального давления) водяного пара в атмосфере к упругости максимального насыщения при данной температуре, а также абсолютной влажностью (в граммах на кубический метр). Разность между полностью насыщающей и фактической упругостью водяного пара при данной температуре называется дефицитом влажности, а при температуре тела человека (37 °С) - дефицитом физиологической влажности. В метеорологических сводках обычно указывается относительная влажность. Воздух считается сухим при влажности менее 55%, умеренно сухим — при 56-70%, влажным — при 71-85%, очень влажным (сырым) — выше 85%.

При понижении температуры содержащаяся в воздухе влага может подвергаться конденсации с частым образованием туманов. Это возможно также при смешении теплого влажного воздуха с холодным. Влажность воздуха в сочетании с температурой оказывает выраженное влияние на организм. Наиболее благоприятны для человека условия, при которых относительная влажность равна 50%, температура — 16-18 °С, а скорость ветра не превышает (в естественных условиях) 7 м/с. При повышении влажности воздуха, препятствующей испарению, тяжело переносится жара (условия духоты) и усиливается действие холода (влажно-морозные условия). Холод и жара в сухом климате переносятся легче, чем во влажном.
Облака образуются над земной поверхностью путем конденсации и сублимации содержащихся в воздухе водяных паров, В медицинской климатологии облачность измеряется по 11- балльной шкале, согласно которой 0 соответствует полному отсутствию облаков, а 10 баллов сплошной облачности. Погода считается ясной и малооблачной при 0-5 баллах нижней облачности, облачной при 6-8 баллах и пасмурной при 9-10 баллах. Облачность оказывает влияние на световой режим атмосферы и является причиной выпадения атмосферных осадков. Если за сутки суммарное количество осадков не превышает 1 мм, погода считается без осадков.

Ветер

Ветер характеризуется направлением и скоростью. Направление ветра определяется той стороной света, откуда он дует (север, юг, восток, запад). Кроме этих основных направлений, выделяют промежуточные, составляющие в сумме 16 румбов горизонта (северо-восточный, юго-западный и т. д.). Сила ветра определяется по 13 балльной шкале Симпсона-Бофорта, по которой 0 соответствует штилю (скорость по анемометру 0-0,5 м/с, а 13 баллов — урагану (скорость ветра выше 30 м/с). При низких температурах ветер усиливает теплоотдачу, что может привести к переохлаждению организма. Чем ниже температура, тем тяжелее переносится ветер. В жаркое время ветер усиливает кожное испарение и улучшает самочувствие. Слабый ветер оказывает тонизирующее и стимулирующее влияние. Сильный ветер утомляет, раздражает нервную систему, затрудняет дыхание.

Атмосферные процессы характеризуются не статическими величинами, а изменением их во времени и пространстве. В метеорологии за единицу времени взяты сутки. Суточная динамика метеорологических показателей определяется на основании срочных (за каждый час три или шесть часов) метеонаблюдений.

Воздушные массы, состояние погоды в целом оценивают по синоптическим картам, которые составляются синоптиками на основании срочных метеорологических наблюдений. В связи с тем, что климат является целостным образованием природы, включающим сложный комплекс натуральных, природных раздражителей биологически и эволюционно обусловленных, изучение его влияния на организм необходимо проводить с учетом не только величины и скорости изменения отдельных метеорологических параметров, но и их биологической и физиологической значимости.

Солнечные и космические влияния

Они относятся к радиционным факторам атмосферы. При оценке так называемых земных условий, кроме основных климатических факторов, учитывают также гелиогеофизические факторы и электромагнитные поля, а также оптическое, электрическое и акустическое явлении в атмосфере.

Известно, что солнечное излучение состоит из постоянно действующего «спокойного» излучения, включающего инфракрасные, световые и ультрафиолетовые волны и электрически заряженные частицы (корпускуляры), обладающие сверхвысокой энергией и, накладывающегося на него, дополнительного излучения, возникающего при появлении на Солнце активных областей (хромосферные вспышки, протуберанцы, факелы, пятна и др.). Постоянно действующее солнечное излучение не изменяется при появлении активных областей на Солнце.

Электромагнитные волны приносят на Землю очень малую энергию порядка 10~22 Втм^Гц-1. В атмосферу Земли от Солнца поступает поток лучистой энергии (спектр) с длинами волн от 0,006 до 2300 нм. Диапазон видимых солнечных лучей лежит в пределах от 400 до 800 нм, невидимых инфракрасных 800-2300 нм, ультрафиолетовых от 2 до 400 нм и рентгеновских лучей с диапазоном частоты от 0,006 до 2 нм. В свою очередь, УФ-радиация имеет длинноволновую область УФ-А (315- 400 нм), коротковолновую УФ-В (280-315 нм) и УФ-С (короче 280 нм). Около 48% энергии Солнца приходится на видимую часть спектра, 7% — на ультрафиолетовую и 45% - на инфракрасную. Биологическая активность солнечного спектра зависит от длины волн. Чем короче волны, тем большим биологическим действием они обладают. По мере смещения в синюю сторону оптического диапазона частота электромагнитных волн увеличивается, длина уменьшается, а энергия возрастает. Противоположная направленность наблюдается при смещении к красной границе оптического спектра.

Поток лучистой энергии или мощность лучистой энергии в метеорологии определяется в ваттах (Вт), эрг/с. Интенсивность (плотность) солнечного излучения измеряется в кал/см2 в 1 мин.

Интенсивность и спектральный состав солнечной радиации у поверхности Земли зависят от высоты стояния Солнца и прозрачности атмосферы. Чем выше Солнце, тем больше интенсивность радиации и тем она богаче УФ-лучами. Когда Солнце в зените, лучи его проходят наименьший путь. Эта толщина слоя воздуха на уровне моря принята за единицу и называется массой атмосферы. Интенсивность солнечной радиации возрастает по мере подъема над уровнем моря. Прозрачность воздуха зависит от содержащихся в нем водяных паров и пылевых частиц. Водяной пар задерживает инфракрасные лучи, а пылевые частицы и дым преимущественно УФ-излучение, потери которого могут достигать 20-40%.

Солнечная радиация, исходящая непосредственно от Солнца называется прямой, от небесного свода — рассеянной, от поверхности различных предметов — отраженной. Сумма всех этих видов радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называется суммарной радиацией. Относительная доля рассеянной радиации в общем потоке но мере увеличения высоты стояния Солнца уменьшается. В ясный солнечный день, когда Солнце стоит в зените и воздух прозрачен, до 50% суммарного потока УФ-лучей приходится на рассеянную радиацию. Облака, особенно верхнего и среднего яруса, отражая прямые лучи Солнца, обычно увеличивают общий поток рассеянной радиации. В зависимости от активности солнечной радиации территорию СССР подразделяют на следующие три зоны: а) севернее широты 57,5° — зона дефицита УФ-лучей, б) зона между 57,5° и 42,5° северной широты — УФ-комфорта, в) южнее 42,5° северной широты — зона избыточного УФ-излучения.

Кроме солнечной радиации необходимо учитывать также и световой режим. Освещенность — отношение светового потока F к площади S освещаемой им поверхности. Единица освещенности — люкс (лк) равна освещенности поверхности, каждый кв метр которой испускает световой поток в 1 люмен (лм).

В метеорологии освещенность оценивают косвенно по числу часов солнечного сияния, а также по количеству дней без солнца. Освещенность при восходе и закате Солнца равна 0, в зените она достигает 100 000 лк. Освещенность рассеянным светом редко достигает 15 000 лк.

Из других видов излучения наибольшее значение для организма человека имеют космические лучи, попадающие в атмосферу из космического пространства.

По современным представлениям, космические лучи состоят из ядер атомов различных элементов. При расщеплении ядер образуются электроны, имеющие отрицательный заряд и ядро, заряженное положительно. Это так называемое первичное излучение состоит в основном из протонов. Энергия его не превышает 3 * 109 эВ. Попадающие в атмосферу первичные частицы сталкиваются с ядрами атомов газов и вызывают их расщепление и другие более сложные процессы. В результате возникает «вторичное излучение», которое также имеет чрезвычайно большую проникающую способность: оно не только пронизывает атмосферу, но и проникает в земную кору. Следы этой радиации обнаруживаются в толще Земли на глубине 1000 м. Интенсивность космического излучения больше у географических и магнитных полюсов.

Электромагнитные поля, возникающие в космическом пространстве, могут изменять характер погоды, особенно в тех районах, где нижние слои атмосферы находятся в состоянии неустойчивого равновесия. Из этих зон возмущения электромагнитные волны последовательно распространяются на большие пространства земной поверхности, вызывая на своем пути соответствующие изменении в биосфере и погоде. Колебания погодно-метеорологических условий в свою очередь сопровождаются изменениями электромагнитных параметров длинноволнового диапазона уже вторичного, атмосферного происхождения.

Таким образом, наблюдаемая в атмосфере естественная радиация (волновая и корпускулярная) состоит как бы из трех составляющих, имеющих разное происхождение: одна часть поступает в атмосферу из космоса, другая образуется в атмосфере при усилении атмосферной циркуляции и третья излучается поверхностью Земли, а именно, радиоактивными веществами, находящимися в почве. Кроме естественной радиации в приземном слое атмосферы присутствует и искусственная радиация, создаваемая деятельностью человека. Это прежде всего радиолокационные и радиовещательные излучения.

Геофизики очень часто наблюдают на поверхности Солнца так называемые пятна, представляющие собой более «холодные» области. Перед появлением солнечных пятен напряжение магнитного поля Солнца по сравнению с обычным возрастает в несколько тысяч раз. Усиление магнитного поля Солнца замедляет передачу тепловой энергии из центральной части Солнца к фотосфере. В связи с этим температура пятен примерно на 1000 °С ниже, чем температура окружающей фотосферы. В местах ослабления магнитного поля происходит гигантский выброс энергии в виде факелов или протуберанцев. Во время таких вспышек интенсивность излучения (ультрафиолетового и мягкого рентгеновского) превышает обычную для этой области Солнца в 106-108 раз.

Хромосферные вспышки сопровождаются не только сильным электромагнитным излучением, но и потоком заряженных частиц — корпускул, основной составной частью которых являются протоны. Иногда вспышки порождают также потоки космических лучей, которые разрушают молекулы и атомы газов воздуха. После хромосферной вспышки на земную поверхность низвергаются ливни обломков разрушенных ядер газов атмосферы. Электромагнитные излучения преодолевают расстояние от Солнца до Земли всего за 8 мин, а потоки заряженных частиц достигают Земли примерно через 24 ч.

В проявлении солнечной активности наблюдается цикличность с периодом в 11, 22-23, 80-90, 180 лет. С 1964 по 1975 г. наблюдался четный (20) цикл солнечной активности с 1976 по 1987 г. наблюдается нечетный (21) цикл с максимумом солнечной активности в 1980-1981 гг. В нечетных циклах магнитное поле Земли имеет положительный знак в северном полушарии и отрицательный знак в южном. Ветвь роста солнечной активности (от минимума до максимума) длится приблизительно 4,6 года, а ветвь спада (от максимума до минимума) — 6,7 года. С целью оценки солнечной активности используют сведения о количестве и интенсивности хромосферных вспышек, числе солнечных пятен суммарной площади группы пятен, плотности потока радиоизлучении.

В настоящее время в причинную зависимость от степени солнечной активности поставлены многие явления на Земле: напряженность земного магнетизма, частота полярных сияний, количество ультрафиолетовой радиации, степень ионизации верхних слоев атмосферы, количество космической ныли в воздухе, общая циркуляция атмосферы, частота бурь, ураганов, смерчей, количество осадков, увеличение атмосферного электричества и др.

Одним из основных проводников влияния Солнца на Землю является геомагнитное поле, которое обладает весьма сложной структурой и свойствами. Сложны и причины, лежащие в основе его возникновения. Эта связь опосредуется через перераспределение магнитных силовых линий, солнечного ветра и магнитосферу Земли.

Магнитное поле Земли можно подразделить на две принципиально отличные части. Основная ее часть обусловлена процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая часть связана с земной корой. Горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра. Постоянное геомагнитное поле, т. е. поле, связанное с ядром Земли и его корой, меняется во времени. Эти изменения не очень значительны по величине (0,3-0,7 Э) и имеют цикл с периодом до одного года.

Наблюдаются изменения в магнитном поле Земли и в связи с движением Земли и Луны вокруг своей оси. Это так называемые лунносуточные и солнечносуточные колебания.

Амплитуда солнечносуточных колебаний зависит от широты пункта наблюдения. Максимальная амплитуда колебаний наблюдается на магнитном экваторе и в средних широтах. Существует зависимость интенсивности солнечносуточных вариаций от времени года. Максимальная амплитуда колебаний наблюдается летом, минимальная — во время зимнего солнцестояния. Лунные вариации связаны с положением Луны относительно горизонта Земли. Они зависят также от сезона года, широты и долготы пункта наблюдения.

Сведения, полученные в течение последних десятилетий при помощи космических спутников Земли, существенным образом изменили наше представление о магнитном поле Земли. Было обнаружено, что спокойное Солнце постоянно выбрасывает потоки заряженных частиц, называемые «солнечным ветром», который, встречая на своем пути геомагнитное поле, обтекает его и придает ему овальную форму.
Магнитное поле Земли переходит в межпланетное в области магнитосферы. Очень часто следствием увеличения солнечной активности являются магнитосферные бури, во время которых наблюдаются мощные полярные сияния, сильные геомагнитные и ионосферные бури, увеличение плотности потока рентгеновского излучения, а также микропульсация различных сверхнизкочастотных электромагнитных волн и др.

В магнитном поле Земли магнитосферные бури обычно проявляются геомагнитной бурей, которая обнаруживается, как правило, одновременно на всей поверхности Земли и продолжается несколько суток. По интенсивности магнитные бури разделяют на малые (до 50-10-5 Э), умеренные (до 10_3 Э), большие (до 2*10~3 Э) и очень большие (более 2• 103 Э). Выделяют магнитные бури с внезапным и постепенным началом. Однако существуют дни, когда возмущена не вся магнитосфера, а отдельные ее участки. В это время в атмосфере Земли наблюдаются отдельные, сравнительно небольшие возмущения (геомагнитные возмущения).

Возникает закономерный вопрос, возможно ли, чтобы такие незначительные колебания геомагнитных полей, измеряемые единицами или десятками гамм (0,795775 мА/м), оказывали влияние на живые организмы, в то время как биосфера заполнена искусственными электромагнитными полями значительно большей напряженности.

В организме не найдено специальных рецепторных зон, воспринимающих электромагнитные колебания. Однако имеются достоверные сведения о влиянии естественных магнитных полей на высшие центры нервной и гуморальной регуляции, на биотоки мозга и сердца, на проницаемость биологических мембран, на свойства водных и коллоидных систем организма.

Установлено, что все четыре класса магнитных бурь (малые, умеренные, большие и очень большие) значительно (на 2-5 порядков) превышают пороговые значения энергии рецепторных зон.

Во время сердечной деятельности создается магнитное поле порядка 10~7—10~8 Гс с частотой колебаний 1 Гц, во время мозговой деятельности — 10-9 Гс с частотой колебаний 10 Гц.

Биологическое действие волн низкой частоты, интенсивность которых значительно возрастает через несколько часов после хромосферной вспышки на Солнце, доказано рядом исследователей. Установлено, что мозг человека излучает волны тех же характеристик, что и волны, констатируемые в атмосфере.

Показано, что психофизиологические реакции большинства людей значительно изменяются в те часы и дни, когда отмечаются всплески излучения низкой частоты.

Установлена чрезвычайно важная роль атмосферного электричества в жизнедеятельности организма. Многие физиологические и патологические процессы, вызванные погодными условиями, связываются с атмосферным электричеством. Атмосферное электричество — совокупность электрических явлений, происходящих в атмосфере, характеризующихся следующими параметрами: а) градиентом потенциала; б) положительной, отрицательной, суммарной проводимостью воздуха; в) коэффициентом униполярности; г) вертикальным током проводимости.

Электрическое поле атмосферы — вид материи, посредством которого осуществляется взаимосвязь и взаимодействие между электрическими зарядами. Свойство его — неограниченность в пространстве. Различают электростатическое и электродинамическое поле. Электростатическое поле связано с неизменяющимися по величине и положению электрическими зарядами. Основным свойством этого поля является то, что оно не проникает внутрь помещения.

Электрическое поле, возникшее в процессе электромагнитной индукции, называется электродинамическим, оно является составной частью более сложного электромагнитного поля. До сих пор достоверно не выяснено самое основное — какова причина сохранения и вариаций электрического поля атмосферы. Известно, что Земля имеет свойства отрицательно заряженного проводника. Атмосфера же представляет собой положительный полюс.

В настоящее время наиболее распространённой общепризнанной является теория, предложенная Вильсоном, согласно которой Земля и ионосфера являются обкладками гигантского сферического конденсатора, разность потенциала между которыми составляет около 400 кВ. Показана возможность участия в обмене зарядами Земли и всей атмосферы, а не только грозовой облачности. Основная часть электрических зарядов атмосферы сосредоточена в слое 500- 3500 м над уровнем моря. Даже в ясные дни градиент потенциала атмосферного электричества иногда превышает 150-200 В/м. В дни же со слоистой облачностью в атмосфере создаются значительные объемные заряды (ионы одного знака), величина которых может быть весьма значительной. При прохождении облаков атмосферное электричество в течение 1 мин может изменяться в значительных пределах с инверсией знака поля (от +1200 до 4000 В/м). Напряжение электрического поля атмосферы имеет большую изменчивость в зависимости от различного рода метеорологических явлений, в особенности от осадков, облачности, гроз и других атмосферных явлений, а также от времени года, географической широты и высоты местности.
Установлено, что ионизацию атмосферы вызывают космические лучи, УФ-излучение Солнца, продукты распада радиоактивных веществ атмосферы и почвы. Носителями воздушного электричества являются молекулы газов воздуха, которые, приобретая или теряя элементарные электрические заряды, превращаются из нейтральных частиц в ионы отрицательной или положительной полярности.

Отрицательную полярность правило, приобретают атомы и молекулы кислорода атмосферного воздуха. При этом действующим фактором отрицатель ионизированного воздуха является отрицательно ионизированный кислород, а эффект положительной аэроионизации обычно связывают с двуокисью углерода. Легкий ион — это комплекс из 30 молекул газа, несущий один элементарный заряд. В 1 воздуха содержится приблизительно 27*1018 молекул. При этом один ион приходится на 27* 1012 молекул. В 1 см3 воздуха в каждую секунду в среднем создается около 12 пар ионов. В результате этого в нем все время присутствует около 1000 пар ионов. Каждый ион несет химическую и электростатическую энергию порядка 6 эВ.

От ионизации следует отличать явление электризации поверхности тел. Электризация поверхностей — явление почти повсеместное. В природе почти все наэлектризовано, в том числе пыль, дым и другие загрязнители воздуха.

Одной из важных характеристик атмосферного электричества является электрическая проводимость воздуха, которая обусловлена главным образом легкими ионами. Под влиянием электрического поля легкие ионы перемещаются: отрицательные вверх, положительные к Земле, образуя направленный по вертикали электрический ток.

Выявлено, что подвижность ионов зависит от содержания водяных паров в воздухе. Чем их больше, тем подвижность ионов меньше и наоборот. Электропроводность воздуха может быть положительной или отрицательной. В лесной зоне отмечается небольшое преобладание положительной проводимости, в горных регионах — отрицательной.

Коэффициент униполярности (отношение концентрации положительно заряженных ионов к концентрации ионов отрицательного знака) во всех климатогеографических зонах, кроме горных, выше 1,0 (1,2-1,5). Данный факт можно объяснить тем, что Земля имеет отрицательный заряд и потому ионы отрицательного знака, отталкиваясь от нее, направляются в верхние слои атмосферы. Осадки всех видов несут на себе электрический заряд. Перед грозой происходит накопление ионов положительного, после грозы — отрицательного знака. При конденсации водяного пара преобладают ионы положительного знака, при испарении — отрицательного.

Отмечается периодичность (суточная и сезонная) изменений основных параметров атмосферного электричества. Годовой ход градиента потенциала имеет характер простой волны с минимумом в летние месяцы и максимумом в зимние. Наименьшие значения градиента потенциала наблюдаются в горных регионах, максимальные — в континентальных. Вертикальный ток проводимости убывает от зимы к лету и повышается вновь к осени.

В годовой динамике аэроионизации максимум отмечается в августе-октябре, минимум — в феврале-марте.

Суточный ход градиента потенциала имеет два максимума и два минимума. Первый максимум приходится на 8-10 часов по местному времени, второй на 19-23 ч и зависимости от географической долготы местности. Первый минимум в умеренных широтах наступает в 2-5 ч, второй— в 16-18 ч по местному времени. Суточный ход концентрации аэроинов представлен в виде двухфазной кривой, максимум которой приходится на ночные часы (2-4), минимум на 7-12 ч и 18-19 ч. Отмечается определенная зависимость электрического состояния атмосферы от типа воздушной массы. Наибольший градиент потенциала и наименьшие значения суммарной проводимости воздуха констатируются в континентальном полярном воздухе, обратные показатели — в морском арктическом воздухе.

Сравнительно часто нормальный суточный ход всех параметров атмосферного электричества перекрывается гораздо более мощными непериодическими колебаниями его, вызванными сменой воздушных масс.

Установление циклона и приближение теплого атмосферного фронта характеризуется высокими значениями градиента потенциала на фоне низких величин суммарной проводимости, а также частой сменой знака поля с положительного на отрицательный. Приближение холодного атмосферного фронта на фоне гребня высокого атмосферного давления сочетается с противоположной динамикой основных параметров атмосферного электричества. Таким образом, учет изменения атмосферного электричества важен не только для прогнозирования синоптической обстановки, но и для медико-метеорологической интерпретации ожидаемых синоптико-метеорологических условий.

Кислородный режим атмосферы

По современным представлениям количество кислорода в атмосфере равнинного климата не изменяется. Такое утверждение базируется на стабильности процентного содержания кислорода в воздухе (20,93% по объему и 23,15% по весу), а также незначительных колебаниях в условиях равнин парциального давления кислорода, зависящих от общего атмосферного давления.

Можно предположить, что за постоянством процентного соотношения газов воздуха завуалированы значительные колебания их абсолютных значений, в том числе и кислорода. Это происходит из-за того, что «цена» одного процента кислорода будет разной при различных физических параметрах воздуха (температура, влажность, давление). Математически это подтверждается уравнением газового состояния Клапейрона — Менделеева, выведенного из основных газовых законов.

В 1966 г. В. Ф. Овчаровой была предложена в качестве абсолютного количественного параметра кислорода величина парциальной плотности кислорода, рассчитываемая или по формуле, выделенной из уравнения Клапейрона-Менделеева или определяемая по номограмме Т. П. Алешиной (1966) (рис. 1).

Рис. 1. Номограмма для расчета парциальной плотности кислорода в атмосферном воздухе (г/м3).

На основании обобщения данных, касающихся изменения величины парциальной плотности кислорода в воздухе различных климатогеографических зон в суточном и сезонном аспекте, был установлен неизвестный ранее природный феномен» проявляющийся в периодическом (суточном и сезонном) изменении абсолютного количества кислорода в воздухе равнинных и горных регионов [Овчарова В. Ф., 1966-1980] (рис. 2,3).

Рис. 2. Суточная динамика парциальной плотности кислорода (г/м3) в атмосферном воздухе (Москва).
1 — по многолетним данным; 2 — по данным 1978 г.

Рис. 3. Сезонная динамика парциальной плотности кислорода (г/м3) в атмосферном воздухе различных климатогеографических зон страны.

Выявлен также эффект «высоты» или иначе эффект внешней гипоксии равнин, формирующийся в атмосфере при сочетании низкого атмосферного давления, высоких температуры и влажности воздуха. Это обычно наблюдается при прохождении теплого атмосферного фронта в зоне низкого атмосферного давления (циклон, ложбина и др.). В такие дни количество кислорода уменьшается на величину, эквивалентную подъему на высоту 500-1500 м над уровнем моря (рис. 4). Известно, что вертикальный барический градиент равен 9-13 мбар, а вертикальный градиент кислорода ~3,3 г/м3 на каждые 100 м высоты. Гипоксический эффект атмосферы проявляется в организме человека преобладанием реакций гипотензивной и гипоксической направленности. При прохождении холодного атмосферного фронта и установлении области повышенного атмосферного давления абсолютное количество кислорода в воздухе значительно повышается. Природная гипоксия воздуха обусловливает преобладание в организме реакций тонизирующего и спастического характера. Указанные выше закономерности легли в основу медицинской типизации погодных условий и медико-метеорологического прогнозирования.

Аэрохимические свойства атмосферного воздуха

Концентрация органических примесей в воздухе колеблется в зависимости от сезона года, погодно-метеорологических условий, достигая максимума в летние, минимума — в зимние месяцы. По характеру действия на тканевое дыхание терпены подразделяются на две группы: угнетающие и стимулирующие окислительно-восстановительные процессы в организме. Летучие вещества некоторых пород деревьев (сосна, ель) не только угнетают тканевое дыхание, но и способствуют образованию аэроионов преимущественно положительного знака. Летучие вещества, выделяемые тополем, дубом, березой, способствуют повышению окислительно-восстановительных процессов в организме. Воздух вблизи этих деревьев насыщен аэроионами отрицательного знака. Общие окисляющие свойства кислорода определяются концентрацией терпенов, озона, аэроионов и др.

Рис. 4. Ежесуточное изменение парциальной плотности кислорода в воздухе при различных циркуляционных процессах (циклон, антициклон, атмосферные фронты). Эффект «высоты» с 21 по 24 ноября 1975 г. (Москва).

Воздух лесов содержит в 200 раз меньше бактерий, чем воздух городов. 1 га хвойного леса выделяет в атмосферу за сутки около 4 кг, а 1 га лиственного леса около 2 кг летучих органических веществ, обладающих фитонцидными свойствами. Эти Природные аэрозоли органического происхождения не только улучшают качественные свойства атмосферного воздуха, но, являясь биологически активными веществами, оказывают выраженное влияние на ряд физиологических функций организма — дыхание, кровообращение, систему крови и др.

Озон в приземном слое атмосферы содержится в концентрации до 40-50 мг/м3. Существуют значительные колебания концентрации озона и окислов азота, повсеместно сопутствующих озону, в атмосферном воздухе. Имеются несколько источников образования озона в природных условиях: при снегопадах и метелях, перед грозовой деятельностью, при тихих коронных разрядах, а также поступление его из стратосферы.

В предгрозовой период озон образуется в результате мощной ионизации воздуха вблизи кучевой облачности. При этом озон увлекается нисходящим воздушным потоком и достигает поверхности Земли за 2-3 ч до выпадения дождя. Концентрация озона в этих случаях может достигать 200 мг/м3, превышая предельно допустимую концентрацию в два раза. Атмосферный озон, постоянно проникающий в приземный слой из верхних слоев атмосферы, является косвенным показателем чистоты воздушной среды.

Циклон — атмосферное возмущение с пониженным давлением воздуха (минимальное давление в центре), с замкнутыми изобарами (линиями равного атмосферного давления), с движением воздуха и направлением ветра вокруг центра против часовой стрелки в северном полушарии, по часовой стрелке — в южном. В циклоне отмечается значительное изменение атмосферного давления по горизонтали, называемое барическим градиентом (перепадом давления) до 1-3 мбар на 100 км, которое обусловливает сильные ветры. Резким изменениям атмосферного давления отводят роль основного метеотропного фактора. Однако это утверждение признается не всеми. Противоречат ему наблюдения за формированием метеотропных реакций, проведенные в биотроне — герметически закрытом помещении со стабильными гигротермическим режимом, давлением воздуха и ионизацией. Электромагнитные колебания атмосферного происхождения в биотроне частично проникают через оконные стекла. У находящихся в биотроне больных отмечаются метеопатические реакции той же направленности, что и вне биотрона, но слабее выраженные.

В системе развивающегося циклона различают две части. Передняя часть связана с адвекцией (переносом) теплого воздуха, характеризуется падением атмосферного давления и снижением плотности кислорода в воздухе. В тыловой части происходит вынос холодного воздуха, атмосферное давление повышается (циклон заполняется).

Циклонические образования формируют обычно пасмурную, влажную, нередко дождливую погоду. Прохождение циклонов часто связано с фронтальной деятельностью, которая наиболее неблагоприятна для организма человека, так как сопровождается резкой сменой метеорологических элементов и значительными электромагнитными колебаниями атмосферного происхождения.

Фронт — переходная зона или условная поверхность раздела двух воздушных масс с различными физическими свойствами. Ширина зоны в горизонтальном направлении составляет несколько десятков километров. Основными атмосферными фронтами являются теплый и холодный. Теплый фронт перемещается от теплого воздуха к холодному. Перед линией фронта (до 400 км) выпадают обложные осадки, происходит падение атмосферного давления, нередки туманы. Холодный фронт движется в сторону теплого воздуха. Вдоль линии фронта развивается мощная облачность, шквалистые ветры, ливни, грозы. За фронтом может развиться система высокослоистых дождевых облаков с обложными осадками, но может также наступить прояснение.

К области низкого атмосферного давления относится также ложбина — вытянутая область с незамкнутыми изобарами и горизонтальной осью — линией сходимости барических градиентов и ветра. Ложбина может образоваться как промежуточная область между двумя областями повышенного давления, а может быть периферийной частью циклона. Признаки погоды те же, что и у циклона.

Антициклон — область повышенного атмосферного давления с замкнутыми изобарами. Давление, максимальное в центре антициклона, к периферии падает, Барические градиенты в антициклоне меньше, чем в циклоне. Преобладают нисходящие движения воздуха, что обусловливает малооблачную, погоду со слабым ветром и хорошо выраженным суточным ходом метеорологических элементов. Все это формирует преимущественно благоприятные для организма человека условия погоды (индифферентные). Однако при солнечной антициклональной погоде могут развиться дискомфортные для человека гигро-термические условия (перегрев, духота), образующиеся в результате прогревания воздушных масс. В холодное время года и ночью в антициклоне может наблюдаться охлаждение воздуха от земной поверхности, приводящее к образованию низких слоистых облаков и туманов, обычно рассеивающихся в первой половине дня. Значительные ветры возникают только на периферии антициклона.

К области повышенного давления относится также гребень, нередко являющийся периферийной частью антициклона и также характеризующийся нисходящими движениями воздуха и малооблачной погодой. У гребня, как и у ложбины, изобары незамкнуты и барические градиенты, а, следовательно, и ветры расходятся от оси. По морфологическим признакам погоды гребень схож с антициклоном, но они существенно различаются по динамике параметров атмосферного электричества. В антициклоне отмечается ровный ход последних (градиент потенциала около 130 В/м), тогда как гребню свойственно резкое повышение градиента потенциала до 1300 В/м, а в отдельных случаях - до 2900 В/м. Возможно, в этом заключена причина наиболее частого формирования у больных реакций спастического типа при воздействии гребня высокого давления.

С мощными циклонами и антициклонами (центрами действия атмосферы) связана меридиональная циркуляция, нарушающая преобладающий в атмосфере широтный (западный) перенос воздуха.

Меридиональная циркуляция обеспечивает междуширотный обмен воздуха, вынос теплых масс на север, холодных — на юг. Частота образования циклонов и антициклонов на территории северного полушария неравномерна, соответственно различаются и погоды (которые в одном пункте более пасмурны, дождливы и изменчивы, чем в другом). Нередко та или иная форма циркуляции может удерживаться в течение длительного периода и повторяться чаще средних многолетних значений. В этих случаях режим погоды резко (аномально) отличается от среднего, характерного для данной местности. Аномальным считается явление, повторяющееся не чаще, чем через 5 лет, очень аномальным — через 10 лет, исключительным - через 30 лет.

Аномалии атмосферной циркуляции, формирующие аномалии погоды, в различных районах больших континентов могут иметь различные знаки (холодная или теплая). Нередко аномалия одного знака полностью захватывает небольшие континенты. Многие видят причину аномалий циркуляции в изменении солнечной активности. Ряд исследователей считают, что при активизации солнечной деятельности в атмосфере преобладают меридиональные процессы, ведущие к холодной аномалии в холодный период года и к теплой — в теплый период. При ослаблении активности Солнца преобладает западная зональная циркуляция с противоположным характером аномалий. Установлено усиление меридиональных форм циркуляции при геомагнитных возмущениях, что неоднозначно для различных районов северного полушария. В одних районах атмосферное давление повышается, в других — понижается. Определяется эта направленность исходными условиями циркуляции, тем начальным состоянием атмосферы, при котором произошло усиление геомагнитной активности.

Помимо указанных выше глобальных форм циркуляции существуют местные, свойственные только определенным районам, имеющие большое значение для формирования микроклимата и соответственно воздействующие на самочувствие, в частности теплоощущение человека. В пределах Евроазиатского континента это, в основном, бризовая, муссонная, горно-долинная циркуляции, фен, норд, бора.

Бризовая циркуляция формируется на побережьях морей, озер, водохранилищ, некоторых больших рек и характеризуется суточной периодичностью. Дневной бриз (морской) дует с более прохладного моря на побережье, несколько снижая температуру воздуха, повышая влажность и умеряя тем самым действие дневной жары на побережьях южных морей. Ночной (береговой) бриз направлен с побережья на море, что следует учитывать при проектировании курортов вблизи промышленных предприятий, при разработке зон санитарной охраны. Смена бризов происходит незадолго до полудня и вечером. Проникают бризы в глубь берега на 20-25 км. Бриз можно считать благоприятным фактором для проведения климатопроцедур в дневные часы.

При муссонной циркуляции зимой ветер направлен с суши на океан, летом — с океана на сушу. Соответственно поэтому зима ясная и сухая, лето пасмурное и дождливое. Районы муссонного климата расположены в пределах умеренного и субтропического поясов на восточных берегах материков Северной Америки и Азии.

Горно-долинная циркуляция — ветры с суточной периодичностью между горным хребтом и долиной. Днем — это долинный ветер, ночью — горный, хорошо освежающий и вентилирующий долины более ионизированным, чистым горным воздухом. Горно-долинные ветры, так же как бризы, наблюдаются, в основном, в теплое время года, в ясную тихую погоду и благоприятно действуют на человека.

Фен — сильный порывистый ветер с высокой температурой и пониженной влажностью воздуха, дующий с гор в долины. Возникают фены большей частью в тех случаях, когда по разным сторонам гор наблюдаются различные области давления. При этом ветер направлен в сторону пониженного атмосферного давления. Возможно также формирование фена при антициклоне, когда происходит общее опускание воздуха по всем склонам. Хорошо выражены фены продолжительностью 1-5 суток в горах Кавказа, Средней Азии, в Альпах. Отмечаются они чаще зимой и весной, но возможны в течение всего года. Фены, достигающие ураганной силы и резко меняющие режим метеорологических элементов, могут вызвать феновую болезнь (подавленное, раздраженное состояние). В такие дни возрастает число обострений у больных. Среди курортных зон СССР наиболее часто фены формируются в районе Цхалтубо (100 дней в году), благодаря чему здесь теплая осень и зима.

Бора, так же как фен, горный ветер, но наблюдается в холодное время года, преимущественно в местностях, где невысокие горные хребты граничат с морем. Бора очень сильный (до 20-40 м/с), порывистый, холодный ветер, формируемый фронтальной деятельностью, что способствует возникновению метеопатических эффектов атмосферы. В СССР бора нередко отмечается в Новороссийске (46 дней в году), на островах Новой Земли, на побережье озера Байкал (сарма). Продолжительность боры от 1 до 3 суток. Сходные явления отмечаются на восточном побережье Адриатического моря, на средиземном побережье Франции, в долине Роны (мистраль).

Норд — сильный, сухой и холодный, устойчивый северный ветер на западном побережье Каспийского моря, по происхождению сходен с борой, но наблюдается преимущественно летом. Более благоприятен по воздействию на организм человека, так как снижает летнюю жару и способствует повышению плотности кислорода в воздухе.

Термические условия внешней среды

Воздействие на человека климата и погоды осуществляется в значительной степени посредством теплообмена организма с окружающей средой. Основную роль при этом наряду с функциональным состоянием организма играют метеорологические условия (интенсивность солнечной радиации, температура и влажность воздуха, скорость ветра), обнаруживающие как периодические колебания, связанные с суточным и сезонным ритмом поступления солнечной радиации на земную поверхность, так и непериодические, обусловленные циркуляционными процессами. Динамика температурного режима хорошо освещена в работах по климату. Однако в биоклиматологии под термином «термические условия» понимают режим не только температуры воздуха, но и всего указанного выше комплекса метеорологических факторов, влияющих на теплообмен и теплоощущение человека. Meдицинская климатология использует различные методы оценки теплового баланса организма — аналитические методы, интегральные показатели и приборные.

Аналитические методы расчета теплового баланса организма человека имеют значение главным образом для оценки метеорологических условий климатотерапии. Они позволяют перейти от метеорологических параметров внешней среды к качественной оценке теплового состояния человека. Эти методы информативны, дают возможность объективно оценить потери или поглощение тепла организмом в энергетических единицах, однако они сложны для практического использования.

Для оценки теплоощущения человека широко применяется метод интегральных показателей, среди этих показателей распространены эквивалентно-эффективные и радиационно-эквивалентно-эффективные температуры воздуха, выражающие одним числом комплексное влияние на тепловое ощущение человека трех или четырех метеорологических элементов: эквивалентно-эффективные температуры (ЭЭТ) — температуры, влажности воздуха и скорости ветра; радиационно- эквивалентно-эффективные температуры (РЭЭТ) — тех же элементов и интенсивности солнечной радиации. Разработка данных показателей основана на том физиологическом принципе, что одно и то же тепловое ощущение человек может испытывать при различных комбинациях метеорологических факторов (табл. 1). Для расчетов ЭЭТ используются номограммы.

На основании ряда исследований установлены пределы  ЭЭТ, характеризующие зоны различного теплоощущения человека, уточненные клинико-физиологическими наблюдениями над абсолютными величинами теплопотерь организма при различных метеорологических условиях. Продолжительность периода с комфортными условиями теплоощущения определяет биоклиматические ресурсы регионов, обусловливает особенности проектирования терренкуров и климатосооружений. По повторяемости комфортных метеорологических условий на территории СССР выделено четыре зоны, границы которых варьируют в зависимости от периода лета.

При проведении климатотерапии в отдельных регионах необходимо учитывать, что пределы зоны комфорта могут различаться у людей, живущих в различных природных зонах, в разные сезоны года, а также при разных формах заболеваний. Расчеты радиационно-эквивалентно-эффективных температур (РЭЭТ) проводят по номограмме, а также с помощью формул связи: РЭЭТв (для солнечных ванн) =ЭЭТв+6,5; РЭЭТП (для прогулок) =0,83-ЭЭТП+ 12 [Бутьева И. В., 1968].

Для определения охлаждающей силы внешней среды в холодный период года используют ряд индексов. В СССР наиболее распространен индекс суровости погоды Бодмана, рассчитываемый по номограмме или формуле.

Комплексное влияние на организм человека метеорологических факторов, учитываемое приведенными выше интегральными показателями, не исключает возможности преимущественного воздействия одного из них, проявляющегося большей частью при экстремальных значениях метеорологических элементов или резких колебаниях их. При рассмотрении температурного режима следует обращать внимание на резкие колебания температуры воздуха от суток к суткам, а также на возможность перегревания или охлаждения организма. При определении типов погоды для медико-метеорологического прогнозирования ежедневно анализируется суточный ход температуры воздуха и других метеорологических элементов, Среднее отклонение их от средних многолетних величии рассчитывается для каждого конкретного климатогеографического региона.

Существует еще метод оценки теплового состояния человека — приборный. Он заключается в моделировании некоторых физиологических функций, формирующихся при воздействии метеорологических факторов, с помощью приборов, основанных на принципе охлаждения нагретого черного шара, В современных исследованиях такого рода приборы — фригориметры, кататермометры используются в ряде стран.