Исследование смоделировало ущерб для здоровья от сочетанного воздействия волн тепла и смога в условиях потепления климата

Специалисты в области атмосферных исследований и гигиены окружающей среды смоделировали, как одновременное воздействие экстремальных волн тепла и загрязнения атмосферного воздуха усиливает глобальные риски для здоровья в условиях растущих климатических базовых показателей, согласно рецензируемому исследованию, опубликованному в журнале npj Clean Air. Авторами работы выступили Fuzhen Shen, Michaela I. Hegglin, Tamara Emmerichs, Domenico Taraborrelli и Qi Zhao. В исследовании применяется методология событийных сценариев (storyline methodology), основанная на исторически суровых метеорологических явлениях 2018 и 2019 годов. Полученные результаты дают важнейшее представление о том, как физическое взаимодействие между повышенными приземными температурами и загрязнителями атмосферы увеличивает уязвимость населения в различных географических регионах, устраняя давние аналитические пробелы в климатическом эпидемиологическом прогнозировании.

## Key facts

- Исследование, опубликованное в научном журнале npj Clean Air, подготовлено международной группой ученых в составе Fuzhen Shen, Michaela I. Hegglin, Tamara Emmerichs, Domenico Taraborrelli и Qi Zhao. - В работе применяется структура климатических сценариев, сосредоточенная на наблюдаемой динамике погоды 2018 и 2019 годов — двух из самых теплых лет в современной истории метеонаблюдений. - Анализ сфокусирован на суммарном эпидемиологическом бремени, вызванном одновременным воздействием экстремальной жары и загрязнения окружающего воздуха, вместо того чтобы рассматривать их как изолированные стрессоры. - Авторы выявили выраженные региональные различия в характере взаимодействия волн тепла и химических загрязнителей воздуха в сценариях дальнейшего глобального потепления. - Моделирование позволяет учесть задокументированные неопределенности, связанные с локальными реакциями приземного озона и взвешенных частиц во время суровых и продолжительных атмосферных блокировок.

## What happened

Чтобы зафиксировать, как ведут себя сложные комплексные экологические экстремумы по мере роста среднемировых температур, исследовательская группа построила физическую симуляцию на основе сценариев, опирающуюся на реальные наблюдения 2018 и 2019 годов. Вместо использования традиционных многодекадных усредненных прогнозов, которые зачастую сглаживают кратковременные метеорологические пики, авторы изучили, как конкретные масштабные погодные аномалии этих последовательных лет развивались бы в мире, подверженном дополнительному потеплению.

В течение 2018 и 2019 годов мощные волны тепла прокатились по Северному и Южному полушариям, побив локальные температурные рекорды, спровоцировав длительную атмосферную стагнацию и создав условия, способствующие опасному загрязнению воздуха. Shen, Hegglin, Emmerichs, Taraborrelli и Zhao проанализировали региональную динамику атмосферы, определяющую как температурные экстремумы, так и концентрацию вредных приземных загрязнителей. Сохранив наблюдаемую синоптическую циркуляцию атмосферы базового периода 2018–2019 годов и масштабировав лежащие в ее основе термодинамические условия, ученые оценили результирующие изменения в уровнях воздействия и связанных с ними показателях смертности.

Авторы продемонстрировали, что региональные отклики на дополнительное потепление далеко не однородны. В ряде густонаселенных континентальных районов более высокие базовые температуры ускоряют фотохимическое образование вторичных загрязнителей воздуха и увеличивают продолжительность застоя воздушных масс. Как следствие, исследование показывает, что нагрузка на общественное здравоохранение возрастает непропорционально сильно при наложении волн тепла на загрязнение воздуха, вскрывая региональные уязвимости, которые традиционные несвязанные оценки климатического воздействия обнаружить не в состоянии.

## Why it matters

Органы общественного здравоохранения и системы гражданской обороны исторически реагировали на экстремальную жару и чрезвычайные ситуации с качеством воздуха в рамках изолированных административных механизмов. Метеорологические службы выпускают предупреждения о жаре на основе расчетов термодинамического индекса тепла, тогда как природоохранные министерства объявляют тревогу из-за смога на базе данных станций мониторинга воздуха, измеряющих концентрацию мелкодисперсных взвешенных частиц (PM2.5) или приземного озона. Однако в природе эти явления часто порождаются одинаковыми атмосферными условиями, вызывая синергетический удар по физиологии человека, который превосходит сумму их раздельных угроз.

Когда население переживает сильную жару, сердечно-сосудистая система и механизмы терморегуляции испытывают тяжелейший стресс, поскольку организм перенаправляет кровоток к кожным покровам и усиливает потоотделение для сброса тепловой нагрузки. Одновременное вдыхание воздуха с повышенным содержанием озона или твердых частиц вызывает системное воспаление легких, окислительный стресс и повышение вязкости крови. Для уязвимых групп — включая пожилых людей, детей, работников на открытом воздухе и лиц с хроническими сердечно-легочными заболеваниями — сочетанное воздействие экспоненциально увеличивает число госпитализаций и избыточную смертность.

Для муниципальных властей, градостроителей и больничных систем выводы этого исследования имеют непосредственное прикладное значение. Если региональное потепление атмосферы систематически усиливает локальное загрязнение воздуха во время экстремальной жары, службы неотложной медицинской помощи должны готовиться к комплексному наплыву пациентов с респираторной и сердечной недостаточностью, а не к отдельным случаям тепловых ударов. Кроме того, операторы энергосетей сталкиваются с двойным вызовом: эффективность выработки электроэнергии падает в условиях сильной жары как раз тогда, когда спрос на охлаждение резко возрастает, что может приводить к увеличению сжигания ископаемого топлива на пиковых электростанциях и ухудшению качества воздуха именно тогда, когда рассеивание в атмосфере находится на минимальном уровне.

## The background

Годы 2018 и 2019 относятся к числу наиболее показательных ориентиров в современной климатологии. В 2018 году масштабные волны тепла и сопутствующие засухи обрушились на Скандинавию, Западную Европу, Восточную Азию и Северную Америку, что привело к огромным потерям в сельском хозяйстве и масштабным сезонам лесных пожаров в California и за Полярным кругом. Следующий, 2019 год подтвердил тенденцию к усилению экстремумов: в Западной Европе наблюдались исторические волны тепла, в ходе которых абсолютные рекорды температуры за все время наблюдений были побиты во Франции, Бельгии, Германии, Нидерландах и Великобритании, в то время как катастрофические лесные пожары охватили десятки миллионов гектаров на востоке Австралии.

Ученые-атмосферщики давно установили, что устойчивые системы высокого давления, известные как антициклоны или блокирующие структуры в атмосфере, формируют метеорологические условия, необходимые для возникновения сильных волн тепла летом. Такие блокировки обеспечивают устойчивую ясную погоду, максимальную солнечную радиацию, нисходящие потоки теплого воздуха и низкую скорость приземного ветра. Эти же физические условия катализируют образование приземного озона — атмосферного окислителя, возникающего в результате реакции оксидов азота и летучих органических соединений под воздействием интенсивного солнечного света и тепла. Одновременно с этим застойный воздух удерживает первичные выбросы и мелкодисперсные частицы у поверхности земли, а вызванные жарой лесные пожары и иссушенный верхний слой почвы выбрасывают огромные объемы дыма и минеральной пыли.

Несмотря на широкую осведомленность об этих физических связях, объединение химии атмосферы и климатической эпидемиологии в локализованные прогнозы для здравоохранения оказалось сложной задачей. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) подчеркивает, что комплексные климатические угрозы представляют собой возрастающий риск при любых траекториях выбросов. Однако традиционные глобальные климатические модели работают с таким пространственным разрешением, которое с трудом улавливает мелкомасштабные фотохимические взаимодействия, местную топографию и эффекты городского острова тепла. Подход на основе сценариев, примененный Shen и коллегами, обходит статистическое усреднение путем изучения того, как конкретные, задокументированные погодные катастрофы обострились бы при более высоком планетарном энергетическом балансе.

## Reaction

Методология и результаты, представленные в npj Clean Air, соответствуют нарастающим международным усилиям экологических эпидемиологов и физиков атмосферы по переходу к единому прогнозированию экстремальных явлений. Исследовательские организации и институты общественного здравоохранения, включая World Health Organization (WHO) и World Meteorological Organization (WMO), все чаще призывают государства-члены отказаться от раздельных протоколов оповещения в пользу комплексных систем раннего предупреждения о множественных опасностях.

Специалисты по общественному здравоохранению, изучающие влияние факторов окружающей среды, назвали исследование эмпирическим подтверждением необходимости пересмотра клинических протоколов оказания экстренной помощи. Хотя стандартные инструкции по реагированию на жару предписывают открытие муниципальных центров охлаждения, исследователи подчеркивают, что инфраструктура охлаждения должна оснащаться высокоэффективными системами фильтрации воздуха от взвешенных частиц; в противном случае перемещение уязвимых граждан в некондиционируемые или неочищенные общественные убежища во время совместных эпизодов жары и смога не позволяет устранить угрозу для дыхательной системы.

Регулирующие органы, такие как European Environment Agency и United States Environmental Protection Agency, сталкиваются с постоянными призывами научного сообщества согласовывать нормативные показатели по озону и взвешенным частицам с региональными стратегиями климатической адаптации. Ожидается, что данная публикация станет предметом обсуждения в рабочих группах по химии атмосферы и повлияет на техническое планирование в преддверии предстоящих климатических переговоров ООН и форумов по чистому воздуху.

## What we don't know yet

Несмотря на полученные выводы, ряд научных вопросов остается открытым. Главный среди них — точное количественное взаимодействие между снижением конкретных промышленных выбросов и региональными обратными связями «жара — загрязнение». По мере перехода экономик на возобновляемые источники энергии изменения в локальных объемах веществ-предшественников — например, сокращение выбросов оксидов азота автотранспортом — могут сложным образом трансформировать химические режимы атмосферы в регионах, периодически приводя к локальным всплескам концентрации приземного озона в специфических химических средах.

Кроме того, сохраняются существенные эмпирические пробелы в понимании физиологических реакций человека в развивающихся странах Глобального Юга. Значительная часть эпидемиологических исследований, связывающих одновременное загрязнение воздуха и температурные экстремумы, основана на когортах из Северной Америки, Европы и Восточной Азии. Регионы Южной Азии, Центральной Африки и Южной Америки зачастую сталкиваются со значительно более высокими фоновыми концентрациями твердых частиц наряду с экстремальными абсолютными температурами, однако располагают меньшим числом станций мониторинга атмосферы и оцифрованных медицинских карт. То, как эти сочетанные опасности проявляются среди групп населения с более низким базовым доступом к механическому охлаждению, иными типами жилья и специфической структурой фоновой заболеваемости, остается неотложной темой, требующей полевой верификации.

## What to watch

В предстоящие месяцы и годы наблюдателям следует отслеживать несколько ключевых направлений в экологической политике и климатических исследованиях. Во-первых, перейдут ли национальные метеорологические службы к официальному пилотному внедрению совместных индексов «жара — загрязнение», предоставляющих населению единый оперативный показатель, отражающий одновременный термодинамический стресс и уровень загрязнения воздуха.

Во-вторых, необходимо следить за разработкой муниципальных планов действий на случай аномальной жары в крупнейших мегаполисах Северной Америки, Европы и Азии. От городских властей все настойчивее требуют проверять, оснащены ли общественные пункты временного пребывания современными системами механической фильтрации, способными улавливать мелкодисперсные частицы во время одновременных лесных пожаров и волн тепла.

В-третьих, стоит обратить внимание на технические материалы, подготавливаемые для предстоящего Седьмого оценочного цикла IPCC. Практическое использование сценарного подхода Shen и ее коллегами предлагает методологическую основу, которую, вероятно, оценят и разовьют региональные климатические рабочие группы, стремящиеся воспроизвести физические экстремумы с более высокой региональной детализацией. Наконец, следует отслеживать нормативные изменения стандартов качества окружающего воздуха на международном уровне, оценивая, учитывает ли нормативная база тот факт, что рост летних базовых температур существенно затрудняет достижение традиционных критериев чистоты воздуха без более глубокого сокращения выбросов веществ-предшественников.

Материал основан на рецензируемом исследовании Fuzhen Shen, Michaela I. Hegglin, Tamara Emmerichs, Domenico Taraborrelli и Qi Zhao, опубликованном в научном журнале npj Clean Air.