Медицинские информационные системы: многомерный анализ медицинских и экологических данных

В настоящее время в научной литературе обращается внимание в основном на влияние вторичных метеотропных факторов, тогда как влияние космических излучений и ионосферных факторов описано недостаточно и с позиций одномерных статистик, что не позволяет описывать физиологические процессы в полном и достаточном объеме, поскольку такое описание должно учитывать совокупность множественных взаимоотношений элементов биосистемы. Согласно исследованиям многих авторов на биосферу действуют в основном короткопериодические колебания, сверхнизкочастотные электромагнитные поля, ионосферные инфразвуковые колебания, радиоактивность, положительные радиоионы, ультрафиолетовые и космические лучи (Владимирский Б. М., 1980; 1982; Кобрин М. М., 1982), метеофакторы (Мустель Э. Р., 1971; Витинский Ю. И. с соавт., 1976; Алексеев В. П., 1979а) с разнонаправленными биоэффектами.

Имеется большое количество сведений цикличности внешних воздействий на живую природу (Похмельных Л. А., 1992а; 1992б). Однако их механизмы полностью не раскрыты. Это свидетельствует о сложности и комбинировании воздействий на живые системы.

1.1. Космические лучи – водители ритмов

КЛ и вторичные частицы, образовавшиеся в атмосфере, имеют большую проникающую способность. Так, нейтроны и протоны КЛ способны влиять на метаболические молекулярные процессы, причем эволюция и мутагенные процессы связываются с ними (Дружинин И. П. с соавт., 1974). Перемена знака ММП ведет к изменениям электрических токов и полей магнитосферы Земли. Момент перемены знака МП Солнца является наиболее благоприятным условием для проникновения КЛ к земной поверхности.

Другие колебания КЛ и вторичных лучей имеют различную периодичность (сутки, 27-дневные и прочие), анизотропию и амлитуды, изменяющиеся от долей процента до 25 %. Амплитуды геомагнитного поля при этом тоже изменяются от десятых долей до 10 %. В настоящее время известна циклическая изменчивость внешних воздействий на Землю: во временном масштабе часов и суток – геомагнитные возмущения, вариации интенсивности КЛ (Чарахьян А. Н. с соавт., 1980; Уилкокс Дж. М., 1982), солнечных излучений в различных интервалах частот (Тимоти Г., 1980), в периоде солнечных циклов – вариации погодных условий на континентах (Митчел Дж. М. мл. с соавт., 1982), в масштабе сотен лет – вариации средних температур на континентах, коррелирующие с изменением амплитуд процесса пятнообразования на Солнце, в масштабе от сотен лет до десятков тысяч – изменение геомагнитного диполя (Creer K. M., 1977), в масштабе от тысяч до миллионов лет – нерегулярные многократные изменения полярности геомагнитного диполя (Кокс А. с соавт., 1968).

Основные соотношения электростатики экранирования поля материей и складывающиеся на ее основе связи во взаимоотношениях Космоса, Солнца, Земли существенно влияют на живую природу. В нашу эпоху земной шар находится в неравновесном состоянии, разряжается, теряя заряд через ток проводимости атмосферы. Скорость ослабления магнитного момента составляет 5–8 % каждые 100 лет (Яновский Б. М., 1953; Nagata T., 1965). Атмосферный ток составляет 2000–3300 А. В масштабе 1000 лет Земля в среднем находится в электростатическом равновесии с космической средой. Наша эпоха уникальна в смысле перехода через нуль магнитного момента Земли. В последующее время (сотни лет) ожидается восстановление равновесия с космической средой. Аналогичные условия наша планета претерпевала около 2000 лет назад.

Проблемы космических лучей (КЛ) важно изучать не только с астрофизических позиций, исследуя при этом сложность процессов их взаимодействия с веществом и движущимися магнитными космическими полями, но и для медико-биологических потребностей, принимая во внимание воздействие их на живую материю (Дорман Л. И., 1988).

В литературе приводятся сведения по звездной анизотропии и долговременным вариациям КЛ в широком интервале энергий от десятков МэВ до 1020 эВ. Существует сложный процесс модуляции галактических КЛ в гелиосфере: конвекционный перенос, анизотропная диффузия, переполюсовки общего магнитного поля (МП) Солнца, дрейфовые эффекты, нелинейные взаимодействия КЛ с солнечным ветром, пересоединение силовых линий межзвездного МП с галактическим полем на границе гелиосферы. В КЛ присутствуют античастицы (позитроны, мезоны, гипероны), выделяющие при взаимодействии с веществом огромную энергию и электромагнитные излучения. Их классифицируют по составу и спектру. Существует определенная взаимосвязанность их состава, спектра и анизотропии. К КЛ внесолнечного происхождения относят протонно-ядерный компонент КЛ (протоны, α-частицы, ядра с атомарной массой большей массы гелия, антипротоны и антиядра), электронно-позитронный компонент КЛ, γ-кванты, группу частиц – монополи, кварки, фотино и другие (Дорман Л. И., 1988).

Существует классификация КЛ (5 интервалов) по энергиям в широких диапазонах от 0,01 МэВ/нуклон до 1020 эВ. Границы между ними часто довольно условны. Они отличаются по химическому составу энергетического спектра и характеру временных вариаций. Относительная роль 5-го интервала состоит в том, что КЛ малой энергии модулируются хромосферными вспышками спокойного Солнца, магнитосферами Юпитера и Сатурна, переходным слоем между солнечным ветром и галактическим МП. Энергетический спектр, состав и звездная анизотропия КЛ взаимосвязаны. Плотность энергии галактических КЛ вблизи Земли подвержена вариациям от 0,78 эВ/см3 в период максимума до 0,98 эВ/см3 в период минимума активности Солнца, то есть при ослаблении деятельности Солнца увеличивается значение КЛ, и наоборот, при усилении солнечной активности энергия КЛ уменьшается (Дорман Л. И., 1978). Энергия КЛ значительно больше энергии солнечного ветра, но само количество КЛ намного меньше потока солнечного ветра. Спектр и диапазон КЛ поражает воображение – он простирается от 104 эВ/нуклон до 3 ∙ 1020 эВ, то есть составляет 16 порядков.

Область умеренных энергий КЛ подвержена межпланетной модуляции. Важнейшие факторы, определяющие такую модуляцию галактических КЛ, следующие: скорость солнечного ветра, диффузия КЛ, характер изменения солнечного ветра и КЛ в течение 11-летнего цикла солнечной активности, размер и форма гелиосферы, общее МП Солнца, переполюсовки МП Солнца с 22-летним циклом и распространение КЛ в гелиосфере. Спектр КЛ в области высоких и сверхвысоких энергий определяется методами подземных и наземных наблюдений мюонов и γ-квантов, измерения на искусственных спутниках Земли, регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Регистрация ШАЛ основана на регистрации и изучении мезонно-ядерного и электромагнитного каскадов в атмосфере, производимых частицами КЛ с энергиями до и около 1020 эВ. Изучают одновременно потоки электронов, мюонов и адронов. Амплитуды вариаций вторичных частиц ШАЛ на уровне моря достигают 20 % для π-мезонов и 30 % для нейтронов. Метеофакторы, такие как атмосферные температура и давление, влияют на количественные параметры потоков элементарных частиц в ШАЛ: колебание температуры в 1 градус влечет изменение π-мезонов на 0,1–0,2 %, а давления на 100 Па – нейтронов на 0,7 %. По литературным данным, средняя частота малых ШАЛ составляет 45 000 в час, то есть около 12,5 герц. По данным непрерывной регистрации частоты ШАЛ были найдены 1-я и 2-я гармоники суточной вариации КЛ высокой энергии, достигающие максимума соответственно через 8,8 ± 1,3 час и 2,2 ± 0,4 час (Мирошниченко Л. И., 1981). Резкие изменения метеоэлементов сопровождаются изменениями атмосферного электричества и проникающей способности π– и μ-мезонов, протонов и других частиц (Ассман Д., 1966; Мирошниченко Л. И., 1984).

В обзоре «Космические данные» Институтом земного магнетизма и распространения радиоволн Российской академии наук опубликованы данные о вариациях интенсивности нейтронной компоненты космических лучей, регистрируемой на сети станций России нейтронными супермониторами типа NM-64. Данные нейтронной компоненты представляются в виде таблиц среднесуточных значений. Все параметры приведены к постоянному барометрическому давлению. В работе использованы данные нейтронной компоненты для района г. Москвы на высоте 220 м над уровнем моря. В табличном материале настоящей работы обозначение КЛ220 означает именно эту нейтронную компоненту космических исследований.

С января 1972 г. в обзорах «Космические данные» публиковались сведения об интенсивности КЛ в переходном максимуме в стратосфере. В работе использованы также результаты измерений интенсивности космических лучей в максимуме переходной кривой в стратосфере в районе г. Мурманска, населенном пункте, наиболее близком по широте и долготе к г. С.-Петербургу. Использовано два параметра N1 – значение глобальной интенсивности космических лучей (ГИКЛ), измеренной в 1/(см2.с) и N12 – значение вертикальной составляющей интенсивности космических лучей (ВСИКЛ), измеренной в 1/(см2.с. стер). Эти измерения проводятся при помощи радиозондов космических лучей РК-1 и РК-3 (Космические данные. …, 1977–1988). В табличном материале обозначение КЛ означает все 3 исследованных параметра: нейтронная компонента КЛ220, ГИКЛ и ВСИКЛ.

1.2. Краткая характеристика деятельности Солнца

Астрономы отслеживают солнечные циклы начиная с 1755 г. Таким образом, наблюдениям за динамикой Солнца уже примерно 250 лет. Двадцать третий по счету 11-летний солнечный цикл достиг своего максимума в начале 2000-х годов. Так как обычно солнечная активность спадает медленнее, чем нарастает, вероятность возникновения сильных магнитных бурь и связанных с ними земных «фейерверков» высока в течение нескольких лет – примерно до 2005 года (Karl T., Thurber Ir. Солнечный ветер и магнитосфера земли. http://www.bezumnoe.ru/journal/MEMFIS/comments4518.html).

Считается, что за пятнообразовательный процесс на Солнце ответственны циркуляции солнечного вещества и дифференциальное вращение солнечных слоев, в особенности приливообразующая сила планет, а также перераспределение углового момента всей солнечной системы между планетами-гигантами и Солнцем и галактические магнитные поля. Возможно, что максимумы солнечной активности зависят от движения солнечной системы в Галактике, а также от электродвижущей силы Юпитера, имеющего наибольшую массу и МП. Галактические факторы через солнечную активность влияют на земные процессы (Дружинин И. П. с соавт., 1974; Прудников И. М. с соавт., 1996). Возвратные потоки Солнца имеют максимум на точках перегиба, ближе к точке минимума солнечной активности. Этот факт важен при сопоставлении геофизических явлений с солнечной активностью (Оль А. И., 1971).

В районе максимума 11-летнего цикла возникают сильные магнитные бури на Земле (Дубров А. П., 1974; Митчел Дж. М. мл. с соавт., 1982). Число Вольфа оценивает относительное суммарное цюрихское число видимых солнечных пятен, отражающее активность Солнца, сильно коррелирующих с площадью этих пятен (Андронова Т. И. с соавт., 1982). Расширяющаяся плазма частично захватывает магнитное поле Солнца, вытягивает его силовые линии и за счет вращения Солнца образует межпланетное магнитное поле в виде спирали Архимеда. Оно состоит из 2 – 4-х секторов. Его периодичность 27 дней, иногда 13–14 дней. Несмотря на небольшую величину этого поля – несколько гамм, от его направления зависит геоэффективность корпускулярного потока (Акасофу С. И., Чепмен С., 1974, 1975).

Солнечная активность и геофизические факторы оказывают колоссальное влияние на биосферу в силу своей масштабности. Флуктуации их имеют самую различную периодичность. Число солнечных пятен изменяется со средним периодом 11,2 года. Активные центры повторяются с периодом примерно 27 дней (Акасофу С. И., Чепмен С., 1974, 1975). Смена полярности общего МП Солнца происходит с периодом около 22 лет. Кроме того, существуют 3-, 5-, 7-, 8-, 90-летние циклы (Владимирский Б. М., 1971, 1977, 1980, 1982; Мартер М. Дж., Бруцек А., 1980; Мирошниченко Л. И., 1981).

Характер погоды сезонов значительно отличается от года к году и имеет связь с положением планет. Многолетние наблюдения показали, что соединение планет-гигантов в одном небольшом телесном угле приводит к смещению центра тяжести Солнца относительно неподвижного центра масс солнечной системы от 0,01 до 2,19 солнечного радиуса. Периоды соединения Юпитера и Сатурна происходят примерно через 20 лет. 10-летний полупериод способствует меридиональной циркуляции воздуха на Земле и экстремальным проявлениям погоды: холодной зиме, засушливому лету, ураганам, наводнениям. Поэтому «парады планет» не безобидны (Белязо В. А., 1990).

В настоящей работе использовалось два показателя солнечной активности (СА), публикуемые в сборнике «Космические данные. Месячный обзор» (1977–1988): относительное число солнечных пятен (ОЧСП), называемых иногда числами Вольфа, и плотность потока радиоизлучения на частоте 3000 МГц (ППСР3000) – на каждый день с 1977 по 1988 г. Таким образом, эти показатели отражают интенсивность СВЧ-излучений Солнца и общего показателя радиоизлучений – ОЧСП. В табличном материале и иллюстрациях обозначение СА означает солнечную активность, описываемую двумя параметрами: ППСР3000 и ОЧСП.

Таким образом, в работе использовались два показателя солнечной активности: количество солнечных пятен и излучение солнечного диска.

В 1848 году швейцарским астрономом Йоханом Рудольфом Вулфом были введены ежедневные измерения числа солнечных пятен. Его метод, который все еще используется сегодня, рассчитывает общее количество пятен, видимых на поверхности Солнца, и число групп, в которые они группируются, так как ни одна величина удовлетворительно не измеряет активность солнечных пятен.

Относительное число солнечных пятен является показателем активности всего солнечного диска. Это определяется каждый день независимо от предыдущих дней. Каждый изолированный кластер солнечных пятен называют группой пятен, и она может состоять из одного или большого количества разных пятен, размер которых колеблется от 10 или более квадратных степеней солнечной поверхности вниз к пределу решения (например, 1/25 квадратная степень). Относительное число солнечных пятен определяется как R = K (10g + s), где g – число групп пятен, s – общее количество различных пятен. Коэффициент пропорциональности K (как правило, меньше единицы) зависит от наблюдателя и предназначен для осуществления перехода к шкале Вольфа.

Массив данных, содержащий информацию о солнечных пятнах, имеет табличный формат (таблица 1.1):

Таблица 1.1 

Ежедневные измерения комплексного излучения солнечного диска в 2800 МГц (длина волны 10,7 см) производятся Национальным исследовательским советом Канады с 1947 г. До 31 мая 1991 г. наблюдения проводились в Обсерватории Алгонкинского радио, около Оттавы. Далее программа была передана Доминион радио астрофизической обсерватории около Пентиктона в Британской Колумбии. С 1 июня 1991 года данные берутся из этого места.

Таблицы содержат сведения о потоках от всего солнечного диска в частоте 2800 МГц в единицах 10-22 Вт/(м2МГц). Во избежание десятичных знаков каждый показатель был умножен на 10. В итоге получены три вида потока – наблюдаемый, скорректированный и абсолютный. Из них наблюдаемый – наименее точный, так как он содержат флуктуации до 7 %, которые возникают с изменением расстояния Солнце – Земля. Скорректированные потоки не имеют такого изменения; числа в этих таблицах, равные потоку энергии, полученному датчиком, рассчитаны для средних расстояний между Солнцем и Землей. Наконец, абсолютные потоки содержат меньше всего ошибок, здесь каждое скорректированное значение умножается на 0,90, чтобы компенсировать погрешность антенны и волн, отраженных от Земли.

Данные сведены в таблицу в двух формах: «наблюдаемый поток» (S), и «скорректированный поток» (Sa). Первый – фактические измеренные значения – зависит от изменения расстояния между Землей и Солнцем весь год, тогда как второй масштабируется в стандартном расстоянии. Значения наблюдаемого потока полезны в физике ионосферы и других земных последствий солнечной активности. Скорректированные потоки более точно описывают поведение Солнца.

1.2.1. Динамика гелиофизических факторов

Временная изменчивость солнечной активности, выраженная количеством солнечных пятен и плотностью потока радиоизлучения на частоте 2800 МГц, представлена на рис. 1.1. Ход двух кривых очень похож, он отображает 11-летний цикл, с начала 1996 года значения увеличиваются, достигнув максимума в середине исследуемого периода, затем постепенно начинают уменьшаться. Максимум числа солнечных пятен (170) приходится на середину 2000 года, а максимум плотности потока (2350) – на начало 2002-го.

Рис. 1.1. Многолетняя среднемесячная изменчивость солнечных пятен и плотности радиоизлучения на частоте 2800 МГц

1.2.2. Спектральный анализ гелиофизических параметров

Рис. 1.2 показывает десятичный логарифм спектральной плотности солнечных пятен. График содержит большое количество периодичностей повторения явлений: 13 лет, 12 месяцев, 7,43 месяца, 6, 4,3, 3,7 и 2,74 месяца. Эти периоды синхронны со стационарной летальностью больных Санкт-Петербурга, описанной в главе 10 настоящей книги.

Рис. 1.2. Десятичный логарифм спектральной плотности динамики солнечных пятен

1.3. Основные параметры ионосферы и сопряженные с ними факторы