CC BY
49
ГЕОГРАФИЯ И ЭКОЛОГИЯ
УДК 551.521.17
Н.Е. Чубарова1, Е.Ю. Жданова2
УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ РЕСУРСЫ ПРИ ЯСНОМ НЕБЕ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ3
На основании точных модельных расчетов солнечного излучения в УФ-диапазоне спектра проведены оценки пространственного распределения ресурсов УФ-радиации на территории России с пространственным разрешением 1° для разных сезонов года в условиях ясного неба. Описаны закономерности вариаций основных геофизических параметров, воздействующих на биологически активную УФ-радиацию. Разработана новая классификация УФ-ресурсов, на основе которой оценены естественные ареалы УФ-недостаточности, УФ-избыточности и УФ-оптимума для территории России с учетом распределения аэрозоля, альбедо поверхности и общего содержания озона для разных сезонов года.
Ключевые слова: УФ-радиация, радиационная модель атмосферы, озон, аэрозоли, витамин D, УФ-ресурсы.
Введение. Биологически активная ультрафиолетовая радиация (БАУФР) значительно воздействует на живые организмы. Небольшие дозы БАУФР благотворно воздействуют на человека и животных, обеспечивая образование витамина D. Однако повышенные дозы биологически активной УФ-радиации обладают неблагоприятным действием, способствуя развитию рака кожи, различных заболеваний глаз и ослаблению иммунной системы [8, 10, 17, 26]. Следовательно, важно выявить закономерности пространственно-временного распределения БАУФР и области УФ-недоста-точности, УФ-оптимума и УФ-избыточности.
Для решения этой задачи можно использовать данные наземных измерений УФ-радиации, если сеть измерений густая, как, например, в Австрии.
Однако в России сеть УФ-наблюдений редкая, что не позволяет применять ее для решения поставленной задачи. При использовании спутниковых измерений возникают проблемы, связанные с погрешностями спутниковых алгоритмов восстановления БАУФР из-за неучета поглощающего аэрозоля, ошибок в восстановлении альбедо поверхности и др. [14]. В последнее время большие успехи сделаны в области моделирования радиационного переноса. Поэтому нами использованы модельные расчеты солнечного излучения в УФ-диапазоне спектра для определения временных и пространственных закономерностей распределения БАУФР.
Однако для надежных оценок УФ-радиации необходимы данные об основных геофизических параметрах: общем содержании озона, радиационных характеристиках аэрозоля, альбедо подстилающей по-
верхности. Вследствие этого первоочередная задача заключалась в получении пространственно-временных полей указанных геофизических параметров и анализе их вариаций на территории России. Выбор источников данных о геофизических параметрах сделан после детального изучения практически всех данных, имеющихся на сегодняшний день, с учетом периода наблюдений, пространственного разрешения и точности восстановления характеристик.
Другая задача состояла в разработке методики определения ресурсов УФ-радиации. В настоящее время не разработан надежный метод их оценки, в публикациях используются разные подходы [9, 11, 15, 16, 19, 21]. Необходимо было уточнить пороговые значения недостаточности и избыточности УФ-радиации и разработать методологию, которая была бы основана на наиболее надежных данных, и с ее помощью оценить ресурсы БАУФР на территории России.
Отметим, что первые оценки режима УФ-радиа-ции на территории СССР представлены в монографии [1], однако в то время еще не были в достаточной мере развиты математические методы расчета радиационного переноса, не было надежных данных о геофизических параметрах, а также использовались устаревшие к настоящему времени методы оценки УФ-ресурсов.
Материалы и методы исследования. Радиационная модель атмосферы и основные геофизические параметры. Для модельных расчетов УФ-радиации использован усовершенствованный вариант радиационной модели атмосферы TUV [6, 20]. В программном блоке реализован метод дискретных ординат, разработанный
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, вед. науч. с., докт. геогр. н.; e-mail: chubarova@imp.kiae.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, географический факультет, кафедра метеорологии и климатологии, студент; e-mail: ekaterinazhdanova214@gmail.com
3 Исследования частично поддержаны РФФИ (гранты № 09-05-00582-а, № 12-05-00877-а).
К. Стамнесом и др. [24]. Погрешность расчета солнечного излучения с помощью этого метода не превышает 1%. Вертикальное разрешение модели задавалось с шагом 1 км и включало 100 слоев. Расчеты велись отдельно для прямой, рассеянной и суммарной радиации c разрешением 1 нм. В качестве спектрального распределения внеатмосферной постоянной использована комбинация данных: в области 300—400 нм — спутниковые данные ATLAS3 (1994 г.), а данные другого спутникового прибора SUSIM — для интервала короче 300 нм.
Вертикальное распределение озона задавалось по [27] с учетом особенностей его профиля в высоких, средних и низких широтах. Расчет оптической толщины озонового слоя проводился с учетом температурной зависимости значений коэффициента поглощения. Для оценки временного и пространственного распределения общего содержания озона (ОСО) использованы данные спутниковых измерений TOMS за период 1980—2003 гг., которые считаются наиболее надежными.
Профиль аэрозоля задавался согласно распределению, принятому в континентальной модели атмосферы II CONT-I в слое 0—12 км [27]. Для характеристики радиационных свойств аэрозоля использована аэрозольная оптическая толщина (АОТ) для длины волны X = 380 нм (АОТ 380 нм), спектральный ход которой определен параметром Ангстрема (а):
d ln AOTj
а =--—^.
d ln X
Другие важные аэрозольные характеристики — фактор асимметрии индикатрисы рассеяния и альбедо однократного рассеяния — задавали по типичным значениям, определенным в видимом диапазоне спектра на станциях AERONET. Затем на основе теории Ми эти значения пересчитывали в УФ-диапазон спектра.
При оценке распределения АОТ аналогично методу, примененному в [13], использованы данные MODIS (коллекция 5) за период 2000—2008 гг. для X = 550 нм. Однако качество этих спутниковых данных в ряде случаев неудовлетворительное: отмечаются нереально высокие значения АОТ в переходные сезоны, а также очень большие зоны, где данные отсутствуют из-за проблем алгоритма восстановления АОТ в условиях снежного покрова. Для коррекции использовали специально созданную климатологию АОТ, в которой данные наземных измерений объединены по пяти регионам.
Эти регионы выделены на основании климатических полей метеорологических элементов по данным IRI/LDEO Climate Data Library в зависимости от особенностей циркуляционных процессов, а также с учетом классификации Б.П. Алисова, уточненной Н.А. Мячковой. Для этих районов получены медианные месячные оценки АОТ по данным измерений станций сети AERONET. В дополнение для районов,
не обеспеченных данными AERONET, использовали результаты расчетов АОТ, полученные по данным измерений прямой солнечной радиации стандартными приборами актинометрической сети РФ [2] по методике [5]. Аналогичная работа проведена для оценки параметра Ангстрема. Поскольку его вариации не так сильно влияют на расчеты радиации, то использованы среднемесячные значения для выделенных пяти регионов. Это позволило перейти от величины АОТ на 550 нм к АОТ на 380 нм. В результате на основе данных спутниковых измерений MODIS (коллекция 5) и наземных данных получено распределение среднемесячных значений АОТ на 380 нм с пространственным разрешением 1°.
При оценке альбедо поверхности по спутниковым данным TOMS можно использовать несколько методов [18, 25]. Стандартный метод оценки альбедо поверхности [18] имеет существенные проблемы при восстановлении альбедо в переходные сезоны года с неустойчивым снежным покровом [14]. Поэтому мы выбрали подход с применением метода скользящего окна в определенных временных интервалах, предложенный в [25], в результате получили ежедневные данные об альбедо поверхности для X = 360 нм с пространственным разрешением 1° [25]. Эти данные легли в основу при получении климатологии альбедо поверхности в УФ-диапазоне спектра.
Полученное пространственное распределение общего содержания озона, аэрозольной оптической толщины и альбедо поверхности для центральных месяцев года приведены на рис. 1 и проанализированы ниже.
В использованной версии радиационной модели атмосферы зависимость УФ-радиации от высоты над уровнем моря не учитывалась вследствие недостаточной изученности высотного распределения основных геофизических параметров, которое может меняться в разных географических условиях. Модельные оценки показали, что полученные результаты можно использовать до высоты 1 км с погрешностью несколько процентов. Отметим также, что все расчеты приводились к истинному расстоянию между Землей и Солнцем.
Поскольку расчеты БАУФР требовали больших машинных ресурсов, то было решено сначала создать базу данных модельных значений БАУФР с помощью комплекса TUV для широкого набора параметров, а затем, используя интерполяционные схемы, оценивать дозы УФ-радиации. Анализ погрешности интерполяции показал, что результирующая ошибка при этом практически не увеличивается. База данных расчетных значений БАУФР создана с шагом 1° по высоте Солнца в диапазоне от 1 до 90°; с шагом 0,02 по АОТ на 380 нм в диапазоне от 0 до 0,99; с шагом 20 ед. Добсона по ОСО в диапазоне от 150 до 490 ед. Добсо-на; с шагом 10% по альбедо поверхности в диапазоне от 0 до 100%. Использование этой базы данных позволило эффективно рассчитывать БАУФР для территории России с пространственным разрешением 1 ° и
Рис. 1. Пространственные поля для центральных месяцев года: а — общее содержание озона; б — аэрозольная оптическая толщина
на 380 нм; в — альбедо поверхности в УФ-диапазоне спектра
разным временным осреднением: от мгновенных значений до суточных сумм с шагом 3 мин. Однако даже при таком подходе необходимо довольно большое время для расчетов. Поэтому основные вычисления выполняли на суперкомпьютере СКИФ-МГУ "Чебышев".
В [3] показано, что модельные оценки изменения БАУФР с помощью использованного программного комплекса за счет разных атмосферных параметров удовлетворительно согласуются с данными наземных измерений.
Методика определения ресурсов УФ-радиации. Одна из важнейших задач заключалась не только в определении количественного уровня БАУФР, но и в выявлении степени ее опасности с учетом чувствительности к ней разных типов кожи человека.
Согласно известной классификации Фицпатри-ка, выделяются 6 типов кожи (табл. 1), образование эритемы для которых требует разной минимальной эритемной дозы (MED)4. Рассчитать время T (с), при котором доза эритемной радиации становится выше
4 MED = min j Qely dt (Дж-м 2 (эфф)), т.е. минимальной эритемной дозы, при которой кожа человека начинает краснеть под воздействием УФ-лучей.
ю
Таблица 1
Типы кожи, соответствующие им минимальные эритемные дозы (MED) по Фицпатрику и верхние границы областей УФ-недостаточности, УФ-оптимума, УФ-избыточности.
Все значения приведены в величинах УФ-индексов, осредненных за час
Характеристики Тип кожи
1 2 3 4 5 6
Цвет Кавказский тип. Блондины, рыжеволосые, голубые глаза Кавказский тип. Блондины, рыжеволосые, голубые или зеленые глаза Темный кавказский тип; светлый азиатский Средиземноморский, азиатский, испанский Ближневосточный, лати-но-американский, индийский Темнокожий
Описание Всегда легко обгорают, никогда не загорают, очень светлая кожа Обычно легко обгорают, загорают с трудом, светлая кожа Умеренно обгорают, загорают постепенно, цвет кожи светлый или сред-несветлый Редко обгорают, всегда хорошо загорают, тон кожи среднесветлый Очень редко обгорают, очень легко загорают, цвет кожи — оливковый или темный Никогда не обгорают, глубоко пигментированная кожа, очень темный цвет
MED, Дж-м"2(эфф) 200 250 300 450 600 1000
Верхняя граница полуденной УФ-недостаточности для 20%-й открытости тела человека при 600 МЕ (в единицах УФ-индексов за час) 0,7 0,8 1,0 1,5 2,0 3,3
Верхняя граница УФ-опти-мума А (даны в единицах УФ-индексов, соответствующих дозе, равной MED, полученной за час) 2,2 2,8 3,3 5 6,7 11,1
Верхняя граница УФ-опти-мума В 4,4 5,5 6,6 9,9 13,2 22
Верхняя граница УФ-избы-точности 1-й степени 6 7,5 9 13,5 18 30
Верхняя граница УФ-избы-точности 2-й степени 8,4 10,5 12,6 18,9 25,2 38
Верхняя граница УФ-избы-точности 3-й степени 12,4 15,5 18,6 27,9 37,2 62
Верхняя граница УФ-избы-точности 4-й степени >12,4 >15,5 >18,6 >27,9 >37,2 >62
№ И О ч к
о
о
г* •<
К $
о и !"d
И
0
1
О
|ч-> О
|ч->
СЛ
MED для человека с определенным типом кожи, можно из условия
Р.. = MED,. • (600/10 000)/^.,
Ч . J
(2)
Jßery (t)dt > MED, SPF,
(1)
где I — тип кожи (/ = 1...6), 0егу — плотность потока эритемной радиации (Вт-м-2 (эфф)), SPF — коэффициент, характеризующий фактор внешней защиты (кремы и пр.). Нами принято значение SPF = 1.
Пока еще не выработан единый подход к определению пороговой дозы радиации, способствующей образованию витамина Б (бУЙО). В табл. 2 приведено описание разных методов. Так, в [15] пороговые значения основаны на спектральных измерениях в Бостоне (15 февраля 1986 г.), когда по данным клинических оценок у пациентов не происходило образование витамина Б. В то же время качество спектральных измерений в тот период было несовершенным. В частности, отмечено, что этот день был малооблачным, а спектральные измерения показали очень низкие значения УФ-радиации — примерно в 10 раз ниже, чем сделанные нами модельные оценки для этого дня с учетом действительных значений ОСО и поправки на облачность, которые хорошо согласуются с климатическими оценками [16].
Отметим, что при оценке дозы радиации, необходимой для образования витамина Б (бУЙО), — в отличие от эритемной радиации (бегу), — следует учитывать еще и степень открытости тела человека. Известно, что при облучении всего тела человек получает 10 000— 25 000 МЕ5 витамина Б. Уровень витамина Б, необходимый для человека, составляет 400—600 МЕ [9]. Тогда, если принять, что человек получает при облучении всего тела 10 000 МЕ, а уровень витамина Б равен 600 МЕ, то величина порога радиации р для витамина Б (Дж-м-2 (эфф)) с учетом типа кожи (/) и степени открытости человеческого тела £ может быть выражена следующим образом:
где S■ — в долях единицы.
Отметим, что мы не учитывали спектральные отличия эритемной радиации от радиации, способствующей образованию витамина Б. Обоснованием этого служит то, что нам важно было установить регионы с недостаточностью витамина Б, т.е. регионы, где время образования витамина Б предельно велико, а такие условия наблюдаются при относительно низких высотах Солнца, когда, как показали модельные оценки, соотношение между и 0егу ~ 1. Поэтому было решено не учитывать спектральные различия. В случае когда плотность потока УФ-излучения велика, время образования витамина Б очень мало — всего несколько минут, и ошибка здесь не будет играть существенной роли. Кроме того, остаются вопросы к качеству принятого спектра действия радиации, способствующей образованию витамина Б [9] (см. дискуссию в [22]), что также может сделать необоснованным введение спектральной поправки.
Известно, что при расчете обычно принимается степень открытости кожи человека, равная £ = 0,20 или 0,25 (табл. 2). Если использовать эти величины, то в высоких широтах дозы радиации, достаточные для образования витамина Б, наблюдаются уже в январе, что не согласуется с медицинскими данными. Однако степень открытости тела человека зависит от эффективной температуры Тей. По данным табл. 6.4 в работе [4] получена зависимость значений Ге(Г от температуры воздуха Т с поправкой на скорость ветра V:
Teff = T + (4,2719 V-0,229 - 10).
(3)
Данные о Т и V взяты из архива, созданного по данным станционных измерений, которые затем были приведены к заданному пространственному разрешению (URL: www.cru.uea.ac.uk/cru/data/hrg/tmc/).
Таблица 2
Пороговые значения УФ-радиации для образования витамина D по данным разных авторов
Ссылка Пороги Описание метода
[15] Для Бостона — граница по реальному формированию витамина Б для 15 февраля 1986 г. Порог равен 0,472 Дж-м-2 эфф Порог определяется по эффективности действия УФ-радиации на 3 длинах волн
[16] Порог по "условному" Бостону — расчеты по климатологии для середины февраля для этого пункта в условиях ясного неба. Минимальная доза радиации витамина Б=106 Дж-м"2 Использовано правило 25% для пересчета на долю MED с учетом реального соотношения эритемной радиации и радиации, способствующей образованию витамина D, в середине февраля в Бостоне
[21] 1000 МЕ Использовано условие, что при UVI = 10 за 60 с образуется 1000 МЕ для полностью открытого тела
[9] 400 МЕ 20% MED для 20% тела. Расчеты сделаны в соответствии с тем, что 1 MED образует 10 000 МЕ
[19] Не ясно В качестве порогового значения использована величина 25% от MED для 25% площади тела
5 МЕ — международная единица.
Затем в соответствии с данными работы [20] и здравым смыслом найдено соотношение площади открытости тела и эффективной температуры:
S = 0,141exp (0,041 Teff), R2 = 0,98
(4)
для диапазона эффективной температуры от -35 до +35 °С, Я2 — коэффициент детерминации.
По значениям эффективной температуры, рассчитанным по уравнению (3), и степени открытости человеческого тела S, рассчитанной по уравнению (4), получены пороги радиации, необходимые для образования витамина Б для разных типов кожи для узлов географической сетки 1°х1°. Для примера на рис. 2 для февраля приведены результаты расчетов Ге(Г, £ и пороговых значений Р для территории России для 2-го и 4-го типа кожи. Видно, что величина порога образования витамина Б в зимний период имеет субмеридиональное распределение с минимумом в обла-
сти минимальных значений Teff, который наблюдается на северо-востоке страны, где величина P для 2-го типа кожи составляет 850—900 Дж-м-2 (эфф) и более. Это происходит за счет того, что величина S уменьшается на порядок (до 2%) по сравнению с той, которая наблюдается, например, на юго-западе Европы. В то же время для более смуглого типа кожи с увеличением MED пороговые дозы резко возрастают. Так, в феврале для 4-го типа кожи они превышают 1500 Дж • м-2(эфф) на северо-востоке страны.
В зависимости от того, достигаются или нет пороговые дозы УФ-радиации в течение часа в околополуденное время или в течение суток, мы предлагаем определять два типа УФ-недостаточности. Если в течение суток невозможно получить пороговую дозу, необходимую для формирования витамина D, то такие условия определяются как условия 100%-й УФ-недостаточности. Условия полуденной УФ-недостаточ-
Рис. 2. Пример пространственного распределения входных параметров для расчета значений порогов УФ-радиации, способствующей
образованию витамина Б, февраль
ности — условия, при которых невозможно получить такую дозу в течение часа около полудня, но можно в течение суток. Предложено выделять также два типа УФ-оптимума — УФ-оптимум А и УФ-оптимум В. УФ-оптимум А определяется такими условиями, когда в околополуденное время в течение часа уже можно получить дозу УФ-радиации для формирования витамина D, но величина радиации не превосходит MED. УФ-оптимум В определяется по условиям, когда в течение часа для данного типа кожи уровень радиации выше определенного для УФ-оптимума А, но невозможно получить дозу выше 2 MED.
В соответствии с ранее разработанными нами критериями [12] область УФ-избыточности подразделяется на четыре категории согласно стандартной классификации УФ-индексов (UVI)6. В зоне УФ-избыточ-ности первой степени в околополуденное время доза УФ-облучения соответствует высокой категории УФ-индекса для людей со 2-м типом кожи (UVI = 6V7), когда в течение часа можно получить примерно 2—3 MED. Зона УФ-избыточности второй степени соответствует очень высокой категории УФ-индекса (UVI = 8^10) для людей со 2-м типом кожи. Зона УФ-избыточности третьей степени соответствует экстремально высоким значениям УФ-индексов (UVI > 11^15), а область УФ-избыточности четвертой степени — область максимальных значений УФ-индексов (UVI > 15) для людей со 2-м типом кожи. Удобность определения именно этих градаций БАУФР заключается в том, что она соответствует принятой в мире классификации УФ-индекса и может быть легко адаптирована на практике. Соответствующие пороговые значения для разных типов кожи пересчитываются с учетом соотношения MED (табл. 1).
Результаты исследований и их обсуждение. Сезонные вариации озона, аэрозоля, альбедо подстилающей поверхности и распределение УФ-индексов по территории России. Рассмотрим основные черты пространственных полей озона, аэрозоля и альбедо поверхности (рис. 1). Особенности сезонных изменений озона (рис. 1, а) обусловлены сочетанием процессов фотохимии в стратосфере и динамики атмосферы [23]. Согласно теории Добсона—Брюэра—Дютша, в тропической стратосфере образуется фотохимический избыток озона, который переносится в нижнюю стратосферу высоких широт, где озон накапливается. Перенос озона в высокие широты происходит преимущественно зимой, когда в стратосфере преобладают западные ветры, и ослабевает летом, когда происходит смена направления зонального переноса. В результате осенью (в октябре) на анализируемой территории наблюдается минимум ОСО, а весной (в марте) — его максимум.
Однако наряду с этими общими тенденциями проявляются некоторые закономерности, связанные с действием синоптических вихрей. С января по март
наблюдается максимум ОСО в районе Дальнего Востока, обусловленный действием Алеутского циклона и проникновением воздуха с высоким содержанием озона из полярных широт. При его ослаблении в апреле—мае распределение ОСО на территории России постепенно приобретает субширотный характер. В июле можно выделить три области несколько повышенного содержания ОСО в умеренных широтах и область его более низкого содержания в высоких широтах восточнее п-ова Таймыр. Осенью на особенности распределения ОСО на востоке России начинает влиять развивающийся Алеутский циклон, что ведет к увеличению ОСО в этом регионе. Над европейской территорией России при этом господствует область низких значений ОСО (рис. 1, а).
Аэрозольная оптическая толщина на территории России изменяется почти на порядок: от нуля до единицы, имея определенные сезонные особенности (рис. 1, б). Минимальные значения наблюдаются в северных и северо-восточных регионах в холодный период года. Максимальные значения отмечаются весной и летом на юге — в районе Каспийского и Аральского морей, Казахского мелкосопочника — за счет преобладания минерального аэрозоля, а также весной и в начале лета на Дальнем Востоке. В основном максимальные значения АОТ наблюдаются в районах эмиссии почвенного и минерального аэрозоля, а также в районах, подверженных выносу дымового аэрозоля из районов лесных пожаров. Ослабление УФ-радиации за счет аэрозоля в среднем составляет 5—15% [3], однако оно может увеличиваться до 50—60% при адвекции дымового аэрозоля [7].
Пространственные вариации альбедо поверхности отражают существующие закономерности в распределении снежного покрова и растительности. Известно, что значения альбедо травы и растительного покрова в УФ-диапазоне очень низкие (<3%), а локальное альбедо снега может достигать 95%. Учет распределения альбедо крайне важен, поскольку даже в условиях ясного неба в УФ-диапазоне радиация может увеличиваться до 50% за счет эффектов многократного переотражения [3]. Следует также учитывать, что лесные массивы в зимний период сильно занижают пространственное альбедо поверхности (до 40% и менее).
Вследствие этого в зимний период в безлесных зонах наблюдается заметное повышение альбедо поверхности. Например, это отмечается в зоне степей и полупустынь (например, 48—52° с.ш., 50—80° в.д.). Как видно на рис. 1, в, повышенное альбедо поверхности наблюдается в течение всего года в арктических районах, а также весной в Сибири и Зауралье. В мае— июне повышенные значения альбедо наблюдаются на северо-востоке России.
6 УФ-индексы рассчитываются нормированием плотности потока биологически активной эритемной радиации (б ) на величину 0,025. В настоящее время эта характеристика широко используется.
На основе данных о пространственном распределении общего содержания озона, аэрозоля и альбедо поверхности для условий ясного неба были рассчитаны околополуденные значения УФ-индексов (UVI), осредненные за 11:30—12:30 по истинному солнечному времени (рис. 3). На рис. 3 видно, что главным регулятором поступления УФ-радиации к поверхности Земли является высота Солнца, что ведет к субширотному распределению UVI. Особенности пространственных вариаций АОТ усиливают широтный градиент УФ-индексов. В то же время в январе и апреле наблюдается некоторая тенденция к уменьшению UVI на Дальнем Востоке в области повышенных значений ОСО. В апреле более высокие значения UVI на побережье п-ова Камчатка связаны с повышенным альбедо поверхности, а некоторая неоднородность значений на севере ЕТР определяется вариациями АОТ и альбедо поверхности. В июле распределение UVI имеет субширотный характер с повышенными
значениями в зонах арктических пустынь, покрытых льдом или снегом. В октябре распределение UVI близко к субширотному с тенденцией к сдвигу на север в центре континента и на юг на востоке главным образом за счет распределения ОСО.
Анализ ресурсов ультрафиолетовой радиации при ясном небе. По разработанной классификации были оценены УФ-ресурсы на территории России для условий ясного неба. Результаты расчетов УФ-ресурсов для 2-го типа кожи показаны на рис. 4, а.
Хорошо видно, что в январе условия 100%-й УФ-недостаточности наблюдаются практически на всей территории России. На востоке страны они распространяются до 46,5° с.ш., сокращаясь на западе (до 58—60° с.ш.) за счет вариаций Tf В то же время и при одинаковых значениях S (Teff) наблюдается некоторое смещение этой зоны на юг на востоке страны за счет больших значений ОСО. Зона полуденной УФ-недостаточности наблюдается практически на
Рис. 3. УФ-индексы при ясном небе, рассчитанные для часового интервала 11:30—12:30 для центральных месяцев года
50 100
Апрель
Июль
50 100
Октябрь
100
150
150
150
Январь
50 100
Июль
50 100
Октябрь
0 100%-я УФ-недостаточность 2 УФ-оптимумА
1 полуденная УФ-недостаточность Щ 3 УФ-оптимум Б
Рис. 4. УФ-ресурсы для 2-го (а) и 4-го (б) типа кожи, рассчитанные для центральных месяцев года. Условия ясного неба
4 УФ-избыточность 1 -й степени
5 УФ-избыточность 2-й степени
всей территории Западной Европы, смещаясь на юг до 53° с.ш. на европейской территории России и до 46—47° с.ш. на Дальнем Востоке. Подчеркнем, что хотя в этой зоне в течение дня теоретически доза радиации, способствующей образованию витамина D, накапливается, но для этого требуется многочасовое пребывание на открытом воздухе, что практически невозможно в реальности.
В апреле наблюдается гораздо более благоприятная картина. Для 2-го типа кожи зоны УФ-недо-статочности смещаются севернее 62° с.ш. Почти вся территория России находится в зоне УФ-оптимума. При этом зона УФ-оптимума А, когда в течение часа уже возможно формирование витамина D, но еще невозможно получить MED, расположена в полосе примерно от 58 до 70° с.ш. и занимает гораздо большую площадь в западной части России, чем в восточной, что определяется более высокими значениями эффективной температуры. УФ-оптимум В формируется в апреле на большей части России, простираясь от 40° с.ш. на север и достигая 64° с.ш. в центральной части континента в районе 60—70° в.д., за счет высокого альбедо поверхности и низкого содержания аэрозоля, а также на северном побережье Охотского моря и на п-ове Камчатка за счет пониженного ОСО и высокого альбедо поверхности (рис. 1).
В июле для 2-го типа кожи северные территории России находятся в зоне УФ-оптимума В, южные районы — в зоне УФ-избыточности 1-й степени. Лишь самые южные районы России и сопредельных государств находятся в более опасной зоне УФ-избыточности 2-й степени. Граница между областями УФ-оптимума и УФ-избыточности проходит субширотно, примерно по 60° с.ш.
В октябре на территории России для 2-го типа кожи уже преобладают условия УФ-недостаточности. Граница между зонами УФ-оптимума и УФ-недоста-точности изменяется примерно от 60° с.ш. на западе страны до 51° с.ш. на Дальнем Востоке. Отклонение от широтного распределения связано прежде всего с повышенным фоном ОСО на Дальнем Востоке, а также с особенностями распределения эффективной температуры воздуха. Отметим, что локальные особенности смещения более высоких значений в центральной части материка на север связаны с ростом альбедо поверхности (снежный покров), а также с пятнистостью распределения аэрозольной оптической толщины (например, на северо-запад от оз. Байкал).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белинский В.А., Гараджа М.П., Меженная Л.М., Не-зваль Е.И. Ультрафиолетовая радиация солнца и неба. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1968. 227 с.
2. Горбаренко Е.В., Ерохина А.Е., Лукин А.Б. Многолетние изменения аэрозольной оптической толщины атмосферы в России // Метеорология и гидрология. 2006. № 7. С. 41—48.
3. Жданова Е.Ю., Чубарова Н.Е. Оценка воздействия различных атмосферных параметров на биологически ак-
Оценки УФ-ресурсов для 4-го типа кожи показаны на рис. 4, б. Наблюдается закономерный сдвиг всех зон на юг за счет большей MED.
В зимний период вся территория Северной Евразии находится в зоне УФ-недостаточности (100%-й или полуденной) для этого типа кожи.
В апреле вся территория России расположена в основном в области полуденной УФ-недостаточности и УФ-оптимума А. Граница между областью УФ-не-достаточности и УФ-оптимума находится заметно севернее на западе континента (63° с.ш.), чем на востоке (52° с.ш.). Зона УФ оптимума-В расположена южнее 50° с.ш., в некоторых местах опускаясь до 42° с.ш.
В летнее время наблюдается субширотное распределение УФ-ресурсов. Вся территория страны находится в зоне УФ-оптимумов А и В, граница между которыми проходит примерно по 60° с.ш.
В октябре за счет относительно низких высот Солнца на большей территории страны наблюдаются условия УФ-недостаточности для 4-го типа кожи с тенденцией к сдвигу этой зоны на юг на востоке страны. Некоторая прерывистость границы между областями полуденной УФ-недостаточности и УФ-оптимума А наблюдается в центральной части материка, что связано с районами высокого содержания аэрозоля в этих районах.
Таким образом, хорошо видно, что для людей с разным типом кожи складывается существенно разная обеспеченность УФ-ресурсами.
Заключение. В результате выполненных исследований
— создан банк данных биологически активной УФ-радиации на основе точных методов расчета радиационного переноса для реальных безоблачных атмосферных условий в разные сезоны года;
— получено и проанализировано распределение основных геофизических параметров с пространственным разрешением 1 ° на территории России в разные сезоны года;
— разработана методология оценки пространственных полей аэрозольной оптической толщины в УФ-диапазоне спектра на основе комплексных данных спутниковых и наземных измерений;
— разработана новая классификация УФ-ресур-сов и оценены ресурсы биологически активной УФ-радиации для условий ясного неба. Показаны основные закономерности вариации УФ-ресурсов по территории России для людей с разным типом кожи.
тивную УФ радиацию по данным расчетов и измерений // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 9. С. 775—781.
4. Исаев А.А. Экологическая климатология. М.: Научный мир, 2001. 459 с.
5. Тарасова Т.А., Ярхо Е.В. Определение аэрозольной оптической толщины атмосферы по наземным измерениям интегральной солнечной радиации // Метеорология и гидрология. 1991. № 12. С. 66—71.
6. Чубарова Н.Е. О роли тропосферных газов в поглощении УФ радиации // Докл. РАН. 2006. Т. 407, № 2. С. 294—297.
7. Чубарова Н.Е., Горбаренко Е.В., Незваль Е.И., Шилов-цева О.А. Аэрозольные и радиационные характеристики атмосферы во время лесных и торфяных пожаров в 1972, 2002 и 2010 гг. в Подмосковье // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47, № 6. С. 790—800.
8. Bornman J.F., Paul N., Tang X. UNEP, Environmental effects of ozone depletion: 2010 Assessment, United Nations Environment Programme. Kenia, Nairobi, 2010. P. 328.
9. Bouillon R., Eisman J., Garabedian M. et al. Action spectrum for the production of previtamin D3 in human skin // Int. Nommission on Illumination. Technic. rep. 2006. P. 1—12.
10. Caldwell M.M., Bjorn L.O., Bornman J.F. et al. Effects of increased solar ultraviolet radiation on terrestrial ecosystems, UNEP, environmental effects of ozone depletion: 1998 //J. Photochem. and Photobiol. B: Biology. 1998. P. 40—52.
11. CIE Technical Collection. Reference Action Spectra for Ultraviolet Induced Erythema and Pigmentation of Different Human skin Types // CIE Res. Note. CIE Techn. Collection. 1993. N 3.
12. Chubarova N. UV irradiance and UV biological resources over the globe // Proceed. One Century of UV Radiation Research. Davos, Switzerland, 2007. P. 191—192.
13. Chubarova N.Y. Seasonal distribution of aerosol properties over Europe and their impact on UV irradiance // Atmos. Meas. Techniques. 2009. Vol. 2. P. 593—608.
14. Chubarova N., Nezval Y.I., Verdebout J. et al. Long-term UV irradiance changes over Moscow and comparisons with UV estimates from TOMS and METEOSAT // Ultraviolet Ground- and Space-based Measurements, Models and Effects. SPIE. 2005. P. 63—73.
15. Engelsen O., Brustad M., Aksnes L., Lund E. UV radiation, vitamin D and human health: an unfolding controversy daily duration of vitamin D synthesis in human skin with relation to latitude, total ozone, altitude, ground cover, aerosols and cloud thickness // J. Photochem. and Photobiol. 2005. Vol. 81. P. 1287—1290.
16. Fioletov V.E., McArthurL.J.B., Mathews T.W., MarrettL. Estimated ultraviolet exposure levels for a sufficient vitamin D status in North America // J. Photochem. and Photobiol. B: Biology. 2010. Vol. 100. P. 57—66.
17. Hader D.P., Kumar H.D., Smith R.C., Worrest R.C. Effects on aquatic ecosystems // Environmental effects of ozone depletion 1998 Assessment //J. Photochem. and Photobiol. B: Biology. 1998. P. 53—68.
18. Herman J.R., Celarier E.A. Earth surface reflectivity climatology at 340—380 nm from TOMS data // J. Geophys. Res. 1997. Vol. 102 (D23). P. 28003—28011.
19. Holick M.F., Jenkins M. The UV advantage: new medical breakthroughs reveal powerful health benefits from sun exposure and tanning. Ibooks, 2003.
20. Leun J.C. van der, Tang X., Tevini M. Environmental effects of ozone depletion: 1998 Assessment, Executive summary // Environmental effects of ozone depletion: 1998 Assessment // J. Photochem. and Photobiol. B: Biology. 1998. P. 103.
21. Madronich S., Flocke S. The role of solar radiation in atmospheric chemistry // Handbook of Environ. Chem. / Ed. by P. Boule. Heidelberg: Springer-Verlag, 1998. P. 1—26.
22. McKenzie R.L., Liley J.B., Bjorn L.-O. UV Radiation: Balancing Risks and Benefits // J. Photochem. and Photobiol. 2009. Vol. 85. P. 88—98.
23. Norval M., Bjorn L.-O., Gruijl F.R. de. Is the action spectrum for the UV-induced production of previtamin D3 in human skin correct? // J. Photochem. and Photobiol. 2010. Vol. 9. P. 11—17.
24. Ozone assessment of ozone depletion: 2006. World Meteorological Organization Global Ozone Research and Monitoring Project. Rep. 2007. N 50.
25. Stamnes K., Tsay S.-C, Wiscombe W, Laszlo I. DISORT, a General-Purpose Fortran Program for Discrete-Ordinate-Method Radiative Transfer in Scattering and Emitting Layered Media // Documentation of Methodology DISORT Rep. 2000. Vol. 1, N 1. 112 p.
26. Tanskanen A. Lambertian Surface Albedo Climatology at 360 nm from TOMS Data Using Moving Time-Window Technique // Proceed. of the XX Quadrennial Ozone Symposium, 1—8 June 2004, Kos, Greece. 2004. CD_ROM.
27. WMO, Radiation Commission. A preliminary cloudless standard atmosphere for radiation computations, WCP-112, WMO/TD-24. World Clim. Res. Programme, Int. Assoc. for Meteorol. and Atmos. Phys. Geneva, 1986. 53 p.
Поступила в редакцию 01.12.2011
N.E. Chubarova, E.Yu. Zhdanova
ULTRA-VIOLET RESOURCES OVER THE TERRITORY OF RUSSIA UNDER CLEAR SKY
SITUATION
Spatial distribution of UV solar radiation over the territory of Russia for different seasons of the year under clear sky situation was evaluated by 1x1° grid basing on precise modeling calculations. Variations of principal geophysical parameters influencing the biologically active UV radiation are described. Original classification of UV resources was elaborated and used to identify UV-deficient, UV-excessive and UV-optimal natural areas of Russia taking into account the distribution of aerosols, surface reflection factor and total ozone concentration during different seasons of the year.
Key words: UV-radiation, biological activity, radiation model of the atmosphere, ozone, aerosols, vitamin D, UV-resources.
