2 курс / Нормальная физиология / Физиологические_основы_жизнедеятельности_человека_в_экстремальных

Рис. 5. Тренды изменений магнитной активности и метеоэлементов на арктической станции Новая Земля за период наблюдений. По оси абцисс – время наблюдений (134 дня), по оси ординат – компрессированные значения параметров: а – среднесуточная магнитная активность; б – максимальная за сутки магнитная активность; в – магнитная активность на момент измерения физиологических параметров; г – минимальная за сутки магнитная активность; д – температура воздуха; е – относительная влажность воздуха; ж – скорость

ветра; з – атмосферное давление.

рез изменения атмосферного давления. Скорость ветра коррелирует со среднесуточной и максимальной за сутки геомагнитной активностью и, по-видимому, зависит как от динамики атмосферного давления, так и от процессов, связанных с разогреванием верхних слоев атмосферы, находящимся в прямой зависимости от солнечной активности.

Для последующего анализа важным является выяснение взаимодействия метеоэлементов и их региональное отличие (рис. 6, А). Корреляционные связи метеоэлементов на ст. Новолазаревская образуют «два полюса», на одном из которых атмосферное давление, а на другом – отрицательная температура воздуха. «Экваторами» являются скорость ветра и относительная влажность воздуха, которые тесно связаны со всеми метеоэлементами, в то время как атмосферное давление и температура воздуха не имеют достоверной корреляционной связи между собой.

В Арктике (рис. 6, Б) атмосферное давление также имеет тесные корреляционные связи со скоростью ветра и относительной влажностью

Рис. 6. Характер корреляционных связей природных факторов в период наблюдений на антарктической (А) и арктической (Б) станциях. Сплошными линиями обозначены положительные корреляционные связи, прерывистыми – отрицательные.

воздуха, а два последних элемента – между собой. Однако температура воздуха становится как бы совершенно обособленным фактором. Единственная достоверная корреляционная связь со скоростью ветра (–0.15; Р < 0.05).

Такимобразом,наарктическойстанциикакбывыделяютсядва«самостоятельных» фактора: комплекс атмосферное давление+относительная влажность + скорость ветра, тесно связанный с атмосферной циркуляцией, и отрицательная температура воздуха. Последняя является основным и постоянным компонентом холодового фактора, воздействующего на полярников. Поскольку в условиях арктической станции относительная влажность и скорость ветра не имеют тесной связи с температурой воздуха, то эти метеоэлементы становятся переменными составляющими холодового фактора, усиливающими или ослабляющими воздействие отрицательной температуры на зимовщиков. В то же время, на ст. Новолазаревская все метеоэлементы, тесно связаны между собой синхронными изменениями, могут восприниматься человеком как единый погодный процесс.

Достаточно полное представление о механизме погодных процессов дают кросскорреляционный и регрессионный анализы (рис. 7).

Рис. 7. Кросскорреляционные функции и линии регрессии метеофакторов за период наблюдений на ст. Новолазаревская.

За двое суток до реперного дня начинаются изменения атмосферного давления, приводящие к изменениям скорости ветра, а затем и относительной влажности воздуха. В реперный день отмечаются наиболее выраженные корреляционные связи между скоростью ветра, температурой и влажностью воздуха. Более тесная связь, чем в реперный день, отмечается между температурой и влажностью воздуха в последующие 4 дня.

Регрессионный анализ в предлагаемой работе имеет ту особенность, что его графическое представление осуществляется в унифицированной форме компрессионных графиков. Это позволяет оценить не только характер нелинейных связей метеоэлементов, но и установить по таблице частот встречаемости конкретное значение параметров, когда происходят наиболее выраженные их взаимные изменения. Из графиков видно, что средние показатели атмосферного давления почти не изменяют скорости ветра, в то время как при низких его значениях скорость ветра максимальная, а при высоких – минимальная. Чем ближе к 0 °С тем-

пературы воздуха, тем больше скорость ветра и, напротив, чем больше мороз, тем меньше ветер.

Средние и высокие значения атмосферного давления так же, как низкая и средняя скорость ветра, практически не оказывают влияния на показатели влажности воздуха, в то же время низкие значения атмосферного давления и сильный ветер (более 18 м/с) соответствовали резкому увеличению влажности воздуха.

В данном случае к результатам регрессионного анализа мы относимся достаточно критично и оцениваем их скорее, как качественный показатель, чем как количественный. Это станет понятным, если обратиться к таблице частот встречаемости компрессированных значений изучаемых параметров (табл. 5). Несмотря на большую длину ряда исследований (134), крайние значения исследованных природных факторов встречаются редко, поэтому утверждать, что линии регрессии представляют собой четко установленную закономерность, мы не могли.

Унификация всех данных (в том числе и физиологических) и приведение их к единой форме, первоначально представленной в таблице частот встречаемости компрессированных значений изучаемых параметров, – принципиальный момент в методике данных исследований, на нем строится последующий визуальный анализ полученного материала. Поскольку таблицы частот сложны для прочтения и быстрой оценки, в дальнейшем мы будем пользоваться графиками одномерного распреде-

Таблица 5

Частоты встречаемости компрессированных значений параметров геомагнитной активности и метеоэлементов за период наблюдений на ст. Новолазаревская

ления гистограммами, построенными на базе таблиц частот встречаемости изучаемых процессов.

На рис. 8 представлены гистограммы данных табл. 5. По горизонтальной оси отложены ранговые (компрессированные) значения параметров, где значения от 0 до 11 соответствуют тем же значениям в табл. 5.

По вертикальной оси – частота встречаемости компрессированных значений параметра (по полулогарифмической шкале). Начальное значение частоты встречаемости параметра должно быть равно девяти, тогда оно будет отложено на графике в виде заштрихованного квадрата. Редко встречающиеся параметры (меньше 9) на гистограмме не откладываются.

Одним из наиболее важных и сложных звеньев в оценке влияния факторов внешней среды на организм человека является их совокупное воздействие. Было обнаружено, что показатели геомагнитной активности отрицательно коррелировали с атмосферным давлением, поло-

Рис. 8. Гистограммы геомагнитной активности и метеоэлементов. По вертикальной оси – частота встречаемости компрессионных значений параметра (по полулогарифмической шкале). Начальное значение частоты встречаемости параметра должно быть равно девяти, тогда оно будет отложено на графике в виде заштрихованного квадрата. Редко встречающиеся параметры (<9) на гистограмме не откладываются. По горизонтальной оси – ранговые (компрессионные) значения параметров: а – среднесуточная магнитная активность; б – максимальная за сутки магнитная активность; в – магнитная активность на момент измерения физиологических параметров; г – минимальная за сутки магнитная активность; д – температура воздуха; е – относительная влажность воздуха; ж – скорость ветра; з – ат-

мосферное давление.

жительно – с относительной влажностью воздуха и скоростью ветра. Атмосферное давление отрицательно коррелировало с относительной влажностью воздуха и скоростью ветра, а эти метеоэлементы, положительно коррелируя друг с другом, отрицательно коррелировали с показателями минусовой температуры воздуха (введенными в ЭВМ без знака).

Исходя из этих корреляционных отношений, растровая картина метеоэлементов строилась следующим образом: заштриховывались экстремальные минимальные значения атмосферного давления и температуры воздуха (приближающиеся к 0°С) и максимальные значения скорости ветра и относительной влажности воздуха.

Практически каждое геомагнитное возмущение в период наблюдений на ст. Новолазаревская сопровождалось бурными изменениями атмосферных процессов, характеризовавшимися падением атмосферного давления, ураганными ветрами, увеличением влажности воздуха, приближением к 0°С температуры воздуха. Температурный режим обладал определенной автономностью, что, вероятно, связано с изменениями направления ветра, которое в настоящих исследованиях не учитывалось.

Таким образом, анализ особенностей природных факторов Арктики и Антарктиды показал, что климатические условия постоянного проживания участников полярных экспедиций ближе к климатическим условиям Крайнего Севера. Метеоэлементы как в Арктике, так и в Антарктиде имеют ритмический характер изменений, который, по-видимому, может служить одним из синхронизаторов биологических ритмов полярников.

Региональные особенности взаимосвязи метеоэлементов на ст. Новолазаревская и Новая Земля заключаются в более тесной между собой корреляционной связи всех метеоэлементов на антарктической станции, где они могут восприниматься человеком как единый погодный фактор. На арктической станции изменения температуры воздуха имеют большую автономность, чем на ст. Новолазаревская. Порядок изменения метеоэлементов детерминирован.

Наиболее существенные взаимные изменения метеоэлементов вызываются экстремальными (максимальными и минимальными) величинами. В период наблюдений на ст. Новолазаревская отмечалась отчетливая связь между геомагнитными возмущениями и неблагоприятными метеоусловиями.

чаев к адаптационным срывам, при этом полной адаптации к годичному пребыванию человека в Антарктиде не наступает (Сороко С. И., 1984). К концу зимовки у всех полярников возникает так называемый «синдром полярной зимовки» (Strang R. E., Klein W. J., 1973) или «антарктический синдром» (Natani K., Shurley J. T., 1974), характеризующийся напряжением центральных, вегетативных и клеточных механизмов регуляции. Однако указанное состояние напряжения у полярников не укладывается полностью в понятие общего адаптационного синдрома напряжения, описанного Г. Селье (1960), так как не сопровождается четкими изменениями функций гипоталамо-гипофизарно-надпочечни- ковой системы.

Показано, что в разные периоды зимовки роль факторов, влияющих на дезадаптационные расстройства у зимовщиков, может меняться (Сороко С. И., 1984). Так, если в первую половину зимовки наибольшее влияние оказывают природные факторы, то во вторую половину на первый план выходят факторы социальные (длительная социальная изоляция чисто мужского коллектива, проблема личностных и межличностных отношений и т. п.). Таким образом, на полярников, зимующих в Антарктиде, оказывает влияние целый комплекс экстремальных факторов, однако уровень их экстремальности неодинаков.

Согласно Р. Дажо (1975), среди экстремальных факторов необходимо определить так называемые основные, или лимитирующие, факторы, в отношении которых существует предел переносимости. Очевидно, что для условий Антарктики — это будет холодовой фактор, а для высокогорных внутриконтинентальных станций – еще и гипоксия. Другие климатогеофизические факторы, такие, как ветер, шум, влажность, магнитные бури, повышенная ионизация воздуха, космическое излучение, необычность светопериодики и другие, хотя и являются экстремальными, но не могут быть квалифицированы как лимитирующие, однако в сочетании с низкими температурами могут значительно усиливать экстремальность воздействия среды на человека (Василевский Н. Н., Сороко С. И., Богословский М. М., 1978). В этой связи при разработке биоклиматических индексов для оценки экстремальности среды обитания должны учитываться не только абсолютные значения всех метеорологических и геофизических факторов, но и эффекты их синергизма, которые в большинстве случаев приводят к усилению отрицательного влияния на организм человека (Шеповальников В. Н., Сороко С. И., 1992).

Следовательно, оценка уровня суровости климата должна проводиться для каждой арктической или антарктической станции отдельно

с учетом не только континентальных метеорологических данных, но и факторов местной погоды. В литературе предлагаются многочисленные классификации климата и погоды, однако они не всегда применимы для той или иной географической зоны (Алисов Б. П., Поктарус Б. В., 1974; Чубинский С. М., 1965; Undeheuer H., 1955). Большое разнообразие предложенных классификаций типов погоды свидетельствует о том, что единого взгляда на оценку ее биотропного воздействия на человека не существует.

Другим направлением исследований в этой области является разработка методов оценки уровня комфортности/дискомфортности среды обитания для человека с учетом метеорологических факторов или, как их теперь принято называть, климатических и биоклиматических индексов (Кобышева Н. В., Стадник В. В., Клюева М. В., 2008; Синицын И. С., Георгица И. М., Иванова Т. Г., 2013; Сороко С. И., Новиков В. С., 2015; Ткачук С. В., 2012; Gosling S., Bryce E., Dixon P. 2014; Matzarakis A., Hammerle M., Endler Ch., 2012; Omonijo A. G., Matzarakis A., 2011; Roshan G., Mirkatouli G., Ali Shakoor A., 2010; Tromp S. W., 1980).

Ветрохолодовой индекс (WCI — Wind Chill Index) традиционно используется для характеристики «биоклиматического дискомфорта»

вАрктике и Антарктиде, чаще, чем абсолютные показатели температуры воздуха (Sipple P. A., Passel C. D., 1945). Расчетные детали ветрохолодового воздействия продолжают уточняться (Williamson S. P., 2003; Osczevski R., 2014; Ben Shabat Y., Shitzer A., 2012; Wang F., 2014; Jendritzky G., De Dear R., Havenith G., 2012) и применяются под названиями ветрохолодовая температура (WCT) или ветрохолодовой фактор (WCF). Следует подчеркнуть, что понятие ветрового охлаждения применяется только к незащищенным одеждой частям тела человека. В частности, данные TJ. Cattermole (1999) показывают, что в Антарктике холодовые повреждения лица и конечностей преобладают среди повреждений других частей тела (95,1%).

Необходимо также указать, что два метеорологических фактора – температура воздуха и скорость ветра, без учета других метеопараметров, таких как влажность и барометрическое давление, не могут полностью отразить уровень теплообразования и теплопотери. При дыхании

вгипоксических условиях и измененной влажности, теплообразование, безусловно, изменяется, не считая включения других важных адаптивных механизмов, сопровождающихся перестройкой энергообеспечения организма. Именно эти моменты в ветрохолодовом индексе и других аналогичных индексах не учтены.

В ранней специальной литературе отмечено, что фактор влажности воздуха, как биоклиматический показатель, имеет троякое значение. Вопервых, от влажности воздуха зависит парциальное давление кислорода во вдыхаемом воздухе; во-вторых, в зависимости от содержания в воздухе водяного пара меняется радиационный климат, в особенности длинноволновый спектр; и, в-третьих, от количества водяного пара зависит физиологический дефицит влажности воздуха, а тем самым, и потеря жидкости организмом. Однако более очевидное влияние влажности на физиологию человека находится в комбинации с другими метеорологическими параметрами (Хентшел Г., 1986). Необходимость адекватного учета влажности вдыхаемого воздуха подтверждается исследованиями, показывающими, что в условиях чрезвычайно низкой температуры, существующей внутри континента, трудно измерить влажность воздуха стандартными методами (Дюргеров М. Б., 1986).

Кроме того, для данного сообщения важно отметить, что средняя высота Антарктического континента составляет 2330 м над уровнем моря (табл. 6).

Из 35 антарктических станций 32 являются прибрежными и расположены на высотах от 0 до 300 м над у. м., а три – Восток, АмундсенСкотт и Бэрд – являются внутриконтинентальными и расположены на высотах 3488 м, 2800 м и 1515 м над у. м. соответственно. Естественно, что для трех последних станций применение простых индексов недостаточно адекватно из-за отсутствия в них показателей атмосферного дав-

Примечание: * World Meteorological Organization.