论在空间灾害性天气条件下低频太阳射电观测在预警心脑血管事件中的作用

李雪松，张寰波，杨龙，董亮，汪敏，林隽，喻卓，吴晖

(1.昆明医科大学第一附属医院，云南 昆明 650000；2.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；3.云南大学－云南天文台信息技术联合实验室，云南 昆明 650001)

论在空间灾害性天气条件下低频太阳射电观测在预警心脑血管事件中的作用

李雪松1，张寰波1，杨龙1，董亮2，3，汪敏2，3，林隽2，3，喻卓1，吴晖1

(1.昆明医科大学第一附属医院，云南 昆明 650000；2.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；3.云南大学－云南天文台信息技术联合实验室，云南 昆明 650001)

太阳活动是对地球及人类生活影响最直接的天文活动，在航空航天、通信、电力以及人体健康方面影响着人类的生产生活。通过以往的一些研究结果分析非光学(non-optical)范畴的太阳活动例如日冕物质抛射、太阳射电爆发与某些人类疾病呈正相关性，这与低频太阳活动对日地空间的影响有密切联系。采用云南天文台2012年上半年70 MHz～1 500 MHz波段观测数据与昆明医科大学第一附属医院心脑血管病例结合进行相关分析，得到利用低频太阳活动爆发对人体影响预警的时间延迟因子(与等离子体抛射物质到达地球有关)。通过研究证明利用直接太阳低频射电观测数据能够较之于之前国际上利用宇宙线的福布希下降进行的空间天气预警提前2～3 d，有效地提高了预警效果，为下一步基于低频空间异动观测数据现报——健康实时预警系统的建立打下了工作基础。

低频太阳爆发；心脑血管事件；空间天气

CN53－1189/P ISSN1672－7673

80年前科学界和医学界就开始了关于人体韵律甚至时钟生物学(Chronobiology)的研究，多数学者认为气候、季节、天文现象以及多种自然因素的周期性变化，甚至一周的工作时间和休假时间的周期性出现，都会对人体健康产生重要的影响。天文活动引起的周期性变化是其中重要的一个方面。

太阳是距离地球最近的恒星，其活动是对地球及人类生产生活最直接的天文活动，通过微波辐射、红外线、可见光、紫外线以及高能粒子等不同方式源源不断地向地球输送能量，为此不同波段的变化势必会对人类活动产生不同的影响。

从20世纪60年代人类就开始注意到宇宙活动特别是太阳活动对人类的健康有重要影响，文[1－2]初步探讨了人体健康情况和地磁活动参数之间的关系，这是人类最早从一个系统的领域高度注意到空间灾害性天气对人类生产生活的影响。通过多种数据关联比对，特别是前苏联科学界和美国科学院的工作，通过多年积累的太阳活动数据与各种疾病发病之间的统计，发现在太阳活动能够影响地球磁场时，心脑血管疾病的发病率明显地呈现极强的正相关性，典型的有急性脑卒中、急性心梗等[3－6]。

心血管疾病特别是心脑血管梗塞性疾病是全球范围内致死和致残的主要疾病之一，急性心梗的流行病学显示，在欧美10万人大概有400人发生急性心梗，在美国大概每年有90万人发生急性心梗。世界卫生组织报告1986－1988年35个国家每10万人急性心肌梗塞年死亡率以瑞典、爱尔兰、挪威、芬兰、英国最高，男性分别为253.4、236.2、234.7、230.0、229.2，女性分别为154.7、143.6、144.6、148.0、171.3，中国由于资料不全，排在末位。

目前国际科学界基本上达成共识，由于太阳活动带来的耀斑－日冕物质抛射造成日地环境变化进而产生的地磁场变化是引起人体健康恶化的主要因素[7]。太阳活动－地磁活动－人体健康之间的关系如图1～2。文[8]作者2012年也发表文章总结地磁活动对人体各种生理指标带来的影响。

图1 太阳活动－地球磁场－人体健康之间的关系图Fig.1 A diagram showing the relationships between the solar magnetic field，the geomagnetic field，and human health conditions

图2 地磁暴－人体健康之间的关系图Fig.2 A diagram showing the relationships between geomagnetic storms and some human heart diseases

文[9]根据多个太阳活动周期总结出ST段抬高急性综合症(ST-segment elevation acute coronary syndromes)以及非ST段急性综合症(non-ST-segment elevation acute coronary syndromes)的月发病率均与日冕物质抛射和耀斑有极强的正相关性，最大可达0.86(表1)。

从上述研究可知通过获得太阳活动数据预测日冕物质抛射的发生和其影响地球环境的时间，可以用于预警研究。获取太阳活动并进行预测的最佳方法就是进行天文观测，通过观测数据推知日地空间的环境变化，通过不同的手段可以获得甚至预知地球磁场的未来变化情况。

表1 CME-Flare与冠心病发病率之间的相关联系Table 1 Coefficients of correlations between occurrences of solar CMEs/flares and those of coronary heart diseases

太阳耀斑是剧烈的日冕活动现象。一次大的太阳耀斑释放的能量可达3×1025焦，其中2/3用在使大量等离子体抛出太阳所需的动能，一部分用于产生高能粒子，另一部分分布在X射线到千米波的广阔谱段上。太阳耀斑能导致空间电磁环境变化及地磁扰动，耀斑爆发后，强紫外辐射能使低电离层电离度增加。耀斑爆发的高能粒子到达地球附近会引起磁暴。

日冕物质抛射是日冕物质在较短时间内大规模抛离太阳，进入行星际空间，并引起太阳风扰动的一种太阳活动现象，也是与空间扰动关系最密切的太阳事件。在太阳活动峰年每天可发生3～4次日冕物质抛射事件，在太阳活动宁静年份，平均5天发生1次。

监测太阳活动将成为预防心血管疾病的一种有力的预警途径，这需要从太阳活动－空间天气－人体健康这个更深层次的层面从源头探究其内在的联系。

1 目前测量方法及效果

目前国际上普遍通过观测宇宙线流量的福布希下降现象(cosmic ray Forbush Decrease)推测日冕物质抛射到达的时间。根据天体物理研究表明福布希下降是由于太阳活动中巨型耀斑将日冕物质抛射到日地空间对宇宙线进行遮挡而造成的流量下降，通过观测宇宙线的福布希下降可以获知日地空间中等离子体密度的变化[10－11]，如图3。

图3 太阳爆发抛射物与福布希下降的关系Fig.3 Diagrams showing the relationship between a solar CME event and a Forbush-Decrease phenomenon

多国科学家已利用美国航空航天局地磁监测数据结合相关疾病数据获得太阳活动引起的地磁爆发与人体健康的关系，文[12]通过宇宙线的福布希下降获得了地球磁场变化与心梗、脑卒中之间的时间关系图和强度关系图如图4。

图4 心梗、脑卒中发病率与不同地磁活动强度之间的增长关系Fig.4 Relations between geomagnetic-storm levels and morbidities of Myocardial-Infarction(MI)and brain-stroke diseases

福布希下降发生时间与心脑血管疾病发病率变化发生时间之间的关系图见图5，由图5可以看出，由于福布希下降后发病率增长数最大，同时地磁活动的强度与心脑血管疾病发病率呈正比例变化，并且在福布希下降当天和后一天几种心脑血管疾病发病率均发生猛增现象。这可以很好地解释地磁活动对人体有非常重要的影响。

文[13]通过对多个太阳活动峰年进行研究得出福布希下降当天脑梗发病率有较强的增长。他们发现在福布希下降当天心梗和脑卒中的发病率均出现上升趋势，并且在福布希下降的前一天后一天均没有规则性的变化。

目前通过多项研究均证实基于观测福布希下降现象推测地磁活动变化的预警时间约12～15 h，换句话说，在观测到福布希下降现象后12～15 h将有心梗、脑卒中发病率猛增的情况。

但福布希下降现象出现到地磁暴发生之间的时间非常短，预警时间不足，这样会给疾病的预防带来相当大的难度。利用地磁数据普遍存在滞后性，无法达到预警的目的。

图5 福布希下降发生时间与心脑血管疾病发病率变化发生时间之间的关系图Fig.5 Data showing increasing morbidities of MI and brain-stroke diseases during a Forbush-Decrease phase

2 射电测量的优势探讨

射电天文观测特别是低频射电天文观测具有光学、高能天文观测不可比拟的优势。首先射电天文观测具有全天候观测的特点，不受刮风、下雨、阴天等自然环境影响，另外采用射电方法可探测太阳活动的作用距离远远大于其他探测方式(图6)。

图6 不同探测方法可探测的距离不同Fig.6 A diagram showing different detectable distance ranges of the solar-terrestrial space if observed with different methods

太阳活动在低频无线电上的观测数据反映了太阳活动等离子体抛射物在日地空间传播过程中重要的物理特性。日冕物质抛射中等离子体发射频率与等离子体密度之间有如下对应关系[14]:

式中，Ne为等离子体密度；qe为等离子体单个离子的带电荷数；me为等离子体单个离子的质量。随着等离子体从太阳抛射出来，其密度随着远离太阳的距离而降低，不同太阳高度对应等离子密度符合下面经典公式:

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。参数Ne0为太阳表面的等离子体密度数；R⊕为太阳半径；R为等离子体离开太阳的距离。随着日冕物质抛射远离太阳，其发射的无线电频率也在随之降低，为此太阳物理界一致认为地基太阳射电望远镜所能观测的无线电爆发频率越低，日冕物质抛射离我们越近。目前由于地球电离层阻挡，地基射电望远镜只能观测到15 MHz频率以上的射电天文信号，约两到三个太阳半径高度。如图7。

图7 不同的微波爆发频率对应于不同的等离子体抛射高度Fig.7 Different maximum altitudes(measured from the solar surface)of CMEs of solar radio bursts at different radio frequencies

根据电磁波与等离子体在自由空间中的速度关系，电磁波是按照光速传播的，而等离子体是按照大大小于光速的速度传播的(约300 km/h～1 000 km/h)(图8)，总是先探测到低频电磁波的异动，两到三天以后等离子体物质才能到达地球引起地球的地磁爆发。理论上来说，利用低频射电探测能够增加预警时间。

图8 太阳活动中低频电磁辐射－福布希下降之间的关系Fig.8 A diagram illustrating the relationship between a solar low-frequency radio burst and a Forbush-Decrease event

基于这样的理念，为采用低频太阳观测数据来推测地磁暴时间进而对人体相关疾病进行预防提供了很好的思路。

文[15]通过比对太阳活动多种指标参数，包括2 800 MHz太阳活动流量、太阳耀斑数、太阳黑子相对数与冠心病、脑卒中之间关系，其中2 800 MHz太阳活动流量变化与两种疾病发病率呈极强的正相关性(相关度达到0.618和0.591)(表2)。

文[16]研究了太阳质子数流量、2 800 MHz波段流量与心梗、脑卒中之间的关系，得出2800MHz太阳活动流量变化与多种疾病的正相关性。

通过前人的多项研究均表明，心脑血管疾病与太阳低频微波活动有着深刻的相关度。这是与太阳微波观测数据所代表的物理意义以及在空间天气中的重要作用密切相关的。

但是2 800 MHz太阳微波流量的观测是国际重要的单频点观测，各国科学家已经利用该波段数据获得不少有意义的成果。但是目前尚未扩展到对空间天气有更重要影响的米波－十米波波段，这和曾经的太阳射电布局有关。

目前中国科学院云南天文台在低频微波太阳活动观测方面在全国遥遥领先，拥有覆盖分米波－米波－十米波的全部观测设备(图9～10)。

从2012年8月开始，云南天文台射电天文研究组与昆明医科大学第一附属医院进行了探讨。相关研究人员认为是否可以通过直接在射电波段观测得到日冕物质抛射特征信号——米波－十米波II、III型爆来作为预警信号?根据日冕物质抛射的传播速度和日冕物质抛射特征信号到达时间的关系，可以获得30 h以上的预警时间，这样可以增加人类对抗空间天气的能力。

表2 冠心病、脑卒中与太阳地磁活动因子之间的联系Table 2 Coefficients of the correlations between indices of solar/terrestrial magnetic activities and occurrences of MI/brain-stroke diseases

图9 10 m太阳射电望远镜(625～1 500 MHz)凤凰山本部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 相关太阳活动事件分析

2012年底昆明医科大学第一附属医院联合云南天文台通过对2012年1～6月射电太阳观测数据－阻塞性心脑血管疾病发病率数据进行了分析，分析结果如下:

(1)云南天文台及日本野边山太阳观测台于2012年3月5日到7日连续监测到多次太阳活动，其中3月5日为明显的低频强射电活动(其余活动频率偏高)，以5日数据作为考察对象和计算起点。

(2)云南天文台及日本野边山太阳观测台于2012年3月5日到7日连续监测到多次太阳活动，其中3月5日为明显的低频强射电活动(且带有极强的偏振性)，以5日数据作为考察对象和计算起点。

昆明医科大学第一附属医院统计3月5日后连续10日心梗及脑梗的数据如图11，不考虑爆发当日数据(认为爆发当日还没有太阳活动影响)。

2012年5月9日和5月11日云南天文台在低频上观测到两次连续III型低频太阳射电暴。

5月10日昆明医科大学第一附属医院的心梗、脑梗的统计数据如图12。

从回溯2012年上半年的数据可以看出，预想基本上合理，在低频活动后2～3 d(48～72 d)内阻塞性心脑血管疾病的发病率有明显的上升趋势。

图10 11 m太阳射电望远镜(70～700 MHz)澄江抚仙湖Fig.10 The 11m solar radio telescope(for 70MHz－700MHz) located in the Fuxian-Lake Solar-Observation Station of the Yunnan Observatories

观测日期爆发时间爆发类型05/0907∶30－8∶00III型暴05/1103∶20－03∶40III型暴

图11 爆发后连续10 d心梗＋脑梗发病总数情况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

图12 爆发后连续7 d心梗＋脑梗发病总数情况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 总结及展望

通过云南天文台与昆明医科大学第一附属医院的联合数据分析，可以预见通过低频射电手段观测日冕物质抛射和大型的太阳活动耀斑可以对心脑血管疾病进行预警，而低频的射电观测是一种非常有力的手段，较之传统的基于宇宙线观测手段，低频射电观测可以提高有效预警时间，在这段有限的预警时间里药物干预治疗将变得更加有效。

下一步昆明医科大学第一附属医院将联合云南天文台继续分析地磁活动作用于人体的原理，特别是多种疾病的致病机理，同时开展在预警时间内的药物控制及预防作用。相信通过研究能进一步认识宇宙－人体之间内在的密切联系，提高应对空间灾害性天气的能力。

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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，副主任药剂师.研究方向:临床药学.Email:xuesong＿li99＠163.com