БИОФИЗИКА, 2014, том 59, вып. 1, с. 196-201
БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
УДК 577.345
ОБ УСЛОВИЯХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СЕЗОННЫХ НАРУШЕНИЙ ЦИРКАННУАЛЬНОЙ И ЦИР КАДИАННОЙ Р ИТМИКИ О РГАНИЗМА ЧЕЛОВЕКА
© 2014 г. А.В. Леонидов
E-mail: avleonidoff@mail.ru Поступила в p едакцию 18.09.13 г.
П редложены аналитические выражения, устанавливающие взаимосвязь календарных дат начала, окончания, а также продолжительности сезонных нарушений цирканнуальной и циркадианной ритмики человека с географическими координатами расчетной точки земной поверхности и соответствующей ей угловой высотой Солнца. Полученные теоретические результаты соответствуют данным независимых экспериментальных исследований цирканнуальной и циркадианной ритмики и дополняют их. Использование результатов работы позволит повысить эффективность мероприятий по предотвращению и купированию нарушений цирканнуальной и циркадианной р итмики организма человека.
Ключевые слова: цирканнуальная и циркадианная ритмика, естественная облученность, географическая широта, местное время, календарные даты.
Значительная часть аффер ентны x p екур-рентных нарушений в работе нейроэндокрин-ной системы человека обусловлена дефицитом воздействующей естественной облученности, создаваемой солнечным излучением. К таким нар ушениям относятся расстройства цир канну-альной (ЦНР) и цир кадианной (ЦДР) ритмики организма человека, наиболее ярко проявляющиеся в форме синдрома сезонных депрессий (Seasonal Affertive Disorder - SAD).
Одним из эффективных методов пр едотвра -щения и купирования таких расстройств является использование искусственного облучения, воздействующего на ретино-гипоталамический тракт управления ЦНР и ЦДР и восполняющего сезонный дефицит естественной облученности.
До настоящего времени условия возникновения этих нарушений изучены недостаточно, а характеристики воздействующего облучения, компенсирующего нарушения ЦНР и ЦДР, выбираются на основе интуитивных представлений без учета календар ных дат, значений географической широты расчетной точки земной поверхности и соответствующего ей углового положения C олнца. Отсутствие строгих теор е-тических обоснований пр и выборе характеристик корректирующих воздействий снижает эффективность профилактических мероприятий
Сокращения: ЦНР - цирканнуальная ритмика, ЦДР -циркадианная ритмика, SAD - синдром сезонных депрессий.
по пр едупр еждению и купир ованию нарушений ЦНР и ЦДР и их последствий.
Целью работы являлось: получение аналитических выражений, устанавливающих в условиях естественного облучения взаимосвязи сро -ков начала, окончания и продолжительности нарушений ЦНР, а также начала нарушений ЦДР, со значениями географической широты расчетной точки земной поверхности; определение сочетаний календарных дат и геогр афи-ческих широт, соответствующих наличию нарушений ЦНР и ЦДР и необходимых для планирования их экспериментальных исследований, а также для проведения медицинских мероприятий по профилактике и купированию этих нарушений с использованием специализированных облучательных установок.
В числе основных причин, вызывающих нарушения ЦНР и ЦДР, ведущая роль принадлежит уменьшению в осенне-зимний пер иод уровней облученности и энергетической экспо -зиции, создаваемых солнечным излучением. Наиболее неблагоприятные условия имеют место при отсутствии снежного покрова и полном покрытии неба сплошной облачностью в период от поздней о сени до зимнего солнцестояния. Дефицит естественной облученности и энергетической экспозиции в осенне-зимний период обусловлен малой угловой высотой С олнца.
Для решения поставленных задач зависимость угловой высоты С олнца от географических координат расчетной точки земной по-
Рис. 1. Зависимость огибающих максимальных зна-чений суточной угловой высоты Солнца от значений геогр афической шир оты 0° < ф < 90° и номер а суток 0 < п < 365.
К град
Р ис. 2. Огибающие максимальных значений суточной угловой высоты Солнца на различных геогр а -фических широтах при £местн = 12,00 ч. Цифрами обозначены геогр афические шир оты: 1 - ф = 90°; 2 - ф = 66,55°; 3 - ф = 55,90°; 4 - ф = 40,00°; 5 -ф = 23,45°.
верхности, пр оизвольных суток года и вр емени была пр едставлена соотношением, полученным в геоцентр ической эквато р иальной системе координат:
. 2ппТсут ^ , ч 2п'местн
Н = 881П—---—
■ - (90° - ф )со8-
(1)
год
сут
где Н, град - угловая высота Солнца; 8 = 23,45° - угол между плоскостью эклиптики и плоскостью небесного экватора; п - число полных суток, истекших с момента начала отсчета (00 ч 00 мин суток весеннего равноденствия); Тсут = 24,00 ч ср еднего солнечного вр емени -продолжительность солнечных суток, Тгод = 8760 ч - пр одолжительность солнечного года; ф, гр ад - геогр афическая шир ота р асчетной точки земной поверхности; ¿местн (0 < ¿местн < 24,00) ч - местное вр емя, соответствующее нормальному (зимнему) вр емени центр ального меридиана произвольной временной зоны N (0 < N < 23).
Огибающая максимальных значений угло-вой высоты С олнца, опр еделенная по соотношению (1) пр и £местн = 12,00 ч для р азличных значений геогр афической шир оты пр оизволь-ных суток года, имеет вид линейной функции географической широты:
Н(ф) = 88Ш"
2ппТ
сут
+ 90° - ф
(2)
год
Гр афик зависимо сти (2) для различных со -четаний номер а суток и геогр афической шир о -ты 23,45° < ф < 90,00° пр иведен на р и с. 1.
При получении искомых зависимостей в дальнейшем, для определенности, использовали следующие значения географической широты: ф = 23,45° (С евер ный тр опик); ф = 40,00° (Филадельфия, а также близкие по шир оте Вашингтон и Нью-Йорк), ф = 55,90° (Москва); ф = 66,55° (Северный полярный круг) и ф = 90,00° (Северный полюс).
Графики огибающих максимальных значений суточной угловой высоты Солнца при этих значениях географической широты в полдень пр оизвольных суток года пр иведены на рис. 2:
Малые значения суточной угловой высоты С олнца Н (р и с. 1, 2) соответствуют интер валу от о сеннего (п ~ 182°) до весеннего р авноденствия (п ~ 0 или п ~ 365) с минимумом пр и п = 273 (сутки зимнего солнцестояния) и увеличиваются с уменьшением географической ши-р оты.
Зависимость угловой высоты С олнца Н от местного вр емени £местн пр и п = 273 для зна -чений географической широты в диапазоне 0° < ф < 90° имеет вид:
Щ местн) = ыш-
546пТ
сут
- (90° - ф )со8-
2га.
(3)
год
сут
Гр афик зависимости (3) от местного вр емени для различных геогр афических шир от пр и -веден на р ис. 3.
Г р афики этой зависимости для п = 273 пр и значениях геогр афической шир оты ф = 23,45°; ф = 40,00°; ф = 55,90°; ф = 66,55° и ф = 90,00° пр иведены на р ис. 4.
Рис. 3. График зависимости к(ф, ^местн) для различных сочетаний геогр афической шир оты и местного времени.
Проекции узлов семейства графиков, изо-бр аженных на рис. 4, на о сь вр емени соответствуют вр емени во схода и захода С олнца на геогр афической шир оте ф = 23,45° в сутки весеннего и осеннего равноденствия. Точки пер есечения гр афиков с осью местного вр емени соответствуют времени восхода и захода Солнца в сутки весеннего и о сеннего равноденствия на различных широтах ф = 23,45°; ф = 40,00°; ф = 55,90°; ф = 66,55° и ф = 90,00°. В сутки зимнего солнцестояния увеличение значений широты от ф = 23,45° до ф = 90,00° приводит к уменьшению максимальных значений угловой высоты С олнца от к = 43,13° до И = -23,45°.
Одной из важнейших хар актеристик пр о -цесса управления ЦНР и ЦДР естественной облученностью является зависимость номеров суток года, соответствующих пер иоду вр емени от начала до окончания сезонных нарушений ЦНР, а также началу нарушений ЦДР, от геогр афической шир оты.
Анализ и систематизация литер атур ных данных (напр имер, [1-6] и др.), касающихся зависимости частоты зарегистрированных случаев нар ушений ЦНР и ЦДР от геогр афической широты, показал, что в сутки зимнего солнцестояния пр и отсутствии снежного покр ова у населения, пр оживающего на территориях в окр е-стностях геогр афической шир оты ф = 40°, частота этих нарушений составляет р(ф) - 5-8%. Для южных и средних широт Великобритании, напр имер вблизи геогр афической шир оты ф -52° (Лондон, Бирменгем и др.), эта частота увеличивается до р(ф) - 10-13%. В скандинавских стр анах и в север о -западных территор иях России, в окрестностях географической широты
Р ис. 4. Зависимости угловой высоты С олнца от местного вр емени на р азличных геогр афических шир отах для суток зимнего солнцестояния. Цифр ами обозначены геогр афические шир оты: 1 - ф = 90°; 2 - ф = 66,55°; 3 - ф = 55,90°; 4 - ф = 40,00°; 5 - ф = 23,45°.
ф - 60° (Осло, Стокгольм, Хельсинки, Санкт Петер бур г), частота нарушений ЦНР и ЦДР со ставляет р - 20%.
При наличии снежного покрова в припо-ляр ных территор иях Аляски и высоких шир отах Канады и России (вблизи ф - 67°) указанные нарушения наблюдаются у 20-22% от общей численности населения этих территор ий.
Обработка приведенных данных с учетом линейной зависимости к = к(ф) (соотношение (2)) для максимальной угловой высоты Солнца в сутки зимнего солнцестояния показала, что частота р(ф) регистрируемых нарушений зависит от со стояния подстилающей поверхности. П р и отсутствии снежного покр ова частота на -рушений описывается линейной функцией:
р(ф) - 0,5ф - 11,725.
(4)
Из соотношения (4) следует, что геогр афи-ческая широта, южнее которой нарушения ЦНР и ЦДР либо отсутствуют вовсе, либо никак себя не пр оявляют, соответствует шир оте С е-вер ного тр опика и р авна ф = 23,45°.
Используя этот вывод, а также значение р -20-22% частоты зарегистрированных нарушений ритмики на геогр афической шир оте ф -67° пр и наличии снежного покр ова [3,5], зависимо сть частоты нарушений ЦНР и ЦДР от геогр афической шир оты может быть пр едстав-лена в виде:
рс(ф) - 0,56ф - 13,132.
(5)
Графики соотношений (4) и (5) приведены на р ис. 5.
Эти гр афики позволяют также пр оизвести оценку относительного числа нарушений ЦНР и ЦДР в зависимо сти от со стояния подстилающей поверхности пр и п = 273 для любого значения геогр афической шир оты.
Так, пр и отсутствии снежного покр ова на шир оте ф - 55,9° (Москва
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.