|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИПМех РАН |
||
Ультрафиолетовая радиация в городских условиях Москвы и ее влияние на здоровье человека (РНФ)НИР
Ultraviolet radiation in urban conditions of Moscow and its impact on human health
- Руководитель НИР: Жданова Е.Ю.
- Ответственные исполнители: Пастухова А.С., Шувалова Ю.О.
- Подразделение: Кафедра метеорологии и климатологии
- Срок исполнения: 31 июля 2017 г. - 30 июня 2019 г.
- Номер договора (контракта, соглашения): 17-77-10132
- Номер ЦИТИС: AAAA-A17-117081750013-6
- Тип: Фундаментальная
- Приоритетное направление научных исследований: Изменения природной среды, общества и проблемы природопользования
- ПН России: Рациональное природопользование
-
Рубрики ГРНТИ:
- 37.21.17 Радиация в атмосфере
- 37.21.03 Метеорологические приборы и методы наблюдений и обработки данных
- 37.21.77 Моделирование физическое и математическое
-
Ключевые слова:
аэрозольные и облачные свойства, здоровье человека, спутниковые и
наземные измерения, городские условия, биологически активная ультрафиолетовая радиация, персональные уф-дозиметры, загрязнение воздуха
personal uv dosimeters, aerosol and cloud properties, air pollution, moscow, biologically active ultraviolet radiation, erythemally and vitamin d weighted uv radiation, urban conditions, human health, radiation modeling, satellite and ground-based measurements -
Описание:
Ультрафиолетовая радиация (УФР) является одним из фактором окружающей среды и обладает существенной биологической активностью, оказывает непосредственное влияние на здоровье человека. Повышенные дозы УФР приводят к различным видам раковых заболеваний кожи, заболеваниям глаз, а также к ослаблению иммунитета, и следовательно, к распространению инфекционных заболеваний. С другой стороны, еще с начала ХХ века появились свидетельства, что УФР является важным фактором для образования витамина D в организме человека. Таким образом, небольшие дозы УФР, необходимы человеку для обеспечения его потребности в витамине D, а повышенные дозы УФР могут нанести вред здоровью. В связи с этим, важной является задача достоверного определения доз биологически активной УФР, которые поступают к поверхности Земли. Основными геофизическими параметрами, которые регулируют приход УФР к поверхности Земли, являются общее содержание озона, оптические свойства облаков и аэрозолей, отражательные свойства подстилающей поверхности. Разработанная методика расчета УФР на территории Северной Евразии с учетом пространственно-временного изменения основных геофизических параметров была реализована автором в виде интерактивной программы: http://momsu.ru/uv/. Умеренные широты, в целом, характеризуются условиями УФ-недостаточности в холодный период года, и УФ-избыточности - летом. Однако в городских условиях пространственно- временное распределение УФР имеет неоднородный характер, что связано с влиянием таких дополнительных факторов, как закрытость горизонта, изменение отражательных свойств различных поверхностей (в частности, стеклянные здания могут увеличивать дозу УФР в два раза), изменение аэрозольно-газового состава вследствие загрязнения воздуха. Кроме того, блокирование солнечного света зданиями и деревьями может по-разному влиять на УФР в городских условиях, т.е привести как ее увеличению, так и уменьшению в зависимости от открытости солнечного диска. Предлагаемый проект направлен на подробное исследование распределения биологически активной УФР на территории Московского региона с целью оценки его влияние на здоровье человека. Для решения поставленной задачи планируется выполнить ряд экспериментов, включающих измерения УФР персональными дозиметрами для уточнения доз УФР, оказывающих непосредственное влияние на человека, поскольку стандартные измерения УФР, когда радиация измеряется на горизонтальную поверхность, могут существенно отличаться от доз УФР, получаемых человеком. Подобные экспериментальные измерения УФР на территории Москвы ранее не проводились. Для оценок ослабления УФР экспериментальные наблюдения планируется провести в различных районах Москвы, в том числе в лесопарках, что позволит оценить роль древесного покрова в ослаблении УФР. В работе будут использованы измерения, проводимые в Метеорологической Обсерватории МГУ, а также современные спутниковые и наземные измерения, в частности, данные о газовом составе воздуха. Будут применены методы радиационного моделирования. Оригинальность и новизна проекта состоят в использовании современных методов исследования, в комбинировании подходов натурных измерений и радиационного моделирования.
-
Abstract:
Ultraviolet radiation (UV) is one of the enviromental factors and it has direct influence on human health due to its significant biological activity (UNEP, 2015). Increased UV doses lead to various skin cancers, eye diseases, immunity suppression and as a result the spread of infectious diseases. On the other hand, since the beginning of 20th century there are evidences that UV radiation is important factor for vitamin D production in the human body. In this way small doses of UV radiation are necessary for human to ensure his need in vitamin D, but increased doses of UV radiation can harm human health. Therefore, the task to reliably determine doses of biologically active UV radiation that reaches the Earth’s surface is very important. The main geophysical parameters, that affect UV radiation reaching the Earth’s surface, are total ozone content, optical properties of clouds and aerosols, reflective properties of underlying surface. Middle latitudes are characterized by UV deficiency in cold period of year and UV excess in summer. However, in urban conditions spatial and temporal variations of UV radiation are inhomogeneous due to influence of additional factors such as shading by buildings, changes in reflectivity of various surfaces and changes in aerosol and gas composition due to air pollution. In addition, blocking of sunlight by buildings and trees can differently affect UV radiation in urban conditions and leads both to increase and decrease of UV radiation depending on the openness of the solar disk. More than that, UV radiation doses directly affect human body are different from UV radiation doses affecting horizontal surface. The scientific significance of the project is detailed research of UV radiation in urban conditions and application of the results to assess positive and negative UV radiation influence on human health. The practical importance of the project is using its results in epidemiological studies.
-
Планируемые результаты:
По итогам работ планируется получить следующие результаты: 1. Будут определены особенности распределения УФР в городских условиях Москвы с учетом закрытости горизонта и особенностей распределения параметров, влияющих на поступление УФР к поверхности Земли. 2. Для уточнения расчетов УФР в городских условиях будет разработана база данных об отражательных свойствах подстилающей поверхности, свойствах облачности и аэрозоля на территории Московского региона с использованием данных наземных измерений и данных дистанционного зондирования. В частности, для уточнения распределения аэрозоля на территории Московского региона планируются совместить данные станции AERONET в Москве и данные сети Мосэкомониторинга с учетом характеристик пограничного слоя атмосферы. 3. На основе полученных данных будет создана доступная через сеть Интернет информационная система, которая позволит визуализировать распределение УФР на территории Московского региона, и рассчитывать дозы УФР. 4. Использование персональных УФ-дозиметров позволит уточнить дозы УФР, оказывающие непосредственное влияние на здоровье человека. Исследования с использованием персональных УФ-дозиметров проводятся в Германии, Дании, Новой Зеландии и других странах, однако, они, большей частью, направлены на выявление возможностей получения человеком высоких опасных доз УФР. Предлагаемый проект позволит получить новые данные в области разностороннего влияния УФР на здоровье человека, в том числе в холодный период года, который связан с УФ-недостаточностью. Полученные в ходе проекта результаты о режиме УФР с учетом городских условий могут найти непосредственное применение в эпидемиологических исследованиях, а также могут быть использованы в технологиях здоровьесбережения: составление научно-обусловленных рекомендаций по продолжительности и характеру пребывания человека вне помещений. Используемые в исследовании современные данные наземных и спутниковых измерений, применение радиационного моделирование обеспечит получение обоснованных результатов, соответствующих мировому уровню.
-
Научный задел:
Разработан новый метод комплексной оценки влияния ультрафиолетовой радиации на здоровье человека. Для характеристики влияния ультрафиолетовой радиации на здоровье человека введено новое понятие "УФ-ресурсы", и разработана их классификация, которая позволяет оценивать условия УФ недостаточности, УФ оптимума и избыточности УФ радиации для разных типов кожи (Chubarova, Zhdanova, 2013). Используя созданную автором базу данных основных геофизических параметров, влияющих на поступление ультрафиолетовой радиации к поверхности Земли, оценено пространственно-временное распределение эритемной ультрафиолетовой радиации и УФ-ресурсов на территории Северной Евразии с пространственным разрешением 1 градус и временным разрешением 1 месяц. Для оценки УФ-ресурсов разработана интерактивная программа, доступная в сети Интернет (http://momsu.ru/uv/, свидетельство о регистрации прав на ПО 2015660523 "Интерактивная программа для определения УФ-ресурсов и расчета доз эритемной УФ-радиации на территории Северной Евразии", 1 октября 2015 г., Жданова Е.Ю.), (Жданова, Чубарова, 2015). По предложенному методу и по данным многолетних наблюдений в Метеорологической Обсерватории МГУ оценены УФ-ресурсы в Московском регионе (Zhdanova et al., 2014). Впервые на основании модельных данных по единой методологии получены оценки чувствительности двух видов биологически активной ультрафиолетовой радиации к изменению основных геофизических факторов (Жданова, Чубарова, 2010). Разработан новый метод оценки облачного пропускания в УФ-диапазоне спектра, который позволил получить его уточненное пространственное распределение по данным спутниковых измерений и реанализа для территории Северной Евразии (Zhdanova et al., 2013).
-
Основные результаты:
В ходе первого этапа по данным радиометра VIIRS проведен анализ пространственно-временных изменений аэрозольных свойств атмосферы на территории Московского региона. Сравнение аэрозольной оптической толщины на длине волны 550 нм в течение теплого периода 2014 года показало, что аэрозольная оптическая толщина по данным VIIRS в пределах территории Москвы больше, чем аэрозольная оптическая толщина на территории Московской области в среднем на 0.1.
- Добавил в систему: Жданова Екатерина Юрьевна
Источник финансирования НИР
| грант РНФ |
Этапы НИР
| # | Сроки | Название |
| 1 | 31 июля 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Первый этап |
| Результаты этапа: 1. Определены особенности прихода биологически активной эритемной радиации в Москве в 2016 году. Годовая сумма эритемной УФ радиации (Qer) в 2016 году составила 409 Дж/м2(эфф), что на 6% ниже среднего значения за 1999-2013 гг. Месячные суммы радиации в 2016 году были ниже средних за весь период наблюдений во все месяцы за исключением июня (+8%) и августа (+18%). 2. Проведена верификация спутниковых восстановлений аэрозольной оптической толщины (АОТ) на длине волны 550 нм по измерениям московской станции AERONET за период 2014-2016 гг. В результате получено, что значения AOT по спутниковым данным является несколько завышенными. По данным радиометра VIIRS проведен анализ пространственно-временных изменений аэрозольных свойств атмосферы на территории Московского региона. Сравнение аэрозольной оптической толщины на длине волны 550 нм в течение теплого периода 2014 года показало, что аэрозольная оптическая толщина по данным VIIRS в пределах территории Москвы больше, чем аэрозольная оптическая толщина на территории Московской области в среднем на 0.1. | ||
| 2 | 1 января 2018 г.-30 июня 2018 г. | Второй этап |
| Результаты этапа: 1. Проведен анализ измерений биологически активной эритемной УФ радиации в Метеорологической Обсерватории МГУ в 2016 году, выявлено, что годовая сумма эритемной УФ радиации была ниже средних многолетних значений, показано какими факторами были обусловлены сезонные изменения эритемной УФ радиации. Определено, что относительные изменения эритемной УФ радиации в 2016 году относительно средних многолетних значений варьировались от -27% в октябре до +18% в августе. 2. Проведены экспериментальные измерения персональными УФ-дозиметрами в Москве в апреле 2018 года. Вариации околополуденных значений УФ-индексов в апреле 2018 года по измерениям на горизонтальную поверхность составили от 0.5 (18 апреля) при сплошном покрове облаков до 4.3 (21 апреля) при нижней облачности 3 балла, которая обеспечила дополнительный вклад переотраженной радиации от облачных элементов в поток у поверхности Земли. Уровень УФ-индексов в апреле представлял собой среднюю степень опасности для здоровья согласно классификации Всемирной организации здравоохранения для второго типа кожи. Отношение измерений персонального УФ-дозиметра к УФ радиации на горизонтальную поверхность составило от 10 до 70%. При наибольших высотах Солнцах 40-45 градусов медианное значение этого отношения составило 40%. Значения УФ-индексов в полученной выборке изменялись для горизонтальной поверхности - 0.9-3.5, для УФ-дозиметра - 0.2-1.7. В выходные дни при часовом пребывании человека при ходьбе на улице отношения измерений персонального УФ-дозиметра к УФ радиации на горизонтальную поверхность в среднем составляет около 50%. 3. Определено, что междусуточные вариации общего содержания озона для Метеорологической Обсерватории МГУ могут достигать свыше 50 единиц Добсона, что приводит к междусуточным вариациям УФ-индексов 12-17%. Обнаружено также, что на территории Москвы и области масштаб пространственных вариаций общего содержания озона примерно равен масштабу его междусуточных вариаций. 4. Предложен алгоритм расчета облачного пропускания УФ радиации на основе оперативных данных сенсора SEVIRI, установленного на борту геостационарного спутника METEOSAT. Алгоритм расчета облачного пропускания состоит из расчета облачного пропускания интегральной солнечной радиации и расчета облачного пропускания в УФ диапазоне спектра, используя аппроксимационную зависимость, которая учитывает влияние на облачное пропускание в разных диапазонах спектра высоты Солнца. Сравнение восстановленных значений облачного пропускания УФ радиации по данным METEOSAT показало их удовлетворительное согласие с облачным пропусканием УФ радиации, определенным по данным непосредственных измерений в МО МГУ. Предлагаемый алгоритм определения облачного пропускания УФ радиации по спутниковым данным реализован в прототипе оперативно обновляемого веб-сервиса (uv-moscow.com) и будет в последствии использован для восстановления пространственного распределения УФ радиации на территории Московского региона. 5. Проведено исследование восстановлений аэрозольной оптической толщины (АОТ) по данным современного спутникового радиометра VIIRS на борту полярно-орбитального спутника Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) для городской территории Москвы. Показано, что в центре города наблюдаются повышенные значения АОТ согласно спутниковым оценкам, однако достоверность определения разности значений АОТ между пригородом и центром города не является высокой в связи с тем, что точность восстановления АОТ существенно зависит от использованных оценок отражательных свойств подстилающей поверхности. Выявлено, что в алгоритме восстановления АОТ VIIRS существуют дополнительные неопределенности, связанные с выбором аэрозольной модели для московского региона. Предложено корректировать данные АОТ по данным VIIRS для территории Московского региона по данным наземных измерений солнечного фотометра CIMEL на станции Метеорологической Обсерватории МГУ AERONET. По полученным скорректированным значениям АОТ рассчитано пространственное распределение УФ радиации за счет ослабления аэрозолем на территории московского региона. Вариации УФ индексов за счет неоднородности распределения аэрозоля для рассмотренного случая превосходят 15% и составляют величину 1 УФ-индекс. | ||
| 3 | 1 июля 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Третий этап |
| Результаты этапа: Проведены экспериментальные измерения УФ излучения на поверхность тела человека в разных условиях и при различной ориентации датчиков. Проведены измерения аэрозольных свойств атмосферы с помощью портативных фотометров для оценки пространственного распределения аэрозоля на территории Московского региона. Проведен анализ аэрозольных моделей, получено, что наиболее часто повторяющейся моделью аэрозоля для Москвы является модель черного углерода (преобладание мелкодисперсного аэрозоля со слабым и средним поглощением). Подготовлены данные о распределении снежного покрова на территории Московского региона. | ||
| 4 | 1 января 2019 г.-30 июня 2019 г. | Четвертый этап |
| Результаты этапа: 1. Проведен анализ измерений биологически активной эритемной УФ радиации в Метеорологической Обсерватории МГУ в 2016 и 2017 годах, выявлено, что годовая сумма эритемной УФ радиации была ниже средних многолетних значений, что обусловлено увеличением оптической толщины и эффективного балла облачности. 2. Проведены экспериментальные измерения персональными УФ-дозиметрами в Москве в апреле 2018 года. Вариации околополуденных значений УФ-индексов в апреле 2018 года по измерениям на горизонтальную поверхность составили от 0.5 (18 апреля) при сплошном покрове облаков до 4.3 (21 апреля) при нижней облачности 3 балла, которая обеспечила дополнительный вклад переотраженной радиации от облачных элементов в поток у поверхности Земли. Уровень УФ-индексов в апреле представлял собой среднюю степень опасности для здоровья согласно классификации Всемирной организации здравоохранения для второго типа кожи. Отношение измерений персонального УФ дозиметра к УФ радиации на горизонтальную поверхность составило от 10 до 70%. При наибольших высотах Солнцах 40-45 градусов медианное значение этого отношения составило 40%. Значения УФ-индексов в полученной выборке изменялись для горизонтальной поверхности - 0.9-3.5, для УФ-дозиметра - 0.2-1.7. В выходные дни при часовом пребывании человека при ходьбе на улице отношения измерений персонального УФ-дозиметра к УФ радиации на горизонтальную поверхность в среднем составляет около 50%. Экспериментальные наблюдения в октябре 2018 года показали, что на вертикальную поверхность, обращенную к Солнцу, поступление УФ радиации, составляет 0.78 от поступления УФ радиации на горизонтальную поверхность, а на вертикальную поверхность, расположенную в тени всего 0.34 от поступления УФ радиации на горизонтальную поверхность, что значительно усиливает УФ недостаточность, которая наблюдалась даже в условиях ясной погоды в середине октября в Москве. С помощью персональных УФ дозиметров оценено, что поступление УФ радиации в городской среде составляет менее 60% от поступления УФ радиации на открытую горизонтальную площадку. 3. Определено, что междусуточные вариации общего содержания озона для Метеорологической Обсерватории МГУ могут достигать свыше 50 единиц Добсона, что приводит к междусуточным вариациям УФ-индексов 12-17%. Обнаружено также, что на территории Москвы и области масштаб пространственных вариаций общего содержания озона примерно равен масштабу его междусуточных вариаций. Сделаны оценки пространственных вариаций альбедо поверхности в бесснежных условиях: изменения альбедо на территории Московского региона составляют от 2 до 12% в зависимости от типа подстилающей поверхности. Масштаб пространственных вариаций аэрозольной оптической толщины существенно больше, чем размеры города и вариации АОТ объясняется синоптическими процессами, а городское загрязнение практически не оказывает влияния на величину АОТ. 4. Предложен алгоритм расчета облачного пропускания УФ радиации на основе оперативных данных сенсора SEVIRI, установленного на борту геостационарного спутника METEOSAT. Алгоритм расчета облачного пропускания состоит из расчета облачного пропускания интегральной солнечной радиации и расчета облачного пропускания в УФ диапазоне спектра, используя аппроксимационную зависимость, которая учитывает влияние на облачное пропускание в разных диапазонах спектра высоты Солнца. Сравнение восстановленных значений облачного пропускания УФ радиации по данным METEOSAT показало их удовлетворительное согласие с облачным пропусканием УФ радиации, определенным по данным непосредственных измерений в МО МГУ. 5. Проведено исследование восстановлений аэрозольной оптической толщины (АОТ) по данным современного спутникового радиометра VIIRS на борту полярно-орбитального спутника Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) для городской территории Москвы. Показано, что в центре города наблюдаются повышенные значения АОТ согласно спутниковым оценкам, однако достоверность определения разности значений АОТ между пригородом и центром города не является высокой в связи с тем, что точность восстановления АОТ существенно зависит от использованных оценок отражательных свойств подстилающей поверхности. Выявлено, что в алгоритме восстановления АОТ VIIRS существуют дополнительные неопределенности, связанные с выбором аэрозольной модели для московского региона. 6. Рассмотрены многолетние тренды аэрозольной оптической толщины в Москве по данным наземных измерений сети AERONET (2002-2016 гг.). Показано, что в разные месяцы теплого периода года тренды АОТ имеют различную величину, наибольший отрицательный тренд АОТ наблюдается в апреле, если не учитывать влияние лесных пожаров в другие месяцы года. Представлен совместный анализ изменений АОТ и индексов атмосферной циркуляции, который, в частности показал, что дополнительное влияние на межгодовые изменения АОТ в апреле имеет Скандинавский индекс. Преобладающей (более 60% наблюдений) аэрозольной моделью для московских условий является модель мелкодисперсного слабопоглощающего аэрозоля. Не было выявлено направленных изменений типов аэрозоля в последние десятилетия. 7. Разработана информационная система для мониторинга УФ радиации в Московском регионе в режиме, близкому к реальному времени. С помощью системы могут быть получены карты УФ индексов, УФ ресурсов и часовых сумм эритемной УФ радиации с пространственным разрешением 0.05 градусов и временным разрешением 1 час. Проведена валидация расчетов по данным Метеорологической Обсерватории МГУ, которая показала, что в среднем погрешность расчета УФ радиации составляет 5%. | ||
Прикрепленные к НИР результаты
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".