CC BY
47циклы солнечной активности и здоровье человека
циклы СОЛНЕЧНОЙ Активности и ЗДОРОВЬЕ
ЧЕЛОВЕКА
Железняк А.О., Абжалбекова Н.Т., Касымова Р.О., Туленбаева А.Д.
нпо «Профилактическая медицина» министерства здравоохранения Кыргызской республики,
Кыргызско-российский славянский университет
Резюме. В работе рассматривается ритмичность природных и некоторых социальных процессов, их связь с солнечной активностью. Показано, что есть определенная взаимосвязь колебаний в системах с частотами осцилляторов, таких, как осциллятор Ван-дер-Поля. Произведена попытка теоретико-числового моделирования структурных особенностей спектра солнечной активности.
Ключевые слова: солнечная активность, здоровье населения, циклы, моделирование.
АДАМДЫН ДЕН-СООЛУГУ ЖАНА КYHДYH КУБАТТУЛУГУНУН eЗГeРYШY
Железняк А.О., Абжалбекова Н.Т., Касымова РО., Туленбаева А.Д.
«Алдын алуучу медицина» илимий eндYPYштYк бирикмеси (И0Б) Кыргыз-Россиялык Славян Университети Корутунду: Бул макалада кYндYн кубаттулугунун eзгeрYШY жаратылышка жана адамдардын жашоо шартына тийгизген байланышы каралган. Башкача айтканда бул eзгeрYY кeпчYЛYк убакта термелYY, же болбосо eзгeчe Ван-дер-Полянын термелYYCYHYн тездиги менен байланышы бар экени аныкталган. КYндYн кубаттулугунун eзгeчeлYГYH теоралык жактан эсептee моделин иштеп чыгуу аракети жасалган. Негизги создор: KYHДYH кубаттулугу, элдин саламаттыгы, моделдee
SOLAR ACTIVITY CYCLES AND HUMAN HEALTH
Zheleznyak A.O., Abjalbekova N.T., Kasymova R.O., Tulenbaeva A.D.
Scientific and Production Centre for Preventive Medicine, Kyrgyz-Russian Slavonic University Rezume. The paper examines rhythmicity of natural and some social processes, their relation to the solar activity. It is shown that there is a certain inter-relation of oscillations in oscillators with oscillation frequencies such as Van der Pol oscillator. A theoretical-numerical modeling of the structural features of the solar activity spectrum is attempted.
Keywords: solar activity, population health, cycles, modeling
Известно, что практически все природные и, некоторые социальные процессы, протекают волнообразно, при этом в их динамике четко обнаруживаются различные ритмы, циклы и периоды. Так, рост и размножение растений и животных, в том числе, и человека, различные эпидемии и зоонозные инфекции, циркуляция атмосферных и антропогенных загрязнителей в воздушной среде, имеют сезонную динамику. Ритмическими также являются засухи, либо, похолодания. В периоды засух наблюдаются неурожаи культур, в том числе и зерновых. Не менее важными являются размножение насекомых, и, в частности, нашествия саранчи и других вредителей сельхозкультур. Землетрясения, сели и наводнения - все эти явления, по большей своей части, соподчинены солнечной активности, которая возрастает, доходя до пика, в среднем, через каждые одиннадцать лет [1 - 3]. Во всех этих и, подобных, явлениях, прослеживаются своеобразные цепочки, приводящие к синергизму действия, как в экологическом, так и в социальном, планах. Так, при оползнях и наводнениях весьма часто страдают хвостохранилища и склады с химикатами. Токсические вещества, представляющие опасность для людей, перемещаются вниз по течению рек, загрязняя почву и сельхозпродукты, которые затем поступают в организм человека. Риск от этих, и тому подобных ЧС, для здоровья населения, в последнее время имеет тенденцию к нарастанию, так как возрастает их число и мощность [4]. На базе анализа причин чрезвычайных событий возникла теория катастроф, во многом, примыкающая, к, имеющейся в математике, теории катастроф [5]. А в рамках этой теории уже разработаны учебники и учебно-методические пособия, посвященные относительно новой области медицины - медицине катастроф. В Кыргызской Республике уже созданы различные карт-схемы и атласы реальных и прогнозируемых ЧС, необходимые для быстрого реагирования и своевременного принятия мер к ликвидации последствий от них.
Периодичность и ритмичность, по сегодняшним представлениям, - это свойства фракталов.
В организме человека протекает множество синхронизированных биохимических процессов, определяющих устойчивость его к внешним, патологическим, воздействиям окружающей среды. В частности, процессы адаптации здоровья человека к изменениям климата, подчинены законам ритма, который, однако, может изменяться в той или иной климатической зоне, во временной плоскости. Имеются корреляции солнечной активности с частотой острых пневмоний [6].
Вспышки гепатита, эпидемии острых кишечных инфекций и смертности от сердечно-сосудистых заболеваний, психические заболевания и число суицидов, особенно, среди подростков - все это имеет
тенденцию к увеличению в периоды усиления солнечной активности. В эти же периоды увеличивается и число вызовов скорой медицинской помощи.
В Кыргызской Республике результаты исследования о влиянии гелиометеофакторов и их механизма на здоровье населения обобщены в работах Белова Г.В., Касымова Р.О. [7, 8]., а также в монографии Касымовой Р.О. [9].
Существуют также корреляции циклов солнечной активности с числом катаклизмов, наблюдаемых в естественно - историческом процессе, и с деловой активностью людей (циклы Белкина) [10, 11].
Интересно отметить, что, в ряде случаев, можно найти подходящие модели, соответствующие динамике процессов. В частности, это могут быть дифференциальные, интегральные и, возможно, модулярные уравнения.
К примеру, оказывается возможным связать рост и размножение организмов с, так называемыми, числами Фибоначчи - это известная задача о кроликах, имеющая глубокую интерпретацию в теории кодирования наследственной информации и морфогенезе (квантигенезе). Квантование ритмических явлений, обнаруженное в росте и развитии растений, тесно связано с принципом «золотого сечения» [12]. Квантигенез, или гомология, выявляется также в процессах роста и развития детского организма, связанных с ритмами солнечной активности [13]. Такое явление удовлетворительно описывается известным уравнением второго порядка для нелинейного осциллятора Ван-дер-Поля, на вход которого подано периодическое воздействие. Известно, что период релаксации колебаний осциллятора Ван-дер-Поля, близок к кратному 1,618, т. е., одному из чисел, производных от «золотого сечения» (точное значение в случае осциллятора - Т = 1,614 и его кратные) [14].
Особенностью солнечной активности является наличие в ней циклов, длящихся от нескольких минут и до столетий. Так, в спектрах солнечной активности обнаруживаются, хорошо известные, 11-летние, 22-летние (двойные), 30-40-летние (брикнеровские), 80-летние и др. циклы [1]. На рис.1 представлена диаграмма, иллюстрирующая поведение спектра солнечной активности. Так, за период с 1755 по 2014 гг. произошло 24 цикла солнечной активности, где колебания происходили от 7 до 17 лет, а в среднем, около 11 лет (точнее, 11,2 лет). Последний максимум, сопровождаемый засухой и неурожаем зерновых культур, приходится на 2012 г. Естественно, подобные явления не могут не отражаться на экономике страны и здоровье населения, имеющего небольшой доход. В настоящее время идет 25-й цикл.
Если рассмотреть внимательно график солнечной активности, то можно заметить появление нескольких областей, с частыми периодами усиления и спада (триплеты, «веретена»), что может свидетельствовать об автоволновой природе данного явления. Можно отметить также наличие в спектре, ближе к настоящему времени, усиления солнечной активности, с последующим спадом ее.
В таблице 1 указаны середины интервалов, годы, где проявляются «веретена» и среднее от значений солнечной активности в этих интервалах.
Из данных таблицы 1 видно, что наиболее крупные максимумы СА наблюдались в 1837, 1958 и 1990 гг. При этом, отношение второго максимума (157,6 ед.) к первому (120,7) дает число, равное 1,306, что близко к «золотому вурфу» (1,309) - производному от «золотого сечения». Если брать среднее значение СА в интервале 1893 - 1928 гг. (73 ед.), то отношение первого максимума (120,7 ед.) к этому минимуму (73 ед.) дает величину 1,653, т. е., близкую к 1,618. Отношение значений второго максимума (157,6 ед.) к среднему от показателей с 1893 по 1938 гг. (78 ед.) дает величину 1,608, т. е. достаточно близкую к 1,618.
Аналогичные закономерности в структуре спектров солнечной активности были обнаружены Теодором Ландшейтом [15]. Возможно, такие закономерности свидетельствуют об устойчивости колебаний системы вблизи «предпочтительных» частот, связанных определенным образом с «золотым сечением» и «золотым вурфом». Показано, что продолжительность солнечных циклов связана с последовательностью чисел Фибоначчи, а каждая треть вспышек на Солнце сопровождается интенсивными выбросами
Таблица 1 - интервалы, лет, и среднее значение солнечной активности (СА), ед. Вольфа для максимумов
в этих интервалах (мелкие «веретена» не указаны)
Середина интервала, годы СА, ед. Середина интервала, годы СА, ед.
1789 116,5 1938 98
1837 120,7 1948 140,7
1848 106,4 1958 157,6
1871 117,3 1968 105,2
1893 79 1981 141,5
1906 60 1990 148,7
1917 82 2001 112,4
1928 71 2012 137
Рис. 1 - Солнечная активность, по данным [1]. Справа - фрагмент гипотетической модели 3.
По оси абсцисс модели 3 указаны номера циклов. На графиках показана линия тренда.
вещества [16].
Естественно, для того, чтобы прогнозировать вероятность и мощность процессов, связанных с солнечной активностью, необходимо иметь точные прогнозы. Такие попытки предпринимались уже давно. Так, автором работы [17] был разработан метод выделения и суммирования коротко- и длинно
- периодических компонент (частот) спектра солнечной активности и, на основе этого метода, рассчитан прогноз. Теоретически, расчетный максимум солнечной активности, составил для 23 цикла (2000 г.) величину, равную, в единицах чисел Вольфа, 120,7. В действительности, зафиксированный максимум солнечной активности в 2000 г. составил 120 ед.
Нам представляется необходимым нацелить специалистов - пользователей солнечных данных, усилить работу в направлении получения прогностических оценок солнечной активности.
Можно предположить, далее, что связь спектров солнечной активности с «золотым сечением», или же, с производным от него, «золотым вурфом», может оказаться гораздо более глубокой.
Так, в Интернете на сайтах, посвященных «золотому сечению», высказывается предположение, что данный принцип работает, практически, на всех уровнях природных процессов. На наш взгляд, постановка вопроса о связи «золотого сечения» со структурными особенностями, наблюдаемыми в спектре солнечной активности, не лишена смысла. Достаточно упомянуть эксперименты Бенара, в которых изучались подобные нестационарные явления, к примеру, конвекция тепла [18]. Было показано, что числа Фибоначчи, взятые последовательно, в виде троек и, по некоторому модулю, вполне могут быть сопоставимы с пиками спектра мощности изучаемого процесса конвекции.
Последовательность троек чисел Фибоначчи фигурирует и во второй производной «золотого сечения»
- это, т. н. золотой «вурф», значение которого, как было указано выше, равно 1,309 [19].
Способы получения модулей от различных числовых последовательностей, и, в том числе, от чисел Фибоначчи, можно найти в литературе [18, 20, 21].
Мы рассмотрели некоторые, из числа возможных, кандидатов моделей, пригодных для описания спектра солнечной активности, являющейся нестационарным процессом.
Так, близкие значения к пикам солнечной активности получаются простым суммированием, аналогично суммированию частот, последовательности чисел - остатков от деления членов натурального ряда на числа, равные 1, 2, 3, ....11 (модель 1). Модель 1, в целом, показывает колебания, с максимумами и минимумами, что и график солнечной активности. Недостатком модели 1 является убывание линии тренда. В некоторых моделях лучше всего оперировать нечетными числами - сравнениями. Так, если брать ряд, составленный из чисел натурального ряда, с умножением на квадрат «золотого отношения» и произвести сравнение по нечетным модулям, а затем суммировать полученные остатки (модель 2), то можно получить еще один аналог спектра солнечной активности:
F=Ф2 5п(1) = 2,618 [п (п+1)/2], (модель 2),
где Ф = 1,618, а Бп(1) - сумма чисел натурального ряда. Однако, чтобы получить близкие значения к пикам солнечной активности, в данном случае необходимо все же добавить к полученной сумме
- спектру еще число 0,5 п. На данном пути могут быть получены ритмы, как короткопериодные, так и длиннопериодные, поскольку в качестве чисел-сравнений можно выбирать различные числа, начиная от единицы, и далее. Глубину минимумов, вплоть до нуля, в принципе, можно регулировать простым умножением полученных числовых выражений на некоторую функцию ^п), с последующим сравнением по тем же числам, что и в основной модели. Например, в виде полинома ^п)=п**3+п**2+ п+1, где п
- номер цикла, либо компоновать функцию ^п) со степенями числа 1,618**п.
Для вывода моделей можно также использовать полиномы специального вида (числа Люка, Чженя и др.). Так, график, подобный графику солнечной активности, имеет модель 3, полученная суммированием остатков от деления на четные числа К = 6, 8, 10, 12 следующего выражения:
Zi ln(1+0,5i*0), (модель 3)
где суммирование по i производится от 3 до 36.
Эта модель получена из, т. н., чисел (классов) Чженя [22], где положено Xi = 0,5*i*0, а ф=1,618. Рассматривая графики теоретико-числовых моделей-аналогов спектров солнечной активности, один из которых приведен на рис. 1, можно допустить, что модулярность функциональных выражений, в определенной степени, отображает закономерности, характерные для структуры спектра солнечной активности.
В заключение отметим, что волновой характер членов—модулей, появление максимумов и минимумов, для различных последовательностей, в том числе и степеней чисел натурального ряда, как это показано в работе [21], обнаруживается довольно легко, если воспользоваться, т. н., «пифограммами». Таким образом, из проделанной работы следуют выводы:
1. Солнечная активность влияет на многие социально-экономические, экологические процессы. По литературным данным, имеются корреляции солнечной активности с показателями здоровья населения развития детского населения.
2. Спектры солнечной активности характеризуются периодами появления максимумов и минимумов. В некоторых случаях отношения показателей для максимумов и минимумов обнаруживаются, более или менее четкие, связи с «золотым сечением» и «золотым вурфом».
3. Использование различных теоретико-числовых рядов для интерпретации особенностей в структуре спектров солнечной активности, приводит к удовлетворительным результатам.
Список использованной литературы
1. Белецкий Е.Н. Связь взаимодействия и синхронизация солнечных, климатических, трофических и популяционных циклов. Циклы солнечной активности. ■www.agromage.com/stat_id.php?id=96.
2. Сытинский А.Д. Связь сейсмичности Земли с солнечной активностью и атмосферными процессами. - Л.: Гидрометео-издат, 1987. - 103 с.
3. Рыкунов А.Л., Смирнов В.Б. Вариации сейсмичности под действием лунно-солнечных приливных деформаций // Физика Земли. - № 1. - 1985. - С.97-103.
4. Бийбосунов А.И. Методы прикладной механики и информационные технологии для расчета оползней и селей в Кыргызстане. - Бишкек, 2003. - 115 с.
5. Свирежев Ю.М. Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы. -М.: Наука, 1987. - 368 с.
6. Федотов П.И., Кулакова Ю.В. Активность Солнца и острые пневмонии. - Владивосток, 1988. - 84 с.
7. Белов Г. В, Касымова Р. О. Системный (ритмологический) анализ и его применение в медицине //Наука и новые технологии. - 2013. - № 5. - С.121-126.
8. Белов Г.В., Касымова Р.О. Механизмы влияния гелиометеофакторов на общественное здоровье //Психолого-педагогические технологии в условиях инновационных процессов в медицине и образовании: Материалы Международной научно-практической конференции. 26 апреля - 7 мая 2015 г., Кемер, Турция. - С.24-27.
9. Касымова Р.О. Здоровье населения Кыргызской Республики: медико-географические аспекты. - Б., 2015. - 171 с.
10. Чижевский А. Л. Физические факторы исторического процесса //Химия и жизнь. - 1990. - № 2. - С.83-90.
11. Белкин В.А., Полуяхтов С.А. Циклы солнечной активности как основа деловых циклов. http://ucheba.dlldat.com/docs/index-19477.html.
12. Шмидт В.М. Математические методы в ботанике: Учебное пособие. - Л.: Из-во Ленингр. ун-та., 1984. - 288 с.
13. Маханова А.И. Динамика адаптационных процессов роста и развития детей в зависимости от гелиофизических факторов: автореф. дис. канд. мед. наук. - Республика Казахстан, Алматы, 2008. - 19 с.
14. Математическая энциклопедия. - Т.1. -М.: Изд. - во «Советская энциклопедия», 1992. - С.577-578.
15. Ландшейт Теодор. Космическая функция золотого сечения. - www.astrologic.ru/library/golden.html.
16. Ясинский С. А. Прикладная «золотая» математика и ее приложения в электросвязи. -М.: Горячая линия - Телеком, 2004. -C.206-207.
17. Козлова Л. М. Долгосрочный прогноз солнечной активности. //Вестник Московского университета. - Серия 3. - 2002. -№2. - C.66-71.
18. Шустер Г. Детерминированный хаос: Введение. - М.: Мир, 1988. - C.139-146.
19. Петухов С.В. Геометрии живой природы и алгоритмы самоорганизации. -М.: Знание, 1988. - 47 с.
20. ВоробьевН. Н. Числа Фибоначчи. -М.: Наука, 1978. - 144 с.
21. Зенкин А. А. Когнитивная компьютерная графика /Под ред. Д.А. Поспелова. - М.: Наука, 1991. - 187 с.
22. Макдональд И. Симметрические функции и многочлены Холла. -М.: Мир, 1985. - C.44.
Сведения об авторах:
Железняк Анатолий Ошерович - старший научный сотрудник Центра медицины окружающей среды и экологии человека Научно-производственного объединения «Профилактическая медицина» МЗ КР, тел.: 54-45-73, e-mail: npopm@mail.ru
Абжалбекова Нуржамал Токтобековна - к.м.н., доцент, докторант Научно-производственного объединения «Профилактическая медицина» МЗ КР, тел.: 0555 015522, e-mail: nuraabg@mail.ru
Касымова Рано Оморовна - д.м.н., доцент кафедры гигиены КРСУ им.Б.Н. Ельцина, тел.: 54-4578, e-mail: npopm@mail.ru
Туленбаева Айжума Дуйшебековна - к.м.н., ст. п. кафедры общественного здравоохранения и здоровья медицинского факультета КРСУ им.Б.Н. Ельцина, тел.: 0772 173640, e-mail: a_tulenbaeva@ mail.ru
