Детерминированно-вероятностный подход прогнозирования воздействия выбросов аэрозоля и углеродистых частиц от лесных пожаров на здоровье населения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 25-21-00017

НазваниеДетерминированно-вероятностный подход прогнозирования воздействия выбросов аэрозоля и углеродистых частиц от лесных пожаров на здоровье населения

Руководитель Барановский Николай Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №102 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений

Ключевые слова математическое моделирование, вероятность, лесной пожар, лесной горючий материал, пиролиз, эмиссия, аэрозоль, сажа, население, здоровье

Код ГРНТИ87.25.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Ожидаемые результаты
2025 год 1. Физические модели теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре. 2. Математические модели теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом кожном покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре: одномерная и двумерная 3. Программные реализации математических моделей теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре. на языке программирования высокого уровня 4. Результаты сценарного моделирования процессов теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре с учетом широкого спектра факторов. 2026 год 1. Математические модели теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре: трехмерная. 2. Программные реализации математических моделей теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре на языке программирования высокого уровня 3. Результаты сценарного моделирования процессов теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре с учетом широкого спектра факторов. 4. Вероятностный критерий и результаты сценарного моделирования воздействия углеродистых а аэрозольных частиц на здоровье населения. Значимость для развития новой научной тематики: Реализация настоящего проекта позволит получить результаты, которые создадут фундамент для развития общей физико-математической теории воздействия эмиссии сажевых и аэрозольных частиц на здоровье населения при воздействии лесного пожара с учетом комплекса физических и химических процессов. В последствии разработки могут быть обобщены на пространственный случай области исследования (на примере конкретного региона), а также могут быть разработаны вероятностные критерии для оценки возникновения других травм и поражений населения при активных лесных пожарах.. Такие математические и вероятностные модели могут стать основой нового поколения медицинских информационных систем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Были разработаны физические модели теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей, носоглотки и кожного покрова человека и в относительно малой частице углерода (обугленные углеродистые частицы древесины). Рассматривался кондуктивный теплоперенос в системе “ткань человека-углеродистая частица”. Кроме того, была предложена математическая модель теплопереноса в слоистой структуре “ткань человека” для носоглотки, верхних дыхательных путей и кожного покрова при воздействии излучения от лесного пожара. Была рассмотрена задача о теплопереносе в относительно малой углеродистой частице при ее движении в воздухе при термическом разложении сухого органического вещества. Кроме того, была предложена физическая модель теплопереноса в слоистой структуре верхних дыхательных путей при осаждении слоя сажевых частиц. 2. На основе положений физических моделей были разработаны математические модели теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода при активном лесном пожаре: одномерные и двумерные математические модели. Использованы системы дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с соответствующими начальными и граничными условиями. Уравнения решены с использованием локально-одномерного и конечноразностного методов. Разностные аналоги решены с помощью метода прогонки. Базовый алгоритм выглядит следующим образом. На первом этапе считываются и инициализируются в соответствии с алгоритмом входные данные, необходимые для работы вычислительной процедуры, реализованной на языке программирования высокого уровня. Затем процесс расчета проходит несколько последовательных этапов. Можно выделить три блока. Первый блок отвечает за расчет поля температур в системе “углеродистая частица – ткань”. Поскольку решаемая система уравнений соответствует двумерной постановке, используется локально-одномерный метод решения двумерных уравнений математической физики. Для решения одномерных уравнений использовался метод конечных разностей. Для решения разностных аналогов уравнений в частных производных параболического типа используется метод прогонки. В каждом блоке расчет проводится подобным образом. В прямом ходе инициализируются прогоночные коэффициенты, а в обратном ходе вычисляется температура на следующем временном слое. Следует отметить, что для определения прогоночных коэффициентов на границах раздела сред с разными теплофизическими характеристиками используются граничные условия четвертого рода. Второй блок позволяет рассчитывать геометрию области термического поражения. Для этого используется экспериментальная информация о том, что гибель белка наблюдается при 42 0C. Следующий блок позволяет определить степень термического положения на основе экспериментальных данных, известных в медицине. 3. Программные реализации математических моделей теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей человека и в относительно малой частице углерода или аэрозоля при активном лесном пожаре на языке программирования высокого уровня. Использована среда быстрой разработки приложений Lazarus с возможностью программирования на языке высокого уровня Object Pascal. Разработаны консольные приложения, которые реализуют алгоритмы решения задач о теплопереносе в структурно-неоднородном кожном покрове человека. Будут использованы циклические конструкции, конструкции логического ветвления, массивы, операторы присваивания и безусловного перехода. Будет организован ввод/вывод информации с помощью текстовых файлов данных. 4. Результаты сценарного моделирования процессов теплопереноса в структурно-неоднородном тканевом покрове дыхательных путей, носоглотки и кожного покрова человека и в относительно малой частице углерода. Разработана группа сценариев, которая учитывает структуру и свойства тканевого покрова, влияние лесного пожара, продолжительность и интенсивность экспозиции. Проведен анализ полученных результатов и сформулированы основные выводы, закономерности и рекомендации практического применения полученных результатов. Подкаст Лесные пожары https://music.yandex.ru/album/11287484

Публикации

1. Барановский Н.В. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ РЕГИОНАЛЬНЫХ МЕДИЦИНСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ТЕРРИТОРИЯХ С АКТИВНЫМИ ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ Региональные проблемы, № 1. Том 29. 2026 (год публикации - 2026)

2. Барановский Н.В., Голов Е.Е. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СИСТЕМЕ "СЛОЙ ЧАСТИЦ-ТКАНЬ ЧЕЛОВЕКА" ДЛЯ ХАРАКТЕРНЫХ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ ВЕРХНИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ В ОДНОМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси, Том 10. № 2. май 2026. (год публикации - 2026)

3. Вяткина В.А., Барановский Н.В. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ОДИНОЧНОЙ НАГРЕТОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ ЧАСТИЦЕ С УЧЕТОМ ПРОЦЕССА САЖЕОБРАЗОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЕЕ ФРАГМЕНТАЦИИ В ДВУМЕРНОЙ ПОСТАНОВКЕ XVI Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мони-торингу: Материалы докладов всероссийской конференции с международным участием, 16-20 сентября 2025 г., Томск / Под ред. Е. А. Головацкой. – Томск: Изд-во Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 2025. – 269 с., XVI Сибирское совещание и школа молодых ученых по климато-экологическому мони-торингу: Материалы докладов всероссийской конференции с международным участием, 16-20 сентября 2025 г., Томск / Под ред. Е. А. Головацкой. – Томск: Изд-во Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 2025. – 269 с. (год публикации - 2025)

4. Барановский Н.В., Голов Е.Е. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В ПРИПОВЕРХНОСТНОМ СЛОЕ ВЕРХНИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ПУТЕЙ ПРИ ОСАЖДЕНИИ САЖЕВЫХ ЧАСТИЦ ПРИ АКТИВНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРАХ Аэрозоли Сибири. XXXII Конференция: Тезисы докладов. – Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2025. – 66 с., Аэрозоли Сибири. XXXII Конференция: Тезисы докладов. – Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2025. – 66 с. (год публикации - 2025)

5. Барановский Н.В. ВОПРОСУ О РАЗРАБОТКЕ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ РЕГИОНОВ С АКТИВНЫМИ ЛЕСНЫМИ ПОЖАРАМИ Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов (SDM-2025) [Электронный ресурс]: Сборник трудов X Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти академика Ю.И. Шокина (26-29 августа 2025 г., г. Белокуриха). Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2025. 197 с., Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов (SDM-2025) [Электронный ресурс]: Сборник трудов X Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти академика Ю.И. Шокина (26-29 августа 2025 г., г. Белокуриха). Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2025. 197 с (год публикации - 2025)
10.25743/SDMB.2025.37.25.024

6. Барановский Н.В., Сыева С.О. Моделирование теплопереноса в тканях человека и оценка степени термического поражения при воздействии излучения от лесного пожара Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС 21.07.2025 Бюл. № 8, 21.07.2025 Бюл. № 8 (год публикации - 2025)

7. Барановский Н.В., Томская А.С. Моделирование теплопереноса в тканях человека и их восстановления после воздействия нагретой углеродистой частицы Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС 21.07.2025 Бюл. № 8, 21.07.2025 Бюл. № 8 (год публикации - 2025)

8. Барановский Н.В., Сыева С.О. Моделирование теплопереноса в тканях человека и оценка болевого синдрома при воздействии излучения от лесного пожара Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС 21.07.2025 Бюл. № 8, 21.07.2025 Бюл. № 8 (год публикации - 2025)

9. Барановский Н.В., Томская А.С. Моделирование теплопереноса в тканях человека и оценка степени термического поражения при воздействии нагретой углеродистой частицы Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС 15.07.2025 Бюл. № 7, 15.07.2025 Бюл. № 7 (год публикации - 2025)

10. Барановский Н.В., Вяткина В.А. Расчет параметров сажеобразования при пиролизе и фрагментации нагретой углеродистой частицы Программы для ЭВМ. Базы данных. ТИМС 15.07.2025 Бюл. № 7, 15.07.2025 Бюл. № 7 (год публикации - 2025)

11. Барановский Н.В., Вяткина В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ САЖЕОБРАЗОВАНИЯ И ФРАГМЕНТАЦИИ УГЛЕРОДИСТОЙ ЧАСТИЦЫ ПРИ ЕЕ ВЫНОСЕ ИЗ ФРОНТА ЛЕСНОГО ПОЖАРА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов (SDM-2025) [Электронный ресурс]: Сборник трудов X Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти академика Ю.И. Шокина (26-29 августа 2025 г., г. Белокуриха). Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2025. 197 с., Обработка пространственных данных в задачах мониторинга природных и антропогенных процессов (SDM-2025) [Электронный ресурс]: Сборник трудов X Всероссийской конференции с международным участием, посвященной памяти академика Ю.И. Шокина (26-29 августа 2025 г., г. Белокуриха). Новосибирск: ФИЦ ИВТ, 2025. 197 с. (год публикации - 2025)
10.25743/SDMB.2025.37.25.024