Ультрафиолетовая радиация у земной поверхности

Ультрафиолетовая радиация (УФР) составляет лишь несколько процентов от всего потока солнечного излучения, приходящего на земную поверхность, однако ее воздействие на природную среду и здоровье человека очень велико. Ультрафиолетовая радиация обладает наибольшей биологической и фотохимической активностью в спектре солнечного излучения. Высокая эффективность воздействия УФР объясняется высокой энергией фотонов приходящего излучения в коротковолновой области спектра. Эта энергия растет с уменьшением длины волны от 0.49 10″ 18Дж при 400 нм (длинноволновая граница УФР) до 18.

0.68 10″ ° Дж при 290 нм (коротковолновая граница УФ спектра у поверхности Земли). Вследствие этого с уменьшением длины волны биологическая активность УФ радиации увеличивается. По степени ее биологического воздействия согласно [299] УФР принято подразделять на три области: область УФ-С (100<�Х<280нм), область УФ-В (280−315 нм), и область УФ-А (315−400 нм). (В некоторых странах за границу между областью УФ-В и УФ-А принимают длину волны 320 нм). Область УФ-С полностью поглощается в верхних слоях атмосферы кислородом и озономобласть УФ-В также в значительной степени ослабляется стратосферным озоном: к поверхности Земли доходит лишь небольшая ее часть. Таким образом, в естественных условиях к поверхности Земли поступает УФ радиация области, А и В.

Действие УФ радиации, оказываемое на живую и неживую природу, может быть как положительным, так и отрицательным. На рис. 1 показаны объекты, на которые воздействует УФР. Видно, что УФР оказывает влияние на земные и водные экосистемы, на протекание биогеохимических циклов, качество воздуха, «время жизни» различных полимерных материалов, а также непосредственно на здоровье людей и живые организмы. человек и животный мир земные экосистемы уменьшение прироста биомассыподавление фотосинтеза, изменение во взаимодействии между видами, усиление подверженности к патогенезу) водные экосистемы подавление развития фитопланктона, изменение ^ структуры у соо бщ ест в).

УФ радиация.

— ' фотохимические процессы в атмосфере разрушение полимерных материалов биогеохимические циклы влияние на баланс C02, СО, минеральных и органических веществ) синтез витамина D воздействие на кожу (эритема, пигментация, рак кожи фотокератоз и др.) влияние на иммунную систему (ослабление устойчивости к онкологическим заболевания.**, {усиление аллергических реакций и др.^ воздействие на глаза (фотокер, а mum,.

1катаракта, рак коньюкпшвы и др.).

Рис. 1. Воздействие УФ радиации на различные живые и неживые объекты.

Биологическое действие УФР. Механизмы и виды воздействия УФР на живые объекты. Биологическое воздействие УФР происходит через поглощение квантов света различными молекулами — хромофорами, которые присутствуют в покровных тканях кожи и глаз. Эти ненасыщенные молекулы могут переходить в более высокое энергетическое состояние. Компоненты молекулы, содержащие сопряженные двойные связи, свободно поглощают энергию в УФ области. Бензольные ядра с одним или двумя атомами азота, обнаруживают высокое поглощение в области УФ-В. Происходящие при этом бимолекулярные реакции довольно многочисленнынаиболее важными среди них являются те, в результате которых образуются тиминовые димеры. Так, в дезоксирибонуклеи-новой кислоте (ДНК), которая является носителем генетической информации, при поглощении кванта света происходит разрыв двойной связи между 5-м и 6-м атомами углерода в тимине (азотистое образование). Если такой разрыв происходит в соседних образованиях, то между ними могут замкнуться валентные связи и образовать димер тимина — основной фотопродукт облучения ДНК. Число димеров пропорционально дозе УФР и меняется с изменением длины волны при пике с максимумом в области 280 нм. В области УФ-В (до 315 нм) чувствительность большинства хромофор резко убывает с ростом длины волны. Однако разрушение молекул ДНК может наблюдаться и под воздействием больших доз УФ-А в присутствии некоторых веществ, которые называются фотосенсибилизаторы (например, акридин), когда возникают «сшивки» между ДНК и белками. Повреждение молекулы ДНК не позволяет выполнять ей свои функции и служит сигналом для вступления в действие других биологических процессов, которые, в свою очередь, могут привести к гибели клетки, генетической рекомбинации, мутагенезу и даже к канцерогенезу [86].

Что касается восстановительных процессов ДНК, то они довольно сложны. Отметим среди них процесс фотореактивации, в результате которого под действием видимого света и при определенных условиях фотореактивирующий фермент мономеризует димер и может восстановить молекулу до первоначального состояния [86]. Однако исследования процесса фотореактивации ДНК в клетках млекопитающих дали неоднозначные результаты.

УФР оказывает прямое действие и на рибонуклеиновые кислоты (РНК), однако поскольку молекула РНК существует во множестве копий, то для возникновения серьезных повреждений нужны очень большие дозы УФР.

Рассмотрим более подробно отрицательные и положительные эффекты воздействия УФР на здоровье людей и биоту. Отрицательное воздействие УФ радиации может быть острым и хроническим. УФ радиация действует, главным образом, на глаза, кожу, а также иммунную систему организма. Острое воздействие УФ радиации на кожу выражается в ее покраснении и возникновении эритемы и загара. Сильное покраснение может привести к образованию волдырей и повреждению кожных покровов с вторичными инфекциями и явлениями, характерными при ожогах первой и второй степени. Отрицательное хроническое воздействие УФР на кожу выражается в ее старении (солнечный эластоз), появлении изменений незлокачественного характера (актинический кератоз) и злокачественных опухолей кожи — в возникновении рака немеланомного типа (NMSC) и кожной меланомы (СММ). Ежегодно диагноз NMSC ставится 500 тыс. жителей США [143]. Доказательством того, что рак кожи немеланомного типа связан с УФ облучением подтверждается тем, что он обычно возникает у людей со светлой кожей на участках тела, наиболее подверженных воздействию солнечного светав 80−90% случаев он возникает на голове, шее, кистях рук и предплечьях, а у женщин — на ногах. Кроме того, у негров NMSC практически не встречается, а в Австралии рак кожи — это заболевание переселенцев из северной Европы, при том, что местное население им практически не страдает [86]. Влияние непосредственного воздействия УФР подтверждается также высокой корреляцией между годовыми дозами УФ радиации и показателями заболеваемости раком кожи немеланомного типа, полученной Гордоном и Сильверстоуном [по 86]. По-видимому, возникновение NMSC определяется дозой облучения, накопленной в течение жизни. Чаще он встречается у людей, проводящих большое время на воздухе, или род деятельности которых связан с искусственным УФ излучением. Наиболее опасное для жизни заболевание злокачественной меланомой (СММ) также положительно коррелирует с УФ излучением [297]. Значимым фактором риска заболевания СММ являются солнечные ожоги, особенно полученные в детстве. Редкие периоды интенсивного УФ облучения (отпуск и т. п.) опаснее суммарных доз. [110]. Предшественниками меланомы считают обилие веснушек и родимых пятен [18]. По последним данным Онкологического центра им. Н.Н. БлохинаРАМН [10] отмечается положительная динамика заболевания меланомой кожи жителей России: от 3.4 тыс.чел. в 1985 г. 5 тыс. — в 1995 году и 6.6 тыс. чел. — в 2002 г. В США наблюдается положительный тренд заболеваемости меланомой с начала 70-х гг., составляющий примерно 4%. Нужно также отметить, что УФР в совокупности с действием некоторых химических соединений и лекарственных препаратов может приводить к сильному отрицательному воздействию на кожу даже при небольших дозах облучения.

Рассмотрим более подробно процессы, происходящие в коже человека под воздействием УФ излучения. В результате УФ облучения возникает эритема и загар, которые являются признаками воздействия УФР и репарации повреждений кожи. Эритема, которая выражается в покраснении кожи, проявляется после нескольких часов латентного периода и ограничивается участками, подвергшимися воздействию УФ радиации. В результате облучения происходит расширение кровеносных сосудов и увеличивается дермальный кровоток. Считается, что начальная фотохимическая реакция происходит в эпидермисе, где поглощение фотонов кератиноцидами может привести к освобождению внутриклеточных веществ, которые диффундируют и вызывают расширение сосудов. Это подтверждает наличие латентного периода, а также то, что большая часть энергии поглощается эпидермисом (рис. 2).

Для многих типов кожи через 48 часов после облучения начинается пигментация кожи («загар»). Он частично связан с миграцией пигментного меланина, присутствующего в базальных клетках, в поверхностные слои кожи. Загар также связан с образованием нового пигмента. По данным многочисленных экспериментов через 24 часа после облучения в клетках человека обнаруживаются также и «обгоревшие» клетки, диффузно распространенные по всему эпидермису. Они отличаются однородной потускневшей цитоплазмой и пикнотиче-скими пятнами и похожи на ороговевшие клетки. После этого наблюдается гиперплазия, которая наступает примерно через 2 дня, в результате чего отмечается постепенное увеличение толщины эпидермиса в течение 8−14 дней. Эти изменения представляют собой репарации повреждений, вызванных УФ излучением и в то же время защиту от дальнейшего облучения [86]. В литературе описываются попытки обнаружить процессы фотореактивации у человека в ходе облучения УФ за счет видимого света. Однако согласно [75] можно говорить только о несколько большем проценте людей, у которых за счет процессов фотореактивации видимый свет несколько ослабляет образование эритемы.

Воздействие УФ радиации на ДНК, как было показано выше, вызывает мутагенез, который в большинстве случаев связан с ошибками процесса SOS-репарации ДНК и, следовательно, может привести к канцерогенезу. В ряде исследований, описанных в [86], приводится следующий механизм: «ошибочное» востановление ДНК приводит к увеличению частоты хромосомных аберраций и росту мутаций, увеличивая скорость трансформации здоровых клеток в раковые и способствуя проявлению скрытых онкогенных вирусов, способных потенцировать рост раковых клеток.

Острое воздействие на органы зрения проявляется в развитии фотокератита («снежной слепоты») и фотоконьюктивита, которые обычно можно вылечить. Одним из наиболее опасных заболеваний глаз, вызываемых УФ радиацией, является катаракта, о чем свидетельствуют как экспериментальные, так и эпидемиологические данные [81]. Количество полностью слепых от катаракты людей в мире составляет примерно 20 млн. чел., при этом в тропиках их процент выше (до 30% пожилых людей). К другим УФ зависимым глазным патологиям относят птеригиум — гипертрофию глазной коньюктивы. Это заболевание часто возникает под воздействием искусственного УФ излучения. Оно является профессиональным заболеванием сварщиков. e I «еов с J Мейскера [.

I крауаиa-JUM.

I коиеч: иак тельшаии а-кориоу* (роговой слои). г-мяипиоев слой б-люцидум (прозрачный слой) д-б, 13альиа-«<�п0точныи c. toi* ь-.*ран"лзЗг» (асряистьж с’сй) о-кориум м" дррмл.

Рис. 2. Пропускание УФ радиации в коже человека по [86].

При действии на глаза, прежде чем УФ радиация попадает на сетчатку, она поглощается роговой оболочкой, хрусталиком и стекловидным телом. Как и в коже, более короткие длины волн поглощаются внешними слоями, в то время как более длинные волны проходят в более глубокие слои эпителия [86]. Установлено, что при повышенных дозах УФР в роговой оболочке возникает деструкция и некроз клеток эпителия. Отмечается торможение митозов и другие изменения в ядрах клеток, а позже в цитоплазме, где образуются вакуоли. При очень больших дозах происходит отслоение эпителия в центре роговицы, однако через 3−5 дней эпителий восстанавливается. Помутнение хрусталика (катаракта) вызывается большими дозами УФ радиации в течение продолжительного времени. Отмечаются как гистологические, так и биохимические изменения хрусталика: подавление митозов, фрагментация ядер клеток, денатурация белка, уменьшение глутатиона и др. [53].

К действию УФ излучения чувствительна иммунная система. Нормальная реакция клеточного иммунитета осуществляется путем взаимодействия антигена и антигенпредставляющих клеток с последующим вовлечением лимфоцитов.

11 эффекторов [81]. Последние находятся в равновесии с лимфоцитами-супрессорами, количество или активность которых возрастает под воздействием УФ радиации. Есть мнение, что запускает эту реакцию уроканиновая кислота, локализованная в поверхностных слоях кожи. В результате длительного облучения большими УФ дозами страдает иммунная система организма в целом. Следствием этого является снижение резистентности к инфекционным агентам и к некоторым инфекционным заболеваниям [193], а также возможно развитие рака кожи. В качестве примера можно указать на заболевания с кожной фазой развития или зависящие от клеточного дефицита (корь, ветряная оспа, герпес и др).

Положительный результат воздействия УФ радиации связан, главным образом, с образованием витамина D (антирахитный эффект). УФР оказывает также благотворное действие на лечение некоторых кожных заболеваний (например, псориаза). Недостаток УФР может приводить к нарушению процесса обмена фосфора и кальция у разных групп населения, особенно у детей. В свою очередь это нарушает нормальный процесс формирования костной ткани и уменьшает активность защитных систем организма. Витамин D образуется фотохимическим путем в коже под действием УФР. Исследования показали, что витамин D образуется из так называемого провитамина (главным образом, из 7-дегидрохолестерола). Провитамин находится в самых нижних клетках рогового слоя кожи. Он затем преобразуется в превитамин, который является уже непосредственным предшественником витамина D. Согласно [86] нормальная суточная потребность в витамине D составляет 200 ME у взрослых, и 400 ME у детей (или соответственно 5−10 мкг холе (эрго-)кальциферола витамина D2). В последнее время считается, что дефицит витамина D, или D гормона 25[ОН]Оз, который создается в печени непосредственно из витамина D, может привести к различным заболеваниям. Дефицит витамина D обнаружен у людей, недостаточно времени проводящих вне помещений, а также при недостаточном поступлении этого витамина с пищей (главным образом, у детей). Он отмечается также у пожилых людей, проживающих в районах с низкой инсоляцией, а также у людей, ведущих неподвижный образ жизни. Отмечается, что способность кожи образовывать витамин D у пожилых людей в четыре раза меньше, а содержание 25(ОН)Оз в сыворотке их крови менее 30 мкг/л. Это классифицируется как гиповитаминоз D (пороговое значение витамина D при гиповитаминозе -40 мкг/л, пороговое значение, соответствующее дефициту витамина D, — 12−15 мкг/л) [207]. По данным Г. Я. Шварца [105], недостаточность витамина D может повысить риск некоторых хронических заболеваний, встречающихся в практике кардиологов (артериальная гипертензия) и эндокринологов (например, сахарного диабета типов 1 и 2) неврологов (эпилепсия, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз, церебральные параличи), психиатров (болезнь Альцгеймера, шизофрения, маниакально-депрессивный психоз, аутизм), онкологов (рак предстательной, молочной, поджелудочной желез, толстой кишки и др.). В пользу связей недостатка витамина D с рассеянным склерозом говорит резкое возрастание случаев заболеваний с увеличением географической широты и генетическая предрасположенность к таким заболеваниям людей со светлой кожей и голубыми глазами [105]. Следует отметить также повышение риска заболевания диабетом 2 типа в северных странах у темнокожих выходцев из Азии (в 4−5 раз!) по сравнению с белокожими жителями. У женщин, проводящих достаточно длительное время на солнце и имеющих высокий уровень метаболитов D-гормона в крови, отмечено снижение на 20−50% частоты случаев рака молочной железы по сравнению с теми, кто редко подвергается инсоляции [207]. Особо следует отметить УФ недостаточность для темнокожих иммигрантов, переехавших из районов высоких широт. По данным [207] 80% пожилых афроамериканцев в США имеют дефицит витамина D. Это связано с низкой способностью их темной кожи утилизировать природную инсоляцию по сравнению с кожей белых. При этом к концу зимнего периода число темнокожих, страдающих недостатком витамина D значительно увеличивается. В работе В. К. Беликовой и др. 15] показано, что заболеваемость рахитом, вызываемым также недостатком витамина D, в районах, расположенных вблизи 65 °C.ш. в 2−3 раза превышают таковые на 45° с.ш. Следует отметить, что избыточное УФ облучение может приводить и к обратной реакции и разрушению многих витаминов (особенно витамина С) [14].

Отмечается негативное воздействие УФР на различные растения и микробы, однако они способны вырабатывать защитные механизмы. Было показано, что увеличенные дозы УФ радиации не ведут к гибели организмов, но изменяют их продуктивность, жизненные циклы и приводят к выработке некоторых химических реагентов, ведущих к изменению защитных функций [297]. В последние годы было показано, что УФ излучение негативно влияет на рост и фотосинтез фитопланктона, а также на содержание в нем протеина [316]. Чувствительностью к УФ-В излучению обладают морские водоросли, зоопланктон, а также морские ежи и кораллы. УФ-В радиация способна непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинок креветок и крабов, снижать репродуктивную способность, рост и выживаемость [316]. Известно, что УФ радиация действует и на высшие растения (уменьшение высоты, сухой массы, поверхности листьев и др.) Наибольшая чувствительность по результатам тестирований оказалась у семейства тыквенных (горох, соевые бобы и др.) [291].

Важную роль УФ радиация играет в биогеохимических связях. В частности, в результате ее действия на почвенные микроорганизмы (например, на циано-бактерии) может меняться скорость утилизации растворенного в воде азота воздуха, который участвует в процессах фотосинтеза. Этот процесс трудно переоценить, поскольку величина утилизации этими веществами в целом сравнима с объемом ежегодного производства искусственных азотных удобрений. Кроме того, УФ излучение способно активизировать и ключевой фермент ассимиляции азота — нитрогеназу [316]. Оно также оказывает и опосредствованное воздействие, разрушая органические компоненты почвы и нарушая сложившиеся взаимодействия между микробными и растительными компонентами агробиоценозов. УФ радиация также индуцирует активное протекание фотохимических реакций в атмосфере, что может улучшать качество воздуха.

Однако, говоря об эффектах УФ радиации, надо принимать во внимание одновременное действие таких факторов, как рост концентрации СОг, изменение температурного и влажностного режима и других, которые могут ослабить или, наоборот, усилить отрицательное действие УФ-В радиации на живые организмы.

Биологическую эффективность УФ радиации принято оценивать с помощью спектров (спектральной эффективности) биологического действия, которые характеризуют роль тех или иных длин волн УФ радиации для данного объекта (например, кожа, глаз и т. п.) в относительных единицах. Для оценки уровня биологически активной ультрафиолетовой радиации (БАУФР) используется следующее выражение:

0,бауфр~ Ш) Е (Я) dX (I).

280 где Е (Я) -спектральная эффективность биологического действия, Q (X) -спектральная плотность энергетической освещенности, выраженная в Вт/м2нм. Например, при расчете уровня биологически активной эритемной радиации используется спектр эритемного действия. На рис. 3 приведены спектры биологического действия на различные объекты. Как видно из рисунка, большинство спектров имеет максимум в УФ-В области. На практике спектры биологического действия часто называются также кривыми биологического действия.

Сходство различных кривых биологического действия объясняется похожими процессами, происходящими в результате поглощения фотонов радиации клетками организмов. Однако, если спектры действия, в частности, на кожу человека близки для всех рас, то в пороговых значениях образования эритемы существуют значителные различия. Согласно [299] выделяют четыре типа человеческой кожи для европейского населения. Их характеристика, а также пороговые значения минимальных эритемных доз приведены в табл. 1.

Между кривыми эритемного действия для типов кожи 1, 2 и 3, 4 существуют небольшие различия, однако общепринятой является кривая действия для типа кожи 1 и 2, определенная через 24 часа после облучения. Эта кривая действия была принята в качестве базовой международным комитетом по освещению в.

1993 году и используется как международный эталон [163]. В настоящее время она также используется при оценках пороговых значений образования витамина D [207] и канцерогенеза [166] вследствие близости спектральных характеристик этих кривых действия. Следует отметить, что кривая действия образования витамина D, определенная in vitro украинской группой исследователей значительно отличается от используемой кривой эритемного действия (см. например, [293,191]).

Е (1) 1 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.1 0.1 ооооооооооооо.

COOlOT-OJiri^inCONODOlO счсчсосососооотсосососотг длина волны, нм.

Эритемное действие (С1Е) — - -действие на ДНК —•— Канцерогенное действие (SCUP) —*— эритемное действие (ACGIH) !Действие на фитопланктон.

Рис. 3. Спектры биологического действия в УФ диапазоне Е (Л): спектр эритемного действия по данным международного комитета по освещению (CIE) по [163,251) и ACGIH по [107], спектр канцерогенного действия на человека по [173], действие на ДНК по [280] и на фитопланктон по [165].

Надо отметить, что чувствительность кожи к УФР очень сильно зависит от внешних условий, сезона года, предшествующего облучения и некоторых индивидуальных особенностей человека. Так, женщины более чувствительны к облучению, чем мужчины, дети — в большей степени, чем взрослые. Для возраста 6−12 лет чувствительность будет составлять примерно 150% от уровня чувствительности взрослых [18, 86], Эритемная чувствительность разных частей тела также меняется: она убывает в последовательности: грудь (100%) живот, спина, шея (50%) верхние и нижние конечности (менее 25%) [18].

Табл. 1. Основные типы человеческой кожи для европейского населения и пороговые значения, необходимые для образования одной минимальной эритемной дозы (МЭД).

Тип кожи Образование загара Образование эритемы Цвет волос Цвет глаз Пороговая доза (МЭД).

I Не образуется никогда Образуется всегда Рыжий Голубой 200 Дж/м2(э).

II Образуется редко Образуется иногда Светлый Голубой или зеленый 250 Дж/м2(Э).

III Образуется Всегда Образуется редко Каштановый Серый или карий 350 Дж/м2(Э).

IV Образуется всегда Не образуется никогда Черный Карий 450 Дж/м2(э).

Наиболее распространенная кривая эритемного действия по CIE [163,251] задается следующим образом:

Е (Я)=, для к <298 нм Е (Я)=л0094(298″ Х) для298 < А, < 328 нм ?^>Юл0015(139-Х) для 328 < I <400 нм (II).

Две-три минимальные эритемные дозы вызывают сильное покраснение кожи (яркую эритему), 5 доз — болезненный ожог, 10 доз — образование волдырей.

Согласно второму закону фотохимии (закону взаимности Бунсена и Роско) известно, что первичное фотохимическое воздействие зависит только от интенсивности и продолжительности облучения. Поскольку эритема и другие явления, связанные с УФ облучением, являются косвенными эффектами, то к ним этот, закон может быть применен лишь условно. Исходя из опытных данных, эритемное действие можно считать пропорциональным дозе, и оно не зависит от соотношения между плотностью потока энергетической освещенности и продолжительностью, если продолжительность облучения не превышает латентного периода, который может меняться от 1 до 6 часов [86]. Если же время облучения, необходимое для получения 1 МЭД, сравнимо с латентным периодом, то эритема не возникает. Продукты фотохимических реакций удаляются в результате обмена веществ или восстанавливаются. В. А. Белинским указывалось, что если эритемная доза была меньше пороговой эритемной дозы1, в течение часа, то эритема не образовывалась и при более длительном облучении [88]. В результате экспериментов было показано, что доза УФ радиации без образования эритемы не должна превышать 120 Дж/м (Э) при экспозиции 7 часов.

Люди, чья пофессия связана с работой на открытом воздухе, получают 10% от годовой суммы УФ радиации, приходящей к земной поверхностилюди, работающие внутри помещения — всего 3% [125]. Однако во время каникул или отпусков люди могут удвоить годовую норму [295]. Как видно из предыдущего обзора, это может иметь как позитивные (формирование витамина D), так и негативные последствия (рак кожи, катаракта). Пороговая доза для формирования витамина D оценивается разными авторами по-разному. По данным Holick [207] для получения примерно 800−1500 ME (или 20−40 мкг эргокальциферола витамина D) необходимо облучать 25% тела дозой УФ радиации, равной 25% от одной МЭД. Эти расчеты были сделаны, исходя из того, что одна минимальная эритемная доза при облучении всего тела создает примерно 10 000−25 000 ME. По другим источникам для формирования витамина D необходимо 50% от МЭД [309]. Для оценок in vitro 5% превитамина D образуется при облучении 2 МЭД [293]. Как отмечалось в [18], где однако использовался старый спектр эритемного действия, для нормального функционирования организма суточная доза эритемной радиации должна составлять не менее 12.5% и не более 75% от одной МЭД.

1 По нашим расчетам принятое в этой работе пороговое значение 80 мэр. час/м2 соответствует с учетом новой кривой эритемного действия примерно 262 Дж/м2 (э). (Это верно только для оценок при больших высотах Солнца). Таким образом, можно говорить, что приведенные В. А. Белинским оценки характерны для оценки МЭД у второго, наиболее распространенного типа кожи.

Согласно последним рекомендациям ВМО, Всемирной Организации Здравоохранения, UNEP и др. [194] при мониторинге УФ радиации и ее прогнозе рекомендуется использовать УФ индексы, UVI, которые определяются нормированием суммарной эритемной радиации на некоторое малое значение (0.025 Вт/м2(Э)):

UVI=QJ0.025 (III).

В зависимости от величины различают разные категории УФ индексов: низкая категория (UVI<2), средняя (UVI=3−5), высокая (UVI=6−7), очень высокая (£/Г/>8−10) и экстремально высокая (UVI> 11) по [194]. Согласно рекомендациям в [194], уже начиная с UVI=3, необходима защита от Солнца. В качестве предохранительных мер рекомендуются защитные кремы с фактором защиты SRF=15 и выше, защитные очки, одежда и проч.

Во многих странах наряду с прогнозом погоды, дается прогноз и УФ индексов (например, в США, Европе, Австралии). И население по телевидению информируется о возможных изменениях уровня УФ радиации.

Обзор исследований УФ радиации у поверхности Земли.

Исследованию УФ радиации, приходящей к земной поверхности, посвящено много работ. В Советском Союзе измерения УФР были начаты уже в 1930;х гг. Н. Ф. Галаниным и А. Н. Бойко. Пионерами в исследовании УФ радиации были также профессор кафедры меторологии и климатологии Географического факультета МГУ В. А. Белинский и его многочисленные ученики. Их экспериментальные и теоретические работы 50−70-х гг. XX столетия послужили основой создания целой научной школы в МГУ. В частности, необходимо упомянуть монографию под редакцией В. А. Белинского «Ультрафиолетовая Радиация Солнца и Неба» [18], Атлас карт ультрафиолетовой радиации [88] и некоторые другие его публикации [16, 17, 19, 88], а также последующие работы М.П. Га-раджа и Е. И. Незваль [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 62]. В Метеорологической обсерватории МГУ усилиями М. П. Гараджа и Е. И. Незваль с 1968 г. был организован мониторинг УФ радиации 300−380 нм [26]. Проводились также исследования спектрального состава УФ спектрометром, разработанным в МО МГУ [25, 32]. В начале 60-х гг. большую роль в исследовании спектрального состава УФ радиации сыграли работы, выполненные Бенером [123] в Швейцарии, а также модельные исследования УФР, выполненные Грином с коллегами [195, 256, 255 и др.]. Кроме того, в 70−80-гг. много экспериментальных работ было выполнено в Польше и Чехословакии [283, 283].

В связи с проблемой истощения озонового слоя стала реальной угроза повышения доз коротковолновой УФ радиации и появления в ее спектре излучения более коротких длин волн. Были разработаны различные международные и национальные программы по изучению УФ радиации. В частности, исследования УФР ведутся в рамках программы GAW (Global Atmospheric Watch), ряда европейских программ (COST-713 и COST-726, EDUCE и др.), национальных американских программ USDA [127], EPA/NOAA и NSF http:/fosimail.biospherical.com/nsf/ и др. В Канаде был создан международный центр данных по УФ радиации http://www.msc-smc.ec.gc.ca/woudc/. В настоящее время существует также и европейский центр данных по ультрафиолетовой радиации в Финляндии (EUVDB). В то же время в 1994 году ВМО установила наблюдательный совет по УФ измерениям в программе GAW, позволяющий стандартизировать проведение наблюдений и оценку качества измерений на разных станциях мониторинга [308]. Таким образом, масштаб исследований УФР с конца 80-х гг. прибрел глобальный характер. Особую роль при этом выполняли исследования УФ радиации из космоса. В частности, большую роль в понимании трендов озона и УФР у поверхности Земли сыграли спектральные измерения прибором TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), который был установлен в 1978 г. на борту спутника NIMBUS-7, а также, позднее, и на других носителях (http://iwocky.gsfc.nasa.gov/ [202, 203, 204). Кроме этого восстановление УФ радиации у поверхности Земли стало возможно с помощью прибора GOME (европейский УФ спектрометр на борту ERS-2) и с помощью комбинации спутниковых приборов: MVIRI на борту METEOSAT и TOMS на борту NIMBUS-7[300].

Использование данных измерений на полярно-орбитальных спутниках приборами типа TOMS, GOME позволяют получать данные измерений УФ радиации раз в день по всему земному шару. Поскольку грубое временное разрешение может давать большую погрешность в оценке дневной суммы эритемной радиации, то были предложены и другие методы определения атмосферных параметров с других спутников (например, данные ERBE [239] позволяют восста-навлитвать поля УФР с часовым интервалом). Для оценки пространственного распределения УФ радиации используется также климатология облачности ISCCP [244], данные METEOSAT [301, 302] или данные AVHRR[270], имеющие хорошее временное и пространственное разрешение. Валидация данных спутникового зондирования показывает неоднозначность восстановления УФР в разных географических регионах. Разница между спутниковыми УФ измерениями и данными наземных измерений может достигать 40% [250, 259]. В главе 5 подробно обсуждаются причины их различий, главной из которых, вероятно, является неучет поглощающего аэрозоля и газовых примесей в атмосфере [111,113,157, 160,250 и др.].

О важности исследований УФ радиации говорит и то, что достижениям в этой области науки посвящается глава в международном научном сборнике «Scientific Assessment of Ozone Depletion», который выходит раз в четыре года и спонсируется ВМО, ЕС, NOAA, UNEP, NASA [312, 313, 314, 315]. В ней описываются последние научные достижения в исследовании УФ радиации по модельным и экспериментальным данным, приводятся оценки пространственно-временных изменений УФ радиации, прогнозы УФ радиации в будущем и др.

В связи с уменьшением содержания общего содержания озона, особенно большое внимание в настоящее время уделяется исследованию его влияния на ослабление УФ радиации. В частности, в 90-ые годы по данным многочисленных измерений в различных точках земного шара была подтверждена степенная зависимость изменений эритемной радиации от общего содержания озона (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость изменений эритемной радиации на поверхности Земли от изменения общего содержания озона. Географические пункты: Мауна-Лоа (Гавайи), Лаудер, (Новая Зеландия), Фессалоники (Греция), Гармиш (Германия), Торонто (Канада). Линией показаны модельные расчеты с радиационным фактором усиления за счет озона, равным 1.1. Ясное небо. По [243].

Однако существовало расхождение в оценках степени воздействия общего содержания озона на эритемную радиацию по данным разных авторов и модельным расчетам. Так, например, по данным [131] величина радиационного фактора усиления зс| счет озона RX=A, а по данным модельных расчетов.

Rx= 1.1.

Наблюдения в Новой Зеландии показали, что практически все полуденные максимумы УФ радиации совпадают с минимальным содержанием озона. На рис. 5 хорошо видна заметная отрицательная корреляция между озоном и УФ радиацией.

150 X Toronto Canada •'" '' Garmiich, Germany.

•"оso -*osoaoio о.

Ottm change [%].

2 Подробная характеристика rx дана в разделе 2.1.

I I II I I I I I I 4 I I It I I I I I I.

1(a).

I I I I I I I I I I II I I I I I I I I I.

Рис. 5. Содержание озона и УФ индексы в полдень в Лаудере (Новая Зеландия) с 1978 по 2000 г. Лето (декабрь-февраль). Точками показаны непосредственные данные измерений озона (а) и УФ радиации (Ь) — сплошными линиями — ассимилированные данные по озону, полученные со спутников и по сети спектрофотометров Добсона (а), а также рассчитанные значения УФ индексов (Ь) согласно этим измерениям озона в разные месяцы, отмеченные цифрами. По [248].

Была численно оценена зависимость УФР у поверхности Земли от вертикального распределения озона и температуры и показано, что роль этих факторов может составлять несколько процентов. (229, 225).Учет особенностей вертикального распределения озона и температуры может быть важен при оценках многолетних трендов УФР.

В [185] сделаны попытки оценить влияние на ослабление УФР других газовых примесей (в частности, SO2), возникающих за счет извержений вулканов или при антропогенном загрязнении атмосферы. Однако эти оценки проводились лишь для отдельных случаев. В целом, до последнего времени недооценивалась роль диоксида азота и некоторых других газов в поглощении УФ радиации. Так, крупными учеными еще в 2002 году считалось, что общее содержание NO2 в атмосфере незначительно [240] и, следовательно, этот газ не может оказывать значимых эффектов на ослабление УФР. В разделе 2.2 приводятся оценки возможных вкладов антропогенных газовых примесей в поглощение УФР в разных условиях, которое было подтверждено и непосредственными наблюдениями в Москве.

Аэрозоль может существенно ослаблять поступление УФ радиации к земной поверхности. Известно, что характеристики аэрозоля, в частности, аэрозольная оптическая толщина и альбедо однократного рассеяния во многом определяют ослабление солнечной радиации. В настоящее время сеть измерений AERONET совместно с измерениями UVMFSR позволяют оценивать свойства аэрозоля в УФ диапазоне спектра, см., например, [218, 223]. Натурные эксперименты в Греции в 1996 г во время кампании PAUR II позволили оценить аэрозольные характеристики атмосферы в УФ области спектра. Показано, что параметр Ангстрема в этой области равен, а = 1.0±0.5, а альбедо однократного рассеяния изменяется между 0.84 и 0.98 [319]. До последнего времени отсутствовали климатические оценки аэрозольных характеристик в УФ области спектра. Лишь в последней работе Ярославского приведена статистика аэрозольных свойств атмосферы в УФ диапазоне спектра для Польши [212]. Однако большая пространственная и временная изменчивость аэрозольных свойств атмосферы, особенно в УФ диапазоне спектра, делает необходимым проведение непосредственных аэрозольных измерений в московском регионе, которые были организованы с 2001 г. (см. раздел 2.3.3).

В серии работ было показано влияние пространственного распределения альбедо снега на поступление УФ радиации [231, 232, 285, 279]. В частности, по их оценкам влияние альбедо снега на длине волны 324 нм может увеличивать поток УФР у земной поверхности от 8 до 39%. Альбедо снега может оказывать влияние на УФР у поверхности Земли в радиусе 40 км, даже если в точке непосредственных измерений не наблюдается снега [285, 232].

Во многих работах показано влияние облачности как одного из важнейших факторов регулирования УФР у поверхности Земли. В частности, среди последних работ, посвященных исследованию ослабления УФ радиации сплошным покровом облаков, следует отметить статьи [141, 145, 214, 265 и др.]. В этих публикациях показано, что пропускание УФР сплошным покровом облаков варьирует в широких пределах: от 0.3 до 0.8 [141]. Во многих работах, выполненных разными авторами, в том числе и автором этого исследования, указывается на спектральный характер пропускания УФР облачностью [26, 27, 31, 95, 151, 170, 256]. Для эритемной радиации эта величина может быть выше на 15−45%, чем для интегральной радиации. В разделе 2.5 на основе современных модельных и экспериментальных данных дается объяснение этому эффекту. Показана также необходимость использования трехмерных моделей для описания УФ радиации в условиях разорванной облачности [315], что было сделано при оценке УФР в условиях разорванной облачности в Москве (см. раздел 2.5.2). Важным моментом является тот факт, что при открытом диске Солнца рост УФР по сравнению с ясным небом может быть существенным и достигать 25% [145].

В настоящее время большое внимание уделяется разработке методов предсказания уровня УФ радиации. Для разработки прогностических схем УФР используются численные модели прогноза погоды. В некоторых научных центрах (например, в NCEP, KNMI, ECMWF, ВОМ) в прогностические модели ассимилируются данные по общему содержанию озона и разрабатываются алгоритмы, позволяющие прогнозировать его содержание на несколько дней вперед. Такой прогноз производится по данным спутникового мониторинга (исходя из инерционности полей озона) или на основании существования статистических связей с метеорологическими полями на определенных высотах. В то же время эти модели дают информацию об облачности, уровне коротковолновой радиации и снеге [314]. На основании совокупности этих данных производятся прогностические оценки УФР [119, 238, 230,237].

В 70−90-е гг. XX века большое внимание уделялось разработке численных методов переноса солнечного излучения в атмосфере, необходимых для вычисления УФ радиации. Для оценок УФ радиации используются разные методы расчета, включая различные модификации двухпотоковых методов [34, 213, 54, 69, 71, 91], а также более точный метод дискретных ординат [288]. В частности, двухпотоковый метод дельта-Эддингтона был положен в основу создания банка данных спектров УФ радиации в облачных условиях в МО МГУ [95].

Наиболее часто используемыми моделями или программными комплексами для расчета УФ радиации являются libRadtran [242], тропосферная ультрафиолетово-видимая модель (TUV) [245], модель STAR [271] и некоторые другие. При оценке разорванной облачности или эффектов неравномерно распределенного альбедо поверхности обычно используются 3-х мерные модели. Довольно часто при этом применяется метод статистических испытаний (Монте-Карло) [33, 72, 57]. Однако, в случае больших оптических толщин и сильно вытянутых индикатрис рассеяния, требуются большие машинные ресурсы для реализации расчетов, а высокая точность может оставаться нереализованной из-за отсутствия данных о ряде параметров.

Начиная с конца 80-х гг., наблюдается активное развитие сети мониторинга УФ радиации. Можно выделить несколько типов измерений УФ радиации.

1. Измерения спектрального состава УФ радиации сканирующими спектро-радиометрами с разрешением лучше АА,=1нм (например, УФ спектрорадиомет-ры сети NSF SUV-100, спектрорадиометры Brewer, Bentham, Optronics и др.). На основании этих наблюдений организованы международные и национальные программы, например, программы УФ мониторинга Франции, Бельгии, Новой Зеландии, Швеции, Германии, США, Канады и других стран (см. например, обзор работы международного радиационного симпозиума в Санкт-Петербурге [85]).

2. Измерения многоканальными УФ радиометрами типа GUV-511, GUV-541 или UV-MFRSR, с помощью которых получают данные в нескольких каналах.

УФ диапазона спектра с разрешением порядка ДА=2нм. Приборами такого типа проводятся измерения в США, Южной Америке и северной Европе.

3. Измерения широкополосными приборами типа UVB-1 YES или SL Biometer 501 А, вид спектральной чувствительности которых близок к кривой спектральной чувствительности биологически активной радиации и имеет максимум в УФ-В области спектра. Данные приборы являются наиболее распространенными. Из широкополосных приборов следует также отметить УФ радиометр фирмы Эппли в диапазоне 300−385нм с эффективной длиной волны в длинноволновой области спектра (http://www.eppleylab.com/).

Измерения УФ радиации с хорошим спектральным разрешением безусловно являются наиболее информативным и могут быть использованы для оценки воздействия УФ радиации на различные биологические системы. Однако изменение атмосферных условий во время сканирования по спектру, а также ограниченность временного разрешения измерений иногда приводят к трудностям в использовании этих данных. Высокая стоимость спектрорадиометров не позволяет приобретать несколько приборов для одного пункта даже в странах, где на исследования в этой области тратятся значительные средства. Поэтому возникают перерывы в наблюдениях, вызванные необходимостью проведения регулярных проверок работы приборов, и это может существенно затруднить оценку трендов измерений [124]. Многоканальные приборы типа UVMFRSR, GUV-511, GUV-541 совмещают некоторые качества спектральных приборов (имея удовлетворительное спектральное разрешение) и широкополосных приборов, поскольку дают возможность проводить измерения с хорошим временным разрешением одновременно в нескольких каналах. Однако измерения в отдельных спектральных каналах требуют дополнительных исследований по созданию так называемого синтетического спектра УФ излучения [134], необходимого для решения большинства прикладных задач. Это связано в конечном итоге с привлечением дополнительных модельных расчетов, что несколько снижает ценность таких измерений. Широкополосные приборы, разработанные в 90-е годы (UVB-1 YES, SL501A), отличаются стабильностью и довольно удобны при проведении УФ мониторинга. Однако, приборы этого типа требуют проведения регулярных калибровок и проверки их характеристик. Даже небольшие отклонения в кривой спектральной чувствительности могут привести к значительным погрешностям в измерениях из-за изменения спектральной плотности энергетической освещенности в УФ области спектра на несколько порядков.

Следует отметить, что оптимальным вариантом УФ мониторинга является комбинация узкополосных многоканальных и широкополосных измерений, проводимых, например, на сети USDA в США [127], позволяющая выявлять зависимости БАУФР от параметров его определяющих (характеристик аэрозоля, озона и облачности).

В 90 — х годах мониторинг УФ радиации проводился примерно в 200 пунктах с помощью широкополосных приборов и примерно в 100 пунктах — приборами с хорошим спектральным разрешением. Наиболее густая сеть существует в Европе, Северной Америке и Австралии. В последнее время за рубежом большое внимание уделяется проведению международных сравнений широкополосных УФ биометров в рамках различных международных программ. Например, такие сравнения проводились в рамках программы WMO/STUK в 1995 г. в Финляндии, в рамках проекта COST 713 в 1999 г. в Греции и др. К сожалению, в России до последнего времени измерения коротковолновой УФР ведутся лишь в очень ограниченном числе пунктов и не везде регулярно. Измерения спектрального состава УФ радиации с помощью спектрорадиометра Brewer проводятся в Кисловодске, Якутске и Обнинске (см. например, описание результатов измерений в Обнинске в [259, 292]). Кроме того, измерения УФР проводятся в Воейково с помощью модифицированного озонометра М-124 [40].

В Метеорологической Обсерватории (МО) МГУ эпизодические спектральные измерения УФ радиации проводились в 70−90 х гг. [25, 32, 63, 197] в том числе, при непосредственном участии автора. Мониторинг УФР в области менее 380 нм проводится с 1968 г. уфиметром МГУ, имеющим максимум чувствительности в области 340−345 нм, и практически не чувствительным к области.

УФ-В [49, 154, 156]. Следует подчеркнуть, что это самый длинный ряд непосредственных измерений УФ радиации в мире. Наряду с этими измерениями, с.

1999 г. в МО МГУ и с 2000 г. в Подмосковье на Звенигородской биостанции МГУ под руководством автора начаты регулярные измерения широкополосными приборами UVB-1 YES с максимальной чувствительностью в УФ-В области спектра. Проведение одновременных радиационных измерений в городе и пригороде дает возможность судить о влиянии города на радиационный режим атмосферы.

Мониторинг УФ радиации в различных географических регионах и в том числе в Антарктиде, позволяет оценивать степень опасности уровней УФР для биоты. Так, спектральные измерения УФ радиации в Антарктиде в рамках программы NSF показали, что максимальное поступление УФ радиации наблюдалось в 1998 г. весной южного полушария в период мощной озоновой дыры. В.

2000 году рекордная по размеру озоновая дыра охватила огромные территории, включая территорию Аргентины. В результате этого на станции Ушуйа были зарегистрированы максимальные значения УФР в октябре 2000 г. На рис. 6. приведены максимальные дневные дозы эритемной радиации на станциях NSF, расположенных в Антарктиде, на Аляске, в тропиках и в Аргентине. Пики УФР, зарегистрированные в октябре, возникают вследствие больших высот Солнца и низкого содержания озона во время озоновой дыры 2000 г. Отчетливо видно, что эти максимумы перекрывают максимум УФР, наблюдаемый в тропиках в Сан Диего.

Одна из основных задач, стоящая перед исследователями УФ радиации, заключается в оценке возможных трендов УФР, которые могут быть связаны как с изменением озона, так и с вариациями других геофизических параметров. Многие биологические эффекты зависят от продолжительности воздействия УФ радиации. Оценка изменчивости УФР в прошлом также важна для определения возможности адаптации различных биологических объектов к изменчивости уровня УФР. Для надежного выявления трендов также необходимы периоды, превышающие несколько десятилетий [307].

McMurdo •PalmerSouth PoleUshuaiaSan Diego ¦Barrow 0.

01-Jan.

20-Feb 10-Apr 30-May 19-Jul.

Date.

07-Sep 27-Oct 16-Dec.

Рис. 6. Максимальные дневные дозы эритемной радиации на станциях NSF. [134].

Однако мониторинг спектрального состава УФР с использованием калиброванных приборов начался лишь с конца 1980;х гг. В связи с этим в последние годы предпринимались попытки разработать разные подходы для восстановления УФР в прошлом. В целом, все разработанные методы можно разделить на несколько типов: статистические методы, когда эритемно-взвешенная УФ радиация или УФ радиация других спектральных диапазонов определяется только на основании статистических моделей, полученных на основании установленных зависимостей между современными данными спектральных измерений в УФ диапазоне и набором геофизических параметров (озон, интегральная солнечная радиация, продолжительность солнечного сияния и др.), данные о которых были известны в прошлом (см, например, [246, 188, 191, 171]). При другом подходе сначала на основании модели радиационного переноса рассчитываются возможные значения УФР, характерные для ясного неба, и далее, по данным о суммарной интегральной радиации [215, 169, 130] или о продолжительности солнечного сияния [235,236] производится коррекция данных для облачных условий. В работе [224] для нескольких европейских станций сравниваются два метода реконструкции УФР: усовершенствованная статистическая модель на основе MARS технологии и расчетный метод с учетом облачности. Было показано, что статистическая модель, хотя и дает лучшие результаты для суточных УФ вариаций, но может быть использована в других географических условиях только после настройки коэффициентов по большому ряду измерений.

Таким образом, использование статистического подхода или эмпирических зависимостей в указанных методах делали затруднительным их применение в других географических пунктах и требовали создания нового метода реконструкции УФР. Для выявления причин межгодовой изменчивости УФР автором был разработан метод реконструкции, восстанавливающий ежегодные аномалии УФР с учетом отдельных геофизических факторов при сохранении физического смысла каждого из факторов в отдельности [156] (см. также главу 3).

Принципиально другим подходом при реконструкции уровня и трендов УФР в прошлом является использование климатической модели с химическим блоком. В частности, в [216] описаны результаты восстановлений и прогнозы УФР по земному шару с использованием трехмерной климатической модели UMETRAC, и химической транспортной модели FinROSE. Использование рассмотренных методов позволяет оценивать как межгодовую изменчивость УФ радиации, так и делать климатические оценки УФ радиации. В частности, в статье [189] на основании данных TOMS и УФ реконструкций получена климатология УФ индексов над территорией Канады и США.

Рассмотрим оценки межгодовой изменчивости УФ радиации в различных географических пунктах. Наиболее длинный ряд реконструкции УФР по данным об озоне, продолжительности солнечного сияния и высоте снежного покрова был получен в Швейцарии [236] (рис. 7). В течение исследуемого периода с 1926 по 2003 г. видны значительные межгодовые колебания УФР с высокими значениями в середине 1940;х годов, в начале 60-х и в 1990;х г.

Рис. 7. Временные серии реконструированных значений УФР в Швейцарии, приведенные как отклонения от данных за 3940−1969 гг. Внизу показаны отклонения в процентах изменчивости УФР за счет облачности (коричневая линия), озона (зеленая линия) и снежного покрова (пунктир). По [236].

Уменьшение эритемной радиации с 1960 по конец 1970 г, объясняется, главным образом, уменьшением солнечного сияния, а ее рост в 1990;е гг. — уменьшением озона. Результаты восстановлений УФР с середины 1960 -х гг. по данным нескольких европейских обсерваторий в Восточной Европе (Бельск, Радек и Тыравере) [224] также демонстрируют резкое уменьшение УФР во второй половине 1970;х гг. Это согласуется с данными по трендам облачности, приведенными в работах [42, 201, 252].

При характеристике УФ радиации важно представлять ее глобальное распределение по земному шару. Отметим, что 30 лет назад В. А. Белинским и Л. М. Андриенко был создан атлас карт УФ радиации [88]. Однако использование упрощенной радиационной модели атмосферы, устаревших данных по озону, аэрозолю, облачности, а также устаревших кривых биологического действия не позволяют использовать этот атлас для практических целей в настоящее время. В некоторых странах в последние годы были также разработаны подобные атласы, которые, однако, носят сугубо региональный характер. Например, был выпущен атлас УФР для территории Новой Зеландии [130].

Все вышесказанное указывает на важную роль биологически активной УФ радиации, а также на сложную зависимость УФР от геофизических факторов. Детальному исследованию влияния геофизических факторов на биологически активную УФ радиацию, теоретическим и экспериментальным оценкам УФР, разработке методов реконструкции и восстановлению уровней УФР в прошлом в разных географических условиях, а также выявлению пространственных закономерностей распределения УФР по земному шару и посвящена настоящая диссертация.

Выводы к главе 6:

• На основании данных TOMS и наземной аэрозольной сети AERONET получено пространственное распределение общего содержания озона, аэрозольной оптической толщины в УФ диапазоне, облачного пропускания по земному шару для летних и зимних условий по сетке с шагом 2.5×2.5°.

— «Впервые построены карты распределения аэрозольной оптической толщины на длине волны 380 нм, которые в целом отражают реальную картину пространственного распределения тропосферного аэрозоля и его сезонные особенности.

• Предложен способ коррекции стандартных данных TOMS по отражательной способности на 331 нм, основанный на учете поглощающего аэрозоля и спектральных особенностей пропускания облачностью. Это позволило исключить систематические различия в наземных и спутниковых измерениях при отсутствии снежного покрова.

• Получен сезонный ход зонально-осредненных значений УФ радиации в разных спектральных интервалах, а также отношений внеатмосферных значе-ниий УФР к наблюдающимся у поверхности Земли. Определен также сезонный ход доли рассеянной радиации в суммарной при ясном небе и фоновых условиях аэрозоля. Анализ зонально-осредненных УФ индексов (UVI) у поверхности.

Земли выявил отчетливые широтные и сезонные градиенты, связанные с высотой Солнца, и их нарушения за счет озонового фактора в некоторых районах. Показано, что большие значения зонально-осредненных УФ индексов у поверхности Земли (UVI>14) большей частью наблюдаются в зоне 30°ю.ш. -10° с.ш. Сдвиг относительно экватора определяется меньшим расстоянием между Землей и Солнцем летом южного полушария, а также несколько большим содержанием озона летом северного полушария.

• Согласно рекомендациям гигиенистов рассчитаны номограммы для условий ясного неба, позволяющие оценивать время, необходимое для образования витамина D для разных типов кожи. Показано, что даже при ясном небе и фоновом содержании аэрозоля граница УФ недостаточности в зимние месяцы обоих полушарий может опускаться до 50° для первого, наиболее чувствительного к УФР, типа кожи, и до 44°- для четвертого типа кожи. На широте Москвы условия УФ недостаточности сохраняются в ноябре и во все зимние месяцы. В полярных районах северного полушария категория населения с четвертым типом кожи недополучает полезную УФ радиацию в течение всего года даже при фоновом содержании аэрозоля и ясном небе.

• Построены карты распределения УФ радиации для контрастных месяцев года (января и июля) для ясного неба и облачных условий. Выявлены не только широтные, но и значительные высотные градиенты УФР, которые определяются уменьшением молекулярной толщины атмосферы, обеспечивающим градиент УФР 5%/км, изменениями альбедо, аэрозоля и озона. Совокупное действие этих факторов может приводить к удвоению доз УФ радиации.

• Пространственная изменчивость озона приводит к ±25% изменениям UVI летом северного полушария и к более, чем ±50% - зимой. Роль озона выражается в усилении широтных градиентов UVI в средних широтах, а весной южного полушария — в нарушении градиентов UVI в полярных районах. Показана важная роль аэрозоля: изменчивость аэрозольной оптической толщины по земному шару приводит к изменению UVI до ±10−12% и в значительной степени меняет соотношение рассеянной и прямой компоненты излучения. Роль облачности заключается, главным образом, в смещении изолиний значений UVI в более низкие широты и усилении градиентов в средних широтах.

• Разработаны карты биологических ресурсов УФР, на которых показаны географическое распределение зон оптимальных доз УФР в околополуденное время в безоблачных и облачных условиях в зимний и летний периоды по всему земному шару. Для условий ясного неба области УФ оптимумов распространяются от полюсов до 58−60°с.ш. и примерно до 65°ю.ш., за исключением горных районов. В зимний период области УФ оптимумов в обоих полушариях лежат в зонах 25−50°. Это, в частности, означает, что в зимнее время, даже в отсутствие облаков, практически вся территория России, за исключением самого юга Европейской части и Дальнего Востока находится в области УФ недостаточности.

• В облачных условиях нарушения зональности в распределении биологических ресурсов УФР выражены гораздо сильнее и связаны с центрами действия атмосферы. Области УФ оптимумов по сравнению с ясным небом сдвигаются в сторону экватора. Смещение их границ в летнее время соответствующих полушарий составляет примерно 20°: от 60° до 40 °C.ш. и от 65° до 46°ю.ш. В зимнее время в обоих полушариях сдвиг границ за счет облачности составляет примерно 5°: от 50° до 45° и от 25° до 20°.

Заключение

.

Сфурмулируем основные выводы из проведенного исследования.

1. Разработаны новые методы исследования УФР:

1.1. Усовершенствована и адаптирована к реальным атмосферным условиям радиационная модель атмосферы.

1.2. Разработан новый метод реконструкции УФР, позволяющий не только восстанавливать УФ радиацию в прошлые эпохи, но и количественно оценивать вклады различных факторов в ее изменчивость.

1.3. Разработана система УФ-В мониторинга на базе широкополосных приборов, позволяющая определять эритемную радиацию.

2. Получены количественные оценки влияния различных атмосферных параметров на УФР:

2.1. По экспериментальным и модельным данным получены согласованные оценки влияния общего содержания озона на УФР и показана зависимость этого влияния от высоты Солнца.

2.2. С помощью предложенного автором параметра чувствительности показана большая чувствительность эритемной радиации к SO2 и NO2, особенно к NO2 в зимний период года (-1.8%/матм.см) и меньшая — к тропосферному озону. Ослабление УФР за счет NO2 для условий Москвы в среднем составляет 2−3%, увеличиваясь до 10−15% при адвекции воздуха из районов лесных пожаров.

2.3. Оценены аэрозольные характеристики для условий Москвы в УФ диапазоне спектра: Тз4о~0.26, аУФ ~1.1, соУФ ~0.91, gy ~0.72, служащие важными входными параметрами радиационной модели. Показано, что потери суммарной УФР за счет типичного аэрозоля меняются в диапазоне 0−30%, а ее ослабление за счет дымового аэрозоля достигает 60−70%.

2.4. Впервые по экспериментальным данным для условий ясного неба выявлен спектральный характер роста УФР за счет высокого альбедо снега с максимумом, превышающим 50% в области 320−340 нм, подтвержденный и модельными расчетами. Разработан метод оценки пространственного альбедо поверхности в УФ диапазоне, с помощью которого показано, что среднемного-летняя величина альбедо в Москве зимой равна 0.4.

2.5. Установлено, что потери УФР за счет облаков нижнего яруса составляют 60−85%, среднего яруса — 30−25%, верхнего яруса — 4−5%. При плотной облачности пропускание УФР растет на 25−70% при изменении альбедо в диапазоне 0.4−0.8. Оценены характеристики оптических толщин облаков разных форм для теплого и холодного периодов на основании разработанного метода определения оптических толщин облаков Рассчитано ослабление УФР разорванной облачностью по данным экспериментальных измерений и моделированияпри балле облаков N>2 получено удовлетворительное согласие между этими оценками.

3. Оценены ресурсы эритемной и УФ-В радиации в Москве и Звенигороде. Установлены большие изменения среднемесячных значений радиации — в 40−60 раз. Средние и высокие категории УФ индексов (3.

4. Измерения Q380 и реконструкция эритемной радиации выявили заметное падение УФР в конце 70-х годов и ее рост в 90-е годы в Московском регионе. Установлено, что заметное уменьшение УФР, начиная с 1976 г., связано с ростом эффективного балла облаков. Рост эритемной радиации в 90-е годы связан с действием нескольких факторов: уменьшением эффективного балла облаков, содержания озона и, начиная с 1994 г., — аэрозольной оптической толщины. В целом, в Москве межгодовая изменчивость эритемной радиации определяется вариациями эффективного балла облаков (±10−12%), общего содержания озона (±7−8%), оптической толщины аэрозоля (±2%) и оптической толщины облаков (±2%).

5. С помощью разработанного метода реконструкции определена межгодовая изменчивость УФР за счет облачности на территории бывшего СССР с 30-хгг. XX векав среднем она составляет ±7−16%. Наблюдаются некоторые региональные тенденции изменчивости УФР, например, ее уменьшение в Восточной Европе в конце 30-х — начале 40-х и в конце 70-х гг.

6. Для всей территории Евразии оценены межгодовые вариации эритемной радиации за счет озона (±3−11%) и облачности (±-3-И6%). Сопоставление изменчивости Q3 за счет этих факторов в глобальном масштабе выявило преобладание влияния облачности на большей части земного шара, особенно заметное в средних и высоких широтах северного полушария, в центральных районах Тихого океана и у берегов Юго-Восточной Азии.

7. Оценено качество спутниковых восстановлений УФР. Предложены способы коррекции спутниковых данных на аэрозоль, приводящей к уменьшению погрешностей восстановления УФР по TOMS — с +11% - до +2%, по METEOSAT — с -19% до -2%.

8. На основании модельных расчетов определены характеристики широтного распределения и сезонных изменений зонально-осредненной УФР в разных спектральных интервалах при ясном небе и фоновых условиях аэрозоля. Обнаружено смещение максимальных значений УФР в южное полушарие, а также отчетливые широтные и сезонные градиенты и их нарушения для коротковолновой УФР.

9. Для летних и зимних условий получены основные закономерности глобального распределения УФР и разработаны карты биологических ресурсов УФР, на которых показано распределение зон УФ недостаточности, УФ опти-мумов и УФ избыточности в безоблачных и облачных условиях. Летом соответствующих полушарий при ясном небе области УФ оптимумов распространяются от полюсов до 58−60°с.ш. и примерно до 65°ю.ш. за исключением гор

313 ных районов. В зимний период области УФ оптимумов в обоих полушариях лежат в зоне 25−50°. В зимнее время даже в отсутствии облаков практически вся территория России, за исключением самого юга Европейской части и Дальнего Востока, находится в области УФ недостаточности. Облачность ответственна за смещение границ областей УФ оптимумов в сторону экватора в летнее время обоих полушарий примерно на 20°, а в зимнее — на 5°.

Таким образом, на основании современных экспериментальных данных и точных методов расчета получены оценки УФ радиации у поверхности Земли, выявлена роль различных факторов в изменчивости УФР и установлен ряд важных глобальных и региональных закономерностей пространственно-временных изменений УФ радиации и ее биологических ресурсов.