李雪松，張寰波，楊龍，董亮，汪敏，林雋，喻卓，吳暉

(1.昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，云南 昆明 650000；2.中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011；3.云南大學－云南天文臺信息技術(shù)聯(lián)合實驗室，云南 昆明 650001)

論在空間災(zāi)害性天氣條件下低頻太陽射電觀測在預警心腦血管事件中的作用

李雪松1，張寰波1，楊龍1，董亮2，3，汪敏2，3，林雋2，3，喻卓1，吳暉1

(1.昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院，云南 昆明 650000；2.中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011；3.云南大學－云南天文臺信息技術(shù)聯(lián)合實驗室，云南 昆明 650001)

太陽活動是對地球及人類生活影響最直接的天文活動，在航空航天、通信、電力以及人體健康方面影響著人類的生產(chǎn)生活。通過以往的一些研究結(jié)果分析非光學(non-optical)范疇的太陽活動例如日冕物質(zhì)拋射、太陽射電爆發(fā)與某些人類疾病呈正相關(guān)性，這與低頻太陽活動對日地空間的影響有密切聯(lián)系。采用云南天文臺2012年上半年70 MHz～1 500 MHz波段觀測數(shù)據(jù)與昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心腦血管病例結(jié)合進行相關(guān)分析，得到利用低頻太陽活動爆發(fā)對人體影響預警的時間延遲因子(與等離子體拋射物質(zhì)到達地球有關(guān))。通過研究證明利用直接太陽低頻射電觀測數(shù)據(jù)能夠較之于之前國際上利用宇宙線的福布希下降進行的空間天氣預警提前2～3 d，有效地提高了預警效果，為下一步基于低頻空間異動觀測數(shù)據(jù)現(xiàn)報——健康實時預警系統(tǒng)的建立打下了工作基礎(chǔ)。

低頻太陽爆發(fā)；心腦血管事件；空間天氣

CN53－1189/P ISSN1672－7673

80年前科學界和醫(yī)學界就開始了關(guān)于人體韻律甚至時鐘生物學(Chronobiology)的研究，多數(shù)學者認為氣候、季節(jié)、天文現(xiàn)象以及多種自然因素的周期性變化，甚至一周的工作時間和休假時間的周期性出現(xiàn)，都會對人體健康產(chǎn)生重要的影響。天文活動引起的周期性變化是其中重要的一個方面。

太陽是距離地球最近的恒星，其活動是對地球及人類生產(chǎn)生活最直接的天文活動，通過微波輻射、紅外線、可見光、紫外線以及高能粒子等不同方式源源不斷地向地球輸送能量，為此不同波段的變化勢必會對人類活動產(chǎn)生不同的影響。

從20世紀60年代人類就開始注意到宇宙活動特別是太陽活動對人類的健康有重要影響，文[1－2]初步探討了人體健康情況和地磁活動參數(shù)之間的關(guān)系，這是人類最早從一個系統(tǒng)的領(lǐng)域高度注意到空間災(zāi)害性天氣對人類生產(chǎn)生活的影響。通過多種數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)比對，特別是前蘇聯(lián)科學界和美國科學院的工作，通過多年積累的太陽活動數(shù)據(jù)與各種疾病發(fā)病之間的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在太陽活動能夠影響地球磁場時，心腦血管疾病的發(fā)病率明顯地呈現(xiàn)極強的正相關(guān)性，典型的有急性腦卒中、急性心梗等[3－6]。

心血管疾病特別是心腦血管梗塞性疾病是全球范圍內(nèi)致死和致殘的主要疾病之一，急性心梗的流行病學顯示，在歐美10萬人大概有400人發(fā)生急性心梗，在美國大概每年有90萬人發(fā)生急性心梗。世界衛(wèi)生組織報告1986－1988年35個國家每10萬人急性心肌梗塞年死亡率以瑞典、愛爾蘭、挪威、芬蘭、英國最高，男性分別為253.4、236.2、234.7、230.0、229.2，女性分別為154.7、143.6、144.6、148.0、171.3，中國由于資料不全，排在末位。

目前國際科學界基本上達成共識，由于太陽活動帶來的耀斑－日冕物質(zhì)拋射造成日地環(huán)境變化進而產(chǎn)生的地磁場變化是引起人體健康惡化的主要因素[7]。太陽活動－地磁活動－人體健康之間的關(guān)系如圖1～2。文[8]作者2012年也發(fā)表文章總結(jié)地磁活動對人體各種生理指標帶來的影響。

圖1 太陽活動－地球磁場－人體健康之間的關(guān)系圖Fig.1 A diagram showing the relationships between the solar magnetic field，the geomagnetic field，and human health conditions

圖2 地磁暴－人體健康之間的關(guān)系圖Fig.2 A diagram showing the relationships between geomagnetic storms and some human heart diseases

文[9]根據(jù)多個太陽活動周期總結(jié)出ST段抬高急性綜合癥(ST-segment elevation acute coronary syndromes)以及非ST段急性綜合癥(non-ST-segment elevation acute coronary syndromes)的月發(fā)病率均與日冕物質(zhì)拋射和耀斑有極強的正相關(guān)性，最大可達0.86(表1)。

從上述研究可知通過獲得太陽活動數(shù)據(jù)預測日冕物質(zhì)拋射的發(fā)生和其影響地球環(huán)境的時間，可以用于預警研究。獲取太陽活動并進行預測的最佳方法就是進行天文觀測，通過觀測數(shù)據(jù)推知日地空間的環(huán)境變化，通過不同的手段可以獲得甚至預知地球磁場的未來變化情況。

表1 CME-Flare與冠心病發(fā)病率之間的相關(guān)聯(lián)系Table 1 Coefficients of correlations between occurrences of solar CMEs/flares and those of coronary heart diseases

太陽耀斑是劇烈的日冕活動現(xiàn)象。一次大的太陽耀斑釋放的能量可達3×1025焦，其中2/3用在使大量等離子體拋出太陽所需的動能，一部分用于產(chǎn)生高能粒子，另一部分分布在X射線到千米波的廣闊譜段上。太陽耀斑能導致空間電磁環(huán)境變化及地磁擾動，耀斑爆發(fā)后，強紫外輻射能使低電離層電離度增加。耀斑爆發(fā)的高能粒子到達地球附近會引起磁暴。

日冕物質(zhì)拋射是日冕物質(zhì)在較短時間內(nèi)大規(guī)模拋離太陽，進入行星際空間，并引起太陽風擾動的一種太陽活動現(xiàn)象，也是與空間擾動關(guān)系最密切的太陽事件。在太陽活動峰年每天可發(fā)生3～4次日冕物質(zhì)拋射事件，在太陽活動寧靜年份，平均5天發(fā)生1次。

監(jiān)測太陽活動將成為預防心血管疾病的一種有力的預警途徑，這需要從太陽活動－空間天氣－人體健康這個更深層次的層面從源頭探究其內(nèi)在的聯(lián)系。

1 目前測量方法及效果

目前國際上普遍通過觀測宇宙線流量的福布希下降現(xiàn)象(cosmic ray Forbush Decrease)推測日冕物質(zhì)拋射到達的時間。根據(jù)天體物理研究表明福布希下降是由于太陽活動中巨型耀斑將日冕物質(zhì)拋射到日地空間對宇宙線進行遮擋而造成的流量下降，通過觀測宇宙線的福布希下降可以獲知日地空間中等離子體密度的變化[10－11]，如圖3。

圖3 太陽爆發(fā)拋射物與福布希下降的關(guān)系Fig.3 Diagrams showing the relationship between a solar CME event and a Forbush-Decrease phenomenon

多國科學家已利用美國航空航天局地磁監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)疾病數(shù)據(jù)獲得太陽活動引起的地磁爆發(fā)與人體健康的關(guān)系，文[12]通過宇宙線的福布希下降獲得了地球磁場變化與心梗、腦卒中之間的時間關(guān)系圖和強度關(guān)系圖如圖4。

圖4 心梗、腦卒中發(fā)病率與不同地磁活動強度之間的增長關(guān)系Fig.4 Relations between geomagnetic-storm levels and morbidities of Myocardial-Infarction(MI)and brain-stroke diseases

福布希下降發(fā)生時間與心腦血管疾病發(fā)病率變化發(fā)生時間之間的關(guān)系圖見圖5，由圖5可以看出，由于福布希下降后發(fā)病率增長數(shù)最大，同時地磁活動的強度與心腦血管疾病發(fā)病率呈正比例變化，并且在福布希下降當天和后一天幾種心腦血管疾病發(fā)病率均發(fā)生猛增現(xiàn)象。這可以很好地解釋地磁活動對人體有非常重要的影響。

文[13]通過對多個太陽活動峰年進行研究得出福布希下降當天腦梗發(fā)病率有較強的增長。他們發(fā)現(xiàn)在福布希下降當天心梗和腦卒中的發(fā)病率均出現(xiàn)上升趨勢，并且在福布希下降的前一天后一天均沒有規(guī)則性的變化。

目前通過多項研究均證實基于觀測福布希下降現(xiàn)象推測地磁活動變化的預警時間約12～15 h，換句話說，在觀測到福布希下降現(xiàn)象后12～15 h將有心梗、腦卒中發(fā)病率猛增的情況。

但福布希下降現(xiàn)象出現(xiàn)到地磁暴發(fā)生之間的時間非常短，預警時間不足，這樣會給疾病的預防帶來相當大的難度。利用地磁數(shù)據(jù)普遍存在滯后性，無法達到預警的目的。

圖5 福布希下降發(fā)生時間與心腦血管疾病發(fā)病率變化發(fā)生時間之間的關(guān)系圖Fig.5 Data showing increasing morbidities of MI and brain-stroke diseases during a Forbush-Decrease phase

2 射電測量的優(yōu)勢探討

射電天文觀測特別是低頻射電天文觀測具有光學、高能天文觀測不可比擬的優(yōu)勢。首先射電天文觀測具有全天候觀測的特點，不受刮風、下雨、陰天等自然環(huán)境影響，另外采用射電方法可探測太陽活動的作用距離遠遠大于其他探測方式(圖6)。

圖6 不同探測方法可探測的距離不同F(xiàn)ig.6 A diagram showing different detectable distance ranges of the solar-terrestrial space if observed with different methods

太陽活動在低頻無線電上的觀測數(shù)據(jù)反映了太陽活動等離子體拋射物在日地空間傳播過程中重要的物理特性。日冕物質(zhì)拋射中等離子體發(fā)射頻率與等離子體密度之間有如下對應(yīng)關(guān)系[14]:

式中，Ne為等離子體密度；qe為等離子體單個離子的帶電荷數(shù)；me為等離子體單個離子的質(zhì)量。隨著等離子體從太陽拋射出來，其密度隨著遠離太陽的距離而降低，不同太陽高度對應(yīng)等離子密度符合下面經(jīng)典公式:

式中，z(R)＝R⊕/R；α1＝0.001 272；a2＝4.803 9；a3＝0.296 96；a4＝－7.174 3；a5＝12.321。參數(shù)Ne0為太陽表面的等離子體密度數(shù)；R⊕為太陽半徑；R為等離子體離開太陽的距離。隨著日冕物質(zhì)拋射遠離太陽，其發(fā)射的無線電頻率也在隨之降低，為此太陽物理界一致認為地基太陽射電望遠鏡所能觀測的無線電爆發(fā)頻率越低，日冕物質(zhì)拋射離我們越近。目前由于地球電離層阻擋，地基射電望遠鏡只能觀測到15 MHz頻率以上的射電天文信號，約兩到三個太陽半徑高度。如圖7。

圖7 不同的微波爆發(fā)頻率對應(yīng)于不同的等離子體拋射高度Fig.7 Different maximum altitudes(measured from the solar surface)of CMEs of solar radio bursts at different radio frequencies

根據(jù)電磁波與等離子體在自由空間中的速度關(guān)系，電磁波是按照光速傳播的，而等離子體是按照大大小于光速的速度傳播的(約300 km/h～1 000 km/h)(圖8)，總是先探測到低頻電磁波的異動，兩到三天以后等離子體物質(zhì)才能到達地球引起地球的地磁爆發(fā)。理論上來說，利用低頻射電探測能夠增加預警時間。

圖8 太陽活動中低頻電磁輻射－福布希下降之間的關(guān)系Fig.8 A diagram illustrating the relationship between a solar low-frequency radio burst and a Forbush-Decrease event

基于這樣的理念，為采用低頻太陽觀測數(shù)據(jù)來推測地磁暴時間進而對人體相關(guān)疾病進行預防提供了很好的思路。

文[15]通過比對太陽活動多種指標參數(shù)，包括2 800 MHz太陽活動流量、太陽耀斑數(shù)、太陽黑子相對數(shù)與冠心病、腦卒中之間關(guān)系，其中2 800 MHz太陽活動流量變化與兩種疾病發(fā)病率呈極強的正相關(guān)性(相關(guān)度達到0.618和0.591)(表2)。

文[16]研究了太陽質(zhì)子數(shù)流量、2 800 MHz波段流量與心梗、腦卒中之間的關(guān)系，得出2800MHz太陽活動流量變化與多種疾病的正相關(guān)性。

通過前人的多項研究均表明，心腦血管疾病與太陽低頻微波活動有著深刻的相關(guān)度。這是與太陽微波觀測數(shù)據(jù)所代表的物理意義以及在空間天氣中的重要作用密切相關(guān)的。

但是2 800 MHz太陽微波流量的觀測是國際重要的單頻點觀測，各國科學家已經(jīng)利用該波段數(shù)據(jù)獲得不少有意義的成果。但是目前尚未擴展到對空間天氣有更重要影響的米波－十米波波段，這和曾經(jīng)的太陽射電布局有關(guān)。

目前中國科學院云南天文臺在低頻微波太陽活動觀測方面在全國遙遙領(lǐng)先，擁有覆蓋分米波－米波－十米波的全部觀測設(shè)備(圖9～10)。

從2012年8月開始，云南天文臺射電天文研究組與昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院進行了探討。相關(guān)研究人員認為是否可以通過直接在射電波段觀測得到日冕物質(zhì)拋射特征信號——米波－十米波II、III型爆來作為預警信號?根據(jù)日冕物質(zhì)拋射的傳播速度和日冕物質(zhì)拋射特征信號到達時間的關(guān)系，可以獲得30 h以上的預警時間，這樣可以增加人類對抗空間天氣的能力。

表2 冠心病、腦卒中與太陽地磁活動因子之間的聯(lián)系Table 2 Coefficients of the correlations between indices of solar/terrestrial magnetic activities and occurrences of MI/brain-stroke diseases

圖9 10 m太陽射電望遠鏡(625～1 500 MHz)鳳凰山本部Fig.9 The 10m solar radio telescope(for 625MHz－1500MHz) of the Yunnan Observatories at the Phoenix Mountain，Kunming(102°.79 N，25°.02 E)

3 相關(guān)太陽活動事件分析

2012年底昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院聯(lián)合云南天文臺通過對2012年1～6月射電太陽觀測數(shù)據(jù)－阻塞性心腦血管疾病發(fā)病率數(shù)據(jù)進行了分析，分析結(jié)果如下:

(1)云南天文臺及日本野邊山太陽觀測臺于2012年3月5日到7日連續(xù)監(jiān)測到多次太陽活動，其中3月5日為明顯的低頻強射電活動(其余活動頻率偏高)，以5日數(shù)據(jù)作為考察對象和計算起點。

(2)云南天文臺及日本野邊山太陽觀測臺于2012年3月5日到7日連續(xù)監(jiān)測到多次太陽活動，其中3月5日為明顯的低頻強射電活動(且?guī)в袠O強的偏振性)，以5日數(shù)據(jù)作為考察對象和計算起點。

昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院統(tǒng)計3月5日后連續(xù)10日心梗及腦梗的數(shù)據(jù)如圖11，不考慮爆發(fā)當日數(shù)據(jù)(認為爆發(fā)當日還沒有太陽活動影響)。

2012年5月9日和5月11日云南天文臺在低頻上觀測到兩次連續(xù)III型低頻太陽射電暴。

5月10日昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院的心梗、腦梗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖12。

從回溯2012年上半年的數(shù)據(jù)可以看出，預想基本上合理，在低頻活動后2～3 d(48～72 d)內(nèi)阻塞性心腦血管疾病的發(fā)病率有明顯的上升趨勢。

圖10 11 m太陽射電望遠鏡(70～700 MHz)澄江撫仙湖Fig.10 The 11m solar radio telescope(for 70MHz－700MHz) located in the Fuxian-Lake Solar-Observation Station of the Yunnan Observatories

觀測日期爆發(fā)時間爆發(fā)類型05/0907∶30－8∶00III型暴05/1103∶20－03∶40III型暴

圖11 爆發(fā)后連續(xù)10 d心梗＋腦梗發(fā)病總數(shù)情況Fig.11 Variations of daily numbers of MI and brain-stroke patients treated in the First Affiliated Hospital of the Kunming Medical University within 10 days following a solar-burst event in March 5，2012

圖12 爆發(fā)后連續(xù)7 d心梗＋腦梗發(fā)病總數(shù)情況Fig.12 Variations of daily numbers of MI and brain-stroke patients treated in the First Affiliated Hospital of the Kunming Medical University within 7 days following a solar-burst event in May 9，2012

4 總結(jié)及展望

通過云南天文臺與昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院的聯(lián)合數(shù)據(jù)分析，可以預見通過低頻射電手段觀測日冕物質(zhì)拋射和大型的太陽活動耀斑可以對心腦血管疾病進行預警，而低頻的射電觀測是一種非常有力的手段，較之傳統(tǒng)的基于宇宙線觀測手段，低頻射電觀測可以提高有效預警時間，在這段有限的預警時間里藥物干預治療將變得更加有效。

下一步昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院將聯(lián)合云南天文臺繼續(xù)分析地磁活動作用于人體的原理，特別是多種疾病的致病機理，同時開展在預警時間內(nèi)的藥物控制及預防作用。相信通過研究能進一步認識宇宙－人體之間內(nèi)在的密切聯(lián)系，提高應(yīng)對空間災(zāi)害性天氣的能力。

[1] Friedman H，Becker R O.Geomagnetic parameters and psychiatric hospital admissions[J]. Nature，1963，200(4907):626－628.

[2] Friedman H，Becker R O.Psychiatric ward behavior and geophysical parameters[J].Nature，1963，203:1050－1052.

[3] Stoupel E，Abramson E，Sulkes J，et al.Relationship between suicide and myocardial infarction with regardtochangingphysicalenvironmentalconditions[J].InternationalJournalof Biometeorology，1995，38(4):199－203.

[4] Gavryuseva E，Kroussanova N，Simonello R.Human state in connection with helio and geospheric perturbations[C]//Proceedings of“SOLSPA:the Second Solar Cycle and Space Weather Euro conference”，Vico Equense，Italy，24-29 September 2001(ESA SP-477，F(xiàn)ebruary 2002)，2002:543－546.

[5] Chernouss S，Vinogradov A，Vlassova E.Geophysical hazard for human health in the circumpolar Auroral Belt:evidence of a relationship between heart rate variation and electromagnetic disturbances[J].Natural Hazards，2001，23(2-3):121－135.

[6] Chibisov S M，Breus T K，Illarionova T S.Morphological and functional state of the heart during magnetic storm[J].Bulletin of Experimental Biology and Medicine，2001，132(6):1150－1153.

[7] Ptitsyna N G，Villoresi G，Dorman L I，et al.Natural and man-made low-frequency magnetic fields as a potential health hazard[J].Physics-Uspekhi，1998，41(7):687－709.

[8] Vencloviene J，Babarskiene R，Slapikas R，et al.The association between phenomena on the Sun，geomagnetic activity，meteorological variables，and cardiovascular characteristic of patients with myocardial infarction[J].International Journey of Biometeorology，2013，57:797－804.

[9] Katsavrias C，Preka-Papadema P，Moussas X，et al.Helio-geomagnetic influence in cardiological cases[J].Advances in Space Research，2013，51(1):96－106.

[10] Chertok I M，Belo A V，Grechnev V V.Dependence of Forbush-decrease magnitudes on parameters of solar eruptions[J].Bulletin of the Russian Academy of Sciences:Physics，2011，75(6): 796－798.

[11] Cane H V.Coronal mass ejections and forbush decreases[J].Space Science Reviews，2000，93:55－77.

[12] Dorman L I，Iucci N，Ptitsyna N G，et al.Cosmic rays as indicator of space weather influence on frequency of infarct myocardial，brain strokes，car and train accidents[C]//Proceedings of the 27thInternational Cosmic Ray Conference，07-15 August 2001，Hamburg，Germany，2001，9:3511－3514.

[13] Corne’lissena G，Halberg F，Breus T，et al.Non-photic solar associations of heart rate variability and myocardial infarction[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2002，64 (5-6):707－720.

[14] 趙仁揚.太陽射電微波爆發(fā)[M].北京:科學出版社，1997.

[15] 曾治權(quán)，王明遠，夏國輝，等.北京地區(qū)冠心病和腦卒中發(fā)病與太陽、地磁活動關(guān)系的探討[J].地理研究，1995，14(3):88－96.

Zeng Zhiquan，Wang Mingyuan，Xia Guohui，et al.An investigation on the association between incidence of coronary heart disease and stroke and solar and geomagnetic activities[J]. Geographical Research，1995，14(3):88－96.

[16] Stoupel E，Abramson J，Domarkiene S，et al.Space proton flux and the temporal distribution of cardiovascular deaths[J].International Journal of Biometeorology，1997，40:113－116.

On the Role of Observation of Solar Low-Frequency Radio Bursts in Hazardous Space Weather in the Early Warning of Cardiovascular Cerebrovascular Events

Li Xuesong1，Zhang Huanbo1，Yang Long1，Dong Liang2，3，Wang Min2，3，Lin Jun2，3，Yu Zhuo1，Wu Hui1
(1.First Affiliated Hospital of the Kunming Medical University，Kunming 650032，China，Email:xuesong＿li99＠163.com；2.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China；3.Joint Laboratory of Information Technologies of the Yunnan University and Yunnan Observatories，Kunming 650001，China)

Solar activities are the astronomical factors most directly influencing the earth and human conditions，e.g.in aerospace activities，communications，power supplies，and human health.There have been some past studies showing positive correlations between occurrences of some human diseases and solar activities evident through non-optical radiations，such as CMEs.The correlations may be closely linked to influences of solar low-frequency radio activities in the solar-terrestrial space.In this paper we present a study of statistical correlations between solar radio data and occurrences of cardiovascular/cerebrovascular events.The solar data are in the frequency range 70MHz-1500MHz and were obtained by the 40m solar radio telescope of the Yunnan Observatories in the first six months of 2012.The cardiovascular/cerebrovascular events were those treated in the First Affiliated Hospital of the Kunming Medical University in the same time period.We have found that human-health conditions start to change on days that are statistically delayed from solar bursts by a period.The time delay implies that a more effective early-warning time for cardiovascular/cerebrovascular events can be derived from solar low-frequency radio observations，as compared to using existing methods based on observing Forbush Decreases.The early-warning time according to our study is 2 to 3 days earlier than that given by an existing method.Our study thus provides the basis for establishing early-warning systems forecasting human health conditions from unusual space activities observed in the low-frequency radio domain.

Solar low-frequency radio burst；Cardiovascular/cerebrovascular events；Space weather

P163；R54

A

1672－7673(2014)02－0201－08

2013－10－08，

2013－10－30

李雪松，男，副主任藥劑師.研究方向:臨床藥學.Email:xuesong＿li99＠163.com