Особенности географического распределения эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России

Солнечная радиация, включая ультрафиолетовый (УФ)-спектр, является одним из основных климатообразующих факторов. Известно, что человек чутко реагирует на изменение количества поступающей УФ-радиации, поэтому повышение уровня' УФ-радиации, вызываемое различными причинами, считается одной из наиболее важных проблем в последние десятилетия.

Под естественным ультрафиолетовым излучением понимается излучение, которое падает на поверхность Земли либо непосредственно от Солнца либо от неба и облаков в виде рассеянного и отраженного излучения [6]. Ультрафиолетовое излучение условно делится на три поддиапазона длин волн: А — от 315 до 400 нм, В — от 280 до 315 нм, С — короче 280 нм. Наиболее важным и очевидным проявлением действия коротковолновой УФ-радиации на человека является образование фотоэритемы и те последующие реакции, которые развиваются вслед за ее появлением: Наибольшие длины волн, вызывающие эритему, лежат между 315 и 320 нм. Ультрафиолетовая радиация данного диапазона называется эритемной ультрафиолетовой радиацией (ЭУФР).

Определенные дозы УФ-облучения необходимы и оказывают позитивное влияние на организм человека. УФ-излучение не относится к повреждающей ионизирующей радиации, но, попадая на кожу человека, вызывает фотоэлектрический и люминесцентный эффект. Проникая в кожу всего на 0,5 мм, оно способно оказать местное и общее действие на лимфо — и кровообращение [72]. Вредные последствия для человека вызывает УФ-недостаточность, которая отмечается в полярных и субполярных областях земного шара. Однако, для здоровья человека весьма опасна передозировка естественной УФ-радиацией, в результате которой происходят нежелательные процессы в его организме, вызывающие серьезные заболевания [30,43,93]. Известно, что УФ-радиация оказывает не только позитивное, но и негативное влияние как на отдельные органы человека, так и на иммунную систему в целом [13]. В случаях непривычно избыточного действия УФ-радиации, кроме ожогов, возможны фотодерматозы и конъюнктивиты. Глаз — это орган наиболее подверженный влиянию УФ-радиации. Роговая оболочка поглощает почти всю УФ-радиацию на длинах волн ниже примерно 300 нм. На длинах волн более 300 нм главным поглотителем является хрусталик глаза. К сожалению, в отличие от кожи роговая и слизистая оболочки глаза не имеют хорошо развитого адаптивного механизма [91]. Менее 1% УФ-радиации с длинами волн более 315 нм достигает сетчатки в нормальном глазу, но у людей с удаленным хрусталиком нет этого фильтра, защищающего сетчатку. Поэтому длительное воздействие избыточного УФ-излучения может привести к возникновению катаракты. Еще в начале прошлого века офтальмологи обнаружили взаимосвязь между количеством поступающей УФ-радиации и частотой возникновения катаракты у людей. Однако только в последние 20 лет активно ведутся поиски связей между этим заболеванием и изменением количества УФР, как одного из многих факторов, вызывающих данное заболевание [90].

Одним из факторов, определяющих количество УФ-радиации является общее содержание озона (ОСО). Значительное его уменьшение над Антарктикой и прилегающими к ней регионами, наблюдаемое с конца 1970;х годов, становится все более заметным в последние десятилетия [1,89]. Этот процесс сопровождается увеличением количества ультрафиолетовой радиации (УФР), поступающей на земную поверхность. Так весной в Южном полушарии, в те дни, когда наблюдается уменьшение общего содержания озона, количество УФР с длинами волн 300 и 305 нм приблизительно равно своим летним значениям и в четыре раза превосходит значения, соответствующие нормальному уровню озона [76]. Необходимо учитывать, что приведенные зависимости относятся к конкретным районам, в данном случае к станции с географическими координатами 55° ю.ш., 68° в.д. Аналогичные явления прослеживаются и в других районах полярных областей как в Южном, так и в Северном полушариях. Большинство современных исследований посвящено изучению влияния уменьшения ОСО на количество поступающей ультрафиолетовой радиации. В ряде работ отмечается негативный эффект такого влияния на организм человека в полярных районах [57,79]. По оценкам некоторых ученых, понижение ОСО на 1% сопровождается повышением УФ-радиации на 1,3% [89]. Такие оценки можно считать приблизительными, так как связи между ОСО и УФ-радиацией достаточно сложны и зависят от географических особенностей изучаемой территории [33]. Во многом они определяются и режимом УФ-радиации в конкретном районе [37,51].

В научной литературе существуют противоречивые мнения относительно долговременных трендов приземной УФР и причин их вызывающих [47,54,79,105]. Так, по данным пиргелиометрических наблюдений в Вельске в 1980;1996 гг. обнаружено, что долговременный тренд спада аэрозольной оптической толщины атмосферы, составляющий 7,4%, обусловил тренд роста суточной ЭУФР около 1%. Изменения ЭУФР, обусловленные изменениями аэрозольной оптической толщины атмосферы, оказались сравнимы с вариациями, возникающими за счет изменения общего содержания озона. И еще сильнее проявлялось влияние облачности [66]. Результаты наземных измерений УФР спектра В (280−315 нм) (УФ-В) в г. Хиратсука (Япония) за десятилетний период (1990;2000 гг.) выявили возрастание УФ-В излучения в среднем на 1,57% в год [88]. Анализ имеющихся данных о трендах средних зональных среднегодовых значений ЭУФР за период 1979;1992 гг. показал, что в области широт больших, чем 35°-40° в обоих полушариях отмечаются положительные тренды УФР, превосходящие дисперсию примерно в 2 раза [78]. По данным спутниковых наблюдений долгосрочные тренды в северных широтах за 1979;1991 гг. указывают на возрастание средних зональных доз ЭУФР на 3−7% [104].

В настоящее время экспериментальное изучение тренда солнечного УФ-излучения на поверхности Земли является важным направлением в исследовании атмосферных процессов. Имеется ряд работ, в которых указывается на снижение УФР, обусловленное, в частности, изменением облачного покрова [24,36].

Анализ результатов измерений УФР в 1989;1994 гг. аппаратурой SBUV/2, установленной на спутнике NOOA-11, не обнаружил вариаций в области длин волн более 300 нм, выходящих за пределы погрешности измерений [54].

По данным других исследований, в то время как летом в тропиках наблюдается статистически значимый тренд возрастания УФР порядка 10% за 10 лет, обусловленный трендом спада ОСО, в средних широтах тренда 'УФР обнаружить не удалось [95]. Более того, по данным наземных наблюдений в г. Томск (1994 — 2001гг.) выявлено уменьшение интенсивности потока УФ-А и УФ-В радиации в период с 1996 по 1999 гг. и относительно большое увеличение потоков в период с 1999 по 2000 гг[8]. Сравнение трендов УФР по данным TOMS с полученными по модели UKMO (U.K. Meteorological Office), продемонстрировало хорошую согласованность. Расчетные модели 2000;2019 гг. показали, что дальнейшее незначительное изменение ОСО приведет к незначительным изменениям среднезональных значений УФР за год и в отдельные сезоны. В то время как в Южном полушарии уменьшение УФР весной статистически незначимо, на севере модель предсказывает значимые уменьшения весной (около 10% в высоких широтах) [58].

Анализ возможных причин таких противоречий указывает на следующие их источники: 1) низкую чувствительность используемых приборов- 2) недоучет влияния других факторов внешней среды на приземное УФ-излучение при проведении трендового анализа [4]- 3) расхождения в данных наземных и спутниковых наблюдений- 4) различия во временных интервалах- 5) различия в методике обработки исходных данных- 6) различия в размерах изучаемых территорий.

Несмотря на отсутствие общей точки зрения в отношении долговременных изменений УФ-радиации, за последние годы несомненно возрос интерес к данным о пространственно-временной изменчивости поля ультрафиолетовой радиации.

В 1995 г. Международное Агентство по Исследованию Рака взяло на себя инициативу по разработке программы эпидемиологических исследований, направленных на аспекты проблемы, связанные с раком кожи. При участии ЮНЕП (Программа ООН по окружающей среде) и ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения) был осуществлен совместный проект под названием ШТЕЯЗИМ. Целью проекта было получение информации о влиянии УФР на здоровье людей в различных странах и определение числа пострадавших в мире людей от ее воздействия [96]. Такие данные необходимы для улучшения прогнозирования изменений УФ-радиации, влияющей на здоровье людей, и для получения возможности заблаговременного предупреждения об угрозе для здоровья [42,65,70].

Медицинская общественность чрезвычайно обеспокоена очевидным увеличением частоты кожных заболеваний, в частности увеличением частоты рака кожи, что вызвано, в основном влиянием УФ-радиации. Поскольку опухоли кожи развиваются очень медленно, в течение 20−30 лет, увеличение частоты опухолевых заболеваний может быть связано как с изменением поведения населения во время отдыха, так и с неблагоприятным УФ-воздействием на биологические экосистемы и человека. В связи с этим большинство научных исследований направлено на совершенствование методов измерения УФ-радиации, а также на биологические исследования влияния УФ-радиации на различные экосистемы и человека с целью выработки радиогигиенических оценок УФ-радиации и рекомендаций по мерам защиты [41,52,101]. С октября 1995 г. во многих странах мира ежедневно публикуются данные об УФ-индексе, который характеризует биологически активную (эритемную) УФ-радиацию [69,70].

В 2001 г. Всемирная Метеорологическая Организация (ВМО) определила параметры для стандартизации УФ (ЦУ) -индекса, которые используют 30 стран мира в прогностических целях. Параметры разработаны на основе моделей с использованием данных спутниковых наблюдений [58]. Чтобы вовремя обнаружить увеличение ЭУФР, создающее угрозу для здоровья человека, Служба Погоды Германии учредила оперативную схему для прогнозирования УФР. 48-часовой прогноз дает суточный максимум УФ-индекса, рассчитанного по рекомендациям ВМО. Процедура прогноза основана на расчетах с помощью модели радиационного переноса, с учетом высоты над уровнем моря, альбедо подстилающей поверхности и влияния облачности [97]. Такие прогнозы должны помогать избегать солнечных ожогов и эффектов изменений кожи которые по мнению врачей-дерматологов, приводят к началу раковых заболеваний [82].

Помимо ЦУ-индекса рассчитываются и другие показатели, оценивающие степень влияния УФ-радиации на человека. Метеорологическая служба Соединенного Королевства проводит расчеты среднего количества эритемной ультрафиолетовой радиации, необходимого для возникновения покраснения кожи, которое называется минимальной эритемной дозой (МЭД). Степень воздействия УФ радиации на кожу оценивается через МЭД, при этом учитывается и тип кожи человека, и ее реакция на УФ радиацию [99].

Для объединения усилий в решении проблем, связанных с влиянием УФ-радиации на организм человека, Всемирной Метеорологической организацией в 1995 был создан Инициативный комитет по мониторингу УФР. Ключевыми направлениями усилий комитета по координации и обмену информацией являются: архивация и анализ данных наблюденийоценка методик расчета УФР на уровне земной поверхностиполучение репрезентативных данных по климатологии УФР, характеризующих как ее средние значения, так и изменчивость. Также ВМО уделяет большое внимание изучению проблемы изменения количества УФ-радиации в связи с глобальными климатическими изменениями [50]. Задание различных сценариев выбросов озоноразрушающих веществ в будущем (без внимания мер, предусматриваемых Монреальским протоколом и Копенгагенским дополнением к нему) позволит получить прогнозируемые оценки вероятностного изменения. ЭУФ-радиации [78].

С 1993 г. в данном направлении ведутся исследования и Всемирной Организацией Здравоохранения в рамках программы Prevention of Blindness, приоритетными направлениями которой являются вопросы потенциальной опасности увеличения УФР для зрения людей [94].

Одной из основных задач программы EuroSPICE (The European Project on Stratospheric Processes and their Influence on Climate and the Environment) является обнаружение связей между факторами, влияющими на приземные потоки УФР, особенно в районах с незначительными трендами УФР [70].

Несмотря на обилие научных программ, посвященных данному вопросу, актуальность проблемы остается очевидной. Основные задачи современной деятельности Всемирной Метеорологической Организации в данном научном направлении сформулированы в программе исследований под названием Global Atmosphere Watch Programme (2001;2007). Основная цель этой программы следующая: дальнейшее развитие и координирование сети глобального мониторинга УФРизучение климатических особенностей в распределении УФР, в частности распределение средних значений, приходящей на земную поверхность УФР и степень ее изменчивости [84].

На сегодняшний день исследования пространственных неоднородностей УФР, региональных особенностей и их тенденций освещены крайне недостаточно.

Основной целью диссертационной работы является:

— исследование особенностей географического распределения эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России по данным спутниковых измерений;

— выявление закономерностей изменчивости наземной эритемной ультрафиолетовой радиации в зависимости от сезона и географических особенностей территории.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:

1. Исследование пространственного распределения среднемесячных значений эритемной ультрафиолетовой радиации (ЭУФР) в марте и июне.

В эти месяцы наиболее существенно влияние ЭУФР.

2. Анализ показателей межгодовой и внутримесячной изменчивости ЭУФР.

3. Исследование пространственных связей ЭУФР.

4. Выделение районов с синхронным колебанием ЭУФР в течение исследуемого периода.

5. Анализ типов распределения ЭУФР и выделение районов с одинаковым типом распределения ЭУФР.

Поставленные задачи определяют содержание работы. 1-ая глава диссертации посвящена характеристике ультрафиолетовой радиации Солнца, ее роли в важнейших фотобиологических реакциях и зонированию изучаемой территории по характеристикам УФ-климата.

Во 2-ой главе изложена характеристика исходного материала и методы его обработки, используемые для дальнейшего анализа. Исследуется пространственное распределение ЭУФР и долготные неоднородности в пределах выбранных широтных зон, а также временная изменчивость ЭУФР.

В 3-ей главе проводится анализ зональных корреляционных связей ЭУФР с выделением районов с мезомасштабными неоднородностями ЭУФР.

В 4-ой главе проводится районирование территории России по основным статистическим характеристикам эритемной ультрафиолетовой радиации.

Результаты диссертации опубликованы в двух статьях.

Основные научные положения диссертации были доложены и обсуждены на научном семинаре Кафедры климатологии и мониторинга окружающей среды факультета Географии и геоэкологии СПбГУ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Впервые на основе результатов обработки данных спутниковых наблюдений выполнено климатологическое обобщение и выявлены основные закономерности распределения приземной эритемной ультрафиолетовой радиации (ЭУФР) для территории России.

На фоне общих закономерностей зонального распределения ЭУФР отмечаются региональные особенности, вызванные климатическими условиями отдельных регионов России.

На основании исследования распределения ЭУФР в марте, когда влияние УФ-радиации становится ощутимым, и в июне, когда её- влияние максимально, можно сделать следующие выводы:

1) Распределение ЭУФР по территории России как в марте, так и в июне носит широтный характер. Нарушение зональности может вызываться преобладающими типами циркуляции над отдельными регионами России.

Увеличение ЭУФР с широтой в марте значительно больше, чем в июне. В марте наиболее ощутимы и внутриширотные различия. В пределах одной широтной зоны среднемесячные значения ЭУФР в марте могут различаться в два раза и более. В июне межзональные и внутризональные различия значительно меньше.

Наибольшие значения ЭУФР в марте наблюдаются в Восточной Сибири и на Европейской территории, в июне — на Европейской территории России.

2) Выявлена значительная связность временных рядов ЭУФР. Определено, что междусуточные коэффициенты корреляции в марте больше, чем в июне, и могут достигать 0,82. Данное обстоятельство необходимо учитывать при определении стандартных ошибок средних многолетних значений ЭУФР.

3) Анализ изменчивости эритемной ультрафиолетовой радиациии выявил сезонные различия. В марте коэффициент вариации изменяется по территории России от 0,38 до 0,83, отражая влияние циркуляционных процессов, которые определяют режим облачности. Минимальная изменчивость ЭУФР наблюдается на юге Дальнего Востока и на Северном Кавказе, максимальная — на Европейской территории и на северо-востоке Сибири.

В июне коэффициенты вариации характеризуются меньшими значениями, изменяясь по территории от 0,25 до 0,43, и уменьшаются на Европейской территории к югу, а на Дальнем Востоке к северу, что также можно объяснить синоптической ситуацией.

4) Дисперсионный анализ показал, что, как в марте, так и в июне для всей территории России вклад межгодовой изменчивости в общую дисперсию меньше, чем вклад изменчивости внутри каждого месяца. Средние значения вклада межгодовой изменчивости для каждой широтной зоны различаются и изменяются по сезонам. В марте вклад межгодовой изменчивости в общую дисперсию увеличивается с севера на юг и для большинства зон он меньше, чем в июне. В южных районах страны, наоборот, в июне ЭУФР более устойчива и мало изменяется от года к году.

5) Статистическая обработка наблюдений позволила провести анализ пространственно — временного изменения первых четырех моментов распределения ЭУФР (средних значений, среднеквадратических отклонений, показателей асимметрии и эксцесса).

На основе типизации эмпирических распределений, предложенной В. В. Стадник, было выделено 6 типов распределения ЭУФР. Рассмотрены факторы, приводящие к трансформации одного типа распределения в другой в зависимости от сезона.

6) Проведенное районирование территории России по типам эмпирических распределений ЭУФР показало согласование с аналогичным районированием, проведенным 3. И. Пивоваровой и В. В. Стадник для суточных сумм солнечной суммарной радиации.

7) На основании анализа пространственной структуры эритемной ультрафиолетовой радиации на территории России можно сделать следующие выводы:

— во всех широтных зонах наблюдаются довольно тесные связи между значениями ЭУФР в марте;

— на территории России коэффициенты корреляции между значениями ЭУФР, как в марте, так и в июне изменяются в широких пределах от 0,13 до 0,92. В марте коэффициенты корреляции < 0,50 наблюдаются на расстоянии > 350 км. Причем до этого расстояния нижний предел составляет 0,50 — 0,60. Начиная с 400 км коэффициенты корреляции составляют 0,20 — 0,40.

В июне коэффициент корреляции 0,35 наблюдается на расстоянии до 300 км. Начиная с 400 км связь затухает, и коэффициенты корреляции составляют 0,13 — 0,20. В целом, затухание связи становится заметным на расстоянии более 350 км. Для пунктов, расположенных друг от друга на расстоянии 350 км и более, в июне коэффициенты корреляции редко превышают 0,50. Такому распределению связей способствует формирование мезомасштабных облачных систем в условиях неоднородной подстилающей поверхности.

8) На основании кластерного анализа для отдельных районов выявлена синхронность хода ЭУФР. Показано, что в средних за месяц значениях ЭУФР на территории России проявляются крупномасштабные и мезомасштабные неоднородности полей ЭУФР, обусловленные региональными особенностями. Такие неоднородности могут быть сопоставлены с размерами климатических областей.

9) Для выявления типичных характеристик распределения ЭУФР, присущих отдельным районам, определения границ их распространения и тем самым выделения районов с различным и сходным режимом ЭУФР, было проведено районирование территории России по основным статистическим характеристикам эритемной ультрафиолетовой радиации.

10) В результате районирования было выявлено, что климатические особенности областей оказывают влияние на режим ЭУФР, внося значительный вклад в нарушение ее зонального распределения. Внутри одной широтной зоны могут значительно различаться как среднемесячные значения ЭУФР, так и изменчивость, и тип эмпирического распределения.

11) На основании анализа средних многолетних значений ЭУФР, а также коэффициентов вариации, показателей асимметрии и эксцесса, используя методику статистической типизации гидрометеорологических характеристик, внутри широтных зон, по В. А. Белинскому, были выделены области, значительно отличающиеся по комфортности УФ-облучения. Проведенное более подробное районирование может быть использовано для получения более четкого представления о благоприятных и неблагоприятных условиях воздействия ЭУФР на территории России.