Ученые Томского политехнического университета работают над созданием математической модели, которая поможет понять, как частицы копоти и углерода от лесных пожаров воздействуют на дыхательные пути человека. Она будет содержать статистические данные и сценарные модели при взаимодействии таких частиц с живыми тканями. Разработка политехников ляжет в основу медицинской информационной системы мониторинга и прогнозирования последствий лесных пожаров на здоровье населения.
Лесные пожары несут экономический и экологический ущерб, а также наносят вред здоровью человека. Зачастую это происходит не от воздействия на человека открытого огня, а от отравления моноксидом углерода или негативного воздействия на дыхательные пути углеродистых или аэрозольных частиц. При этом, комплексного исследования уровня влияния лесных пожаров на здоровье нет.
Ученые Инженерной школы энергетики Томского политеха разрабатывают математическую модель тепломассопереноса в углеродистых и сажевых частицах малого размера, а также в приповерхностных тканях дыхательных путей человека при воздействии поражающих факторов лесного пожара. Для этого они на основании общей теории тепломассопереноса формулируют новые физические и математические модели теплового взаимодействия в системе «частица-живая ткань человека».
«В основном здоровье населения, в том числе при лесных пожарах, оценивается путем анализа статистических данных, реального мониторинга состояния отдельных людей. Но этого недостаточно для прогнозирования влияния лесных пожаров на здоровье населения. Необходимо фундаментальное исследование, которое позволит совместить как статистические, вероятностные критерии, так и сценарное моделирование с использованием физически обоснованных математических моделей процессов теплопереноса протекающих при контакте частиц и тканей человека. Такой подход обеспечит максимальный охват различных данных об ожидаемых лесных пожарах, основных сценариях их проявления и основных сценариях воздействия на человека, что позволит говорить о его большей точности и содержательности в контексте прогнозирования социального ущерба от лесных пожаров», — отмечает руководитель исследования, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ Николай Барановский.
Математическая модель политехников будет основана на синтетических статистических данных по лесным пожарам, теплофизических свойствах тканей человека, теплофизических и термокинетических свойствах углеродистых частиц, а также характеристиках типичных лесных пожаров.
Математически процессы тепломассопереноса в системе будут описаны системами уравнений в частных производных параболического типа с соответствующими начальными и граничными условиями. Для их решения будет использовано математическое моделирование. Кроме того, специально для проекта ученые ТПУ разработают вероятностные критерии воздействия эмиссии углеродистых и сажевых частиц от лесных пожаров на здоровье населения с использованием методов математической статистики и теории вероятностей.
«Дело в том, что заранее невозможно точно знать какая лесопожарная обстановка сложится на конкретной территории, какие группы населения окажутся максимально подвержены воздействию поражающих факторов, как будут характеризованы эмиссии углеродистых и сажевых частиц ожидаемых лесных пожаров, какие частицы будут сгенерированы очагом пожара и так далее. Но можно разработать описания некоторого количества наборов параметров, характеризующих такие условия, и просчитать прогнозную информацию для таких сценариев», — добавляет Николай Барановский.
В будущем после апробации математической системы ученые ТПУ планируют привлечь к работе специалистов медицинских учреждений и использовать выборку реальных статистических данных здоровья пациентов. Конечная цель исследования политехников – создание математического аппарата, который ляжет в основу медицинских информационных систем по мониторингу и прогнозированию здоровья при активных лесных пожарах.
Исследование ученых поддержано грантом Российского научного фонда (№ 25-21-00017).
Изображение на обложке: freepik
