ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ РЕГИОНА: МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

Краткое содержание

Вступ містить обгрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, формулювання мети і задач досліджень, наукової новизни, практичної цінності отриманих результатів. Надані відомості про особистий внесок автора, апробації та публікації результатів і структура дисертації.

У першому розділі наводиться аналіз результатів попередніх теоретичних і практичних досліджень з проблем екологічної безпеки.

Встановлено, що загальний стан екологічної безпеки в Україні зокрема в Харківському регіоні є досить складним. Зазначається, що для регіонального управління екобезпекою необхідно організувати міждисциплінарні дослідження середовища, враховуючи широкий спектр космофізичних, метео-екологічних, атмоантропогенних та інших проявів небезпеки. Слід підкреслити, що теоретичні напрацювання Інституту кібернетики НАНУ та практичні можливості урядової інформаційно-аналітичної системи в катастрофічних ситуаціях не повною мірою охоплюють небезпечні кризові явища та екстремальні умови в природі (збудження магнітного поля Землі, гравітаційні ритми, аномалії УФБ-випромінювання Сонця, метеорологічні явища тощо.), під час яких стресорні стани фізіологічних систем людини заздалегідь не можуть сприйматися на рівні суб’єктивних больових відчуттів.

В дисертаційній роботі розроблена концепція побудови регіональної системи екологічної безпеки, яка грунтується на даних моніторингу та прогнозуванні важливих для здоров’я людей ЕС в ІАС раннього попередження адміністративних органів, керівників підприємств з підвищеним ризиком праці та окремих користувачів. Запропоновані концептуальні підходи базуються на уявленнях про інтегровану безпеку (Дорогунцов С.І., Ральчук О.М. та ін.).

Екологічна безпека в межах регіону розглядається як складова національної безпеки (Косовцов В.О., Качинський А.Б. та ін.) та повинна входити до складу єдиної регіональної системи екстремальних ситуацій як окремий її сектор.

Подальший розвиток системи управління екологічною безпекою є вкрай необхідним, а це потребує розробки нових технічних засобів моніторінгу та підготовки фахівців, здатних впроваджувати інтелектуальні, експертно-аналітичні та телекомунікаційні засоби для формування широкопрофільної безпеки у конкретному регіоні.

Виходячи з аналізу вищезгаданих задач, автором сформульована значущість специфічних проблем екологічної безпеки та накреслені основні шляхи досліджень у напрямку її підвищення.

У другому розділі викладено розроблені в результаті дисертаційних досліджень основи аналізу формування екологічних небезпек, які спроможні викликати стресорні стани в організмі людини в умовах дії аномалій чинників зовнішнього середовища.

Оскільки рівень безпеки визначається оцінюваністю проявів небезпек, всеобічно аналізуються умови формування екологічних факторів, які так чи інакше залежать від сонячної активності.

Збудження на Сонці формують зміни корпускулярного потоку, який впливає на геофізичні поля незначної інтенсивності (появу інфразвуків, електричних явищ, збуджень магнітного поля Землі, радіаційних шарів тощо).

Визначено, що впливи мікродоз фізичних агентів на біосистеми останнім часом оцінюються як потенційні небезпеки, тому пошук кореляції між ними є вкрай необхідним для роботи інформаційно-аналітичної системи, призначеної для прогнозування, профілактики, попередження та управління безпекою загалом. Таким чином, екологічна небезпека розглядається як динамічна складова всіх факторів регіону, щоб забезпечити виявлення сумаційної їх дії.

У порівнянні з традиційними уявленнями визначена більш широка база геліоекологічних чинників, пов’язаних їз небезпечним впливом на людину. До них відносяться багаторічні варіації активності Сонця, що впливають на магнітне поле Землі. Протягом року спостерігається 27 - денна повторюванність у МП і виявляються варіації міжпланетного магнітного поля (ММП) у різних секторах земної орбіти. Крім періодичних, спостерігаються спонтанні збудження активності. Магнітне поле Землі є одним з головних екзогенних факторів небезпечного впливу.

У дисертації встановлено, що спектр сталих флуктуацій має флікерний характер, до якого здоровий організм адаптований. Такий спектр діючого МП створює умови слабкого та середнього стресу впродовж багатьох років життя людини, призводить до адаптаційного тренування функціональних систем і водночас є системоорганізуючим фактором – синхронізатором внутрішніх ритмів.

Іррегулярні пульсації МП з їх високою швидкістю зростання (так звані магнітні бурі) викликають в організмі значний стрес. Визначено, що початок відгуку організму і початок виникнення магнітної бурі не завжди співпадають, відрізняючись на ± 2 дні. Прояв дії магнітної бурі для здорових і хворих людей - однаковий. Спочатку спостерігається фаза гіперфункції організму, а потім - депресія. Проте основні ресурси хворого організму спрямовані на усунення зворотнього синхронізму (збудженъ флікерності), і тоді настає глибока депресія. Тяжкість реакції організму залежить не від типу захворювання, а від ступеня пов’язаності органів між собою.

Виявлено залежність добових змін ступеня проникнення мембран клітин від зміни нахилу вектора магнітного МП. Порушення функції клітин призводить до кризи всіх функціональних параметрів організму.

Визначено, що під час магнітних бур в умовах зниженого атмосферного тиску виникають інфаркти, а при підвищеному – інсульти, що запропоновано в алгоритмах оцінки ризику. Метеонавти складають 20% від тих, хто реагує на магнітні бурі.

Встановлено, що реакція організму на пульсації МП може з’явитися раніше за прояви фронту самої бурі, і, таким чином, сигналом небезпеки можуть стати зміни в середовищі, які їм передують і виявляються у кореляціях із землетрусами, ураганами, підвищеною концентрацією небезпечного радона, підсиленням акустичних шумів у атмосфері, виникненні електромагнітних хвиль (ЕМХ) дуже низьких частот тощо.

Задовго до появи аномалій МП на поверхні Землі реєструються радіовипромінювання на частотах 2800 МГц і 200 МГц, які дозволяють оцінити тенденції змін протягом сонячних циклів.

Проведено формування моделей чисельності госпіталізації людей щодо різного характеру небезпечних станів у психічно хворих під дією геомагнітних збуджень. Модель має вигляд поліному третього ступеня залежності захворюваності від величини планетарних К-індексів, зафіксованих в період повного циклу сонячної активності. Радіометричні та магнітометричні дані зафіксовані на деякій відстані від Харківського регіону. Відзначено, що фази зростання та спаду сонячної активності, а також рівень магнітної збудженості зі змінами потоку радіовипромінювання не співпадають, тому рекомендовано організувати моніторинг радіовипромінювання безпосередньо в Харківському регіоні.

Визначено, що в мінімумі сонячної активності спостерігається більше рецидивів психічних захворювань під час магнітних бур оскільки на підвищеному рівні фону геомагнітної активності (флікерного характеру) відбувається адаптація (тренування ресурсів організму) ще до початку дії іррегулярних флуктуацій, а в мінімумі така адаптація знижена, особливо у весняні періоди.

В дослідженнях сонячно-земних зв’язків запропоновано до впровадження просту модельну інтегральну систему контролю небезпек – космогеліогеофізичних факторів у вигляді результатів моніторингу інтенсивності випромінювань радіоактивних сцинтиляторів (РС). Така методика дозволяє встановлювати варіації РС, які залежать від впливу потоку сонячних нейтронів.

Встановлений зв’язок РС з аномалією компонентів вектора МП Землі рекомендовано для прогнозування небезпечних станів та їх загострення у хворих. Ці показники вирогідніше відображають вплив компонент вектора МП на біооб’єкти, ніж К_р(А_к) магнітних індексів.

При вирішенні задач безпечної дії випромінювання край високих частот (КВЧ) антропогенного походження показано, що атмосферні гази, такі як Н₂О и О₂, резонансно поглинають КВЧ, що надходить від Сонця. Тому поблизу цих частот дія КВЧ є більш впливовою ще до гранично-допустимого рівня щільності потоку і впливає на динаміку систем цілісного організму.

Встановлено, що небезпечна дія УФБ-диапазону сонячного випромінювання обумовлена порушенням імунітету в організмі, коли змінюється біоречовина чи функція хоча б однієї з популяцій макрофагів, до яких відносяться клітини Лангерганса.

Визначено, що дія УФБ упродовж 3-4-х годин викликає втричі більші порушення концентрації клітин Лангерганса у молодих людей і не змінює її у людей похилого віку. Ці дані дозволили кількісно оцінити ризики від дії УФБ і запропонувати алгоритми прогнозування в ІАС небезпечних станів.

Таким чином, результати дослідження, викладені у другому розділі дисертації, узагальнюють та розширюють наукові уявлення щодо специфіки фізіологічного впливу космогеліогеофізичних факторів (КГФ) природного середовища на людину, важливіших при формуванні регіональної екологічної небезпеки, та застосовуються для обгрунтування теоретичних і практичних засад управління безпекою.

У третьому розділі викладено результати дисертаційного дослідження сумарної дії техногенних і метеорологічних факторів середовища під час оцінювання і формування екологічної небезпеки.

Визначено, що в проблемі “Сонце-клімат-людина” головним є біоритмологічний підхід. Біологічні коливання близькі до основних геліогеофізичних циклів і лежать в основі всіх динамічних процесів.

Узагальнено дію зовнішніх аномальних метеофакторів (атмосферний тиск та опади, температура, зміни вітру, вологість, зміни концентрації кисню, рівень забрудненості повітря, особливо при інверсних умовах і при одночасних збудженнях МП Землі) на організм людини. Встановлено, що на дію метеорологічних факторів організм реагує зміною чутливості шкіряних рецепторів, а також функцій різних регуляторних систем, і таким чином формується небезпека у порушенні адаптації та опору організму. Динамічний ефект термічного дискомфорту в атмосфері формується при підсиленні атмосферної циркуляції. Водночас із довгоперіодичними геліокліматичними процесами існують геліометеорологічні зміни, пов’язані з обертанням Сонця навколо своєї осі. Природні синоптичні періоди (6-8 діб) обумовлюються вторгненням сонячної плазми, яка розігріває верхню атмосферу Землі, що згодом передається до її поверхні.

Доведено, що активізація природних і техногенних процесів збігається з реперними роками (максимумів) варіацій температури повітря. На реперні роки припадає 82% зароджень аномальних атмосферних процесів. Для підвищення безпеки від дії зовнішніх польових впливів на біотехносферу та соціально-економічні процеси рекомендовано впровадити медико-екологічне моніторування та інтелектуальні експертні системи управління регіоном. Визначено, що у таких мегаполісах, як Харків, в умовах суттєвого росту кількості автотранспортних засобів і збільшення викидів летючих органічних сполук (ЛОС), вихлопних газів (NO_х; SO₂; CO), твердих часток, поліциклічних ароматичних вуглеводів тощо, крім безпосереднього їх негативного впливу на здоров’я людей, які знаходяться у “епіцентрах” небезпеки, з’являється також токсичний приземний озон. Він виникає в умовах фотохімічних перетворень NO_х та ЛОС під дією УФ випромінювання Сонця. Порогова величина допустимої дози О₃ для людини складає 100 мкГ/м³ за 8 годин денної дії упродовж всього року. Фактори екологічної безпеки оцінюються за допустимою добовою нормою (ДДН) у мкГ/кг (ваги людини) та гранично допустимою концентрацією (ГДК) у мкГ/м³. Якщо для речовини (О₃) існують порогові значення токсичності, тоді приймається концепція накопичення ризику за період всього життя. Допустимий ризик складає 10^-6 (одне захворювання на мільйон людей).

Екологічні дослідження встановили залежність між концентрацією озону та загостренням респіраторних захворювань дорослих, якщо його дія триває 8 годин при зростанні концентрації на 10 мкГ/м³. У Харківському регіоні рекомендовано організувати моніторинг викидів на кордонах регіону, оскільки концентрація озону асоціюється із перенесенням фотохімічних забруднювачів.

У роботі визначені основні технічні характеристики апаратних засобів моніторингу озону та їх структури. Серед датчиків контролю О₃ найбільш перспективними є сенсори на основі органічних напівпровідників та органічних барвників-сцинциляторів. Структурні схеми засобів контролю О₃ одержані на базі аналізу та структурного синтезу цифрових радіоелектронних засобів, узгоджених з форматами сигналів ІНТЕРНЕТ і сотової мережі.

Запропоновано структурну схему організації контролю інверсних станів температури методами дистанційного вимірювання ультракороткохвильових (УКХ) флуктуацій сигналів, які багатопроменевим способом розповсюджуються над територією, де складаються інверсні умови в атмосфері. В роботі наведена умовна карта, на якій показано розташування передавача та приймачів, що дозволяють реєструвати інверсії. Рекомендовано в найбільш небезпечних місцях додатково встановлювати щогли з температурними датчиками, а дані вимірів транслювати в інформаційно-аналітичний центр (ІАЦ).

Безпосередні температурні вимірювання організуються для визначення інформаційної надійності системи дистанційного вимірювання інверсних станів. Інформація про те, коли встановлюються небезпечні умови накопичення газів, передається для формування управлінських рішень про зміну транспортних потоків і технологічних режимів роботи тих підприємств, викиди яких становлять вагому частку там, де екологічний стан є найбільш несприятливим - в умовах інверсії.

Таким чином, у розділі наведені результати досліджень, що складають наукову базу оцінювання впливу метерологічних факторів на небезпечні умови, що формують основу для розвитку та впровадження алгоритмічних, апаратних засобів управління та прогнозування екологічного стану в інтересах екологічної безпеки регіону.

У четвертому розділі наведені результати теоретичних та експериментальних досліджень небезпечних природно-техногенних аномалій, які впливають на зменшення концентрації стратосферного озону. Такі умови можуть виникати через підвищення концентрації стратосферного аерозолю або появу хлорфторвміщуючих речовин антропогенного походження. Встановлено, що зменшення концентрації озону в стовпі призводить до змін термодинамічних умов у стратосфері, що впливає на термічний баланс і глобальні зміни клімату. Зростання потоку УФБ-випроміненя на поверхні Землі викликає небезпечні порушення в імунітеті біосистем. Україна підписала Монреальський протокол і Віденську конвенцію, згідно з якими забов’язалася контролювати стратосферний озон і створювати безпечні екологічні умови у разі викидів фреонів для зменшення  впливу УФБ на живі об’єкти. Озонові аномалії, що з’являються над Євроазійським континентом, мають розмір близько 1000 км і наближаються до 45° північної широти, тобто сягають широт України.

У дисертаційній роботі теоретично досліджено особливості методу диференційного поглинання під час лазерного дистанційного зондування висотного розподілу озону (ВРО).

Оптичні властивості озону такі, що коефіцієнти поглинання у діапазоні 300-340 нм можуть бути використані для лідарного зондування часток повітря до рівня висот 50-60 км, де концентрація озону вже незначна, а сигнал релєєвського розсіювання ще достатній для визначення концентрації озону із похибкою ~ 10-15%. Таким чином, для реалізації методу було створено імпульсний лазер з довжиною хвилі у згаданому діапазоні. Для використання диференційної технології водночас проведене зондування атмосфери на більш довгих хвилях, коли поглинання їх у діапазоні висот 0-60 км є незначним і може бути теоретично оцінено, спираючись на дані стандартної атмосфери.

За беспосередньої участі автора були проведені теоретичні та експериментальні дослідження зі створення УФ ексімерного ХеСІ-лазера, який використовувався під час дистанційного зондування стратосферного озону.

На рис. 1. наведена функціональна схема локаційної станції оптичного діапазону (лідар), який розроблено та впроваджено у моніторинг озону вперше в Україні та СНГ. На схемі ХеСІ-лазер (1) за допомогою поворотного дзеркала (12) випромінює вертикально енергію в імпульсі тривалістю 30 нс. Відбиті атмосферою сигнали, розсіювані частками повітря, приймаються телескопом (13), діаметр якого становить 0,7 м, фільтруються інтерференційним фільтром Ф зі смугою пропускання 10 нм, і за допомогою УФ фотоелектронного помножувача ФЕП-136 (4) перетворюються на потік окремих фотоелектронів, випадкових у прострорі та часі. В подальшому потік фотоелектронних імпульсів підсилюється та формується у блоках (5, 6) і потрапляє на багатоканальну систему (10) накопичення. Синтезатор (9) формує імпульси запуску системи модуляції (3) та апаратури статистичної обробки сигналів (1). Система функціонує за умови перетинання обтюратором (8) входу ФЕП, коли випромінюється сигнал зондування. Високі потенційні можливості лідара та якісні експериментальні результати були одержані завдяки тому, що автору вдалося досягти високої потужності та стабільності енергетичних параметрів створеного ним ХеСІ-лазера.

Застосування двохвильового зондування та даних стандартної атмосфери дозволило виділити вплив аерозольної складової на результати вимірювання озону.

Дослідження залежності концентрації озону n_O3 від висоти R проводилося за оригінальною методикою із застосуванням модифікованого рівняння лазерної локації просторової цілі, якою є атмосфера.