Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, … · 2017. 1. 7. · explored soils to date are the soils of the Darkhat de-pression, marshy meadows and lake-bog complexes

American Scientific Journal

№ 1 (1) / 2016

Vol.2

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, Massachusetts Institute of Tech-

nology, Boston, USA

Assistant Editor - Samanta Brown, Doctor of Physical Sciences, American Institute of Physics,

Maryland, USA

Alfred Merphi - Doctor of Economics, University of Chicago, Chicago, United States

Yen Lee - MD, wellness center «You Kang», Sanya, China

Avital Gurvic - Doctor of Education, University of Haifa, Haifa, Israel

George Perry - Doctor of Chemistry, Columbia College, New York, USA

Isa Wright - Doctor of Sociology, Moraine Valley Community College, Chicago, USA

Jessie Simmons - Doctor of Engineering Sciences, San Diego State University, San Diego, USA

Nelson Flores - Doctor of Philology, Wheelock College, Boston, USA

Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina, Columbia,

United States

Oleg Krivtsov - Doctor of History, National Museum of Natural History, Washington, USA

Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer Systems

and Information Security (ICSiIS), Krasnodar, Russian Federation

Elena Dmitrevna Lapenko - Candidate of Law, Institute of Law, Volgograd, Russian Federation

Aleksandr Ole - Doctor of Biological Chemistry, University of Stavanger, Stavanger, Norway

Emily Wells - Doctor of Psychological Sciences, Coventry University, Coventry, England

Leon Mendes - Doctor of Pharmaceutical Sciences, Universitat de Barcelona, Spain

Martin Lenc - Doctor of Economics, Uni Köln, Germany

Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague, Czech Republic

Vidya Bhatt - Candidate of Medical Science, University of Delhi, New Delhi, India

Agachi Lundzhil - Doctor of Law, The North-West University, Potchefstroom, South Africa

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, Massachusetts Institute of Tech-

nology, Boston, USA

Assistant Editor - Samanta Brown, Doctor of Physical Sciences, American Institute of Physics,

Maryland, USA








Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina, Columbia,

United States


Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer Systems

and Information Security (ICSiIS), Krasnodar, Russian Federation






Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague, Czech Republic



Layout man: Mark O'Donovan

Layout: Catherine Johnson

Address: 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

Web-site: http://american-science.com

Е-mail: [email protected]

Copies: 1000 copies.

Printed in 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

http://american-science.com/

mailto:[email protected]

CONTENTS

LIFE SCIENCES

AGRICULTURAL AND BIOLOGICAL SCIENCES. Belozertseva Irina Aleksandrovna DEGRADATION OF SOIL AND USE OF THE

GROUNDS IN FRONTIER TERRITORY OF

MONGOLIA AND RUSSIA ....................................... 5

Турманидзе В.Г., Воробьева Т.Г., Турманидзе А.В. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

АДАПТИВНЫХ ПРОЦЕССОВ У

СПОРТСМЕНОВ-БАДМИНТОНИСТОВ ............. 15

Chirgin E. D. ECONOMIC AND BIOLOGICAL FEATURES

MARES-RECORDIST RUSSIAN HEAVY DRAFT

BREED ...................................................................... 19

ENVIRONMENTAL SCIENCE. Vykhodtсev A., Voitik N., Akhmedova I. MACRO-REGIONAL SYSTEM DEVELOPMENT

OF YUGRA CITIES.................................................. 22

Erland G. Kolomyts EFFECT OF GEOTHERMAL ENERGY ON FOREST

FORMATION IN INSULAR VOLCANIC

LANDSCAPES ......................................................... 25

Leonov Valeriy Ye., D. Sc., RESEARCH AND DEVELOPMENT EFFECTIVE

METHODS OF CLEANING AND DISINFECTION

OF BALLAST WATER ............................................ 44

Polyakova E.V. Myrtseva E.A. SOME FEATURES OF CHEMICAL COMPOSITION

OF THE GROUNDWATER IN THE NORTHERN

PART OF THE RUSSIAN PLATE ........................... 51

MEDICAL SCIENCES

MEDICINE AND DENTISTRY. Andrey Borisovich Bondarev THE INTRAGASTRIC STENT IN BARIATRIC

SURGERY................................................................. 56

Dashchuk A.M., Pustovaya N.A., Dobrzhanskaya Ye.I. Pochernina V.V. COMPLEX THERAPY OF PEOPLE WITH

PSORIASIS USING PHOTOTHERAPY. ................. 59

Lemark Klyukin, Valerian Ermakov , Mary Rudenko ТHE PRACTICE OF EARLY AND NONINVASIVE

DIAGNOSIS OF A NUMBER OF NOSOLOGY IN

THE HUMAN BODY BY UNIT DOT. .................... 62

Alena Yurevna Markina SOCIAL ORPHANHOOD AS A CONSEQUENCE

OF FAMILY CRISIS AND AS A CAUSE OF

DEPOPULATION ..................................................... 70

Minina Elena Evgenevna Medvedeva Larisa Valentinovna Zhakov Yaroslav Igorevich CYTO-IMMUNOLOGICAL FEATURES OF

INDUCED SPUTUM IN CHILDREN WITH MILD

INTERMITTENT ASTHMA..................................... 73

Pavlov V P , Khrennikov J B, Ivanov D.V. PROBLEMS AND RESULTS OF FIRST

METATARSOPHALANGEAL FUSION IN RA

PATIENTS WITH HALLUX VALGUS ................... 76

Salkov Mykola, ACTUAL PROBLEMS OF CLASSIFICATION OF

SPINAL CORD INJURY .......................................... 79

PHARMACOLOGY, TOXICOLOGY AND PHARMACEUTICAL SCIENCE. Ivan Vladimirovich Pavlyuk, Igor Fedorovich Belenichev, Ludmila Ivanovna Kucherenko PHARMACOLOGICAL EFFECTS ON OXIDATIVE

STRESS NO-DEPENDENT MECHANISMS IN THE

BRAIN UNDER CHRONIC ALCOHOL

INTOXICATION: ANGIOLIN ANTIOXIDANT

EFFECTS................................................................... 85

PHYSICAL SCIENCES

CHEMISTRY Utelbayev Bolysbek TTRANSFER OF ENERGY BETWEEN MATERIAL

OBJECTS BY ELEMENTARY PARTICLES .......... 89

EARTH AND PLANETS Sonin G.V. EUROASIAN MAMMUTH, CAUSA OF SUDDEN

DEATH. ..................................................................... 95

Yakovenko N.V., Komov I.V., Didenko O.V., Drobyshev E.A. SCIENTIFIC APPROACHES TO THE DEFINITION

OF THE CATEGORY OF "REGIONAL SOCIO-

ECONOMIC-GEOGRAPHICAL SYSTEM" IN

ECONOMIC GEOGRAPHY ................................... 102

MATH Panov A., Ponomarenko S. ON THE NEW NON-HAMILTONIAN

QUATERNIONS OF HALF-ROTATION AND

THEIR APPLICATION TO PROBLEMS OF

ORIENTATION ...................................................... 108

POWER Rudnev B.I., D.Sc., Povalikhina O.V. BASES OF MATHEMATIC MODEL OF LOCAL

RADIANT HEAT TRANSFER IN MARINE DIESEL

ENGINE COMBUSTION CHAMBER .................. 113

Smirnova L. MATHEMATICAL MODEL OF HEAT EXCHANGE

IN EXTERNAL GAS FURNACES ......................... 118

Docent Aslanov Z.Y., Lecturer Abdullayeva S.M. THE ANALYSIS OF QUALITY MANAGEMENT

COMPLEX SYSTEMS IN AZERBAIJAN

INDUSTRY AREAS ............................................... 123

Yulian Tuz, Bogdan Kokotenko, Artem Porkhun DEVELOPMENT OF THE INTEGRATED DATA

ACQUISITION SYSTEM FOR CRASH TEST

EXPERIMENTS ...................................................... 125

Kholodnikov Yuri V. INDUSTRIAL PRODUCTS FROM COMPOSITE

MATERIALS ........................................................... 130

Шангереева Б.А., Шахмаева А.Р. ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА

КРЕМНИЕВЫХ ПОДЛОЖКАХ ПРИ

ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ ............................................................. 137

PRODUCTION

American Scientific Journal № 1 (1) / 2016 5

AGRICULTURAL AND BIOLOGICAL SCIENCES.

Belozertseva Irina Aleksandrovna

The doctor of geographical sciences,

managing laboratory of geochemistry of landscapes and geography of soils,

V.B. Sochava Institute of Geography of the Siberian branch of the Russian academy of sciences,

Irkutsk state university,

Irkursk, Russia

DEGRADATION OF SOIL AND USE OF THE GROUNDS IN FRONTIER

TERRITORY OF MONGOLIA AND RUSSIA

Abstract

The formation features of soil cover under the conditions of mountain-depression landscapes of the North-

ern Hovsgol region have been identified. The indicators of soil transformation caused by land use practices were

used in carrying out a standardization of pasture loads.

Keywords: degradation of soils, standardization of pasture loads.

Introduction The uniqueness of nature of Mongolia is re-

flected in the definition of its territory as the East Sibe-

rian-Central Asian system of nontropical Eurasia [13].

Pioneering investigations on the territory of Mongolia

were undertaken at the beginning of the 20th century by

the noted Russian scientists L.I. Prasolov [19], B.B.

Polynov and I.M. Krasheninnikov [20], and others.

Subsequently, N.D. Bespalov [6], I.P. Gerasimov and

E.M. Lavrenko [12] studied the peculiarities of nature

throughout the entire territory of the MPR, including

soils, and compiled its first-ever soil map at a scale of

1:5 000 000 [6].

At the beginning of the latter half of the 20lh cen-

tury, intense soil-melioration investigations were made

in Mongolia in connection with economic development

of land resources. The soils and soil cover in the

Hovsgol region and along the Selenga river valley were

studied in the 1970s by pedologists of the Soviet-Mon-

golian Hovsgol expedition from the Irkutsk and Mon-

golian State Universities. The expedition included such

scientists as V.P. Martynov, B. Batzhargal, M.A. Kor-

zun, and others [15]. A major contribution to a sophis-

ticated understanding of the soil cover in Mongolia was

made by D. Dorzhgotov and N.A. Nogina [18]. In 1980,

in collaboration with other specialists, they prepared

and published the 1:2 500 000 soil map of the country

[23], and the Atlas of Lake Hovsgol was issued in 1989

[3]; it was created on the basis of many years of re-

search on the territory of Northern Mongolia. The least

explored soils to date are the soils of the Darkhat de-

pression, marshy meadows and lake-bog complexes as

well as of the high-mountain tundra belt of the Hovsgol

region.

The question as to the particular classes into

which the soils of Mongolia must be categorized genet-

ically still remains debatable. In the references cited

above for the 1970s, the soils of forest landscapes are

classified, according to the results obtained by the com-

prehensive expedition, with podzolic, gray forest un-

podzolized [15] and soddy-gray forest soils [4]. The

weak pronouncedness or the absence of manifestations

of podzolization in the eastern and southern parts of the

Hovsgol Region, combined with the widespread occur-

rence of gray forest soils is typically accounted for by

the open canopy, and by the role played by the grass

cover in soil formation. An earlier publication [6] re-

jected the possibility that the soils of the larch taiga of

Mongolia can be assigned to the type of gray forest

soils. Sazovo-calcareous soils were identified in the

middle part of the Selenga river basin [14]. Similar (in

physicochemical properties) soils of Northern Mongo-

lia were termed previously the dark-gray forest soils

with the chernozem-like profile [20]. In our opinion,

they all are different soils. In the mountain-forest land-

scape of the Hovsgol Region, we identified, according

to a new classification [21], cryometamorphic coarse-

humus, organo-cryometamorphic and gray-humus

soils. No manifestations of podzolization was revealed

in these soils.

Materials and Methods The purpose of research: to assess a current state

of Northern Hovsgol soils and to make standartization

of pasture loads on the steppe landscape soils. In figure

1 location of the area of research is shown.

LIFE SCIENCES.

6 American Scientific Journal № 1 (1) / 2016

Figure. 1. Site of area of research

During 2003-2007 the V.B. Sochava Institute of

Geography, Siberian Branch, Russian Academy of Sci-

ences (1G SB RAS), and the Institute of Geography,

Mongolian Academy of Sciences (IG MAS), carried

out comprehensive geomorphological, geobotanical

and soil investigations in order to assess the present dy-

namical state of landscapes on the study territory, and

to standardize the anthropogenic loads on geosystems.

The results obtained from those studies, aimed at sub-

stantiating a rational and sustainable economic utiliza-

tion of the natural resources in the Hovsgol Region,

were presented in Russian and Mongolian scientific

publications [10, 11, 5].

Expedition field work was done within 15

experimental areas and catenas intersecting spatially

conjugated geosystems characteristic for this territory,

with due regard for the conditions of intrasoil-ground

migration of matter and its accumulation on landscape-

geochemical barriers. A total of more than 80 soil

sections was established, and about 300 samples were

collected from genetic soil horizons. A contemporary

classification was used in their identification [21]. The

physicochemical properties of soils were determined by

conventional methods [1, 2, 9] at the licensed chemical-

analytical center (The certificate of Accreditation №

0001.517613, http://fsa.gov.ru/index/staticview/id/70/)

operated by IG SB RAS. The soils were analyzed for

total contents of macro- and micronutrient elements by

quantitative spectrometric methods with the DFS-8 and

atomic-emission Optima 2000DV instruments. Razing

livestock were taken into consideration on the basis of

statistical bulletins [16, 17] and information made

available by the district and sum (county subdivision)

administrations as well as using local population poling

data.

The main key study areas were established in

2004 and 2007 in the Northern Hovsgol Region (the in-

terfluve and the valleys of the Tanyn-Gol, Goin-Gol,

Khankh-Gol, Bayan-Gol, Dzhargalant-Gol, Ikh-

Khoro-Gol, Khongor-Boyan-Gol, Tomkhog-Gol,

Shurgag-Gol and Mungarag-Gol rivers, and the south-

ern macroslope of the Greater Sayan Range). The other

routes of investigations were located in the Eastern

Hovsgol Region, the southern termination of Lake

Hovsgol, and in the Darkhat, Mondinskaya and Tun-

kinskaya depressions in 2003-2007.

In calculating the critical points of the function

approximating the "load vs. effect" dependence, we

availed ourselves of the method suggested by E.L. Vo-

robeichik, O.F. Sadykov and M.G. Farafontov [8].

Results and Discussion The natural conditions are of significant im-

portance in the formation of soil cover in the Northern

Hovsgol Region: 1) the high overall hypsometric level,

combined with complex orography, influencing the cir-

culation of air masses and producing an inhomogeneity

of climatic parameters, even within relatively small ter-

ritories; 2) the monsoonic character of atmospheric pre-

cipitation redistribution, the severity of winters and the

paucity of snow, and deep freezing of soils which, put

together, govern the peculiar features of the water re-

gime and matter migration, and the high seasonal con-

trast of soil-formation processes, and 3) the develop-

ment of a vigorous root system with its relatively

shallow penetration into the layer of earth materials,

which influences the structure of the humus horizon.


This is all manifested in the soil formation processes

which have a number of specific features.

There is a clearly defined correlation between

alternating forest and steppe soils, on the one hand, and

slope exposure, on the other: cryometamorphic course-

humus, organic-cryometamorphic and grey-humus

soils occur on the northern slopes, whereas chernozems

and chestnut soils occur on the southern slopes.

In most of the samples of different soil types

used in our analysis, the pH value in the upper and

lower parts of the profile corresponds to a neutral and

weakly alkaline medium, respectively, which is testi-

mony to the calcareousness of the region's parent mate-

rials (Table 1). On the other hand, the decline in ab-

sorbed bases (except for the chestnut soil) downward

the slope is due to the lighter particle-size composition

of its lower part (the fractions of fine sand and coarse

silt make up 60-80% of the entire soil) (Table 2) from

which the mobile form of alkali-earth elements is re-

moved with intrasoil flows. The tundra and mountain-

taiga soils on acidic rocks (granitoids, etc.) have a

weakly acidic medium.

Table 1. Physicochemical characteristic of soils in the Northern Hovsgol Region

Soil

Horizon

Depth, cm

Water, pH

Humus, %

Ca2+ Mg2+

Mg eq./lOO g of soil

Cryozem

O

CR

C

0-27

27-35

35-42

6,0

6,1

6,2

-

6,1

2,3

56,8

10,2

6,1

15,3

2,5

2,6

Cryometamorphic coarse-

humus

AO

CRM

C

0-13

13-32

32-45

6,1

7,1

7,8

17,8

3,1

0,9

37,4

15,6

7,2

4,7

2,1

0,9

Organo-cryometamorphic

0

CRM

C

0-12

12-30

30-60

6,1

7,1

7,8

15,1

2,7

0,5

31,9

13,6

4,8

3,7

0,8

1,2

Dark-humus

AU

C

0-22

22-60

7,4

8,4

16,3

0,7

26,8

11,6

12,0

5,5

Agrochernozem

PUd

AU

BCA

Cca

0-17

17-26

26-41

41-60

6,7

7,7

8,3

8,8

6,7

2,6

1,8

0,4

17,2

13,6

11,6

6,2

6,8

7,6

3,6

2,5

Cryogenic-mycelial cher-

nozen

AY

AU

BCAmc

BCAg

Cca,g

0-10

10-26

26-30

30-42

42-65

8,2

8,1

8,0

8,6

8,9

10,1

8,1

3,5

1,9

0,9

20,3

18,4

14,7

14,0

8,9

9,2

5,4

5,2

6,4

3,2

Light-humus AJ

Cca

0-24

24-52

8,5

8,8

3,2

0,8

6,9

9,0

4,0

3,0

Chestnut

hydrometamorphized

AJ

BMK

CATg

Cca,g

0-9

9-18

18-35

35-65

7,1

7,1

8,6

8,5

11,2

5,2

2,9

0,9

13,4

18,4

19,4

22,4

3,5

3,5

9,3

11,5

Alluvial dark-humus

AU

Cca

0-30

30-90

8,5

8,9

12,2

0,6

14,4

6,4

8.4

3,1

Mull-hydrometamorphic

H

Q

CQ

0-36

36-47

47-70

8,2

8,5

8,5

-

9,1

6,9

-

45,6

15,4

-

18,4

6.3

Alluvial peaty-mineral

Tmr

G

CG

0-20

20-34

34-46

8,3

8,5

8,6

-

-

4,2

-

56,9

12,2

-

13,6

4,5

Alluvial peaty-gley

T

G

CG

0-33

33-45

45-60

6,9

6,9

6,9

-

-

5,1

-

66,4

9,2

-

15,6

2,4


Table 2. Particle size distribution of soils of a landscape profile (the hill of a moraine in the valley of the river

Hugeyn-Gol)

Soil, location Horizon,

depth, cm

Content (%) of fractions in mm Particle size dis-

tribution >0,25 0,25-0,01 0,01-0,001 <0,001

Organo-cryometa-

morphic soil

on northern

slope of the hill

AY 5-12 1,1 63,6 17,9 17,4 average loam

CRM 12-30 1,2 80,6 10,7 7,5 sandy loam

C 30-60 10,8 74,1 13,7 1,4 sandy loam

Dark-humus

soil on

to hill top

AY 5-12 8,3 61,3 19,1 1,3 average loam

AU 12-22 8,0 74,5 13,3 4,2 sandy loam

С 22-60 18,7 64,5 12,7 4,1 sandy loam

Dark-humus

soil on

southern slope of the

hill

AY 4-6 3,3 57,9 22,4 16,4 average loam

AU 6-10 4,7 65,5 18,4 11,4 light loam

BCA 10-28 3,8 73,3 16,1 6,8 light loam

Сca 28-65 9,4 66,5 14,3 9,8 light loam

While humus accumulation in the upper soil

horizon varies over a broad range (from 3 to 18%), its

amount at a depth of 0,5 m decreases to 0,5-1%, except

in hydromorphic soils where 4-7% of humus is con-

tained at the same depth. In the mineral component of

the region's soils, the concentration of a number of

chemical elements is below the percent abundance for

the lithosphere and above the percent abundance of

acidic rocks (Table 3).

The oxygen barrier of the upper part of hydro-

morphic soils and the horizons enriched with clayey

matter show an accumulation of iron and of elements

from its group. The peaty horizon of alluvial soils is

also enriched with barium, lead and manganese. Man-

ganese concentration here is by factors of 2-5 higher

when compared with the humus horizon of the other

soils. Nickel, copper and lead levels in the peaty layer

are twice as large as the MFC (Maximum Permissible

Concentration). Biogenous accumulation of calcium is

clearly pronounced in the soils. Strontium accumulates

on the carbonate barrier.

On the whole, the distribution of chemical ele-

ments throughout the entire soil profile does not show

any alluvial-illuvial differentiation of them, which must

be recognized as the characteristic natural-regional

property largely attributable to the climate of the North-

ern Hovsgol Region.

Since the early 20th century the forest landscapes

of the territory under consideration have experienced

time and again fires and cuttings; to date they have been

replaced by steppe plant communities. A large number

of tracts in the Hovsgol and Darkhat depressions ex-

hibit the ongoing processes of anthropogenic steppi-

zation. The steppe landscapes were described in the

early 20th century by B.B. Polynov as forest landscapes

[20]. Our field investigations into the soils of steppi-

zated tracts in the neighborhoods of the settlements of

Khankh, Khukh-Must and Khatgal, in the interfluve of

the Tanyn-Gol and Tain-Gol, on the eastern slope of the

Bayan-Ula Range, and in the valleys of the Khankh-

Gol and Tokhmog-Gol, revealed post-fire wood re-

mains at a depth of 11-18 cm. A.A. Sirin et al. [22] in

their investigations into the boggy landscapes of Mon-

golia recorded clear trends to desertification evolving

over the past several decades. Data of analytical inves-

tigations indicate that burnt-over areas show a decline

in soil acidity and content of organic matter, and its

mineralization results in an increase of the number of

mobile forms of phosphorus, and alkaline and alkaline-

earth elements. Thus, the concentration of the water-

soluble form of Na, K, Ca and Mg increases by a factor

of 7-48 in the wake of a fire. At the same time the burnt-

over areas with a shallow (20-30 cm) occurrence of per-

mafrost are experiencing swamping in the region's

northern part, on the territory bordering upon Russia, in

the neighborhoods of the southern slope of the Munku-

Sardyk Range. With further anthropogenic disturb-

ances to the forests in the Northern Hovsgol Region,

the aforementioned changes will encompass increas-

ingly larger territories thereby affecting the evolution

of landscapes.

Natural pastures for sustaining livestock hus-

bandry which, traditionally, constitute the main object

of economic utilization in the Hovsgol Region (over

80%), are represented by steppe, meadow-steppe and

meadow plant communities on chernozems, chestnut

(hydrometamorphized) and alluvial soils. The vast ma-

jority of the pastures is a combination of areas disturbed

to a different extent. Their irregular utilization for graz-

ing purposes with excessive pasture loads causes

changes in the structure and a decline in productivity of

the vegetation cover, mechanical destruction of the

vegetable layer and compaction of the upper soil hori-

zon, microterracing of slopes, and mammocking of top

soil. Under the unfavorable natural-climatic conditions

of the Hovsgol region, tillage agriculture has had a neg-

ative influence on the soil cover, so that it has not been

promoted further.



The high-mountain territory not easily accessi-

ble and not exploited by humans is classed with arbi-

trarily undisturbed areas. It is dominated by nival

meadows and barren places, mountain tundras, and by

fields of screes and taluses. The sparsely populated

middle-mountain belt is only weakly disturbed by the

economic activities. The preservation of its natural en-

vironment is favored by elevated humidity and rugged-

ness of relief. Most of the territory of the Darkhat and

Hovsgol depressions is weakly or moderately dis-

turbed. The natural environment on the bottoms of the

depressions is represented largely by steppe and forest-

steppe geosystems, including anthropogenically deriv-

ative ones. This area is the home to large human settle-

ments, district and sum centers, motor roads, and coun-

try-tracks. The study territory has no industrial

facilities, so that the economic influence occurs only

locally.

The transboundary territory of the Hovsgol Re-

gion and Southwestern Baikal Region is the home to all

main forms of animal husbandry, namely nomadic,

seminomadic, semisedentary, and sedentary [7]. On the

Mongolian territory, steppe tracts of lands are mainly

used as pastures, while meadow-steppe and meadow

lands serves as pastures, although in either case the

aforementioned geosystems are all being exploited.

The nomadic form of animal husbandry, a traditional

pursuit on the territory of Mongolia, is not always re-

warding ecologically. Given persistent overgrazing,

combined with great numbers of livestock staying for

long in one place, low-productivity steppe tracts in the

Hovsgol Region may well evolve into barren soils.

Given the traditional economic management

practices, the results from investigating on the model

tracts of land suggest that the geosystems are essen-

tially in a relatively stable state. The degree of their dis-

turbance is dependent on the numbers of livestock graz-

ing on pastures (Fig. 2). In the case of optimal grazing

(up to 200 head/km2), the pastures sow a weak degree

of disturbance to the soil cover, which manifests itself

as a reduction in productivity of the subsurface vegeta-

ble mass by a factor of 1,6, and as a compaction of the

soil according to standard (1,1 g/cm3 for steppe soils in

a natural state). In these circumstances, the measures on

regeneration and preservation of the natural state of ge-

osystems would be appropriate.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

1 2 3 4

Region, forms of farming, soils

Mass o

f ro

ots

, g

/m2

natural state of

landscape

weak pasture

load (<200

head/km2)

moderate load

(<400 head/km2)

intense load

(>400 head/km2)

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4

Region. Forms of farming, soils

So

il t

urf

ness,

%

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4

Region. Forms of farming, soils

So

il d

en

sit

y,

g/c

m3


Figure. 2. State indices of soil medium on the territory of Northern Mongolia under animal husbandry condi-

tions

Number on graphics

of figure 2

1 2 3 4

Region Darkhat and

Hovsgol depres-

sions

Hovsgol region

Form of farming nomadic cattle

husbandry

seminomadic cattle husbandry

Soils chernozem and

chestnut soils

hydromorphized

and chestnut hydro-

morphized soils

alluvial peaty

gley soils

humus hydrometamor-

phized soils

The note: turfness – ratio of the mass of roots in

the soddy horizon to their background reserves; soil

density – volume weight (g/cm3). The average values

for the measured indicators are given.

The moderate degree of disturbance to geosys-

tems (with a pasture load of 200-400 head/km2) is char-

acterized by a compaction of the soil to 1,21 g/cm3, and

a decrease in the plant root mass by a factor of 4,7. To

regenerate such tracts of land requires a decrease of the

livestock number or a temporary suspension of grazing.

For the case of intensive grazing (400-1000 head/km2)

and, accordingly, a severe degree of disturbance to ge-

osystems, our study revealed a decrease in plant root

productivity by a factor of 22, a soil compaction to 1,46

g/cm3, and destruction of the soddy horizon. For regen-

erating the soil cover, it is advisable to impose a partial

ban on the utilization of such lands as pastures, and to

carry out environmental protection measures.

A number of parameters of the dynamical state

of the geosystems under investigation were used to de-

termine the nonlinear character of their response to the

pasture load. The geosystem responds to an increase in

the load through a transformation of its parameters. The

"load vs. effect" dependence has the form of a

"stepped" trend with two levels of mean values of the

parameters, and with an abrupt change-over from one

to the other. The existence of a threshold in the response

of the geosystem serves as the manifestation of the phe-

nomenon of its stability and of the operation of effec-

tive self-regulation mechanisms in it. Accordingly, the

subthreshold values of the loads are estimated as the re-

serve of "homeostaticity" where a self-regeneration of

the geosystem to its original state is still possible. When

the pasture load is higher than the maximum permissi-

ble level, the retaining factors which tend to lead to a

regeneration of disturbed geosystems are not effective.

The ultimate load levels were inferred by iden-

tifying critical points on the "load vs. effect" curve that

was constructed from sensitive parameters varying in a

regular fashion with the livestock number (Fig. 3, 4). A

critical point is considered to mean the start of the most

rapid change in the parameter. The lower critical point

on the plot is regarded as the maximum permissible

pasture load at which there are taking place changes in

the meaningful indices of the soil but they are still re-

versible. The impermissible pasture load is indicated by

the upper critical point where the changes in the soil

parameters that have occurred, are no longer reversible.

The productivity of the subsurface mass of plants, and

the soil density and turfness were found to be the most

sensitive parameters in the zone of pasture load. The

maximum permissible ecological load implies the low-

est of the high loads on the various natural components.

The maximum permissible and impermissible pasture

loads on soils were determined from different parame-

ters by analyzing the "load vs. effect" curves.

a b

c


Figure. 3. Change of the state of soils under the influence of pasture load

The note: soil density chernozem – a; soil density hydromorphized chernozem – b;

subsurface mass of vegetation in chernozem – c.

The maximum allowable (MAL) and not allowable loads (MNL)

- 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6

1 – arbitrarily undisturbed soils; degree of soil degradation: 2 – strong, 3 – moderate, 4 – weak; 5 – motor road, 6

– state border.

Figure. 4. Soil degradation in the Northern Hovsgol Region

The maximum permissible pasture load for hy-

drometamorphized, chestnut hydrometamorphized, al-

luvial peaty-gley and mull-hydrometamorphized cher-

nozems is 200 head/km2. For chernozems and chestnut

soils of steppe landscapes, the impermissible load of

410 head/km2, was established, otherwise the irreversi-

ble processes of soil degradation will start to develop.

For the other soil types, no critical load has been ascer-

tained yet, as on the study territory the soil cover has

not yet reached the ultimate level of degradation, given

moderate grazing by livestock. Calculations of the load

took into account the data for pastures experiencing

long-term (longer than 10 years) utilization with the

most widespread (for the Northern Hovsgol Region)

livestock herd composition (sheep: 26-31%, goats: 29-


34, sarlyks (yaks): 31-37, horses: 6-10, and camels: less

than 1%).

Hydrometamorphized chernozems, hydrometa-

morphized chestnut soils, and alluvial dark-humus soils

can be assigned to potentially plowable lands in the

Hovsgol Region. Most of the arable lands which are

few in number on the territory of Mongolia are in the

zone of unstable bogharic agriculture. A case in point

are the plowing lands in the area of the middle reaches

of the Khugein-Gol river. The plowing up of these

lands unfailingly triggers the development of degrada-

tion processes: loss of humus, the removal of earthly

matter, an enhancement in sandification of the arable

horizon, a decline in the absorbing capacity, destruction

of soil structure, and an increase in the area of the out-

cropping calcareous horizon due to its deep plowing.

All this leads to the loss of fertility of arable lands,

transforming them to unproductive soils.

Most soils on the territory of Mongolia are in

need of irrigation. However, thin layers of soils with

light particle-size composition can undergo intense

wash work due to irrigation and, hence, experience the

removal of nutrient elements, humus and earthly mat-

ter. Therefore, a package of agrochemical and agro-

technical measures is requisite for such soils.

In the case of excessive watering, loamy soils

experience a worsening of the temperature regime, and

an enhancement in cryogenic processes, with the sali-

nization process coming into play. The lands suitable

for haying on the territory of Mongolia occupy small

areas and occur on floodplains and along river valleys,

and in intermontane depressions with alluvial mull-hy-

drometamorphic soils, hydrometamorphized cherno-

zems and hydrometamorphized chestnut soils. More

than half of the total reserves of these lands in Mongolia

is not in use at present.

Conclusions

The study of land use issues showed that the re-

gion as a whole is dominated by moderately disturbed

pasture lands. The geosystems in an almost unaltered

form are situated at rather high elevations and in

sparsely populated sums which are distinguished by de-

ferred grazing. Pastures are severely disturbed in the

neighborhood of populated localities and nearby tem-

porary stopping places and watering sites. Overgrazing

of grasslands by livestock leads to a decline in produc-

tivity of the subsurface biomass, soil compactness, and

to destruction of the vegetable horizon of soils.

The proportion of the severely altered territories

in the total area used for pasturing purposes is negligi-

bly small. Pasture lands are able to restore, as before,

their original appearance and productivity through con-

tinued judicious management of this economic sector,

with standard grazing pressure on pasture lands. The

landscapes of the Hovsgol Region are experiencing un-

even grazing pressures, with their maximum corre-

sponding to steppe tracks. If the pasture load exceeds

410 head/km2, irreversible processes of soil degrada-

tion come into play. A load of 200 head/km2 is a maxi-

mum permissible value where the geosystem still is ca-

pable of restoring its original state.

References

1. Agrochemical Methods of Investigating

Soils (1975). Moscow. Nauka, 656 p.

2. Arinushkina E.V. Manual on Chemical

Analysis of Soils (1970). Moscow. Publishing house

Mosk. un-ta, 489 p.

3. Atlas of Lake Hovsgol. Mongolian People's

Republic, ed. by B.A. Bogoyavlenskii (1989) Moscow:

GUGK. 118 p.

4. Batzhargal B., Ivel'skii P.K., Martynov,V.P.,

and Martynova A.S. (1976) Soils, in Natural Condi-

tions and Resources of the Hovsgol Region (MPR):

Trudy Sovetsko-Mongol'skoi kompleksnoi Khub-

sugitl'skoi ekspeditsii, Moscow: Nedra, Issue 4, Pp. 96-

113.

5. Belozertseva I.A. (2010) Degradation of a

soil cover at land tenure in transboundary territory of

Southern Siberia and Northern Mongolia: Monitoring

and forecasting of the substance-dinamical state of ge-

osystems in the Siberian region. Novosibirsk. Publish-

ing house “Science”. Pp. 142-154.

(http://irigs.irk.ru/docs/Nechaeva/Nechaeva_et_al_201

0.pdf)

6. Bespalov N.D. (1951) Soils of the Mongo-

lian People's Republic, Moscow: Nauka, 318 p.

7. Vainshtein S.I. (1972) Historical Ethnography

ofthe Tuviniam, Moscow: Nauka, 312 p.

8. Vorobeichik E.L., Sadykov O.F. and Far-

afontov M.G. (1994) Calculating the Limiting Values

of Load, in Ecological Standardization of Technogenic

Pollutions of Terrestrial Ecosystems (Local Level), Ye-

katerinburg: UIF "Nauka". Pp. 274-278.

9. Vorobjeva's L.A. (2006) The theory and

practice of the chemical analysis. Moscow. Publishing

house GEOS, 399 p.

10. Vyrkin V.B., Aleshin A.G., Belozertseva

I.A., Vyrkina L.A., Mironova E.N. (2005) Landscapes

in the Northern Hovsgol region. Geography and Natu-

ral Resources. 3: 130-137.

11. Vyrkin V.B., Belozertseva I.A., Enkhtaivan

D. (2013) Landscapes of the Hovsgol Region: Current

State and Sound Management. Irkutsk: V. B. Sochava

Institute of Geography SB RAS Publisher. 107 p.

12. Gerasimov I.P. and Lavrenko E.M. (1952)

The Main Features of Nature of the MPR, Moscow:

Nauka. Ser. geogr., 1: 27-48.

13. Lavrenko, E.M. (2006) On the Vegetation of

Steppes and Deserts of the Mongolian people's Repub-

lic, in Studies of Physical Geography: Collection of

Scientific Papers, Ulan Bator: Izd-vo geoekologii

MAN. Pp. 315-330.

14. Lykov O.S., Martynjv V.P. and Korsun

M.A. (1977) Concerning the formation of Calcareous

Horison in Some Forest Soils in the Middle Part of the

Selenga basin, in Natural Conditions and Resources of

the Hovsgol Region (PRM): Trudy Sovetsko-Mon-

golskoi kompleksnoi Khubsugulskoi ekspeditsii, Ir-

kutsk. Ulan Bator, Issue 5, Pp. 20-25.

15. Martynov, V.P., Ivelskii, P.K., Batzhardal,

B., and Martynova A.S. (1973) Soil Cover Structure in

the Mountainous Hovsgol Region, in Natural Condi-

tions and Resources of the Hovsgol Region (PRM):

Trudy Sovetsko-Mongolskoi kompleksnoi Khub-

sugulskoi ekspeditsii, Irkutsk. Ulan Bator, Issue 2, Pp.

83-87.

http://irigs.irk.ru/docs/Nechaeva/Nechaeva_et_al_2010.pdf

http://irigs.irk.ru/docs/Nechaeva/Nechaeva_et_al_2010.pdf

http://elibrary.ru/contents.asp?titleid=26428

http://elibrary.ru/contents.asp?titleid=26428


16. Monthly Bulletin of Statistics. National Sta-

tistical Office of Mongolia, Ulaanbaatar, 2006 (June).

147 p.

17. Mongolian statistical yearbook 2010 (2011)

National statistical office Mongolia (Several data for

2010 are preliminary). Ed. Mendsaikhan S. et. al., Mon-

golia, Ulaanbaatar. 463 p [http: www.nso.mn].

18. Nogina N.A. and Dorzhgotov D. (1985) The

unigue Features of the Soil Cover of Mongolia, Trudy

In-ta botaniki AN MNR, Issue 7. Pp. 160-167.

19. Prasolov, L.I. (1912) On Frozen Ground in

Soils in the Southwestern Part of Zabaikalskaya Oblast

and in Mongolia, Trudy Troitsko-Saveno-Kyakh-

tinskogo obshchestva Priamurskogo otd. GRO, col. 1,

Issue 2, Pp. 76-84.

20. Polynov, B.B. and Krasheninnikov, I.M.

(1926) Physical-Geographical and Soil-Botanical In-

vestigations Within the Uber-Dzhargalante River and

the Upper Reaches of the Ara-Dzhargalante, in North-

ern Mongolia, Leningrad: Izd-vo AN SSSR.

21. Shishov, L.L., Tonkonogov, V.D., Leb-

edeva, I.I., and Gerasimova, M.I. (2004) Classification

and Diagnostics of Soils of Russia, Smolensk: Oiku-

mena [http://soils.narod.ru/taxon/type/a.html].

22. Sirin, A.A., Minayeva, T.Yu., Gunin, P.D.

(2010) Between Humid and Arid Environment: Peat-

land Ecosystems Indicate Desertification Trends in

Mongolia, in Ecological Consequences of Biosphere

Processes in the Ecotone Zone of Southern Siberian and

Central Asia, Mongolia, Ulaanbaatar: Bembi san Pub-

lishing House.

23. Soil Map of the Mongolian People's Repub-

lic (1980). Sc 1:2 500 000, ed. by N.A. Nogina, Mos-

cow: GUGK.

http://www.nso.mn/

http://soils.narod.ru/taxon/type/a.html


Турманидзе Валерий Григорьевич

кандидат педагогических наук, доцент

Омский государственный университет

им. Ф.М Достоевского, Омск

Зав. кафедрой физического воспитания

Воробьева Тамара Георгиевна

доктор биологических наук, профессор



профессор кафедры физического воспитания

Турманидзе Антон Валериевич



старший преподаватель

кафедры физического воспитания

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДАПТИВНЫХ

ПРОЦЕССОВ У СПОРТСМЕНОВ-БАДМИНТОНИСТОВ

Аннотация

В статье изучены показатели психофизиологической адаптации у спортсменов- бадминтонистов.

Анализ психофизиологических показателей у спортсменов показал, что определяющим фактором психо-

логической адаптации является состояние нервной системы и уровень изменения индивидуальных

свойств темперамента в условиях проведения спортивных тренировок. Одним из основных факторов в

структуре адаптации является психофизиологическая адаптация, которая определяет характер и осо-

бенности протекания механизма адаптации на других функциональных уровнях, при этом, определяющая

роль связана с психоэмоциональными особенностями личности в оценке эффективности адаптации как

системного процесса.

Ключевые слова: адаптация, психофизиология, темперамент, нервная система, механизмы адап-

тации

Turmanidze Valery G.

the candidate of pedagogical Sciences, associate Professor

Omsk state University. F. M. Dostoevsky, Omsk

Head the Department of physical education

Vorobyeva Tamara G.

doctor of biological Sciences, Professor


Professor, Department of physical education

Anton Turmanidze V.


senior lecturer, Department of physical education

PSYCHOPHYSIOLOGICAL FEATURES OF ADAPTIVE PROCESSES IN ATHLETES-

BADMINTON PLAYERS

Аnnotation

The article, the indicators of psychophysiological adaptation of athletes - badminton players. The analysis

of psychophysiological indices showed that the determining factor in psychological adaptation is the state of the

nervous system and the level of change the individual properties of temperament in the context of sports training.

One of the main factors in the structure of psycho-physiological adaptation is an adaptation, which determines

the nature and specifics of adaptation mechanism on other functional levels, thus, defines the role of psycho-

emotional personality characteristics in assessing the effectiveness of adaptation as a system process.

Keywords: adaptation, psychophysiology, temperament, nervous system, mechanisms of adaptation

В настоящее время очень актуальным явля-

ется изучение психоэмоциональной сферы у

спортсменов высокой квалификации для изучения

индивидуально-типологических особенностей ор-

ганизма человека, выявления функционального со-

стояния, степени адаптированности к спортивным


нагрузкам. В условиях трансформации современ-

ного российского общества высокой распростра-

ненностью при воздействии психоэмоционального

стресса является возникновение стрессовых состо-

яний и пограничных психических расстройств в

среде индивидуумов. Проблема оценки эффектив-

ности адаптации как системного процесса возни-

кает при разработке программы психологической

диагностики, профилактики и коррекции адаптив-

ных расстройств. Согласно исследованиям Ф.З. Ме-

ерсона (1993) адаптация является системным про-

цессом, поэтому целесообразно контролировать

протекание процесса психофизиологической адап-

тации в процессе спортивной тренировки на разных

ее этапах. Одним из важных вопросов в оценке эф-

фективности адаптации является ее связь с общим

адаптационным синдромом, в рамках которого эта

оценка осуществляется.

Психофизиологические методы относятся к

невербальным и позволяет проводить индивиду-

альное и групповое обследование, в течение непро-

должительного времени выявить индивидуально-

типологические свойства личности человека и по-

казать связь конституционально заложенных

свойств с типом реагирования на спортивные

нагрузки.

Целью настоящего исследования является

изучение состояния психоэмоциональной сферы

спортсменов высокой квалификации в условиях

влияния спортивных нагрузок.

Задачи исследования:

- изучить состояния психофизиологического

реагирования у спортсменов на спортивные

нагрузки;

- оценить уровень адаптированности пси-

хоэмоциональной сферы у спортсменов высокой

квалификации;

Материал и методики исследования

В обследовании приняли участие 20 спортс-

менов высокой квалификации, из них 9 юношей, 11

- девушек. Процедура исследований проводилась в

соответствии со стандартами локального этиче-

ского комитета Омского государственного универ-

ситета им. Ф.М.Достоевского. От всех студентов

было получено согласие на обработку данных.

Были использованы следующие методики: реакция

на движущийся объект, которая позволяет оценить

уравновешенность процессов возбуждения и тор-

можения в нервной системе, а также качество функ-

циональных сдвигов под влиянием нагрузки. В по-

казателях реакции на движущийся объект

проявляется способность испытуемого антиципи-

ровать (предвосхищать) время изменения про-

странственного положения стимула и соотносить с

ним сенсорные процессы регуляции своего движе-

ния.

Скорость принятия решения в стрессовых

ситуациях.

Тест К. Леонгарда - Н. Шмишека, который

предназначен для выявления типов акцентуаций и

диагностики акцентуаций характера и темпера-

мента. Акцентуацией называется чрезмерность

проявления некоторых черт характера или их соче-

таний. Акцентуация не является патологией, это

крайняя степень нормы, за которой начинается пси-

хопатия – необратимая патология характера, веду-

щая к нарушению адаптации и взаимодействия че-

ловека с окружающей средой.

Коэффициент психо-вегетативной активно-

сти (К. Шипош). Коэффициент такой активности

говорит о преобладании так называемых трофо-

тропных или эрготропных тенденций в психике -

если уровень психо-вегетативной активности

меньше 1,0, это говорит о трофотропных тенден-

циях (стремлении к покою, избеганию нагрузок,

снижении жизненного тонуса), если уровень психо-

вегетативной активности больше 1,0, это говорит о

эрготропных тенденциях (доминировании потреб-

ности в затрате энергии, активной деятельности,

направленности на преодоление сопротивления);

Результаты и обсуждение результатов

Анализ результатов показал наличие раз-

броса данных, которое может быть связано с инди-

видуально-типологическими и конституциональ-

ными свойствами организма индивидуумов.

Характеристика реакции на движущийся объект от-

личается наличием высоких значений у 15%, сред-

них значений у 65% и низких у 20%. Высокие зна-

чения отмечены у юношей, низкие значения

преобладают у девушек. Наиболее высокие значе-

ния точности попадания преобладает в группе юно-

шей, а у девушек преобладают низкие значения

способности к предугадыванию движения против-

ника. Нервная система уравновешенная, наиболее

развита способность к предугадыванию движения

противника с высокими значениями показателя со-

ставляет 40% у юношей. Нервная система неурав-

новешенная, преобладают процессы возбуждения,

способность к предугадыванию движения против-

ника чуть выше средних значений в группе юношей

– 5%. Нервная система уравновешенная, средняя


ника в группе юношей – 10%. Нервная система не-

уравновешенная, преобладание процессов возбуж-

дения, способность к предугадыванию движения

противника ниже среднего в группе юношей – 5%.

Нервная система уравновешенная, хорошо развита


ника в группе девушек – 5%. Нервная система урав-

новешенная, средняя способность к предугадыва-

нию движения противника в группе девушек – 15%.

Нервная система неуравновешенная, преобладание

процессов возбуждения, способность к предугады-

ванию движения противника ниже среднего в

группе девушек – 25%. Нервная система неуравно-

вешенная, преобладание процессов возбуждения,


ника наиболее низкая в группе девушек – 10%.

В группе обследованных спортсменов, пре-

обладают значения стрессоустойчивости. Сокраще-

ние скорости принятия решения в стрессовой ситу-

ации характерно для всех обследованных

спортсменов. Значительно сокращается время реа-

гирования у 30%. При этом, спортсмены демон-


стрируют безошибочность – 25%, поскольку ситуа-

ция стресса мобилизует и активизирует состояние

организма человека и сокращает время реакции, по-

вышая точность у этих спортсменов.

Анализ результатов по тесту К. Леонгарда -

Н. Шмишека показал преобладание гипертимиче-

ского типа в группе обследованных, наименьшие

значения отмечены в группе с дисмитическим ти-

пом ( рис. 1).

Рис. 1. Выраженность акцентуаций в группе обследованных спортсменов

Выделенные Леонгардом 10 типов акценту-

ированных личностей разделены на две группы: ак-

центуации характера (демонстративный, педантич-

ный, застревающий,возбудимый) и акцентуации

темперамента (гипертимический, дистимический,

тревожный, циклотимический, аффективный, эмо-

тивный).

Акцентуация - это дисгармоничность разви-

тия характера, гипертрофированная выраженность

отдельных его черт, что обусловливает повышен-

ную уязвимость личности в отношении определен-

ного рода воздействий и затрудняет ее адаптацию в

некоторых специфичных ситуациях. Акцентуиро-

ванным личностям присуща готовность как к соци-

ально положительному, так и отрицательному раз-

витию.


сти (К. Шипош) показал наличие эрготропных тен-

денций у 30% обследованных. Уровень психофи-

зиологической активности значительно выше

среднего (1,45) и преобладают установки на актив-

ную деятельность, на борьбу, на преодоление лю-

бого сопротивления. У 60% обследованных преоб-

ладают трофотропное реагирование. Уровень

психофизиологической активности низкий (0,68).

Преобладает стремление к покою, уходу от актив-

ных действий, восстановлению. У 10% спортсме-

нов отмечено перевозбуждение. Переносимость

нагрузки затруднена, необходимы волевые усилия.

Значения показателей составляет – 2. По гендер-

ному признаку распределение показателей отлича-

ется у юношей и девушек преобладанием трофо-

тропного реагирования. Процессы

перевозбуждения нервной системы отмечены

только у юношей.

Простая реакция позволяет зафиксировать

скорость реакции на появление объекта, под скоро-

стью реакции понимается, время от выдачи сиг-

нала, до окончания ответного действия. Распреде-

ление значений характеризуется преобладанием

скорости простой реакции выше среднего у 30% (в

основном это юноши). Наиболее высокая скорость

реакции у 20%. Скорость простой реакции ниже

среднего у 20%. Наиболее низкая скорость простой

реакции у 15% (девушки). У 15% скорость простой

реакции средняя (девушки).

В процессе адаптации происходит сложная

перестройка регуляции функциональных систем,

сосредоточенная на восстановлении и поддержа-

нии гомеостаза и обеспечение мобилизации резерв-

ных возможностей организма [3,с.67]. Адаптацион-

ные возможности функциональных систем

организма спортсменов, индикатором чего явля-

ются показатели эффективности психической само-

регуляции, уровней энергетического потенциала и

стрессового фона, возрастают в процессе проведе-

ния тренировок. Психологический стресс или со-

стояние психоэмоциональной напряженности воз-

никает при воздействии стрессоров

психологической природы; здесь экстремальность

ситуации задается отношением человека с создав-

шемуся положению и оценкой его сложности.

В процессе адаптации в период спортивных

тренировок могут произойти изменения в струк-

туре и характеристиках состояний, отражающие,

по-видимому, ход реализации индивидуальной

стратегии, программы адаптации. К обусловливаю-

щим факторам, следовательно, в большей степени

относятся психогенные средовые нагрузки, опреде-

ляющие ведущий эмоциональный фон процесса


адаптации. Нервно-эмоциональное напряжение яв-

ляется обязательным компонентом спортивной де-

ятельности, ставшей в последние годы повседнев-

ной и широко распространенной. Поэтому первыми

признаками надвигающегося ухудшения функцио-

нального состояния в процессе тренировок, как

правило, являются не только ухудшение важных

для спортсмена психических функций (внимание,

память, мышление), а также показатели общего

напряжения организма [ 5].

Анализ полученных результатов свидетель-

ствует о то, что у спортсменов высокой квалифика-

ции – бадминтонистов преобладают показатели

уравновешенности нервной системы у юношей,

наиболее развита способность к предугадыванию

движения противника. Нервная система неуравно-

вешенная, преобладание процессов возбуждения,


ника ниже среднего и низкая отмечены у девушек.

Изучение типологической обусловленности

свойств нервной системы позволило установить,

что с возрастанием интенсивности происходит из-

менение реакций в зависимости от силы нервной

системы. Слабая нервная система отличается выра-

женными реакциями уже при действии слабых раз-

дражителей, тогда как сильная нервная система от-

вечает слабыми сигналами на действие малых

раздражителей, а при усилении реакции – более вы-

раженными реакциями.

Изучение типологических свойств харак-

тера спортсменов показало преобладание акценту-

ации темперамента (гипертимический), которое от-

личается почти всегда хорошим, даже слегка

приподнятым, настроением, высоким жизненным

тонусом, энергией, неудержимой активностью. Ин-

дивидуально-психологические характеристики

личности человека, включающие такие свойства,

как повышенная напряженность, высокая импуль-

сивность, слабость самоконтроля, делают человека

предрасположенным к возникновению патологиче-

ских состояний. Умение контролировать свои по-

ступки, корректировка поведенческих реакций по-

вышают компенсаторно-приспособительные

механизмы организма человека и делают его более

устойчивым к воздействию различных неблагопри-

ятных факторов [2, с. 76].


сти показал преобладание трофотропного реагиро-

вания. У 10% спортсменов отмечено перевозбужде-

ние. Процессы перевозбуждения нервной системы

отмечены только у юношей.

Закономерности формирования и изменения

психофизиологической адаптации в процессе спор-

тивных тренировок определяются не столько ха-

рактеристиками деятельности, но и индивидуаль-

ными особенностями организма спортсменов.

Анализ литературы показывает, что индивиду-

ально-типологические особенности высшей нерв-

ной деятельности составляют основу психофизио-

логических свойств личности и влияют на уровень

спортивных достижений спортсменов. Механизмы

адаптации обеспечивают возможность существова-

ния организма в постоянно меняющихся условиях

внешней среды. Недостаточно точная оценка соот-

ветствия психосоматического адаптационного по-

тенциала организма человека и предстоящих во

время любого вида деятельности психологических,

физических нагрузок может способствовать воз-

никновению изменений в состоянии здоровья. Пси-

хологическая адаптация человека является наибо-

лее совершенным и сложным приспособительным

процессом. В условиях неблагоприятных воздей-

ствий этот вид адаптации может нарушаться

в первую очередь, приводя тем самым к наруше-

ниям других адаптационных уровней [4, с.353; 1, c.

67]).

Таким образов, анализ психофизиологиче-

ских показателей у спортсменов показал, что опре-

деляющим фактором психологической адаптации

является состояние нервной системы и уровень из-

менения индивидуальных свойств темперамента в

условиях проведения спортивных тренировок. Од-

ним из основных факторов в структуре адаптации

является психофизиологическая адаптация, кото-

рая определяет характер и особенности протекания

механизма адаптации на других функциональных

уровнях, тем не менее, определяющая роль связана

с психоэмоциональными особенностями личности

в оценке эффективности адаптации как системного

процесса.

Список литературы

1.Кацнельсон, Ю.В. Психофизиологические

особенности адаптации девушек с различным со-

стоянием репродуктивного здоровья в условиях

обучения в ВУЗе. / Ю.В.Кацнельсон: дис. канд. мед.

наук. – Москва, 2009. – 105с.

2.Наймушина А. Г. Психофизиологические

механизмы экологической адаптации // Фундамен-

тальные исследования. – 2010. – № 6. – С. 76-81;

URL: http://www.fundamental-

research.ru/ru/article/view?id=8960

3.Меерсон Ф. З. Адаптационная медицина:

концепция долговременной адаптации. –М. : Дело,

1993 – 138 с.

4.Соловьёв А. В. Психофизиологическая

адаптация лиц операторского профиля, подвергаю-

щихся воздействию ускорений Кориолиса [Текст] /

А. В. Соловьёв, Л. П. Макарова // Молодой ученый.

— 2014. — №2. — С. 353-356.

5.Степанова И.П. Особенности адаптации

студентов младших курсов медицинского вуза /

Степанова И.П., Воробьева Т.Г., Мугак В.В., Ша-

лыгин С.П., Сукач Л.И. // Современные проблемы

науки и образования. – 2015. – № 5;

URL:http://www.science-education.ru/128-22515

6.Dragic O. A. Analysis of morphofunctional-

changability of adolsent students in the environment of

Ural Federal District / O. A. Dragic, C. A. Sidorova, E.

A. Ivakina, S. V. Zobnina // Life Science Journal. – №

11(11s). – 2014. – P. 595-598.

Referenses

1.Katznelson, Y. Physiological features of adap-

tation of girls with various reproductive health condi-

tions in learning environments at the University. / J. V.

Katsnelson: dis. candidate. honey. Sciences. – Mos-

cow, 2009. – 105c.

http://www.science-education.ru/128-22515


2.Naymushin A. G. Physiological mechanisms

of environmental adaptation // Fundamental research. –

2010. – No. 6. Pp. 76-81; URL: http://www.fundamen-

tal-research.ru/ru/article/view?id=8960

3.Meerson F. Z. Adaptation medicine: the con-

cept of long-term adaptation. –M. : Delo, 1993 – p. 138

4.Soloviev A.V. Psychophysiological adaptation of

persons of operator profile exposed to Coriolis acceler-

ations [Text] / A. V. Soloviev, L. P. Makarova // Young

scientist. — 2014. — No. 2. — S. 353-356.

5.Stepanova I. P. Peculiarities of adaptation of students

of younger courses of medical school / Stepanova I. P.,

Vorob'eva T. G., Mugak V. V., Shalygin S. P., Sukach

L. I. // Modern problems of science and education. –

2015. – № 5; URL:http://www.science-

education.ru/128-22515

6.Dragic O. A. Analysis of morphofunctional-

changability of adolsent students in the environment of

Ural Federal District / O. A. Dragic, C. A. Sidorova, E.

A. Ivakina, S. V. Zobnina // Life Science Journal. – №

11(11s). – 2014. – P. 595-598.

Chirgin E. D.

Candidate of Biological Sciences, associate professor

Mari State University

ECONOMIC AND BIOLOGICAL FEATURES MARES-RECORDIST

RUSSIAN HEAVY DRAFT BREED

Чиргин Евгений Дмитриевич

кандидат биологических наук, доцент кафедры ТППЖ

Марийский государственный университет

ХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

КОБЫЛ-РЕКОРДИСТОК РУССКОЙ ТЯЖЕЛОВОЗНОЙ ПОРОДЫ

Summary: The presence of draft horses, dairy mares-recordist describes as the effectiveness of breeding

work and the culture of doing the industry as a whole. Mares with annual yield of over 5000 kg of milk play a vital

role in ensuring the herds of repair young animals with high genetic potential. Studies were conducted on breeding

kumysny company CJS breeding plant "Semyonovskiy" of Mari El Republic. Annual estimated milk yield of mares-

recordist ranged from 5000 kg to 7185 kg of milk. Mass fraction of fat and protein in mares-recordist was slightly

below the average for the sample. At the same time the amount of milk fat and milk protein were significantly more

recordists than the average for the herd. The service period for increasing milk production increased almost three

times. The coefficient of milkiness in the group of mares-recordist was 856.50 kg, which is more than half exceeded

the same indicator for all the mares company. Mares-recordedi was characterized by a high energy growth during

all periods of ontogenesis. The age of the first fruitful insemination they were 175 days less than the average for

the sample.

Key words: milk yield; butterfat percentage, milk protein content, service-period, the coefficient of

milkiness, age at first insemination.

Аннотация: Наличие среди тяжеловозных лошадей молочных кобыл-рекордисток характеризует

как результативность племенной работы, так и культуру ведения отрасли в целом. Кобылы с годовым

удоем более 5000 кг молока играют исключительно важную роль в обеспечении стада ремонтным молод-

няком с высоким генетическим потенциалом. Исследования были проведены на племенном кумысном ком-

плексе ЗАО племенной завод «Семеновский» республики Марий Эл. Годовой расчетный удой кобыл-рекор-

дисток колебался от 5000 кг до 7185 кг молока. Массовая доля жира и белка у кобыл-рекордисток была

несколько ниже средних показателей по выборке. В то же время количество молочного жира и молочного

белка было существенно больше у рекордисток, чем в среднем по стаду. Сервис-период при повышении

молочной продуктивности увеличивался почти в три раза. Коэффициент молочности по группе кобыл-

рекордисток составлял 856,50 кг, что больше чем в полтора раза превышало аналогичный показатель для

всех кобыл предприятия. Кобылы-рекордистки характеризовались большой энергией роста во все пери-

оды онтогенеза. Возраст первого плодотворного осеменения у них оказался на 175 дней меньше, чем в

среднем по выборке.

Ключевые слова: удой; жирномолочность, белковомолочность, сервис-период, коэффициент

молочности, возраст первого осеменения.

Молочное коневодство в Среднем Поволжье

Российской Федерации развивается относительно

недавно, но довольно успешно. В молочном коне-

водстве успешная и рентабельная работа предприя-

тия определяется во многом уровнем племенной ра-

боты с лошадьми. Особенно это положение

актуально при работе с тяжеловозными породами

лошадей, которые в основной своей массе не под-

вергались прямой селекции на увеличение молоч-

ной продуктивности. Наличие в популяции тяжело-

возных лошадей кобыл-рекордисток по удою

характеризует как результативность племенной ра-

боты, так и культуру ведения отрасли в целом. Ко-

былы тяжеловозных пород с расчетным годовым

http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=8960

http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=8960


удоем более 5000 кг молока играют исключительно

важную роль в обеспечении стада ремонтным мо-

лодняком с высоким генетическим потенциалом.

Для высокопродуктивных кобыл с рекордной мо-

лочной продуктивностью должны быть характерны

определенные хозяйственные и биологические осо-

бенности, изучение которых представляет как

научный, так и практический интерес.

Исследования были проведены с использо-

ванием материалов зоотехнического учета поголо-

вья кобыл русской тяжеловозной породы племен-

ного кумысного комплекса ЗАО племенного завода

«Семеновский» республики Марий Эл за период с

1990 по 2010 годы. Согласно общепринятой техно-

логии получения кобыльего молока животные дои-

лись только в дневное время, а ночью находились

со своими жеребятами, поэтому суточный удой

определяли по стандартной методике: расчетным

путем, пересчитывая надоенное за день молоко на

суточную продуктивность по формуле Сайгина.

Рассчитанную таким образом продуктивность за

лактацию мы назвали расчетным удоем за лакта-

цию. Количество фактически надоенного за лакта-

цию молока называлось товарным удоем за лакта-

цию. Коэффициент молочности определяли по

методике, общепринятой в животноводстве. Мас-

совую долю жира в молоке определяли кислотным

методом, массовую долю белка – по Кьельдалю.

Целью исследований явилось изучение

наиболее важных хозяйственных признаков кобыл

с расчетным удоем за год более 5000 кг молока.

Кобылы русской тяжеловозной породы в ЗАО ПЗ

«Семеновский» отличались высокой молочной

продуктивностью, среди них кобылы с расчетным

годовым удоем свыше 5000 кг составляли 17,37 %

(таблица 1).

Годовой расчетный удой кобыл-рекордисток

колебался от 5000 кг до 7185 кг молока, а в среднем

он превышал аналогичные средние показатели по

стаду почти на 2000 кг. Массовая доля жира и белка

у кобыл-рекордисток была несколько ниже средних

показателей по выборке.

Таблица 1 – Хозяйственные показатели кобыл-рекордисток в сравнении со средними показателями по

стаду

Показатели

В среднем за год

Вся выборка (n=213) Кобылы с расчетным удоем бо-

лее 5000 кг молока (n=37)

Расчетный удой, кг 3557,70 5550,11

Массовая доля жира, % 1,85 1,67

Молочный жир, кг 65,82 92,69

Массовая доля белка, % 1,93 1,88

Молочный белок, кг 68,66 104,34

Сервис-период, дней 62,60 173,30

Живая масса кобыл, кг 650 648

Коэффициент молочности, кг 547,34 856,50

В то же время молочного жира и молочного

белка было существенно больше получено за лак-

тацию от рекордисток, чем в среднем по стаду. Мо-

лочного жира от рекордисток получили больше на

40,82 %, а белка – на 51,97 %. Сервис-период у ко-

был-рекордисток при повышении молочной про-

дуктивности увеличивался почти в три раза [1].

В селекции по молочной продуктивности,

как правило, большое значение придается живой

массе животных. В исследуемой популяции кобыл

русской тяжеловозной породы кобылы-рекор-

дистки не обладали повышенной живой массой.

Живая масса кобыл-рекордисток в среднем практи-

чески не отличалась от средней живой массы по

всей выборке кобыл. Но коэффициент молочности

по группе кобыл-рекордисток в среднем составлял

856,50 кг, что больше чем в полтора раза превы-

шало аналогичный показатель в среднем для всех

кобыл предприятия. Следовательно, организм ко-

был-рекордисток в полтора раза эффективнее обра-

зует молоко на единицу своей живой массы по срав-

нению с обычными кобылами с аналогичной живой

массой.

Показатели физиологической емкости вы-

мени кобыл русской тяжеловозной породы состав-

ляли 1,16-1,52 л. А максимальная емкость вымени

кобыл изменялась от 1,63 л до 3,90 л молока. Вы-

численная корреляция емкости вымени с суточным

удоем (+0,76) и емкости вымени со средним разо-

вым удоем (+0,79) у кобыл русской тяжеловозной

породы свидетельствует о том, что емкость вымени

во многом и определяет величину удоя. Между ем-

костью вымени кобыл и месячным удоем коэффи-

циент корреляции был средним и составлял +0,57.

Эти данные подтвердили тесную взаимосвязь емко-

сти вымени с молочной продуктивностью кобыл.

Следовательно, удои кобыл определялись во мно-

гом емкостью их вымени и количеством желези-

стой ткани в вымени [3].

Большой интерес представляло сравнитель-

ное изучение особенностей энергии роста живот-

ных с разным уровнем молочной продуктивности в

разные периоды постэмбрионального развития

(таблица 2).


Таблица 2

Динамика роста живой массы кобыл русской тяжеловозной породы с разной молочной продуктивностью

Показатели Вся выборка,

n=213

Кобылы с расчетным годо-

вым удоем более 5000 кг,

n=37

Живая масса: при рождении, кг 56,86 56,92

В 6 месяцев, кг 280,36 314,47

В 12 месяцев, кг 378,68 434,07

В 18 месяцев, кг 449,80 515,17

При первом оплодотворении, кг 527,41 528,43

При первой лактации, кг 608,21 606,94

Возраст при первом оплодотворении, дней 749 574

Анализ данных роста живой массы молод-

няка лошадей показал, что кобылы-рекордистки ха-

рактеризовались большей энергией роста в различ-

ные периоды онтогенеза. Так, в возрасте шести

месяцев их живая масса была на 34,11 кг или на

12,17 % больше, чем в среднем по стаду. В 12 меся-

цев живая масса будущих рекордисток превышала

живую массу сверстниц уже на 55,37 кг (или на

14,63 %), а в 18 месяцев – на 65,37 кг (на 14,53 %).

Высокопродуктивные кобылы русской тяже-

ловозной породы отличались и повышенной скоро-

спелостью. Возраст первого плодотворного осеме-

нения у них оказался на 175 дней меньше, чем в

среднем по выборке [4].

В хозяйстве принято впервые осеменять мо-

лодых кобыл при достижении ими живой массы

520 кг, что составляло примерно 80 % от средней

массы полновозрастных кобыл [4]. Поэтому живая

масса и при первом осеменении, и при первой лак-

тации у всех кобыл были примерно одинаковы.

Проведение первого осеменения русских тя-

желовозных кобыл в полтора-два года вместо тра-

диционных трех лет позволяет значительно улуч-

шить воспроизводительные способности кобыл; в

1,5 раза сократить время выращивания ремонтных

кобылок и сократить затраты на их выращивание на

20-24 %. На 10-12 % увеличивалось число кобыл в

структуре стада; возрастала рентабельность произ-

водства кобыльего молока и кумыса, а также уско-

рялись темпы селекции лошадей по молочной про-

дуктивности [2].

Кобылы-рекордистки отражают генетиче-

ский потенциал стада и имеют большое значение

для совершенствования продуктивных и племен-

ных качеств животных, как в данном хозяйстве, так

и в породе русских тяжеловозных лошадей в целом.

Выводы. 1. У кобыл-рекордисток русской

тяжеловозной породы снижалась массовая доля

жира и белка в молоке, но одновременно

увеличивалось количество молочного жира и

молочного белка за лактацию, соответственно, на

40,82 % и 51,97 %.

2. Продолжительность сервис-периода у

высокопродуктивных кобыл была почти в три раза

продолжительнее (173,3), чем в среднем по стаду

(62,6).

3. Максимальная емкость вымени кобыл

русской тяжеловозной породы изменялась от 1,63 л

до 3,90 л молока.

4. Коэффициент молочности у кобыл-

рекордисток в среднем составлял 856,50 кг, что в

полтора раза превышало средние показатели по

стаду.

5. Для высокопродуктивных кобыл русской

тяжеловозной породы была характерна высокая

энергия роста во все периоды выращивания.

6. Возраст первого осеменения у

высокопродуктивных кобыл уменьшался с 749

дней до 574 дней.

Список литературы:

1. Чиргин Е. Д. Взаимосвязь

продолжительности сервис-периода и уровня

молочной продуктивности кобыл / Коневодство и

конный спорт. - 2012. - № 6. - С. 31-33.

2. Чиргин Е. Д. Влияние раннего срока

осеменения на воспроизводительную функцию

кобыл / Аграрная наука Евро-Северо-Востока - №

2(13).- 2009. – C. 54-58.

3. Чиргин Е. Д. Емкость вымени кобыл

русской тяжеловозной породы / Ветеринарный

врач.- 2015.- № 5.- С. 59-62.

4. Чиргин Е. Д., Онегов А. В., Ульянец Е. В.

Оптимальный возраст первого осеменения кобыл

русской тяжеловозной породы / Ветеринарный

врач. - 2013. - № 4. - С. 43-45.


ENVIRONMENTAL SCIENCE.

A. Vykhodtсev, N. Voitik, I. Akhmedova

Tyumen State University,

Tyumen, Russia

MACRO-REGIONAL SYSTEM DEVELOPMENT OF YUGRA CITIES

Introduction

Nowadays Khanty-Mansy Autonomous District is the most urban area in Russia and the Eurasian conti-

nent. The area with severe climatic conditions and rich oil resources attracts labour migrants. During the re-

sources development no one knew that after a time big cities would grow there, gradually becoming urban ag-

glomerations. Natural, economic and ecological features of Yugra make us looking at the development of the

urbanization process.

Key words: Khanty-Mansy Autonomous District – YUGRA, historical aspects of urbanization in Yugra,

macro-regional urban system, urbanization in Yugra, cities and urban-type settlements, "urban explosion".

Historical aspects of urbanization in Yugra

The first settlements appeared on the territory of

Yugra in the upper Paleolith, for example, the unique

ancient Neolithic hillfort of Amna in the pool of the

Kazim River in Northern Eurasia. In the first half of the

1st Millennium BC there were large settlements of 30-

40 homes up to 300-350 people in communities [6,

p.27-29; 7, p.44-56].

War was a constant fact of people’s life in the

north of Western Siberia. First hillforts – fortified set-

tlements – were being built at the beginning of the 1st

Millennium BC.

In the Middle Ages the Principalities of Yugra

were formed, quite small groups of peoples close by the

origin and language lived nearby one river system.

Those times the unfortified settlements – yurtas (in the

Khanty language "kurt" - settlement) were being mas-

sively built, and inhabited by the bulk of the taiga pop-

ulation. The capitals of the principalities were small

towns (Tapar-vosh, Samar-vosh (Samarov Gorodok),

Lyapin, Karta-ush, Bardakov Gorodok), as they were

located in the inland. The fact allowed them to be pro-

tected from unexpected attacks of enemies. The

Prince's residence was not definitely a town (the Rus-

sian term of that time "town" meant any inhabited lo-

cality, surrounded by a defensive wall). Most of these

principalities and their capital cities-towns ceased to

exist by the end of the 16th century.

In the 16-17 centuries the colonization of Yugra

by the Russians had a pronounced military character

that allowed creating conditions for mass development

of the territory by farmers and industrialists. The out-

posts-cities were built – Obskoy (Mansurov) town

(1585, lasted until 1594), Berezov (1593), Surgut

(1594).

Due to changing trade routes (Mangazeya trade

route) and increasing depletion of fur-bearing riches of

the Priobskaya taiga these settlements gradually fell

into decay.

The Russian Empire policy in the early 20th

century tended to preserve the fishing grounds of the

North Ob in the possession of the Khanty and Mansy,

continued to keep the Russian colonization in Yugra.

The population of Berezov and Surgut didn't exceed

1,500 people [6, p.27-29; 7, p.44-56].

In Soviet times, 1930, Vogulsky National Okrug

was established. The construction of a new settlement

for the district centre Ostyako-Vogulsk began 5 km

from Samarovo. In 1940 it was renamed in Khanty-

Mansiysk town, and, the Okrug was accordingly re-

named Khanty-Mansy Autonomous Okrug.

In 1950 Khanty-Mansiysk received the city sta-

tus. It had become the first city since Berezovo and Sur-

gut lost their importance in the late 19th century due to

the small number of population.

In the 1960s, the transformation of rural settle-

ments into urban ones (Igrim, Megion, Nizhnevartovsk,

Mezhdurechenskiy) began. The Okrug's population

numbered 123,9 thousand people [6, p.27-29; 7, p.44-

56].

Discovering and exploitation of huge oil and gas

deposits on the territory of Yugra had become a new

point in the development of the urbanization processes

since the 1960s. One after another many urban-type set-

tlements began to obtain the status of cities (Surgut,

Nizhnevartovsk, Kogalym, Nefteyugansk, Langepas,

Megion, Raduzhny), as a result in 1980 the level of ur-

banization was 89%. This process continued in the late

20th century, when a number of settlements – Pyt-Yakh

(1990), Lentor, Pokachi and Yugorsk (1992), Sovietsky

(1996) – received the city status (Fig.1.) [1, p.131-136].


Fig.1. The distribution of cities in Yugra according to the periods of obtaining the city status [2, p.33-32]

In the mid-20th century, with the appearance of

the first city, Yugra indicators of urbanization were

very low, we can say, rudimentary, but firstly they

slowly increased, and then faster and faster later on.

Stages of urbanization in Yugra

Fig. 2. The number of the urban and rural population of Yugra from 1939 to 2014 (the top graph – the urban

population, a thousand people, the bottom graph – the rural population, a thousand people)

The analysis of Fig. 2 allows allocating three

stages in the process of Yugra urbanization. Its first

phase covered the beginning of Russian colonization

from the 16th century until the first city was the admin-

istrative centre of Khanty-Mansy Autonomous Okrug.

The second stage took place in the second half of the

20th century, this stage was characterized by faster

growth of urban population (the share of urban popula-

tion increased three times from 40 thousand to 1200

thousand people in 1960-2000), and the spread of ur-

banization in almost all areas of the Okrug. This stage

is characterized by accelerating the pace of growth of

urban population (increased by more than 1 million

people), but the emergence of such new factors of de-

velopment, as the appearance and dramatic growth of

cities and urban-type settlements, transfer towns to cit-

ies, spread of urban lifestyles in rural areas (Fig. 3., Fig.

4.). At this stage, urbanization has become completely

territorial process, covering the whole Okrug.

3

0

1

3

1

6

5

до 1917 года 1917-1949 1950-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999

93 124271,2

569,1

1268,4

1368,31538,6 1597,2

030,16 62,9 78,21 90,88 91,16 91,58 92,01

1939 г. 1959 г. 1970 г. 1979 г. 1989 г. 2000 г. 2010 г. 2014 г.


* cities ▬ **urban-type settlements ▬

Fig. 3. The change in the number of cities and urban-type settlements in Yugra in 1580-1999 [2, p.33-32]

*

Beloyarsky district, Oktybrsky district, Sovetsky district, Kondinsky district, Surgutsky district, Khanty-Mansy

district, Nefteyugansky district, Nizhnevartovsky district

Fig. 4. The distribution of cities in Yugra on administrative areas available in 2014, according to the periods of

obtaining the city status

The second stage can be completely called "ur-

ban explosion" in Yugra. It is easy to notice that it co-

incided with the development of oil fields and the mi-

gration (population growth of the Okrug was carried

out mechanically, through the employment of tempo-

rary, shift and permanent migration from the regions

and republics of the USSR).

The characteristic features of the "urban explo-

sion" in Yugra can be determined as follows: first, it is

the growth rate of the urban population. Over the last

forty years of the 20th century it was annually increased

in the Okrug by 1.48%, and only in the early 21st cen-

tury, this rate dropped to 0.06%. Secondly, there is the

rapid increase in the number of large cities and their

shares in total and urban population. Statistics shows

that the Okrug had 2 cities with the population over 100

thousand people (Surgut, Nizhnevartovsk), which were

home to 38% of the total population in 1979. The num-

ber of such cities increased to 3 (Nefteyugansk joined),

and their share in the district population rose to 43.5%

in 2003. Thirdly, there is the rapid growth and the role

of urbanised territories (future urban agglomerations –

Surgut and Nizhnevartovsk), which have already actu-

ally, in the current stage, replaced a "separate" city [2,

p.33-32; 3, p.45-48; 5, p. 92-98].

Finally, the third stage refers to the beginning of

the 2000s and in our days, is characterized by slow but

steady growth of population, and the share of urban

population (the population increased in about 200 thou-

sand people in 2000-2014, and the share of the urban

population was 0.85% up to 92,01%).

Conclusion

13

0 0 01

45

11

16

0 01

2 2

5

18

25

28

23

15

80

-15

89

15

90

-16

00

19

20

-19

29

19

30

-19

39

19

40

-19

49

19

50

-19

59

19

60

-19

69

19

70

-19

79

19

80

-19

89

19

90

-19

99

города п.г.т.

11 1 1 11 11 1 1

3

1 1 1

Бел

ояр

ски

й р

айо

н

Окт

ябр

ьски

й р

айо

н

Со

ветс

кий

рай

он

Ко

нд

ин

ски

й р

айо

н

Сур

гутс

кий

рай

он

Хан

ты-М

анси

йск

ий

р

айо

н

Неф

тею

ган

ски

й

рай

он

Ни

жн

евар

товс

кий

р

айо

н

1950-1959 1960-1969 1970-1979 1980-1989 1990-1999


Despite the fact that urbanization has become a

process, which has many similar features, modern ur-

banization could not be characterized as homogeneous.

On the contrary, it is characterized by a very large di-

versity, different conditions peculiar to their composite

features – areas.

Yugra embarked on the path of urbanization

only in the second half of the 20th century, focuses

largely on a different model than the Russian one, com-

bining demographic growth and growth of the urban

population. The urbanization in Yugra is defined by the

high rates of urban population growth; it spreads pre-

dominantly, covering new territories. And its main

driving force remains the migration to the host cities

which cannot fully provide neither housing nor em-

ployment, as migrants have low labour skills, lack of

knowledge of the Russian language, poor social adap-

tation in the city society.

The main objective is sustainability in the devel-

opment of macro-regional urban system in Yugra, the

application of individual approach to the Development

Concepts of municipalities with maintaining balance

between the natural, social and technical subsystems of

the urban areas.

References

1. Vykhodtсev A.M. Study of the urbanized re-

gions of the Khanty-Mansy Autonomous Okrug –

Yugra. Proceedings of XLIII International scientific

student conference "Student and scientific and tech-

nical progress": Global problems and sustainable de-

velopment principles / Novosibirsk State University.

Novosibirsk, 2005. – P. 131-136.

2. Vykhodtсev A.M. Some aspects of urbaniza-

tion in the territory of Yugra. - Geography and natural

resources / No. 3. Journal of the State Commission for

Academic Degrees and Titles. - Irkutsk: Institute of Ge-

ography Publishing House SB RAS, 2008.

3. Vykhodtсev A.M. Forecast of the number of

urban settlements in Yugra until 2010. - Proceedings of

XIV Scientific Conference of Young Geographers of

Siberia and the Far East "Geographical research in the

early 21st century". – Irkutsk: Institute of Geography

Publishing House SB RAS, 2007. - P. 45-48.

4. Vykhodtсev A.M., Vaver O.J. Urbanized en-

vironment quality: up-to-date approach to the assess-

ment. - European Society or European Societies: Mate-

rials of the 9th Conference of the European

Sociological Association (Lisbon, Portugal, 2009). –

Lisbon, 2009. – P. 22-26.

5. Vykhodtсev A.M., Sokolov S.N. Spatial

structure of urbanization of the Khanty-Mansy Auton-

omous Okrug. - Collection of scientific papers "Geog-

raphy and ecology": Volume 2/ Ed.ed. F.N. Ryansky,

O.J. Vaver. - Nizhnevartovsk: Publishing House of

NSHU, 2007. – P. 92-98.

6. History of the Khanty-Mansy Autonomous

Okrug from ancient times to the end of the XXth cen-

tury: Reader. Ekaterinburg, 1999. 304 p.

7. Essays on the history of Yugra. Ekaterinburg,

2000. 408 p.

8. Space, people, economy of Yugra. Socio-eco-

nomic transformation of the Khanty-Mansy Autono-

mous Okrug/. Ed. Artobolevsky S.S., Glezer O.B. – M.:

Economist, 2007. – 415 p.

9. Yugra Chronicles. 1096-2000. "In the old

days such precision...": Bibliography. Tyumen, 2001.

470 p.

Erland G. Kolomyts

Doctor of geographic science, Professor of Geography and Ecology,

Nizhny Novgorod pedagogical university,

Institute of Ecology of the Volga River Basin Russian Academy of Science,

Head of Laboratory of landscape ecology,

Togliatti

EFFECT OF GEOTHERMAL ENERGY ON FOREST FORMATION IN

INSULAR VOLCANIC LANDSCAPES

ABSTRACT

The report presents for the first time the quantitative estimates of the influence of magmatic energy of a

passively active volcano on the thermal regime of the soil and forest-forming processes in the island-arc volcanic

landscape as a representative of the Neo-Pacific sector of the Pacific Ocean mega ecotone of Northern Eurasia.

The investigation was carried out by the example of degassing Mendeleev volcano (Kunashir Island, South Kuril

ridge). The climatically determined soil temperatures have been calculated and to compare there with the real

temperature. The conducting channels of magma-based geothermal systems causing abnormal increases in soil

temperature have been found in the insular volcano landscape. This process was favorable for transgression of

more southern species and entire communities to this boreal-forest ecoregion over a long period of time. The

"climatically unjustified" but sufficiently stable subboreal forest ecosystems were formed, as well as the early

stages of buffer forest communities. Geothermal energy induces rearrangement of the plant cover towards the

increase in its floro- and phytocoenotic diversity to the detriment of biomass formation rate. The largest possible

(under the given climatic conditions) diversity of floristic and phytocoenological structures creating terrestrial

vegetation at the transitional zone from continent to ocean originates just from island volcanic landscapes.

Key words: insular volcanic landscape, forest ecosystems, geotherms, soil temperature, structure of forests,

productivity


1. INTRODUCTION

The landscape, geobotanic and soil studies in

volcanic regions concern mostly the catastrophic im-

pacts of volcanic eruptions on the surrounding soil-

plant cover and the subsequent restorative successions

of meadow/forest formation process, with formation of

a new stable biogeocoenotic structure [8, 11, 25, 34, 37,

42, 50, 51]. These studies were carried out almost

solely in the paleogeographical aspect of postvolcanic

vegetation dynamics, because they were based on the

analysis of the Holocene spore-pollen spectra. They oc-

casionally mention some influence of hot springs on the

plant and soil cover of modern landscapes of the South

Kuril Islands [23, 46]. There are some casual remarks,

for example, that in the coniferous/broad-leaved and

dark-coniferous forests of the Kunashir Island "…the

life forms of subtropical coenoelements … preserved

trees only close to the hot springs" [46, p. 102].

The geological literature considers the prob-

lems of thermal relief of volcanoes and the influence of

steam-gas streams on the state of surface waters and

near-ground atmosphere close to active volcanoes [7,

21]; however, we do not know any studies of the effect

of geothermal energy on soil temperature regime and

on the structural and functional characteristics of plant

cover of volcanic landscapes. The studies of geocryo-

logical conditions on the territory of the Klyuchevskaya

group of active volcanoes of the Kamchatka Peninsula

[1] are a rare exception, but they do not dwell on the

plant cover either.

This report presents for the first time the quan-

titative estimates of the influence of magmatic energy

of a passively active volcano on the thermal regime of

the soil and the surface air layer, as well as on the water

balance, soil- and forest-forming processes in the is-

land-arc volcanic landscape as a representative of the

Neo-Pacific sector of the Pacific Ocean mega ecotone

of Northern Eurasia [15–17]. The analysis was carried

out by the example of the Mendeleev volcano situated

in the southern part of the Kunashir Island (the South-

Kuril Island Arc). Here, a large-scale landscape-eco-

logical survey was carried out in the first half of Au-

gust, 1985, on the experimental test ground of the Men-

deleev landscape according to the technique presented

in the work [16], with the collection of more than 50

parameters of the structural and functional state of for-

est biogeocoenoses on 32 sample areas.

2. RESEARCH OBJECTS

The Mendeleev volcano (Rausu in Japan, true

altitude 890 m) is one of the active single volcanoes on

the Kuril Islands with the Somma-Vesuvius structure

most typical of the island arc, i.e., the extrusive clus-

tered type of isolated stratovolcanoes [9, 52]. It is one

of the elementary island-arc volcanoes of low extreme

height (≤ 1000 m true altitude), and this height is deter-

mined by acidic magma that yields volcanic rocks with

a high silica content of 49–74% [29]. The volcano con-

sists of the two sommas of different age (the annular

ridges with external slopes) and a central cone, with the

presence of lateral blasting cones [4, 10]. The most an-

cient (pre-Quaternary) volcanic formation is a large

caldera (an extensive depression on the top of the vol-

cano) of 6–7 km in diameter, with a coat of the first

somma (Fig. 1). The latter girdles the bottom of the

SW–W–NW slopes of the Mendeleev volcano and par-

tially comprises the piedmont plains of the Pacific-

Ocean sector of the volcano. A new cone appeared at

the southern edge of the first caldera in the Upper Qua-

ternary interstadial epoch (39–40000 years ago). The

second caldera of 3–3.5 km in diameter was formed,

and the synchronous second somma on the S–SE–E

slopes of the volcano (from the tops to the absolute el-

evations of 150–200 m) overlapped the first somma.

Here, the crest of the second caldera was preserved as

a small semicircular ridge, with the plateau-like top of

the Mendeleev Mountain (the highest point is 798 m).

The northern half of the second somma partially filled

the first caldera, while the position of the second cal-

dera was fixed by the four major solfatares, i.e., fuma-

role fields (Fig. 2). The age of the dome is Holocene,

about 4200 years [10].


Figer 1. Hypsometric and geological map of the Mendeleev volcano region and the sample areas of our land-

scape-ecological survey as well.

Geological structure, by [10]: I – Central cone;

II – second soma; III – first soma; IV – individed series

(in particular tertiary); V – foundation (tertiary terri-

genous-pyroclastic rocks). Another meanings: 1 – con-

tours of ancient caldera; 2 – contours of young caldera;

3 – solfatare fields; 4 pyroclastic flow; 5 – sample ar-

eas; 6 – sample areas with temperature anomalies in

soil; 7 – boundaries of geothermal fields for volcanic

cone, by [39]. 1, 2, 3, … – numbers of sample areas.


Figer 2. The solfatare field on the northeastern slope of the Mendeleev volcano.

The belt of stone-birch/spruce forests changing

higher into the belt of cedar elfin wood is in the back-

ground.

The latest eruption (the explosion of gas with-

out the outpouring of lava) occurred in 1880 on the

northeastern slope of the central dome. The modern

state of the Mendeleev volcano determined as a state of

fading volcanism [20], with respect to volcanic land-

scape per se, will be called as a passively active state

and fumaroles will be called as a manifestation of pas-

sive magma energy. Fumarole activity of volcano is de-

termined by the enhanced fluid conductivity of the vol-

cano-tectonic zone at the final stage of its development,

when the fluid mass transfer of gaseous and liquid so-

lutions becomes a self-organizing system [24]. Gas-

steam vents are often located linearly, thereby marking

their confinement to fissure systems. The thermal im-

aging survey performed in the northeastern fumarole

field of the Mendeleev volcano made it possible to out-

line the most heated-up regions over the entire field,

with the temperature of gas-steam vents and hot waters

up to 900. At the neighboring Golovnin caldera the tem-

perature of lake surface is about 350 [21]. In the young

(Pleistocene) volcanic belts, the heat efflux by gas-

steam-thermal springs (hydrotherms) is more than

twice greater than the conductive heat flow [43]; there-

fore, hydrotherms of the Mendeleev volcano can be

considered as the main geothermal factor of soil-

ground temperature regime.

The modern fumarole activity of the Mendeleev

volcano is caused by the areas of lithospheric founder-

ing and “erosion” of the boundaries between the “bas-

alt” and granite-gneisses strata approaching directly the

upper volcanogenic-sedimentary stratum [52]. The

emergence of steam-hydro-therms, which are an exten-

sion of fluids (gaseous and liquid solutions transferring

magmatic substances from the lower strata to upper

strata of the lithosphere) is most probable in the places

of sagging of the volcanic sedimentary stratum [5, 24].

Each magmatic dike giving rise to hydrotherms

creates a very limited field of temperature abnormali-

ties on the volcanic dome in the stratum of pyroclastic

deposits (up to several hundreds of meters in cross sec-

tion) [1]. The heat flow is also characterized by spatial

heterogeneity. However, such local effects of the dikes

seem to be summed up due to their massive intrusion

within each of these foci. In addition, fluid mass trans-

fer occurs mainly along the planes of layering of the

rocks, which expands the area of its distribution multi-

fold [24]. At the same time, hydrothermal vents (solfa-

tares) are confined mainly not to the central part of the

volcanic dome with the least permeable rocks but to its

periphery [5], as is observed on the Mendeleev volcano

(see below Fig. 4). Due to this fact, the area of the most

intense geothermal heating of soil considerably broad-

ens when approaching the day surface (see below Fig.

5).

Geomorphology of the Mendeleev volcano

landscape is characterized by the following two fea-

tures: (1) vertical landscape microstratification, includ-

ing a certain level of true altitudes and the predominant

type of mesolocation, and (2) macro exposure of vol-


canic slopes and surrounding plains. The four land-

scape microlayers were distinguished: piedmont plain

(below 230–250 m) and the lower (230–550 m), middle

(500–720 m) and upper (above 670–720 m) low-moun-

tain layers. Due to a rather simple geometric configura-

tion of volcanic cone itself, the above altitudinal micro-

layers correspond to the four types of mesolocations:

accumulative (A), transaccumulative (TA), transient

(T) and transeluvial (TE). According to the regional cli-

matic contrasts determined by the circulation exposi-

tion of macroslopes of the South Kuril Islands [31], the

first three landscape layers were divided into two parts:

the Okhotsk Sea (the SZ–W–NW–N exposure sector)

and the Pacific Ocean (the NE–E–SE–S sector).

The South Kurils, particularly the Kunashir Is-

land, are an example of high diversity of vegetation

types of the temperate belt. According to botanical-ge-

ographical zoning [20], the Kunashir Island belongs to

the South- Kuril/Hokkaido region and the South Kuril

district, with the predominance of dark-coniferous and

coniferous/broad-leaved forests enriched by the south-

ern East Asian elements, with occurrence of evergreen

subtropical and relict species.

The plant groups concentrated near the Mende-

leev volcano are characterized by the high floristic and

botanical-geographical diversity [26]. Here, we have

distinguished six groups of forest types (the symbols

and taxonomic norms of true altitudes are given in pa-

rentheses): (1) mixed dark-coniferous/broadleaf forests

( – CB; 184 m; Fig. 3); (2) dark-coniferous

(spruce/fir) forests ( – DC; 379 m; Fig. 4); (3)

buffer stone birch/spruce forests ( – SbS; 575 m);

(4) stone birch elfin woodland with cedar elfin wood (

– SbCe; 685 m; see Figs 1 and 2); (5) cedar elfin

wood ( – CeW; 718 m; Fig. 5); (6) buffer cedar-

elfin-wood/birch/spruce communities ( –

CeSbS; 575 m). These types belong to the respective

floristic phratries: (1) – to Manchurian-Okhotsk (MO);

(2) and (3) – to Okhotsk (Okh); (4) – to Beringian-

Kamchatka (BK); (5) – to Beringian (Ber); (6) – to Ber-

ingian-Kamchatka-Okhotsk (BKO).

Distribution of groups of forest types for Men-

deleev volcano landscape is presented on Fig. 3. The

Mendeleev volcano is also characterized by highly dis-

tinct and rather complete manifestation of altitudinal

bioclimatic zonality, in spite of its relatively low alti-

tude, and this phenomena already was noted in the lit-

erature [26]. The volcano territory settles down in the

general series of regular lowering of altitudinal-zonal

boundaries along with the increase in overall oceanicity

of the climate and decrease in the height of mountains

on the Kuril Islands [49].

3. ANALYTICAL AND CARTOGRAPHIC

METHODS

For revealing the role of geothermal factor in

the soil thermal regime and forest-forming processes, it

was necessary to calculate the climatically determined

soil temperature and to compare it with the real temper-

ature. First and foremost, an air temperature matrix map

was obtained using the WorldClim data containing

global surfaces on climate for terrestrial parts of the bi-

osphere. The Mendeleev landscape matrix contained

the elements of 600 m 600 m in size. Then, the mul-

tiyear normal values of the mean August air tempera-

tures were reduced to those of 1985, when our thermo-

metric survey of the soil was conducted.

Under oceanic climate conditions, diurnal vari-

ations of the air (and soil) temperatures are very weak,

which is especially noticeable in August. The diurnal

amplitude of air temperature at the Yuzhno-Kurilsk sta-

tion situated at the bottom of the Mendeleev volcano is

2,0о. The long-term normal value of the daily mean air

temperature is tairm = 15,8о; the temperature values in

the periods of 11–15 hours, when we measured factual

soil temperatures on the testing areas, were within a

range of 17,4–17,8о. The difference is 1,8о on average.

As is known [6], the daily mean soil temperature

at a depth of 20 cm t20(av) measured by elbow ther-

mometers (i.e., for bare soil) is very close to the daily

average air temperature tair(av). The following linear re-

gression equation with a very high correlation coeffi-

cient R was obtained for the Yuzhno-Kurilsk station on

the basis of long-term monthly norms for July-Septem-

ber and the data for individual years:

t20(av) = 0.754 ∙ tair(av) + 4.187; R = 0.929. (1)

This formula was used to calculate the climati-

cally determined (virtual, as we will conventionally call

them) mean August temperatures of bare soil at the

depth of 20 cm. Then it was established that, first, soil

temperatures for the period of 11–15 hours were very

close to its maximal temperatures t20max(1). Second,

for the Yuzhno-Kurilsk station, t20(av) = 16,4о and

t20max(1) = 16,5–16,7о. The difference is t20max(1) –

t20(av) ≈ 0,2о, i.e., almost an order of magnitude less

than the analogous difference for the air temperature.

The control at the Aleksandrovsk-Sakhalinsky station

showed nearly the same (and even lesser) difference.

The meteorological data of the Kurilsk station

were used for the transition from t20max(1) of bare soil

to t20max(2) of grass-covered (meadow) grounds, i.e.,

from the readings of elbow thermometers to the read-

ings of stretch thermometers:

t20max(2) = 0.87∙ t20max(1) + 1.54; R = 0.986.

(2)

At the next stage, it was necessary to turn from

meadow to forest, i.e., to take into account the decrease

in soil temperature under forest canopy. The correction

factors ∆t20max = –3,0÷3,5о, which are characteristic of

the subtaiga fir/spruce forests of South Sakhalin, were

used for the CB and DC forests [36]. According to other

works [30, 44], the temperature corrections for SbS for-

ests, buffer CeSbS communities, as well as CeW and

SbCe formations were –2.5о, –1.8о, –2.0о, and –1.5о, re-

spectively.

Thereafter, the data of our temperature meas-

urements on the test ground were used to calculate the

values of virtual (climatically determined) soil temper-

ature at the depths of 30, 40, 50, and 70 cm (here,

t20max(2) ≡ t20):

t30 = 0.838 ∙ t20 + 1.78; R = 0.97; (3)

t40 = 0.732 ∙ t20 + 2.73; R = 0.911; (4)

t50 = 0.737∙ t20 + 1.9; R = 0.896; (5)

t70 = 0.654 ∙ t20 + 1.7; R = 0.754. (6)


Finally, the real (measured) soil temperatures

were compared for the above layers with the virtual

(calculated) temperatures to find out the values of tem-

perature abnormalities determined by the influence of

gas-steam-thermal springs on the thermal field of each

of the 32 sample areas. On the basis of proportional re-

lationships between the real soil temperatures and the

real air temperatures, we obtained the so-called equiv-

alent mean August air temperatures. The latter reflect

the total effect of climatic and geothermal factors, as-

suming that the geothermal factor is completely re-

placed by the climatic one (Table 1).

Table 1. The taxonomic (weighted average) norms of soil temperature anomalies for different groups of forest

types of the Mendeleev volcanic landscape, as well as the equivalent values of the mean August air temperature

corresponding to these anomalies

Groups of

forest types

(see in the

text)

Mean Au-

gust air tem-

perature *)

Temperature anomalies at the depths, cm Equivalent values of August air

temperature and its increase

30 40 50 70 mean

value

mean values

temperature

increase of

mean tempera-

ture

16.1 2.5 2.0 2.4 2.4 2.3 19.2 3.1

14.9 3.8 3.5 3.1 3.0 3.4 19.7 4.8

14.4 1.7 2.3 3.0 3.3 2.6 18.3 3.9

14.3 3.7 3.0 2.9 2.1 2.9 18.9 4.6

13.9 3.1 3.0 2.3 2.1 2.6 18.1 4.2

14.4 4.5 4.0 4.0 3.6 4.0 19.0 4.6

Foot-note. The mean August air temperature

was determined by the temperature surface of the

South- Kuril ecoregion on the basis of WorldClim, us-

ing the data on 24542 points. Interpolation was realized

with the ANUSPLIN software package according to

[13]. The algorithm takes into account the latitude, lon-

gitude and altitude as independent variables. Later on,

the WorldClim matrices were transformed into the

Gauss-Kruger projection (zone 25) with a resolution of

600 m.

The soil temperature parameters were mapped

using the novel methods of geomorphometry [40], i.e.,

the science of terrain modeling, which has been most

actively developing in the past 30 years. The versatile

properties of relief are expressed in more than 20 char-

acteristics calculated from DEM of the Earth surface.

The large-scale maps of soil temperature and tempera-

ture abnormalities were calculated and constructed us-

ing NASA satellite data on the relief: the elevation ma-

trices with a 90-m resolution obtained as a result of the

USA-Italy-Germany SRTM project (Shuttle Radar To-

pography Mission). The matrix maps describing in de-

tail the distribution of temperature parameters of the

Mendeleev landscape were calculated (Figs. 4 and 5).

The image of a matrix map was formed in the GIS pro-

gram by the appropriate legend, with the procedures of

interpolation and extrapolation of the measured data

by the matrices of factors with the closest statistical re-

lationships revealed by multiple regression analysis.

The soil temperature map for the depth of 40

cm (t40) was constructed by the equation:

t40 = –0.0005623 (X–Y) / 21/2–5.84 –0.0005660

DMECHN–5.27 –

– 1.079 FORMS_4 –4.79 + 0.2745 rotS+3.00

+ 8179;

R 2 = 0.768 (Degr = 12.8%); P < 10–6. (7)

Here, the predictor (X–Y)/21/2 is the shortest dis-

tance to the southeastern coast, DMECHN is the minimal

distance from the Mechnikov Peak (see Fig. 1; here we

should mention that the most of sample areas were on

the slopes of this mountain and its foothills). FORMS_4

are the forms of relief; the 4 types of local forms rank

from 1 to 4 as follows: depressions, medium concave

cols, medium convex cols, and hills. The “minus” pre-

dictor describes the temperature decrease in this series.

The parameter of relief dissection rotS shows that soil

temperature tends to increase on its strongly dissected

forms, when the geoflows are clockwise. The sub-

scripts of each predictor are t-statistics; their module

determines the significance of contribution of predic-

tors to the spatial variability of temperature. R2 is the

coefficient of determination and P is the statistic char-

acterizing the probability of error in the establishment

of statistical dependence.


Figer 4. Soil temperature distribution at a depth of 40 cm over the territory of the Mendeleev volcanic land-

scape.

The map has been calculated and created by

L.S. Sharaya.

The model (7) describes 77% of t40 variability

in space by means of comprising factors. The model

was successfully verified (tested) by Allen's cross-val-

idation [2]: the empirical criterion (Degr < 50%) shows

that the predictive strength of the model is sufficient for

predictive mapping or calculating the characteristic at

new points. The cardinal changes in temperature


Figer 5. Distribution of soil temperature anomalies at the depths of 40 (a) and 70 cm (b) over the territory of the

Mendeleev volcanic landscape.

The map has been calculated and created by

L.S. Sharaya.

take place along the geographical axis (X–Y) re-

sponsible for the climatic events and processes occur-

ring in summer in this part of the island: the entry of

cold air from the east and southeast. The "minus" sign

of the predictor means that the lower soil temperatures

are characteristic of the southeastern (Pacific) sector of

the Mendeleev landscape. The temperature decrease

seems to be caused both by the cold sea current and by

the less marked effects of geotherms. North-westward

(on the territory of the Okhotsk Sea sector), the effects

of both the Soya warm current and geothermal fluxes

are enhanced (see above) and, hence, soil temperature

increases (see Fig. 4). The distance from the Mechni-

kov Peak DMECHN with the "minus" sign describes the

decrease in soil temperature downwards the mountain

(from top to bottom) as a result of weakening of the ef-

fect of gas-steam-thermal springs.

The multiple regression equation for soil tem-

perature anomalies at a depth of 40 cm (∆t40) looks like:

∆t40 = – 0.0005186 (X–Y) / 21/2–4.51 – 0.0005194

DMECHN–4.16 +

+ 0.3572 rotП+3.38 – 0.4395 НП

–2.36 + 7531;

R2 = 0.660 (Degr = 17.3%); P < 10–5. (8)

Here, НP is the characteristic of the degree of

concavity of relief forms (other symbols see above).

The analogous equation was derived for mapping the

temperature anomalies at a depth of 70 cm.

Judging by the parameter (X–Y)/21/2, the

marked temperature anomalies are observed mainly in

the Okhotsk Sea sector of volcanic landscape (see Fig.

5), which is accounted for by the most efficient mani-

festation here of steam and gas conduits. The geother-

mal effect intensifies also up the slopes towards the top


of the Mechnikov Peak. Finally, temperature anomalies

increase with the enhancement of erosional dissection

of the relief and on its concave forms (the closer to de-

pressions, ravines and valleys are relief forms, the

higher are anomalies).

The author has elaborated the methods of dis-

crete empirical-statistical modeling of natural ecosys-

tems allowing operation with a relatively small number

of the most informative characteristics. The infor-

mation-statistical analysis of empirical material was

performed by the methods described in [16 and 17].

These methods were employed to uncover the land-

scape component interconnections. The main parame-

ters of these connections are as follows: (1) the normal-

ized coefficient of interrelation C(A;B) of two attributes

taken in pairs: considered object – phenomenon A, and

effecting on it factor B and (2) the partial coefficient of

connection C(ai /bj) characterizing the closeness of in-

terrelationship of individual classes (gradations) of

these attributes. These gradations are marked in form of

elements of the next sets: A = {a1, a2, …, ai, …, an} and

B = {b1, b2, …, bj, …, bm}. Obviously, each phenome-

non and each factor has a certain multitude of states.

Our verification by criterion χ2 showed that pa-

rameter C(A;B) < 0.07 often seems to be inexact (inter-

relation of attributes below the 90% signification level)

even at such a comparatively coarse quantization.

Therefore, all connections with the coefficients below

the specified threshold were excluded from the analy-

sis. Note that C(A;B) ≈ 0.19 corresponds to correlation

coefficient 0.65–0.70 as well [16].

The second parameter (the partial coefficient of

connection) made it possible to reveal the informational

structure of relations in the binary “factor–phenome-

non” system and thus to find some kind of ecological

niches of each value (gradation) ai of phenomenon A in

the space of values bj of factor B. Parameter C(ai /bj)

made it possible to find some kind of ecological niches

of each value (gradation) ai of phenomenon A in the

space of values bj of factor B. In ecology, it is quite per-

missible to apply two of the three known aspects of the

conception of ecological niche: (1) spatial, close to the

conception of site-inhabitance and (2) resource, deter-

mined by position of an object in relation to the gradi-

ents of some or other substance-energy factor (temper-

ature, moisture content, physicochemical properties of

soil, etc.). Taken together, both these aspects character-

ize the niche as a certain space of vital environmental

factors.

In the matrix of significant (>1) partial coeffi-

cients of connection, the phenomenon and the factor are

graded by columns and lines, respectively. Factor gra-

dations with the maximum values of coupling coeffi-

cient form a certain region of phenomenon dominance

(here in after ecological dominant), while other grada-

tions belong to the "fuzzy" part of the niche. If define

the ecological domination in each vector-column of a

niche by symbol “”and “fuzzy” links of the niche by

symbol “”, then we will obtain a formalized matrix of

climatic niche. In this form, the matrix clearly demon-

strates the character and closeness of connections (see

below Figs 6 and 7). Many characteristics of forest eco-

systems have not only the fundamental ecological niche

for some factor or another (with the respective ecolog-

ical dominant and the “fuzzy” part of the niche) but also

a kind of enclave separated from the niche on the graph

of partial coefficients by more than one gradation of the

factor. The attention was also paid to the cells of binary

ordination of the phenomenon with the factor, where

С(xi/yj) ≤ 1. These were the regions of sporadic distri-

bution of the given phenomenon by the gradient of

changes in the factor under consideration, frequently

with the emergence of an enclave.

The multidimensional ecological analysis of

various phytomass categories (live and dead, foliage

and skeletal, on separate biogeohorizons, etc.) was per-

formed and the integral indices of mass exchange were

determined. The ratio of annual productivity (PL) to

living phytomass (BL) is most generalizing as a meas-

ure of ecological efficiency of phytoproduction process

[32]. The value of this parameter was assessed in terms

of the known principle of optimality, which is ex-

pressed by allometric law [12, 38]. According to the

latter, there is a certain constant value of parameter C A

= log (PL) / log (BL) for each of the zonal types of land-

scapes, in spite of the significant fluctuations of

productivity and biomass within this type [33]. On the

zonal-regional scale (for flat interfluve types of loca-

tion), this allometric coefficient monotonously in-

creases from 0.53–0.54 in forest-tundra and northern

taiga to 0.60–0.62 in the broad-leaved forests of plains

and mountains and then more abruptly increases to

0.84–0.88 at transition to meadow and then dry steppe

of the subboreal belt.

4. RESULTS AND DISCUSSION

4.1. Climatic conditions of forest formation

The analogs of Mendeleev coniferous/broad-

leaved and dark-coniferous forests are widespread in

Sakhalin, in the Lower and Middle Priamurye, as well

as in the Northern and Middle Sikhote-Alin [41, 48].

However, south-Kuril subtaiga landscapes drastically

differ from their continental-insular and continental an-

alogs both in the much lower supply of warmth and es-

pecially in the greater precipitation, yielding exception-

ally high atmospheric moisture quotients in the Pacific

sector of the Pacific Ocean mega ecotone (Table 2), es-

sentially incomparable with the quotients on the Pri-

amurye sub-Pacific territories. Due to the high ocean-

icity of climate on the Kuril Islands, the southern

boundary of the boreal belt shifts far southwards on

their plain areas [28] and the boundaries of altitudinal

belts in the mountains descend [31].


Table 2. The comparison of the main climatic characteristics of altitudinal-zonal plant communities of the

Mendeleev volcanic landscape and analogous formations of the marginal-continental sector of the Pacific

Ocean mega ecotone of Northern Eurasia

Regions

Altitudinal zonal plant communities and

formations (in brackets – altitude, m)

Climatic parameters

tVII–-VIII, oC

ryear, mm

∑ t ≥

10o

Fhum

Kunashir

Island,

Mendeleev

volcanic

landscape.

Plant com-

munities

Lowland and piedmont dark/coniferous-broad-

leaf forests with subtropical elements (20–250)

16.0

1207

1473 3.43

Lowland and low-mountain dark-coniferous

(spruce/fir) forests with nemoral elements

(120–600)

14.6

1299

1144 4.64

Subalpine stone birch elfin woodland with

admixture of spruce and with cedar elfin in

undergrowth (540–700)

14.4

1320

1097 4.70

Subalpine cedar elfin wood (650–800) 14.1

1347

1027 5.02

Low Priam-

urye and

Middle

Sikhote-Alin.

Plant

formations

Lowland and piedmont

broadleaf and coniferous-

broadleaf tall grass forests

st. Neran (221) 19.6

865

2319 1.40

st. Zhuravlevka

(215)

19.8

875

2366 1.38

Middle-mountain fir/spruce

dwarf-bush/grass forests

with nemoral elements

st. Ulunga (547) 16.3

749

1544 1.83

st. Irumka (516) 16.7

761

1638 1.78

Northern-taiga middle- and

high-mountain larch light

forests, cedar elfin woods

st. Sophiysky

Priisk (903)

15.1

757

1262

2.06

Foot-note: t VII–-VIII – average temperature most

warm month, оС; ∑ t ≥ 10o и – sum of biological active

temperatures, оС (sum of the average daily temperature

equel or higher 10o);

rear – annual precipitation; Fhum – Vysotsky-

Ivanov’s annual atmospheric humidity factor (Fhum =

rear / Е0, where Е0 – annual evaporativity, potential

evaporation). Denominations of continental plant for-

mations are given by [41].

First of all, there are essential differences in the

warmest month temperature and in the accumulated bi-

ologically active temperatures (∑ t ≥ 100): in the gener-

ally accepted values of warmth supply and the basic cri-

teria of affiliation of this plant formation with some

bioclimatic belt or another. In the plain and piedmont

broad-leaved and coniferous/broad-leaved tall-grass

forests of the Middle Amur and Ussuri basins, the mean

air temperature of the warmest month is by 3.5–5.00

higher than in the analogous formations at the foothills

of the Mendeleev volcano. The subtaiga forests of

southern Kunashir, with considerable addition of

nemoral elements and even subtropical relicts, by ∑ t ≥

100 = 1140–16100 are in the conditions of northern

dark-coniferous taiga of Eurasia, according to the cli-

maareals of natural ecosystems [3], i.e., they must be

located mostly near the northern boundary of the boreal

belt.

The summer surface atmosphere in the low-

mountain nemoral-grass fir/spruce forests of the Men-

deleev landscape is by 1.5–2.50 colder than their mid-

mountain phytocoenotic analogs in the Bureinsky and

Badzhalsky ridges on the left bank of the Middle Amur

(the Ulunga and Irumka stations, see Table 2). The sum

of biological active temperatures (1000–14300) also

cast out the Mendeleev fir/spruce forests into the cli-

maareals of north-taiga spruce forests. Finally, the

communities of subalpine cedar elfin woods in the sub-

goltsy altitudinal belt of the Mendeleev volcano by ∑ t

≥ 100 = 950–10700 approach the plain Eurasian forest-

tundra but are at a lower heat and energy level com-

pared to their high-mountain subalpine analogs in the

Dusse-Alin Mountain Range, in the upper reaches of

the Bureya River (the Sofiyskii Priisk station).

On the other hand, the Vysotsky-Ivanov’s an-

nual atmospheric humidity factor (Fhum) is very repre-

sentation as well. This complex landscape-geophysical

parameter is determined as a ratio of annual precipita-

tion to annual evaporativity (potential evaporation).

The Kunashir Island substantially differs in its rather

high values of the parameter Fhum not only from the

above marginal-continental regions with analogous for-

est formations but also from the neighboring insular ter-

ritories, e.g., the boreal Southern Sakhalin and the sub-

boreal Hokkaido Island (in Sapporo, Fhum = 1.44). The

similar level of atmospheric moisture is observed on the

southern subtropical islands of Japan (Fhum = 2.9–3.6)

and the Black-Sea subtropics of Transcaucasia (in Ba-

tumi, Fhum = 3.14).

Thus, the atmospheric hydrothermal conditions

of coniferous/broad-leaved and dark-coniferous forests

of the Mendeleev volcanic landscape do not correspond


to the climatic norms typical of their marginal-conti-

nental formation analogs. These types of forest commu-

nities are kind of “climatically unjustified”, extrazonal,

coming from the more southern natural zones with the

higher heat and energy level and lower moisture quo-

tients.

4.2. Soil temperature anomalies

The "normal" (climatically determined) trend

of soil temperature decrease with altitude (e.g., the

dominant t30 = 15.5–16.80 →11.4–13.30) is observed

only at the foothills and in the lower TA layer of the

Mendeleev volcano (Fig. 6). The transition to the mid-

dle T layer of low mountains, already in the dark-conif-

erous forest zone, is represented by a drastic increase in

soil temperature at all depths measured (down to 70

cm). Here, the soil was shown to have the same and

even higher temperature values as in the piedmont co-

niferous/broad-leaved forests (the dominant t30 = 16.8–

18.70). Sporadic temperature growth begins already af-

ter the 320-m altitude (see the enclaves in Fig. 6 a, b),

and this growth becomes total beginning from the 500-

m level.

The structural ordination of soil thermal niches

by solar exposure at different depths (Fig. 7) revealed

the pattern of distribution and interference of heat

waves coming from two alternative sources: solar radi-

ation and gas-steam geotherms. We discovered the re-

gions with the conduits where geothermal heat comes

from, as well as the areals that lack such ascending

flows and demonstrate only the radiation-thermal soil

regime closely related to slope exposure. At the depths

of ≥70 cm including the illuvial layer B, the predomi-

nant temperature values shift to the geothermal field

with a high probability of 65–75%. At the depth of 40

cm, both (radiation and geothermal) heat flows demon-

strate a mutual lateral overlap; above 30 cm, the geo-

thermal flow occurs only sporadically.

Figure 6. The binary ordination of floristic phratries, forest type groups, and microlandscape groups by the fac-

tor of altitudinal-exposure (dislocation) zonality.

Symbols: 1 – the ecological dominant; 2 – the

“fuzzy” part of ecological niche; 3 – the trajectory con-

necting ecological dominants; 4 – the space of ecologi-

cal niche; 5 – the enclave; 6 – the altitudinal interval of

fragmentation of ecological dominants; 7 –– the direc-

tion of sporadic distribution of a phenomenon with the

given gradations of a factor. I, II, and III – the upper,

middle and lower altitudinal layers of low mountains,

respectively.

The fumarole fields are objects of thermal relief

of the gas-steam and magmatic activities of the vol-

cano, associated with the productive geothermal reser-

voirs [7]. These are the areas of "… heating … and in-

trusion of an additional volume of molten magma" [52,

p. 84]. These areas are where the conduits of gas-steam

geotherms appear, which more or less heat the entire

body


Figure 7. Soil temperature distribution at different depths over the slopes of different solar exposure.

Areas of the temperature field: 1 – in the ab-

sence of the effect of geothermal flow; 2 – in the pres-

ence of this effect. Legends are as in Fig. 6.

of the volcanic dome, as well as its foothills (see

Fig. 5). However, the conduits of magmatic geotherms

close to the day surface are observed not only on the

four fumarole fields of the Mendeleev volcano, but also

over the entire ellipse of fractures encompassing the

middle and upper altitudinal layers, and cause the phe-

nomenal event on volcano slopes: the abnormally high

temperatures of bedrocks and soil, as well as surface

water.

In general, the inversion high-zonal distribution

of summer soil temperature is beginning to emerge,

with the respective values for floristic phratries and

groups of forest types (see Fig. 6 c and d). Soil temper-

atures usually do not decrease but increase bottom-up

along the altitudinal bioclimatic belts. The coldest soils

are those of plain-piedmont coniferous/broad-leaved

forests (t40 = 10.5–13.50) and the warmest soils (t40 =

16.0–18.00) are those of the mountainous fir/spruce belt

(often up to its upper boundary with the buffer CeSbS

communities). At the same time, the Okhotsk Sea sec-

tor of the Mendeleev landscape is different from the Pa-

cific Ocean sector not only in the higher soil tempera-

tures of the piedmont-plain layer but also in the much

more marked influence of hydrotherms on soil temper-

ature in the lower and middle low-mountain layers of

the volcanic massif (see Figs. 4 and 5). The difference

in temperature anomalies between the Okhotsk Sea and

Pacific Ocean sectors in the lower and middle layers of

low mountains (beginning from the true altitudes of

180–200 m) reaches 3.5–5.00 by their dominants.

The power of geothermal flow is inversely pro-

portional to the area of explosion or the hydrothermal

region as a whole [29]. We have used the formula pre-

sented in this work to calculate the specific power of

the Mendeleev volcano geotherms for the two areals:

(1) the total geotherm area (44.16 km2) outlined with a

300-m isohypse, above which there begin to appear soil

temperature anomalies, and (2) the areas (9.6 km2) of

the ancient caldera as an indicator of the most powerful

manifestation of explosion in the Quaternary period.

The specific power of geothermal flow was 2.84 Wt/m2

in the former case and more than 13 Wt/m2 in the latter

case. Thus, the power of geothermal flow on the vol-

canic landscape area including actually all of its altitu-

dinal layers is nearly 5-fold higher than its average

planetary values, though does not reach the 2% power

of the solar radiation flux. It should be noted that the

power of the Mendeleev landscape geotherm is at a rel-

atively low level along the entire Kuril-Kamchatka vol-

canic arc, and this level seems to correspond to the state

of passively active volcanoes. According to [20], the

power of geothermal flow is in the range of 90–110

mWt/m2 for the Kunashir Island in general and up to

120–150 mWt/m2 only near the Tyatya volcano and on

the western coast of the neighboring Iturup Island

Gas-steam-thermal springs have a certain influ-

ence on the components of the expenditure part of wa-

ter balance of the territory. Piedmont coniferous/broad-

leaved forests are characterized by an increase in the

total evaporation and a more significant decrease in the

runoff and surplus summer productive moisture re-

serves in soil. On the slopes of the volcanic dome, both

in the belt of dark-coniferous forests and in the sub-

goltzy belt, evapotranspiration is kept to the same level,

the runoff increases, and the excessive soil moisture

content is preserved.


4.3. Structural and functional changes in for-

est communities

The energy of gas-steam geothermal reservoirs

has rather contradictory effects on the structural and

functional state of boreal forests of the Mendeleev vol-

canic landscape. Due to geothermal heat flows through

the soil, the coniferous forest enriches oneself by

nemoral species. The floristic diversity of forest stand

increases: mixed buffer communities with broadleaf

east-asiatic species (Quercus crispula, Q. dentate, Acer

tschonoskii, A. japonicum, Magnolia hypoleuca, Ulmus

laciniata,U. propinqua, etc) are widely spread in down

piedmont altitudinal belt with zonal type of boreal dark-

coniferous (spruce/fir) forests. Simultaneously the life-

time of each age generation of basic forest-forming spe-

cies increase, which results in the higher forest density

and living about-ground phitomass increases (Fig. 8 a,

b). The highly productive lower-layer fir/spruce forests

and piedmont coniferous/broad-leaved forests, where

geotherms have the strongest influence on soil temper-

atures, have undergone the greatest structural changes.

The analysis of floristic and geobotanic data for

the South Kuril Islands [42–44] and, in particular, for

the Mendeleev volcano [26, 49] confirms our conclu-

sions. These forests, “…where the conditions of growth

of dark-coniferous species are far from extreme” [26, p.

67; (see Fig. 4)], are characterized by large-stem stands

and park-like appearance (Fig. 9). At the same time,

“the signs of suppression of broad-leaved species at the

upper boundary of their dissemination are absent” [47,

p. 216]. It is also stressed that these forest communities

are saturated with thermophilic subtropical relict spe-

cies: Kalopanax septemlobus (Fig. 10), Taxus cuspi-

date, Magnolia abovata, Ilex crenata, Actinidia co-

lomicta, Skimmia repens, Onoclea sensibitis,

Hydrangea anomala petuiolaris, Toxicodendron orien-

tals.


Figure 8. The correlations of different parameters of autotrophic biogenesis with soil temperature anomalies at

a depth of 30 cm (∆t30)

. The linear regression equations:

Y = a + b∙X; R – correlation coefficient.

Figure 9. The mountain spruce/fir forest in the lower layer of the Mendeleev volcano.

There is a well marked alteration of generations

of the stand.


Fig. 10. Dimorphant (Kalopanax septemlobus) – the "white nut" of the ginseng family.

The relict subtropical species in South Kuril

broadleaf and mixed forests.

Apparently, it was just the geothermal factor

that contributed to the “combined flora”, according to

[45], in the Northwest Pacific, i.e., the combination of

genetically and ecologically heterogeneous elements

into mixed (buffer) communities, followed by the adap-

tive transformation of ecological niches of these ele-

ments. This pendulum process, manifesting itself most

actively in the warm climatic epochs and decaying in

the epochs of cooling, can be considered as an acceler-

ated evolution of original (Holocene) insular ecosys-

tems, as is mentioned in [47]. The major factor of ac-

celeration of this evolution, in our opinion, could be the

deep magma energy of active volcanoes.

The obvious warming effect of gas-steam geo-

therms is also observed in the overlying belts of birch

crooked forest and cedar elfin wood. Spruce forest

stands with viable undergrowth as well as Manchurian

and Japanese species (Japanese yew, wrinkled holly)

are frequent here. In the upper layer with the maximum

soil temperature anomalies (4.0–4.5о on average), the

most complex cedar elfin wood/birch/spruce buffer

communities are well developed.

Thus, the geothermal energy exerts positive in-

fluence on the structure of forest communities of vol-

canic landscape. It does not concern the functional pa-

rameters, first of all, common forest productivity

which, on the contrary, is negatively influenced by gas-

steam geotherms (see Fig. 8 c). The gradient of total

above-ground productivity ∆PL = –(1.47÷2.00) t/ha ∙yr

per 10 increase in t20 of the soil in the mountain dark-

coniferous forests and –1.33 t/ha ∙yr in the lower TA

layer. However, this negative effect is nevertheless an

order of magnitude weaker compared to the positive ef-

fect of solar energy (Table 3).

It should be noted that the PL parameter de-

creases mainly due to the drastically reduced produc-

tion of herbage green mass, making up to 45% and

above 60% of the total above-ground production in co-

niferous/broad-leaved and dark-coniferous forests, re-

spectively. The productivity of ground cover: tall

grasses and Kuril bamboo (Sasa kurilensis), – de-

creases most abruptly (see Fig. 8 d). At the same time,

the production of skeletal and green tree-bushes phyto-

mass increase, although it douse not compensate the

common decrease of forest productivity.

The increase in soil temperature under the con-

ditions of humid climate and highly acidic pyroclastic

rocks causes, according to [42], quite a number of

changes in soil formation processes: the rapid decom-

position of primary mine-


Table 3. The comparison of changes in the total above-ground production (∆PL, tons/ha ∙ yr) of mountain

dark-coniferous forests of the Mendeleev volcano caused by the increase in the mean August air temperature

(a) and the analogous increase in soil temperature at a depth of 20 cm (b).

Parameters

Average August tem-

perature of air

Change of temper-

ature

13.7 14.6 15.2 0.9 1.5

РL

∆ РL

10.5

–

25.0

–

28.6

–

–

+14.5

–

+18.1

a

Parameters

Average soil tempera-

ture on the depth 20 cm

Change of temper-

ature

14.3 15.0 16.2 0.7 1.9

РL

∆ РL

26.2

–

24.8

–

23.4

–

–

–1.55

–

–1.87

b

rals, the higher content of amorphous aluminum

toxic for plants, the weaker removal of organic matter,

and the stepwise increase in mineralization of buried

organic matter (thickness of humus profile decreases

from 50–70 cm to 10–20 cm). The total acceleration of

soil-forming processes in the foci of geotherms leads to

the more intensive transformation of pyroclastic mate-

rials of different age (with the buried humus layers) into

a simpler soil profile, with its secondary differentiation.

As a result, the thickness of the illuvial layer decreases

(from 60–85 cm to 25–40 cm) and the information

measure of soil profile complexity is reduced, which is

indicative of soil "rejuvenation". At the same time, the

soil and groundwater are saturated with nitrogen-car-

bon and carbon-nitrogen vapors and gases, as well as

with hydrogen sulfide and sulfur dioxide gas [27, 43].

These changes are suppressing for the aqueous and

mineral nutrition of plants [14], which may be an addi-

tional factor of reduced forest productivity on volcanic

landscapes.

The functional changes in forest communities

determined by the effects of gas-steam thermal springs

are also represented by a composite index of autotro-

phic biogenesis – the allometric coefficient CA (see

above). The island-arc boreal Neo-Pacific differs from

its intra- and marginal-continental analogs in the lower

general level of values of this coefficient (Fig. 11 a),

which corresponds to the above-mentioned specificity

of its bioclimatic system. Against this back- Figer 8.


Figer 11. The correlations of different parameters of biological cycle with soil temperature anomalies at a depth

of 30 cm (∆t30).

Note: Litter-fall index – the ratio of forest litter

mass to the mass of green substance produced annu-

ally. The rest convention meanings see in the text and

ground, one can clearly see a considerable decrease in

the CA parameter, with the increased soil temperature

anomalies. Consequently, the volcanogenic aridization

of soils causes a certain decrease in the ecological effi-

ciency of production in forest communities. These are

the peculiar features of the ascending branch of the bi-

ological cycle in "climatically unjustified" subboreal

forests of insular volcanic landscape.

The detritus branch of biological cycle in the

South-Kunashir boreal forests is also somehow ex-

posed to geothermal heat. The rise in soil temperature

increases total evaporation and reduces, though negli-

gibly, soil moisture. Against this background, the cool-

est and most humid Pacific Ocean sector, with a com-

paratively low geothermally induced rise of soil

temperatures (∆t30 ≤ 3.50), shows a threefold increase

in total dead phytomass – debris and forest litter (Fig.

11 b). The Okhotsk Sea sector, in any case warmer and

drier, is much more influenced by strong geothermal

flows (∆t30 → 6.5–7.00) intensifying the processes of

decomposition of dead organic matter, resulting in a

noticeable decrease in its total mass.

The forest litter mass (up to 20–30% of total

mortmass) increases under the influence of geotherms

in both sectors of the Mendeleev landscape. It is obvi-

ous that mineralization processes do not manage the

amount of annual tree waste (+ tree waste). Accord-

ingly, the known (see [17]) litter-fall index (see Fig. 11

c) increases too. Thus, the gas-steam geotherms do not

accelerate but slow down the small biological cycle,

stabilizing the state of boreal forest community as a de-

tritus ecosystem, by terminology of [32]. Hence, it is

less probable that forest-covered territories will be

transformed into meadows or invaded by Kuril bamboo

thickets, which is usual for the places of fires and cut-

tings.

As it has already been mentioned, the atmos-

pheric hydrothermal conditions of boreal forests of the

Mendeleev volcanic landscape do not correspond to the

climatic norms typical of their marginal-continental an-

alogs. One of the causes of sustained existence and de-

velopment of these climatically unjustified forest com-

munities seems to be the positive compensatory

influence of thermoedaphotopes exposed to rather pow-

erful influence of magmatic geotherms. The calcula-

tions of virtual (climatically determined) soil tempera-

ture at the depths of 30, 40, 50, and 70 cm, as well as

the equivalent mean August air temperature (see


above), have revealed a rather great measure of influ-

ence of gas-steam geotherms on the heat-energy level

of the Mendeleev volcanic landscape. This measure

reaches the maximum (4.6–4.80, an increase from 14.3–

14.90 to 19.0–19.70) in the belt of mountain dark-conif-

erous forests and in the band of their transition to stone

birch crooked forest with the maximum activity of ge-

otherms. In the foothills of the volcano and on the pied-

mont plains, where geothermal effects are weaker, the

equivalent temperatures are lower, though the temper-

ature increases by more than 30.

Thus, one can state that forest communities of

the Mendeleev volcanic landscape have been formed

and function under the same heat-and-energy condi-

tions as their marginal-continental analogs. Being sup-

plied with more geothermal heat, they reach their zonal

and altitudinal-zonal hydrothermal norm. The active

volcano compensates for climatic resource deficiency,

providing stable operation and structural design of

these “climatically unjustified” island-arc ecosystems.

The Mendeleev volcano is not the only example

of effective geothermal influence on the soil-plant

cover of an island-arc landscape. The even brighter for-

est-forming example is the active Tyatya volcano in the

extreme northeast of the Kunashir Island. Here, in the

sea of dark-coniferous forests in the southwest foothill

of the volcano with hot spring outputs [19], there is a

large areal of fern/moss lianoid fir/spruce forests [20]

with nemoral elements (oak) and even subtropical rel-

icts (Kalopanax septemlobus, Magnolia abovata,

Taxus cuspidata). This “small island” of thermophilic

nemoral-boreal vegetation caused by the local warming

influence of modern geotherms of the Tyatya volcano

and, partially, the neighboring passive Ruruy volcano,

is quite similar to the forest cover of far-away piedmont

plains of the southwestern part of the island (the sur-

roundings of the Mendeleev volcano and the Golovnin

caldera), though, according to [20, 22], it is separated

from this part by high-rank bioclimatic and geobotanic

borders.

The analogous extrazonal forest communities

are also observed in the central part of the more north-

ern Iturup Island. Here, the zonal types of vegetation

are stone birch (Betula ermanii) forests and crooked

forests (herbaceous, elfin wood and bamboo). The

piedmont fir/spruce (Picea yezoensis, Abies sacha-

linensis) forests, with stone birch and bamboo, adjoin

the warmer Okhotsk Sea coast only in the extreme

southwestern part of the island [20].

Against this background, the central broader

part of the island is an evident floro-phytocoenotic

anomaly. Here, the Grozny Ridge with a chain of active

volcanoes runs along the southeastern coast. Fumarole

fields, mud pools and boiling rivers are widespread on

the northwestern slopes and at the foot of the ridge.

Xerophilic larch (Larix kurilensis) forests with stone

birch and oak (Quercus crispula), with bamboo and ce-

dar elfin wood here and there, are widespread here. On

volcano slopes, there is a sharp transition from sub-

goltsy elfin-wood/bamboo thicket and crooked birch

forests to the belt of these apparently xero-thermophilic

mountain forests.

5. CONCLUSION

In the Neo-Pacific sector of the Pacific Ocean

mega ecotone of Northern Eurasia, the geothermal fac-

tor has a positive effect on the floro- and phytocoenotic

structure of insular natural complexes and makes a cer-

tain contribution to the heat-and-energy basis of their

formation and development, which is a phenomenon of

the primary subaerial landscape genesis. The geother-

mal heating of edaphotopes on the slopes and near the

foothills of volcanoes of the Kuril Range is not an ex-

ceptional but mass phenomenon in the hydrothermal re-

gime of forest island-arc ecosystems. Gas-steam flows

existing in the bodies of even ancient (badly destroyed)

eruptive cones and being widespread in the Northwest

sub-Pacific, have had substantial influence on the ther-

moedaphic conditions of forest growth throughout the

entire Pleistocene history and maintain these conditions

at present. This influence promotes the sustained devel-

opment of near-volcano boreal forest communities ac-

companied by their enrichment with subboreal species

and subtropical relicts and certain reduction of their

functional parameters (green mass productivity and bi-

ological cycle).

The volcanic island-arc landscapes of Neo-Pa-

cific, which are in the sphere of influence of under-

ground gas-steam-thermal springs and solfataras, be-

come a kind of a cradle for buffer forest communities

(on the South Kuril Islands, these are Manchurian-

Okhotsk and Okhotsk-Kamchatka-Beringian). The lat-

ter are characterized by further development and more

complex spatial differentiation when the territory

changes from the insular state of Neo-Pacific, accord-

ing to V.B. Sochava, to the marginal-continental state

(sub-Pacific), with the generally weakened oceanicity

of the climate and the complicated mountain-valley re-

lief. This stage of geological history of the Pacific

Ocean mega ecotone of Northern Eurasia has been con-

sidered by the example of the Lower Priamurye (see

[18]).

6. REFERENCES

1. Abramov AA, Gilichinsky DA (2008)

Geokriologicheskie usloviya rayona Klyuchevskoy

gruppy vulkanov (Kamchatka). Kriosphera zemli XII

1: 29–40 (in Russian).

2. Allen DM (1974) The relationship between

variable selection and data augmentation and a method

for prediction. Technometrics 16: 125–127.

3. Bazilevich NI, Grebenshchikov OS, Tishkov

AA (1986) Geographicheskie zakonomernosti

struktury i funktsionirovaniya ecosystem. Moskva:

Nauka (in Russian).

4. Braitseva OA, Melekestsev IV, Erlikh EN

(1974) Noveyshaya vulkanicheskaya deyatelynosty,

Kamchatka, Kurilyskie i Komandorskie ostrova. IV

Luchitsky, Ed, Istorya razvitiya relyefa Sibiri i

Dalynego Vostoka, Moskva: Nauka: 369–394 (in Rus-

sian).

5. Connor CB, Lichtner PC, Conway FM, et al.

(1977) Cooling of an igneous dike 20 yr after intrusion.

Geology 25: 711–714.

6. Dimo VN (1967) Raschetny metod opredele-

niya temperatury pochvy. Byulleteny Pochvennogo in-

stitute im. V.V. Dokuchaeva 1: 88–99 (in Russian).


7. Droznin VA, Dubrovskaya IK, Kiryukhin AV

(2004) Diagnostika geotermalynogo rezervuara

Avachinskogo vulkana po fumarolynoy aktivnosti i

seysmologicheskim dannym. Vzaimosvyasy mezhdu

nektonikoy, seysmich-nostyu, magmoobrazovaniem i

izverzheniyami vulkanov v vulkanicheskih dugah, Pen-

ropavlovsk-Kamchatsky: 37–39 (in Russian).

8. Ganzey KS (2014) Razvitie ostrovnyh geo-

sistem pod vliyaniem vulkanizma (na primere os-

trovov-vulkanov Kurilyskoy gugi). Voprosy ge-

ogrephii, 138, Moskva: “Kodex”: 295–309.

9. Gorshkov GS (1958) Deystvuyushchie vul-

kany Kurilyskoy dugi. Trudy Laboratorii vulkanologii,

13, Moskva: Izd-vo AN SSSR: 5–70 (in Russian).

10. Gorshkov GS (1967) Vulkanizm Kury-

lyskoy ostrovnoy dug, Moskva: Nauka (in Russian).

11. Grishin SYu (2003) Krupneyshie izver-

zheniya XX veka na Kamchatke i Kurilyskih ostrovah

i ikh vliyanie na rastitelynosty. Izvestiya RGO 135, 3:

19–28 (in Russian).

12. Haggett P (1975). Geography: A Modern

Synthesis. Second Edition. New York, London: Harper

Internat. Edition.

13. Hutchinson MF (2004). Anusplin, Version

4.3, Centre for Resource and Environmental Studies,

Canberra, Australia: The Australian National Univer-

sity.

14. Kabata-Pendias A, Pendias H (1986). Trace

elements in soil and plants, Boca Raton, Florida, USA:

CRC Press, Inc. Forth Printing.

15. Kolomyts EG (1987) Landshaftnye issledo-

vaniya v perekhodnyh zonah, Moskva: Nauka (in Rus-

sian).

16. Kolomyts EG (2008). Lokalnye mekhan-

izmy globalnykh izmeneniy prirodnykh ekosistem (Lo-

cal Mechanisms of Global Changes in Natural Ecosys-

tems), Moscow: Nauka (in Russian, Abstract in

English: 374–380).

17. Kolomyts EG (2015). Buffer boreal forests

as an evolutionary phenomena on the Pacific Ocean

mega ecotone of northern Eurasia. Journal of Global

Ecology and Environment 2 [Issue 2]: 90–115.

18. Kolomyts E (2015). Pacific ocean mega eco-

tone of northern Eurasia, Part I, Evolutionary ecology

of Boreal Forests, Raleigh, North Carolina, USA: Lulu

Press, Inc. (in Russian, Abstract in English: 222–225).

19. Korsunskaya GV (1958) Kurilyskaya os-

trovnaya duga (phiziko-geographichesky ocherk),

Mocklva: Geographgiz (in Russian).

20. Kotlyakov VM, Baklanov PYa,

Komedchikov NN, Eds. (2009). Atlas Kurilyskih os-

trovov, Moskva–Vladivostok: IPTS “DIK” (in Rus-

sian).

21. Kozlov DN, Zharikov RV (2012) Teplov-

izionnaya syomka aktivnyh vulkanov Kurilyskih os-

trovov v 2009–2011 gg. Vestnik KRAUNTS, Nauki o

Zemle, 1, 19: 1–7 (in Russian).

22. Krestov PV (2006) Rastitelyny pokrov i phi-

togeographicheskie linii Severnoy Patsifiki, Vladivos-

tok: Biologo-pochvenny institut DVO RAN (in Rus-

sian).

23. Lashkov AN (1948) K morphologii pochv

Yuzhnyh Kurilyskih ostrovov, Izvestiys VGO 80, 1:

61–68 (in Russian).

24. Letnikov PhA (2000) Phlyuidny rezhim en-

dogennyh protsessov v kontinentalynoy lithosphere i

problemy metallogenii. In DV Rundkvist, Ed., Prob-

lemy globalynoy geodinamiki, Moskva: GEOS: 204–

224 (in Russian).

25. Manyko YuI (1974) Vliyanie sovremennogo

vulkanizma na rastitelynosty Kamchatki i Kurilyskih

ostrovbov. Komarovskie chteniya, XXII: 5–31 (in Rus-

sian).

26. Manyko YuI, Rozenberg VA 919700

Vysotnaya poyasnosty rastitelynosti na vulkane Men-

deleeva. Bioljgicheskie Resursy o-va Sakhalin i Ku-

rilyskih ostrovov, Vladivostok: Biologo-pochv. institut

DVNTS AN SSSR: 65–71 (in Russian).

27. Markhinin EK (1980) Vulkany i zhizny

(Problemy biovulkanologii), Moskva: Mysly (in Rus-

sian).

28. Markov KK, Ed. (1980) Phizicheskaya ge-

ographiya Mirovogo Okeana, Moskva: Nauka (in Rus-

sian).

29. Masurenkov YuP 91991) Zakonomernosti

gipsometricheskogo i lateraslynogo raspredeleniya

geystvuyushchih vulkanov, In SA Phedotov, YuP Ma-

surenkov, Eds. Deystvuyushchie vulkany Kamchatki,

1. Moskva: Nauka; 46–57 (in Russian).

30. Molchanov AA (1961) Les i klimat, Mos-

kva: Izd-vo AN SSS (in Russian).

31. Nikolyskaya VV, Khomentovsky AS, Eds.

(1967). Yuzhnaya chasty Dalynego Vostoka, Moskva:

Izd-vo AN SSSR (in Russian).

32. Odum EuP (1971). Fundamentals of Ecol-

ogy. Third edition. Philadelphia–London–Toromto:

W.B. Saunders Company.

33. Perelman AI (1975). Geokhimiya land-

shaphtov. Moskva: Vysshaya shkola (in Russian).

34. Pietsch1 TW, Bogatov VV, Amaoka K, et

al. (2003). Biodiversity and biogeography of the islands

of the Kuril Archipelago. Journ. of Biogeogr. 30: 1297–

1310.

35. Popov NA (1963). Lesa Yuzhnyh Kurilyskih

ostrovov i perspektivy ikh ispolyzovaniya. Trudy kon-

ferentsii. Krasnoyarsk: In-t lesa i drevesiny SO AN

SSSR; 59–69 (in Russian).

36. Protopopov VV (1975) Sredoobrazuyush-

chaya roly temnokhvoinogo lesa, Novosibirsk: Nauka

(in Russian).

37. Razzhigaeva NG, Ganzey LA, Belyanina

NI, et al. (2013) Roly klimaticheskogo i

vulkangennogo faktorov v formirovanii i razvitii

landshaftov o. Simushir (Tsentralynye Kurily), v

srednem-pozdnem golotsene. Tikhookeanskaya ge-

ologiya, 32, 3: 55–76 (in Russian).

38. Rozen R (1969). Printsip optimalnosti v bi-

ologii. M., Mir (in Russian).

39. Safonov YuG, Znamensky VS, Prokh-

visneva EA at al.(1998). Rasprostranen-nosty, sostav i

usloviya sovremennyh term Baykalo-Zharskoy i Ku-


rilo-Kamchatskoy ostrovoduzhnyh oblastey. In Glob-

alynye izmeneniya prirodnoy sredy. Novosibirsk: Izd-

vo SO RAN NITS OIGGM: 177–190 (in Russian).

40. Shary PA, Sharaya LS, Mitusov AV (2002).

Fundamental quantitative methods of land surface anal-

ysis. Geoderma 107, 1–2: 1–32.

41. Sochava VB, Bayborodin VN, Eds. (1977).

Korrelyatsionnaya ekologo-phitotsenoticheskaya karta

Aziatskoy Rossii, M-b 1:7500000, Irkutsk: In-t ge-

ographii Sibiri i Dalynego Vostoka SO AN SSSR (in

Russian).

42. Sokolov IA (1973). Vulkanizm i

pochvoobrazovanie, Moskva: Mysly (in Russian).

43. Sugrobov VM, Yanovsky PhA (1991) Geon-

ermicheskoe pole Kamchatki, vynos tepla vulkanami i

gidrotermami. In SA Phedotov YuP Masurenkov, Eds.

Deystvuyushchie vulkany Kamchatki, 1. Moskva:

Nauka; 58–66 (in Russian).

44. Tarankov VI (1974) Mikriclimat lesov Yu-

zhnogo Primorya, Novosibirsk: Nauka (in Russian).

45. Urusov VM (1988) Genezis rastitelynosti i

ratsionalynoe prirodopolyzov-anie na Dalynem

Vostoke, Vladivostot: TIG DVNTS AN SSSR (in Rus-

sian).

46. Urusov VM (1993) Struktura raznoobraziya

i proiskhozhdenie phlory i rastitelynosti yuga Dalynego

Vostoka, Vladivostok: TIG DVO RAN (in Russian).

47. Urusov VM, Chipizubova MN (2008). Ob-

shchie zakonomernosti geographicheskogo raspredele-

niya formatsy i tipov rastitelynosti, Genezis rastitelyno-

sti. In SS Gasnzey, Ed., Geosistemy Dalynego vostoka

na rubezhe XX–XXI vekov, I, Prirodnye geosistemy i

ikh komponenty, Vladivostok: Dalynauka: 203–220 (in

Russian).

48. Urusov VM, Lurye LS (1980). O vysotnyh

poyasah rastitelynosty i formatsionnyh reliktah v Pri-

morye v svyazi s izmeneniyami klimata. Bot. zhurnal

65, 2: 185–197 (in Russian).

49. Vasilyev NG, Rozenberg VA (1977)

Vysotnye predely rasprostraneniya drevesnoy ras-

titelynosti na Kurilyskih ostovah. Problemy botaniki

XIII.Baku: ”ELM”: 69–77 (in Russian).

50. Vyatkina MP, Gimelbrat DE, Golovneva

LB, et al. (2014) Rastitelny pokrov vulkanicheskih

plato Tsentralynoy Kamchatki (Klyuchevskaya gruppa

vulkanov), Moskva: KMK (in Russian).

51. Zhuchkova VK, Zonov YuB, Goryachenkov

VA (1973) Metodicheskie priyomy landchaftnyh issle-

dovany vulkanicheskih rayonov Kamchatki. In NA

Solntsev, Ed., Landshaftny sbornik, Moskva: Izd-vo

MGU: 117–137 (in Russian).

52. Zlobin TK, Abdurakhmanov LI, Zlobina

LM (1997). Glubinnye seysmicheskie issledovaniya

vulkana Mendeleeva na Yuzhnyh Kurilah.

Tikhookeanskaya geologiya 16, 4:. 79–87 (in Russian).

Leonov Valeriy Ye., D. Sc.,

Professor,

Yermolenko Yaroslav V., Senior Lecturer, Captain

Kherson State Maritime Academy, Ukraine

RESEARCH AND DEVELOPMENT EFFECTIVE METHODS OF CLEANING

AND DISINFECTION OF BALLAST WATER

Abstract

The article describes the ecological and economic problem of the transfer of foreign organisms with ballast

water used in the shipping industry, that lead to the transfer of infections, pathogens, destruction of marine eco-

systems, reduction in seafood production.

The analysis of the scientific and technical works on the protection of the marine environment from biolog-

ical invasion by the ballast water. Basing on their own research work the authors of this article have developed a

fundamentally-new, economically sound way to neutralize the ballast water from foreign organisms.

Keywords: ballast water, foreign organisms, shipping, marine invasion, sediment, stability, damage, eco-

systems, treatment, neutralization, the International Maritime Organization (IMO).

Formulation of the problem

The share of maritime transport accounts for

over 80% of the world's transportation, in which the

ballast water is transferred annually across the globe.

Ballast water is indispensable for the safe and

efficient operation of modern maritime transport, en-

suring the stability of vessels sailing empty and load.

However, ballast water pose a serious threat to

both the environment and the economy and to human

health, marine flora and fauna [1, p.3-7].

For the first time the concept of "biological, ma-

rine invasion" appeared when, in 1988, Canada in-

formed the Committee on the Protection of the Marine

Environment of the IMO that in the Great Lakes there

were found marine organisms, unusual for this ecosys-

tem.

Transfer of alien marine organisms to new envi-

ronmental conditions for them with ship ballast water

is defined by the Global Environment Facility as one of

the most significant threats to the World Ocean.

• Analysis of recent research and publica-

tions. Over the past decades, due to the rapid develop-

ment of shipping, the cases of resettlement of living or-

ganisms via ships in the most diverse areas of the World

Ocean became more often. The transfer of alien organ-

isms can be carried out by vessels from its ballast water

and sediments.


According to the International Maritime Organ-

ization's annual global turnover of ballast water is about

12 billion tons.

The number of species, daily transported with

ballast water exceeds 7000. Many of aquatic organ-

isms, not only survive in the ballast water, but also suc-

cessfully adapt to the new conditions in ports and adja-

cent waters when dumping the ballast.

The number of naturalized species increases

dramatically, which leads to irreversible consequences.

Each ship carrying and dumping the ballast water, can

be considered as a source of potential danger: 90%

of cholera disease is caused by the transfer of ballast

water.

Invasion of alien species from ships has already

led to many economic losses and damaging effects on

the environment and on the health of the coastal popu-

lation.

The settlement of the North American comb

jelly Mnemiopsis leidyi in the Black Sea in the early

80-ies of the XX century has led to a decrease in the

anchovy stocks, economic loss.

The settlement of t mollusk Dreissena polymor-

pha from the Dnieper-Bug estuary in the US Great

Lakes in the early 90s led to economic losses due to

fouling of the cooling systems of industrial enterprises.

All marine culture industry in New Zealand, oc-

cupied by breeding of shellfish and pagurian, was

closed because of the toxic microalgae, dinoflagellates

that they consume and that cause poisoning of humans.

In 1992, the United Nations Environment Con-

ference recognized this problem as a serious interna-

tional problem, and the IMO in 1997, passed a resolu-

tion two of its committees: the Committee on Maritime

Safety and the Committee on the Protection of the Ma-

rine Environment - "Guidance on safety aspects relat-

ing to ballast water exchange operations at sea". Circu-

lar letter is not binding, it is more of an informative

character. Therefore, in the same 1997 it was adopted

by IMO Resolution A.868 (20) "Guidelines for the con-

trol and management of ballast water on ships in order

to minimize the transfer of harmful aquatic organisms

and pathogens", and in 2004 the IMO adopted the text

of the "International Convention on the control of bal-

last water and sediments of ships and their manage-

ment". The Convention requires all commercial vessels

with a gross tonnage of 400 and more to perform certain

basic requirements that ensure discharge of ballast wa-

ter at minimal risk of harm to the environment and hu-

man health due to the transfer of harmful phytoplankton

and bioorganisms. According to the Convention, on the

vessel must be the water ballast management plan,

which outlines the basic procedures related to the man-

agement, removal of sediment in the sea, in the port or

dry dock, the control procedures for the coordination of

ballast water by the authorities of the coastal State or

port, in the waters of which there are carried out such

actions. On the vessel must be kept the ballast water

record book and the ship and its equipment shall be sub-

ject to appropriate ballast periodic surveys to obtain in-

ternational certificate of management of ballast water.

According to the requirements of the Interna-

tional Convention for the Suppression of Pollution

from Ships MARPOL-73/78 [2, p.150-157] regarding

the control and management of ballast water and sedi-

ments, each vessel must have on board prepared by the

" Ballast Water Management Plan”, as well as it must

have and maintain a record of registration of ballast wa-

ter. Regulation B-4 of MARPOL-73/78 recommends to

produce the replacement of ballast water no closer than

200 nautical miles from the shore at a depth of 200 m,

the United States and Canada - require a depth of at

least 2000 m. Brazil requires before discharge to make

processing of ballast water on the vessel by the chemi-

cals based on chlorine.

Currently, the International Maritime Organiza-

tion has prepared the Annex VII-73/78to MARPOL,

which relates to the issue of safe management of ballast

water on board the ship.

A new standard for the safe management of bal-

last water is proposed.

Standard D-2 of the International Maritime Or-

ganization stipulates the discharge of ballast water,

which must meet the following requirements:

<10 viable organisms of the size of ≥ 50 μm in

1 m3;

<10 viable organisms of the size of <50 μm and

≥ 10 μm in 1 ml;

Indicator bacteria:

- Vibrio cholerae - <1 colony forming unit in

100 ml or 1 g of zooplankton;

- E. coli - <250 colony forming units in 100 ml;

- Intestinal pneumatosis - <100 CFU in 100 ml.

The existing now ballast control methods can be

divided into three categories:

1) consistent and instantaneous ways to replace;

2) processing on board: mechanical, physical,

chemical, combination [3, p.124-136, 4, p.326-330, 5,

p.95-97];

3) isolation.

Each of these methods has its positive and neg-

ative sides, and in the future, experts suggest to provide

ballast discharge into shore or floating containers with

their subsequent processing.

When changing theballast water at sea, it may

cause hazardous situations involving violations of the

vessel's stability or the occurrence of excessive stresses

in the structural elements of the body. Therefore, these

operations must be carried out only in accordance with

the recommendations of the relevant classification so-

ciety, subject to certain conditions in relation to

weather, water depth, salinity.

Ballast water discharge into the marine environ-

ment is potentially dangerous, and the severity of this

problem is reflected in the UN Law of the Sea Conven-

tion, 1982, Article 196 of which recommends "to take

measures to prevent and control pollution of the marine

environment resulting from the intentional or acci-

dental introduction of organisms, alien or new for the

marine environment, which may cause significant and

harmful changes. "

As a result of the analysis and synthesis of sci-

entific, technical and patent materials we can sort out

the following methods for the Ballast Water Treatment

(BWT) - and to neutralize them:

1. High-temperature destruction.


2. Ultraviolet treatment BWT.

3. Treatment of chlorine-containing com-

pounds.

4. Ultrasonic treatment BWT.

5. Biological treatment BWT.

6. Physical-chemical treatment BWT.

7. Combined treatment BWT.

8. The use of inert gases at BWT processing.

However, the above methods have significant

drawbacks:

* Low efficiency, high investment and energy

costs (par.1, 8).

* Re-contamination of the ballast water (par. 3,

5).

* Adverse effects on the crew (par. 2, 4).

* Low specific methods of performance (par. 1-

5, 8)

* The requirement for large working areas of

production and the formation of the aside connections

(par. 3,5, 8).

Currently are proposed the technologies of pro-

cessing and neutralization of ballast water.

The company «Auramarine Crystal Ballast»

(UK) developed the process of cleaning and disinfec-

tion of ballast water, comprising two stages :

1) removal of suspended solids (sediment);

2) UV disinfection (UVR).

Performance installation on ballast water is -

250 ÷ 3000 m3 / h, power consumption, min / max, -

20/38 ÷ 240/462 (kW).

Table 1 summarizes the characteristics of vari-

ous methods of decontamination of ballast water.

Table 1. Characterization methods of disposal of ballast water

From the data given in Table 1, it follows that

greater efficiency, lower economic costs and a high in-

dex of environmental safety has the ultraviolet treat-

ment process.

The legal basis for the implementation of the

control of ships in ports is set out in the conventions of

the International Maritime Organization and the Inter-

national Labour Organisation (ILO), SOLAS-74,

STCW-78, MARPOL 73/78, the International Conven-

tion on Load Lines, the International Convention on

Tonnage Measurement of Ships, ILO Convention

Number 147.

Unresolved problems

On the basis of the performed analysis of tech-

nical and patent literature on the treatment of ballast

water - BWT – it is necessary to sort out the following

unresolved issues:

1. Low selectivity in the decontamination of

ballast water by the used physical initiators and chemi-

cal reagents.

2. Poor performance of ballast water neutrali-

zation.

3. The high cost of semi-variable and semi-

fixed components of the economic indicators of the

proposed decontamination technologies.

4. High investments, cost price, low profitabil-

ity of the process of neutralization of ballast water.

5. Lack of technical solutions for the optimal

implementation of the process of neutralization of bal-

last water directly on the board.

• The purpose of the article

To develop and recommend to the practical im-

plementation on ships of the ballast water treatment

methods, that can allow to solve the following main

problems:

1. To reduce and / or eliminate the "marine bio-

logical invasion" with ballast water.

2. To create an economically viable and envi-

ronmentally sound BWT technology on ships.

3. To reduce energy and material costs in pro-

cessing BWT.

4. To develop a simple and safe BWT technol-

ogy related to the conditions of maritime transportation

in the performance of regular voyage.

5. To suggest the developed methods of BWT

for the practical implementation by the Marine Envi-

ronmental Protection Committee (MEPC), the Com-

mittee on International Scientific and Technical Coop-

eration of the International Maritime Organization.

• Presentation of the basic material

Research and development work carried out by

us include three main directions that are different from

the known scientific, technical and patent materials,

namely:

1. Implementation of ballastless maritime logis-

tics transportations, which will eliminate the proce-

dures of marine systems ballasting-deballasting and

thus eliminate "the marine invasion."

2. Development of the technologies of decon-

tamination of ballast water on board of the vessel that


meet the requirements of resource conservation, eco-

nomic efficiency and environmental safety.

3. The development of effective neutralizers of

alien organisms in ballast water, that do not lead to re-

contamination of seawater and do not pose a danger to

the crew.

Currently, a large amount of ballast is trans-

ported by tankers from European ports to the Persian

Gulf, where there is a significant shortage of fresh wa-

ter. In Saudi Arabia, are used softeners, are developed

projects of towing of icebergs from Antarctica to this

area, and at this time a large carrying capacity of tank-

ers coming to the area is not being used.

Technically, it is feasible to fill the ballast tanks

with fresh water and deliver it as a commercial cargo,

and after its discharge to take on board the oil. For col-

lecting of fresh water in the loading and unloading

ports, it is expedient to use floating tanks, which have

a high mobility.

Stocks of natural fresh water are characterized

by an index of deficit of the natural fresh water, which

is defined by the formula:

rFresh Wate of Reserves

nConsumptior Fresh WateD

According to some Gulf of Persian countries in-

dex of deficiency "D" of natural fresh water has the fol-

lowing characteristics:

Saudi Arabia – 7

United Arab Emirates – 15

Kuwait - 20, from which it follows that the

greatest deficit of natural fresh water falls on Kuwait

and the UAE.

The deficit of fresh water is replenished by the

water resources obtained from a complex and expen-

sive technology of desalination of sea water of the Per-

sian Gulf.

The quality thus obtained fresh water meets the

requirements for technical water.

Persian Gulf region is a world leader in the ex-

traction and export of Crude oil, million barrels per

day.:

Saudi Arabia * - 8.19

Iran - 3.70

Iraq - 2.40

UAE - 2.31

Kuwait - 2.30

*) Note: The data for 2013.

Of the African countries in Nigeria, there is an

acute shortage of natural fresh water: D>10.

Oil production in Nigeria - 2.06 million barrels

per day..

With respect to the tanker fleet it is developed a

technology of loading the cargo tanks by the natural

fresh water, the cargo system is shown in Figure 1.

1 - longitudinal, 2 - transverse bulkheads; 3 - foster processes of the suction line; 4 - clinkers; 5 - Jumper; 6 -

pipelines of the suction line; 7 - Receiver discharge line; 8 - filters; 9 - risers, 10 - pipelines discharge line; 11 -

vertical tubes; 12 - pumps; 13 - ballast piping; 14 - Kingston.

Figure 1 - Tanker Cargo System.


To improve efficiency, the energy efficiency of

the vessel [6, p.171] it is proposed to carry out practi-

cally ballastless voyages. As an example: from the

UAE in the tanker ship the oil is transported to Europe,

USA, Japan, China and on the return voyage to the

UAE the tanker is loaded by natural fresh water. Ac-

cording to the technology, given in works [3, p.137-

147, 4, p.337-340], oil-conisting water is cleaned of hy-

drocarbons, as a result we get the water for the house-

hold (Figure 2) or drinking purposes (Figure .3) [7].

Figure 2. Purifying of natural fresh water from the cargo tanks of an oil tanker for household and drinking pur-

poses.

Figure 3. Cleaning of natural fresh water from isolated ballast tanks for getting water for drinking purposes.


On the basis of completed research and devel-

opment work it is offered to the practical implementa-

tion of the ballast water treatment and processing tech-

nology, comprising the steps of ballast water treatment

[8, p. 3]:

1. Physical cleaning of ballast water from sus-

pended solids in the discharge port, achieved degree of

purification from suspended solids α ≥ 99,99%, the di-

ameter of the sedimentation of remaining suspended

solids d ≤ 5 μm.

2. Preparation of an effective reactant of decon-

tamination of ballast water by means of heterogene-

ously - catalytic «red-oxi» - processes of gases.

3. Heterogeneously - catalytic treatment of bal-

last water in the "soft" temperatures.

4. Finishing UV treatment of ballast water en-

suring the required level of safety quality in terms of

ballast water - Chemical Oxygen Consumption (COC),

Biological Oxygen Demand (BOD5 ), coli index.

5. Fine filtration of neutralized ballast water.

Step (1) is performed in onshore treatment

plants during the discharge of the vessel, steps (2-5) -

directly on board during the voyage. Schematic dia-

gram of the cleaning and disinfection of ballast water is

shown in Figure 4.

In the work [9, p. 121] are formulated the re-

quirements for catalysts [K1,2] used in the reaction ap-

paratus (5, 6). Suspended solids after the first purifica-

tion stage (10) get to a ball mill (11), after which

suspended particulate matter is transmitted as a nutrient

medium to the fields for conversion into gummus. Bal-

last water is treated directly on the board according to

the steps (2-5) and it is obtained purified disinfected

ballast water that upon arrival at a port is sent to the

shore or a floating capacitance for subsequent commer-

cial implementation as for empty ballast water of ships

or other purposes .

Patent [10, p.5] proposed an effective destructor

of alien organisms contained in ships' ballast water. The

degree of neutralization of ballast water is 99.99%. The

high selectivity of the process, the rate of neutralization

in conjunction with the low price of the new destructor

and accessibility creates a high enough basis for its

practical implementation on the ships of the Navy.

Figure 4. Schematic diagram of the cleaning and disinfection of ballast water [8]


• Conclusions and Offers

Thus, it was performed the analysis of the im-

pact of ballast water on the change of the state of the

quality of the marine environment, ecological imbal-

ance and the resulting change in the quality and com-

position of the bio-phyto plankton. Based on scientific

research and experimental work are developed tech-

nical proposals for the treatment and disinfection of

ballast water that meet the quality requirements of the

International Maritime Organization.

As a result, in order to implement on the ships

of the Navy the decontamination methods of ballast wa-

ter it is proposed the following:

1. Under the auspices of the IMO to test decon-

tamination processes in ballast waters allocated for

these purposes the ship.

2. Expert group of IMO to choose the most effi-

cient, simple, stable and inexpensive ways of decon-

tamination of ballast water in ships.

3. Develop a feasibility report of rge selected

methods of decontamination of ballast water according

to the point 2 in order to select the most appropriate,

cost-effective and environmentally sound.

4. Develop project documentation for decon-

tamination of ballast water technology applied to the

conditions of maritime transport, coordinate and ap-

prove it by the special Committees of IMO.

5. To complement the ship with the necessary

equipment, means of monitoring, and management

tools, to test and train the ballast water neutralization

technology in real conditions of sea transport.

References 1. Aladin N.V., Plotnikov I.S., Smurov S.A.

Ballast water is a serious problem requiring solutions.

Proceedings of abstracts Clean Baltic Sea Shipping

Russian Seminar I, 17-18 October 2012, Malmö, Trol-

leborg, Sweden.

2. International Convention for the Prevention

of Pollution from Ships, MARPOL 73/78, - London

(UK): IMO. 2010 .-- 488p.

3. Leonov, V.Ye. , Shirts V.G., Ben

A.P.Teкhnologіya Ochishennia stіchnih Vod s Metoyu

Zahistu Gіdrosferi: monograph. For redaktsіeyu D.Sc.,

Professor Lєonov V.Ye. -Kherson: PP Vishemirsky

V.S. 2008-152 p.

4. Dmitriev V.I., Leonov V.Ye., Khimich P.G.

Khodakovsky V.F., Kulikova L.B. Ensuring the safety

of navigation and prevention of pollution. Monograph.

Edited by Professor V.I. Dmitriev, Professor V.Ye. Le-

onov.-Kherson State Maritime Academy -- State Uni-

versity of Maritime and River Fleet Admiral name S.O.

Makarov. Kherson: VC HDMA. 2012.-397р. with:.

Rus.yaz.

5. Leonov V.Ye., Solyakov O.V., Khimich P.G.,

Khodakovsky V.F. Ensuring environmental safety of

navigation .: Monograph. Edited by Professor V.

Ye.Leonov .-- Kherson State Maritime Academy --

State University of Maritime and River Fleet Admiral

name S.O. Makarov. Kherson: VC HDMA. 2014.-188

р.with:. Rus.yaz.

6. Leonov V. Ye., Loshkarev A.G. An effective

ecological and economic delivery technology natural

fresh water ballast instead of sea transport. Zbіrka Sci-

ences. Prace Mіzhn. Naukova-practical. Conf. MINTT-

2012. Kherson: VC HDMІ. 2012-Vol II. P. 169-171.

7. Leonov, V. Ye. Problems of safe navigation

and protection of the marine environment: the ballast

water and their treatment. Modern Problems of Hydro-

biology. Prospects, ways and methods of making. Pro-

ceedings of the III International Scientific Conference.

Kherson: PP Vishemirsky V.S. 2012.-р. 16-22.

8. Lеonov V. Ye ., Yermolenko Yа.V. Sposіb

zneshkodzhennya ballast water Patent of Ukraine on

korisnu model №85579.25.11.2013. Bull. №22.

9. Leonov V. Ye. Sanitary cleaning of exhaust

gases of marine power plants. Science News HDMІ.

Naukova zhurnal.- Kherson: VC HDMA. 2014 - p.119-

123.

10. Lеonov V. Ye., Yermolenko Ya.V. Sposіb

zneshkodzhennya ballast water sudnovih. Patent of

Ukraine on korisnu model №99354. 05.25.2015. Bull.

№10.


Polyakova E.V.

PhD (Geological and Mineralogical Sciences), Leading Researcher

Federal Center for Integrated Arctic Research RAS, Arkhangelsk, Russia

Myrtseva E.A.

Aspirant, Junior Researcher

Federal Center for Integrated Arctic Research RAS, Arkhangelsk, Russia

SOME FEATURES OF CHEMICAL COMPOSITION OF THE

GROUNDWATER IN THE NORTHERN PART OF THE RUSSIAN PLATE

ANNOTATION

In the North, a lot of factors that negatively affect human health. One such factor is the use of substandard

water. The quality of underground drinking water because of the specific situation of the environment is mainly

determined by their chemical composition. Therefore, it is important to study the mineral composition of fresh

groundwater to determine the causes of the biogeochemical nature of the disease. This problem has been studied

extensively by scientists all over the world [1-10].

In this article, the authors analyzed the chemical composition of fresh groundwater in the northern part of

the Russian Plate. Identified excess standardized elements such as strontium, iron, calcium, magnesium. Display-

ing their effect on the human body. So, strontium in drinking water may cause endemic Urovskaya, iron metabolic

disorder is up to the development of cancer, calcium and magnesium can cause the development of cardiovascular

disease, including hypertension.

Keywords: groundwater, the chemical composition, Russian Plate

The basis of the domestic water supply in Russia

is groundwater. Their share in the total balance of the

water is 55-60%. Accordingly, the role of underground

drinking water in the formation of the ecological state

of the environment is significant, because the chemical

composition of these waters have a direct effect on the

physiological functions of the human and his health.

About 50% of Russia's population consume substand-

ard water, and the same number corresponds to the

number of people suffering from diseases associated

with various environmental causes [11].

S.R. Kraynov and V.P. Zakutin, considering the

problem of geochemistry and environmental status of

groundwater, note two important points that determine

the quality of these waters and their level of environ-

mental safety: "The formation of substandard and envi-

ronmentally hazardous groundwater cannot be consid-

ered only as a result of their pollution by industrial,

agricultural, municipal waste and means. The reasons

for such waters is much more extensive. First of all,

substandard groundwater may be formed and are often

formed as a result of natural geochemical processes

leading to the formation of certain types of geochemical

groundwater favorable for migration and accumulation

in their various standardized chemical elements and

compounds"[12, p. 312].

Regional features of drinking water are negative

environmental factor that can lead to the accumulation

of standardized elements in the human body, develop-

ment of ecologically related diseases and endemic dis-

eases [13].

In SanPiN 2.1.4.1074-01 [14] are normalized el-

ements and components of the groundwater used for

water supply, and also provides the category of their

toxicity. The values for some of standardized compo-

nents are in Table 1. There are 4 classis of hazard sub-

stances: 1 – an extremely hazard chemical elements; 2

– highly hazard; 3 – hazard; 4 – moderately hazard.

Table 1. Concentrations of some standardized components in fresh groundwater

Components The maximum permissible concentra-

tion, mg/l Class of hazard

The total mineralization (dry res-

idue) 1000 (1500) -

The total stiffness 7,0 (10) -

Iron (summary) 0,3 (1,0) 3

Sulfates (SO42-) 500,0 4

Chloride (Cl-) 350,0 4

Strontium stable (Sr2+) 7,0 2

Natrium (Na+) 200,0 2

Calcium (Ca2+)* 100,0 -

Magnesium (Mg2+)* 50,0 -

рН 6,0-9,0 -

* Normalized by the European Community ES Drinking Water Directive

Strontium. Strontium is a biologically active el-

ements. In humans, it is involved in the metabolism,

isomorphic replacing calcium in bone tissue. This may

lead to changes in the structural organization of the

bone system. Consumption of strontium from food is


extremely low. Practically all strontium enters the hu-

man body through the drinking water [15].

Calcium and magnesium. The ions of calcium

and magnesium determine the stiffness of the drinking

water. They play an important role in blood pressure

regulation. Deficiency and imbalance of these elements

contributes to the development of diseases of the cardi-

ovascular system, including hypertension [16].

Iron. In the northern regions, in addition to the

problem of iron deficiency and northern anemia [17-

18] is a problem of excess iron. Elevated levels of iron

causes a disturbance metabolism up to the possibility of

cancer development [19].

Natrium. Natrium ions activate enzymatic me-

tabolism in humans. Excess sodium content in water re-

sults in hypertension and high blood pressure [20]. The

groundwater sodium concentration is mainly deter-

mined by the depth of their occurrence.

In hydrogeological conditions of the northern

part of the Russian plate refers to the North Dvina arte-

sian basin [21]. Within the study area groundwater ba-

sin drained by the rivers of the Northern Dvina, Mezen,

Kuloy, Pinega and their inflows.

Field of fresh groundwater within the Severo-

Dvinskiy artesian basin includes the following aquifers:

sandstones and siltstones Padun formation of Vendian

system of the Neoproterozoic, carbonate rocks Middle

and Upper series of the Carboniferous system and As-

selian stage of the Permian system, gypsum and anhy-

drite with interbedded sandstones and siltstones

Sakmarian stage of the Permian system, sandstones and

siltstones of the Ufimskian stage of the Permian sys-

tem, carbonate rocks of the Kazan stage of the Permian

system, sandstones of the Quaternary system. The main

geological boundaries of the northern part of the Rus-

sian Plate are shown in Fig. 1. Concentrations of stand-

ardized components for water-bearing complexes are

summarized in Table 2, the average values are shown

in Fig. 2.

1 – Ust-pinega formation of Vendian system of the Neoproterozoic, 2 – Mezen formation of Vendian system of

the Neoproterozoic, 3 – Padun formation of Vendian system of the Neoproterozoic, 4 – Lower series of the Car-

boniferous system, 5 – Middle series of the Carboniferous system, 6 – Asselian stage of the Permian system, 7 –

Sakmarian stage of the Permian system, 8 – Artinskian (Ufimskian) stage of the Permian system, 9 – Roadian

(Kazan) stage of the Permian system, 10 – Lopingian series (Tatarian stage) of the Permian system

Figure 1. The geological structure of the northern part of the Russian Plate


Table 2. The concentrations of some components in fresh groundwater northern part of the Russian Plat-

form

The aqui-

fer

Concentrations,

mg/l Sr2+ Ca2+ Mg2+ Na+ SO4

2- HCO3- Cl-

Vpd

minimum 0.04 27.96 12.74 51.21 2.10 225.70 10.47

average 1.42 49.81 28.77 152.60 66.63 296.05 177.72

maximum 4.38 103.87 72.32 489.46 196.69 372.10 892.70

C2+3-P1a

minimum 0.00 4.00 4.55 1.01 0.00 42.50 3.40

average 0.30 45.95 19.17 8.65 36.34 187.76 10.43

maximum 2.50 188.30 52.08 48.50 502.44 381.86 45.36

P1s

minimum 0.01 28.36 4.10 1.95 54.73 42.70 6.23

average 4.91 403.36 25.17 13.60 975.11 124.07 22.68

maximum 7.00 587.00 67.49 62.21 1405.39 263.52 105.20

P2kz

minimum 0.17 8.22 0.00 0.00 0.00 31.90 1.13

average 11.75 36.00 18.05 84.31 52.51 303.31 51.41

maximum 51.25 73.98 58.69 954.00 500.00 558.94 1242.17

Q

minimum 0.00 1.55 1.90 2.44 0.00 12.10 8.43

average 0.44 37.38 15.16 26.44 26.58 198.43 21.17

maximum 1.60 123.08 28.93 139.74 284.35 475.85 89.34

Figure 2. Mean values of some components in fresh groundwater northern part of the Russian Plate

Fresh underground water sandstones and silt-

stones Padun formation of Vendian system have hydro-

carbonate sodium-magnesium-calcium composition

with mineralization of 0.2-0.5 g/l. With increasing sa-

linity of fresh water in the first place among the cations

can leave natrium, among anion – chlorine. In general,

higher concentrations of standardized basic elements in

these waters is not marked, water suitable for consump-

tion.

Fresh underground water carbonate rocks of

Middle and Upper series of the Carboniferous system

and Asselian stage of the Permian system have hydro-

carbonate magnesium-calcium composition with min-

eralization of 0.3 g/l. Groundwater is also consistent

with standard characteristics. They noted a slight in-

crease in iron concentration.

The rocks of Sakmarian stage of the Permian

system and Ufimskian stage of the Permian system con-

tains slightly saline water with mineralization up to 2


g/l and calcium sulfate compound. Consequently, there

is an increase of calcium concentration and sulfates.

Besides, the presence of aquifers rocks Ufa deposits oc-

currences celestine (strontium sulphate) indicates the

presence of strontium in these underground waters, and

therefore, this area is highlighted as an area of sub-

standard fresh water.

Upper Permian system Aquifer is one of the

most used. However, in the carbonate rocks of the Ka-

zan stage of the Permian system many celestite. There-

fore, at low mineralization (up to 1 g/l) in groundwater

formed high concentration of strontium up to 51 mg/l.

The distribution of strontium in groundwater Kazan aq-

uifer due to the leaching of impurities celestite from

limestone and dolomite. [22] The waters of this group

are the most dangerous for the consumer, because they

not only high concentrations of strontium, and the

Ca/Sr<100, which can cause Urovskaya endemic or

Kashin-Beck disease [23].

Quaternary aquifer system is widely developed

in the Severo-Dvinskiy artesian basin. The waters are

bicarbonate-calcium composition, moderate hardness,

a slight increase in iron concentration. In general, wa-

ter, suitable for human consumption.

The quality of underground drinking water be-

cause of their specific location in the environment is

mainly determined by their chemical composition. The

chemical composition of groundwater is a permanent

ecological factor. Therefore, the determination of

groundwater quality should have a deeper and more

meaningful sense, be characterized in the historical and

contemporary time scales processes change the chemi-

cal composition of groundwater under the influence of

natural and anthropogenic factors.

References:

1. Avtsyn A.P., Zhavoronkov A.A., Rish S.A.,

Strochkova L.S. (1991) Mikroelementozy Cheloveka

(Human Microelementoses). Meditsina, Moscow. p.

496 (In Russian)

2. Love D., Hallbauer D.K. (2000) Groundwa-

ter Chemistry Trends and Possible Interventions at a

Southern African Iron Ore Mine. Journal of African

Earth Sciences 31: 41-42

3. Peplow D, Edmonds R. (2004) Health risks

associated with contamination of groundwater by aban-

doned mines near Twisp in Okanogan County, Wash-

ington, USA. Environmental Geochemistry Health

26(1): 69-79

4. Yang H., Rose N. (2005) Trace Element Pol-

lution Records in Some UK Lake Sediments, Their His-

tory, Influence Factors and Regional Differences. En-

vironment International 31(1): 63-75

5. Prasad A.S., Miale A., Farid Z., Stanstead

H.H., Schubert A.R., Zinc E.M., Andrade H.A., Palácio

Q., Crisóstomo L.A., Souza I.H., Teixeira A.S. (2005)

Índice de Qualidade de Água, Uma Proposta Para o

Vale do rio Trussu. Ceará. Revista Ciência Agronômica

36(2): 135-142 (in Portuguese)

6. Bunnell J.E., Finkelman R.B., Centeno J.A.,

Selinu O. (2007) Medical Geology: A globally Emerg-

ing Discipline. Geologica Acta 5(3): 273-281

7. Golekar R.B., Patil S.N. and Baride M.V.

(2013) Human health risk due to trace element contam-

ination in groundwater from the Anjani and Jhiri river

catchment area in northern Maharashtra, India. Earth

Sciences Research Journal 17(1): 17-23

8. Olle Selinus. (2013) Essentials of Medical

Geology. Springer Science & Business Media. p. 805

9. Godbole Mahendra T., Patode Hari S. (2014)

Study of trace elements in groundwater of in and

around Hingoli Region, Maharashtra, India. American

International Journal of Research in Formal, Applied &

Natural Sciences. 6(2): 151-155

10. Giuseppe Sappa, Sibel Ergul, Flavia Fer-

ranti. (2014) Geochemical modeling and multivariate

statistical evaluation of trace elements in arsenic con-

taminated groundwater systems of Viterbo Area, (Cen-

tral Italy). Springer Plus 3:237: 1-19

11. Kurennoj V.V., Shpak A.A. Ekologicheskoe

sostoyanie podzemnyh vod Evropejskoj chasti Rossii

(The ecological status of groundwater European part of

Russia) // Razvedka i ohrana nedr, 2000. № 5. P. 34-38

(In Russian)

12. Krajnov S.R., Zakutin V.P. Geohimiko-

ekologicheskoe sostoyanie podzemnyh vod Rossii

(prichiny i tendencii izmeneniya himicheskogo sostava

podzemnyh vod) (Geochemist-ecological state of un-

derground waters of Russia (Causes and trends in the

chemical composition of the groundwater)) // Geo-

himiya. M.: RAN, 1994. №. 3. P. 312-329 (In Russian)

13. Gorbachev A.L., Dobrodeeva L.K., Tedder

YU.R., Shacova E.N. Biogeohimicheskaya harakteris-

tika severnyh regionov. Mikroehlementnyj status nase-

leniya Arhangel'skoj oblasti i prognoz razvitiya

ehndemicheskih zabolevanij (Geochemical characteris-

tics of the northern regions. Trace element status of the

population of the Arkhangelsk region and the forecast

for the development of endemic diseases) // Ekologiya

cheloveka, 2007. № 1. P. 4-11 (In Russian)

14. SanPiN 2.1.4.1074-01. Pit'evaya voda. Gi-

gienicheskie trebovaniya k kachestvu vody central-

izovannyh sistem pit'evogo vodosnabzheniya. Kontrol'

kachestva (Drinking water. Hygienic requirements for

water quality of centralized drinking water supply sys-

tems. Quality control) (In Russian)

15. Knizhnikov V.A., Novikova N.Ya. K vo-

prosu o sanitarnom znachenii stronciya v pit'evoj vode

(On the question of sanitary significance of strontium

in drinking water) // Gigiena i sanitariya, 1964. № 8. P.

93-95 (In Russian)

16. Gichev Yu.Yu. Rukovodstvo po biolog-

icheski aktivnym pishchevym dobavkam (Guide to bi-

ologically active food additives). M.: Triada-X, 2001.

232 p. (In Russian)

17. Zhestyanikov A.L. Disbalans nekotoryh

makro- i mikroehlementov kak faktor riska zabolevanij

serdechno-sosudistoj sistemy na Severe (The imbal-

ance some macro- and microelements as a risk factor

for diseases of the cardiovascular system in the North)

// Ekologiya cheloveka, 2005. № 9. P. 19-25 (In Rus-

sian)

18. Nikitin Yu.P. Zhelezodeficitnye sostoyaniya

i anemii v Sibiri i na Severe (Iron deficiency states and


anemia in Siberia and in the North). Novosibirsk:

Nauka, 2003. 84 p. (In Russian)

19. Polyak-Blazhi M. Rol' zheleza v kancero-

geneze, antikancerogennyj ehffekt soedinenij zheleza.

CHast' 1. Svyaz' zheleza s kancerogenezom (The role

of iron in carcinogenesis, anti-carcinogenic effect of

iron compounds. Part 1. Communication iron carcino-

genesis) // Mikroehlementy v medicine, 2002. T. 3. №

1. P. 20-28 (In Russian)

20. Pit'evaya voda i zdorov'e naseleniya. Vyp. 1.

Vliyanie himicheskogo sostava pit'evoj vody na zdo-

rov'e cheloveka (Drinking water and public health. Vol.

1. Effect of chemical composition of drinking water for

human health) / Pod red. Belyaeva E.N. M: Minzdrav

RF, 2002. 63 p. (In Russian)

21. Malov A.I. Podzemnye vody Yugo-Vos-

tochnogo Belomor'ya: formirovanie, rol' v geolog-

icheskih processah (Groundwater Southeastern Belo-

morja: the formation, role in geological processes).

Ekaterinburg: UrO RAN, 2003. 234 p. (In Russian)

22. Polyakova E.V. Stroncij v podzemnyh vo-

dah Mezenskoj sineklizy (Strontium in groundwater

Mezen syneclise). Germany: LAP Lambert Academic

Publishing, Hamburg. 2012. 185 p.

23. Polyakova E.V. Stroncij v istochnikah

vodosnabzheniya Arhangel'skoj oblasti i ego vliyanie

na organizm cheloveka (Strontium in the sources of wa-

ter supply of the Arkhangelsk region and its impact on

the human body) // Ekologiya cheloveka. 2012. № 2. P.

9-14.


MEDICINE AND DENTISTRY.

Andrey Borisovich Bondarev

Doctor of Engineering Science (Ph.D.)

NITIMET COMPANY

Moscow

THE INTRAGASTRIC STENT IN BARIATRIC SURGERY

Summary: The aim of the study is to demonstrate new methods of human body weight reduction (combating

obesity) via intragastric stenting. The use of the new method - intragastric stenting reduces the body mass index

(BMI) from level 45-48 to the level 29. Intragastric stenting method allows to avoid two general anesthesia, en-

sures free passage of the food through the stomach of the patient and spares from extra endoscopy. The cost of

intragastric stenting is at least 6 times lower in comparison to the cost of the intragastric balloon.

Key words: The intragastric stent. Intragastric stenting. Intragastric balloon. Bariatric Surgery. Obesity.

In all countries of the world, obesity is ex-

tremely urgent, rapidly growing public health problem,

which affects negatively the life expectancy and facili-

tates the development of such serious violations, as

heart disease and coronary artery, cerebrovascular ac-

cident, diabetes, hyperlipidemia (high levels of fats in

the blood), cholelithiasis, sleep disorders, psychologi-

cal discomfort, back pain and joint pain, sexual dys-

function, reproductive disorders, toxicosis during preg-

nancy, increases the risk of cancer, sudden cessation of

breathing (obstructive sleep apnea) during sleep, and

etc.

Bariatric surgery is one of now widely used

medical techniques, the use of which allows to not only

get rid of excess weight, but also avoid the majority of

opportunistic diseases caused by obesity. To reduce the

amount of food consumed by the patient, bariatric sur-

gery is performed on (a) the stomach and small intes-

tine. The anatomy of the digestive system changes due

to the bariatric surgery, limiting the amount of food

consumed by the patient, the latter results into weight

loss. The patient simultaneously gets rid of obesity re-

lated diseases and improves the quality of life. There is

a social and aesthetic rehabilitation.

Five major types of interventions in modern

bariatric surgery:

1. Intragastric (intragastric) balloon.

2. Gastric bypass surgery

3. Gastric banding.

4. Biliopancreatic bypass.

5. The longitudinal gastrectomy.

Common disadvantages of these methods are

the need to subject the patient to general anesthesia, of-

ten more than once, variety of complications and long-

term rehabilitation after surgery.

Intragastric (intragastric) balloon is the most le-

nient intervention for the patient [1]. Gastric balloon,

currently used for the correction of excessive body

weight, is called BIB (Bioenterics Intragastric Ballon -

Bioenterics Corporation intragastric balloon). It is a sil-

icone bowl with capacity of 500 ml, which is installed

inside the stomach, greatly reducing its volume, and

therefore the amount of food consumed. Gastric bal-

loon stimulates the nerve endings of the upper portion

of the stomach, associated with brain satiety center.

Thus patient does not feel hunger, and it becomes much

easier to follow the diet. Gastric balloon eliminates the

root cause of excess weight - the desire to overeat [2].

The implantation procedure of intragastric bal-

loon is performed under general anesthesia under endo-

scope control. Compressed balloon is inserted into the

stomach, according to the technology, similar to per-

forming a gastroscopy. After being inserted, the bal-

loon is filled with saline in an amount of 400-700 ml.

The container is designed to last up to 6 months in the

aggressive stomach environment. After this time period

the balloon is removed by the same method as it was

installed, ie using a second general anesthesia.

Going under general anesthesia numerous times

affects negatively human body and brain. This is a se-

rious disadvantage of this method of body weight cor-

rection (intragastric balloon). Other side-effects are:

frequent obstruction of food flow through the stomach

with present intragastric balloon, difficulties in con-

ducting endoscopic examination of the stomach and du-

odenum ulcers, stenosis of the stomach walls after in-

tragastric balloon removal [3, p.16,17]. The limitations

mentioned above hinder further usage and development

of intragastric balloon method in long-term respective.

The aim of the research was to find alternative

solution that doesn’t have the side effects of intragastric

balloon method.

MEDICAL SCIENCES.


Gastric stent is modern progressive alternative

to gastric balloon [4]. It has a form of a coil spring with

no less than two full turns and is made of nickel-tita-

nium (nitinol) wire, possessing the characteristic of pre-

determined shape memory. It is enclosed in protective

tube made of chemically inert material with respect to

the environment of the stomach. Gastric stent, having a

predetermined shape and size, corresponds to the size

of the patient's stomach. It is easily implanted and re-

moved without the use of general anesthesia. The posi-

tion of intragastric stent compared to position of intra-

gastric balloon installed in the patient's stomach is

demonstrated on figure 1.

a. b.

Figure 1. Intragastric stent (a) an intragastric balloon (b) in the patient's stomach.

The algorithm of work with intragastric stent is

described below. Intragastric stent is installed by insert-

ing endoscope covered with PVC tube-conductor into

the gastric cavity of a patient. The length of the tube-

conductor is equal to the length from mouth to the

stomach. The tube-conductor is fixed in same position

as inserted while the endoscope is removed. Then intra-

gastric stent is inserted in the tube-conductor down to

the cavity of the stomach. Having form of straight rod

during installation, the stent expands into a spiral and

presses the walls of the stomach when reaches the tem-

perature of patient’s body. The presence of the spiral in

the stomach gives to the patient sense of satiation. The

procedure of intragastric stent insertion is finished by

follow-up gastroscopy and removal of the tube-conduc-

tor.

While in the stomach of the patient, the stent

stimulates the nerve endings of the upper part of the

stomach connected with brain’s satiation center. That is

why patient doesn’t feel hungry. The amount of con-

sumed food reduces drastically, and as the result, the

patient steadily loses weight throughout the time period

when the stent is present inside the stomach. The intra-

gastric stent may remain in patient’s body up to 12

months. It is removed with the help of esophageal stent

extractor or endoscopic loops. Implantation and extrac-

tion of intragastric stent is performed under local anes-

thesia, commonly used for endoscopic procedures and

carried out by the irrigation of the oral part of the phar-

ynx.

Experimental comparative testing of intra-

gastric stent use was performed on three patients with

BMI (body mass index [5]) equal to 45-48. At the same

time the fourth patient with a BMI of 46 underwent the

procedure of intragastric balloon of implantation. Intra-

gastric stents and intragastric balloon were present in

the stomachs patients for five months.

During the experiment patients’ BMI dropped

to 29-27. Thus all patients achieved significant body

weight loss. Comparative features of both methods are

summarized in table 1.

The use of intragastric stent made it possible to

eliminate one of the most significant shortcomings of

intragastric balloon method - double the use of general

anesthesia. Moreover, gastroenterologist alone can im-

plant and remove gastric stent without anesthetist’s as-

sistance. The use of intragastric stenting instead of in-

tragastric balloon broadens the profile of patients

suitable for this procedure. The target group are patients

who need to minimize their BMI and related diseases,

including heart and kidney diseases, but their medical

conditions do not let to use general anesthesia. The use

of the local anesthetic for the obesity treatment opens

up new opportunities without real threat to life.


Table 1. Comparative data of intragastric stenting and balloon treatment results.

NN Properties and features Intragastric stent Intragastric

balloon

1 General anesthesia during installation no required

2 Period of adaptation after installation 2 -3 hours in

ambulatory

Up to 7 days in

hospital

3 General anesthesia during deinstallation no required

4 Local anesthesia of the oral cavity during installation yes not applicable

5 Local anesthesia of the oral cavity during deinstallation yes not applicable

6 Installation conditions ambulatory in hospital

7 Deinstallation conditions ambulatory in hospital

8 The need for hospitalization when installing or deinstalling no yes

9 Chance of gastric obstruction during food consumption no yes

10 The possibility of destruction while in the patient's body no yes

11 Possible need abdominal surgery in the destruction in the patient's

body no yes

12 Risk the patient's life no yes

13 The cost of installing and removing,comparative in arbitrary units X 1 X 6

14 The possibility of holding a gastroscopy and other studies in the

stomach when the device yes

No, or very

difficult

In case of using intragastric stent, the period of

adaptation after installation is reduced drastically. This

method doesn’t not require the patient to spend days in

the hospital, during both installation and monitoring

procedures. Advantages mentioned above together with

no need for general anesthesia reduce the treatment

costs significantly (6 times). The latter increases the

number of patients who can afford this type of treat-

ment.

Unlike intragastric balloon method, the method

of intragastric stenting helps to avoid stenosis of the

stomach walls, doesn’t not create difficulties for the

food passing through the patient's stomach. Intragastric

stent leaves a free passage for the food to go through

the stomach while intragastric balloon often doesn’t al-

low the food to pass due to pushing the stomach walls

and thus causing vomiting. Besides the frequent prob-

lems with food flow, presence of intragastric balloon in

the stomach prevents the possibility of holding a gas-

troscopy and other medical studies in the stomach, like

endoscopy.

The use of intragastric stenting completely

eliminates the need for immediate operation, which can

take place in case of destruction of the gastric balloon

while in the patient’s body. Destruction of the balloon

leads to its subsequent movement in the intestine and

thus its urgent need for surgically removal with the use

of third general anesthesia.

Conclusions and suggestions.

1. The use of intragastric stent will successfully

replace the gastric balloon method.

2. The use of intragastric stenting allows avoid-

ing two general anesthesia during the installation and

removal of the stent.

3. Patients reported not having vomiting re-

flexes or problems with food flow while having intra-

gastric stent in the stomach.

4. The adaptation period for patients after the in-

stallation of the stent is completed is at least 50 times

less in comparison to intragastric balloon method.

5. Intragastric stent allows conducting endos-

copy without difficulties.

6. The cost of intragastric stenting is at least 6

times less expensive than the use of the intragastric bal-

loon method.

7. Intragastric stenting is the new method for re-

ducing body weight.

Bibliography:

1. The gastric balloon for treating obesity(2016).

Delta Clinic. Multidisciplinary medical tsentr.

www.deltaclinic.ru / endoskopia / ballon_geludok , Ac-

cessed 2016-03-01

2.Intragastric balloon - BIB (Bioenterics Intragastric

Ballon - intra-gastric balloon Corporation Bioenter-

ics)(2016). Clinic of Surgery and Oncology. City Clin-

ical Hospital №1. www.endomed.ru/php/ content.php

id = 25, Accessed 2016-02-11

3. Mark Jones M B B S., Andrew J.Healey, M

B.Ch.B., Evangelos Efthim iou, M Sc., F.R.C.S.

(2011). Early use ofself-expanding m etallicstentsto re-

lieve sleeve gastrectom y stenosis afte rintragastric bal-

loon rem oval. Surgey for Obesity and Related Dis-

eases, 7 pp16,17.

4. Bondarev AB. Intragastric stent. A utility

model patent of the Russian Federation № 153617 by

January 12, 2015

5. Body mass index(2016). U.S. Department of

Health & Human Services. National Heart, Lung, and

http://www.hhs.gov/

http://www.hhs.gov/


Blood Institute. www.nhlbi.nih.gov /health/educa-

tional/lose_wt /BMI/bmicalc.htm, Accessed 2016-02-

17

Dashchuk A.M.

Professor, Doctor of medicine

National medical university, Kharkov

Pustovaya N.A.

Assistant of professor, Candidate of medicine,


Dobrzhanskaya Ye.I.

Assistant of department, Candidate of medicine,


Pochernina V.V.

Master’s degree,


COMPLEX THERAPY OF PEOPLE WITH PSORIASIS USING

PHOTOTHERAPY.

Abstract

Aim - to study the effectiveness and safety of 311 nm narrowband phototherapy in the treatment of psoriasis.

Materials and methods. 20 patients with psoriasis: 18 (90%) patients with psoriasis vulgaris, 2 (10%) -

with psoriasis of the palm and soles, distributed into 2 groups (control and studied). Group 1 patients (studied) -

10 patients with psoriasis who underwent treatment by means of basic therapy and phototherapy.

Results and discussion. During the study, all participants were conducted following diagnostic and

therapeutic procedures. Phototherapy patients spent only one group. Patients 1 and 2 groups administered basic

therapy: magnesium sulfate, asparcam, fenkarol, pyridoxine hydrochloride, cyanocobalamin, topicaly – kerato-

lytic ointment. Diagnostic manipulation - examination of patients, determining PASI-index. Clinical recovery in

group 1 patients observed in 8 (80%) patients and a significant improvement in 2 (20%) patients (PASI reduction

was 65-80%). Clinical recovery in group 2 patients was observed in 6 (60%) patients (PASI reduction was 75%),

a significant improvement - in 3 (30%) patients (PASI reduction of 52%), a slight improvement in 1 (10%).

Conclusions. Results of treatment showed that the therapeutic efficacy in patients with psoriasis who received

basic treatment and phototherapy is higher than in patients who received only basic therapy. The advantage of

311 nm narrowband phototherapy is good tolerability, no side effects, minimal risk of carcinogenesis due to the

relatively low total dose of radiation.

Keywords: psoriasis, phototherapy narrowband 311 nm.

Psoriasis is one of the most common chronic

dermatoses. Recent data indicate that between 3 and 7

percent of the world's population suffer from psoriasis

[6, p.1]. In recent years, psoriasis called psoriatic dis-

ease and talking about it as a systemic disease. The rea-

son of it that in the pathological process is involved not

only the skin but also the joints, kidney, liver. Despite

the large amount of research devoted to the study of

psoriasis, the cause of the disease has not been estab-

lished so far. Psoriasis is considered as a multifactorial

dermatosis, with participation genetic, immune factors,

and environmental factors.

Psoriasis is characterized by hyper proliferation

of epidermocytes , violation of keratinocyte differenti-

ation, functioning of the immune system, which are ac-

companied by the formation of immune mediators and

cytokines that induce an inflammatory reaction of the

dermis. One of the major pathogenetic links of immune

disorders is the deviation of the cytokine profile of Th1-

type and along with the increased levels of interleukin

(IL) -1α, 2, 6, 7, 8, interferon (INF) γ, the main role is

played by an increase in levels of tumor necrosis factor

(TNF) α [2, p.30, 3, p.43, 4, p.20, 8, p.1917].

In the first place of provoking factors of psoria-

sis is considered stress and psycho-emotional status of

the patient. But the presence of infectious diseases (ton-

sillitis, sinusitis, urinary diseases), can also cause the

appearance of the first signs of psoriasis. Psoriasis often

occur in areas of mechanical damage to the skin,

namely in the area of cuts, scrapes, burns, or after ad-

ministration of drugs (β-blockers, nonsteroidal anti-in-

flammatory drugs, interleukins). Also we should con-

sider the impact of climatic factors.

Currently, there are a large number of methods

and drugs for the treatment of psoriasis. Despite this,

there is a certain percentage of patients that are resistant

to ongoing treatment of psoriasis. What contributes to

ongoing search for the new and effective methods of

treatment of psoriasis. Almost all patients with psoria-

sis notice the positive influence of the sun on the course

of the disease. The reason for this lies in the action of

http://www.nhlbi.nih.gov/health/educational/lose_wt/BMI/bmicalc.htm


ultraviolet radiation, which is the part of sunlight. Pho-

totherapy is based on the use of ultraviolet rays A and

B, it is widely used to treat a variety of dermatologic

pathologies including psoriasis that occupies the first

place [9, p.836].

For the treatment of psoriasis using pho-

tochemotherapy (PUVA), selective phototherapy, nar-

row-band ultraviolet B (NB-UVB) emitting a light with

a peak around 311 nm has been demonstrated to be ef-

fective in the treatment of various skin disorders; cur-

rently it is one of the most commonly used photother-

apy devices [7, p.8456]. Photo immunological effect of

physiotherapy due to the depth of penetration of UV

rays. UVB rays act mainly on epidermal keratinocytes

and Langerhans cells. UVB therapy with a wavelength

of 311 nm has a selective effect on the skin's immune

system. In healthy volunteers in the skin decreases the

expression of CD1 + cells, increases the number of

HLA-DR + -cells in the absence of the dermo-epider-

mal infiltration of CD11b macrophages. In the upper

layers of the epidermis marked increase in the binding

of substance P in the dermis increases ICAM-1 expres-

sion and the induction of E-selectin expression by en-

dothelial cells [5, p.64].

Some authors consider that narrow wavelength

311 nm UVB therapy has a more pronounced effect on

the systemic immune response, which is displayed in

the activity of natural killer cells, lymphoproliferation

and cytokine response, than the wide wavelength UVB

therapy. At this moment, we believe that the main

mechanism for resolving psoriatic plaques after expo-

sure narrow wavelength 311 nm UVB therapy lies in

the induce T-cell apoptosis. Numerous studies have

shown high efficiency of narrow wavelength 311 nm

phototherapy with minimal side effects [7, p.8457].

Aim. To investigate the efficacy and safety of

the narrow wavelength 311 nm phototherapy using UV

radiation Apparatus dermatological UVB-311.

Materials and methods. The study involved

patients aged over 18 years who were treated in the hos-

pital environment (city clinical dermatological and ve-

nereal dispensary №5, Kharkov).

We observed 20 patients with psoriasis: 18

(90%) patients with plaque-type common-papular pso-

riasis, 2 (10%) patients with palmar-plantar psoriasis. 2

groups of patients participated in the study (investi-

gated and control). The first group of patients (investi-

gated) - 10 patients with psoriasis who were treated

with basic therapy and phototherapy. Phototherapy per-

formed by the dermatologycal apparatus of UVB-311

UV radiation after determining the minimal erythema

dose (MED), it means the dose of UVB rays, which

caused minimal redness or hyperpigmentation of the

skin after exposure to the test fields. To determine the

MED test field is irradiated with increasing doses of

UV rays. After the determination of the minimum ery-

thematous dose, treatment is initiated with a dose of 0.1

J / cm², gradually increasing to 0.1 J / cm². The duration

of treatment was determined every time individually,

depending on the radiation dose. The radiation fre-

quency was between 3 to 7 times a week. The average

duration of treatment 4 weeks.

The second group (the control group) - 10 pa-

tients with psoriasis who were treated only by means of

basic therapy.

In the first group were patients aged 18 to 56

years, including 7 men and 3 women. The composition

of patients of both groups according to age, disease du-

ration and sex were not significantly different.

Results and discussion. During the study, all

participants were conducted the following diagnostic

and therapeutic procedures. Phototherapy was per-

formed only for the patients of the first group. For the

Patients of the 1st and the 2nd groups appoint magne-

sium sulfate 25% 5.0 mL intramuscularly - 10 days, as-

parkam 1 table. 3 times per day, Phencarolum 0.025 - 7

days, vitamins - pyridoxine hydrochloride 1.0 ml of 5%

every other day intramuscularly 14 days, 1.0% cyano-

cobalamin 0.02 ml intramuscularly every other day 14

days, topically appoint ointment keratolytic action of 7

days.

In addition to drug therapy, patients were en-

couraged to adhere to these recommendations:

- adhere to the elimination diet (with the excep-

tion of alcoholic beverages, irritating foods, reduce the

use of animal fats);

- enter the fasting days 1-2 times a week;

- avoid hypothermia;

-avoid mechanical and chemical irritation of the

skin.

Diagnostic manipulations that were performed

in patients 1st and 2nd groups: the definition of the lo-

cal status (survey of patients), the data of the index

PASI (Psoriasis Area and Severity Index) - the defini-

tion of the affected area of the body surface and the in-

tensity of the main symptoms of psoriasis. Intensity of

cutaneous manifestations were measured in points. We

were using of indicators - erythema, infiltration, scal-

ing. The criterion for the clinical efficacy of the treat-

ment was to reduce the index of PASI scores: 1) 75%

or more from the initial index - clinical recovery (le-

sions regressed, leaving only secondary depigmenta-

tion or hyperpigmentation) ; 2) at 74-50% - were noted

a significant improvement in those cases when, after the

treatment, most psoriatic plaques regressed, but large

sections of infiltrated plaques remained residual poorly

expressed, papular infiltration (corresponding station-

ary stage); 3) at 49-25% - a slight improvement in cases

where there was a reduction of infiltration and blanch-

ing of the color intensity of psoriatic plaques, reducing

flaking; 4) less than 25% - stated the lack of effect in

cases where the lesion size did not change, remained

infiltration.

The information of the therapeutic efficacy of

treatment of psoriasis patients are shown in Table (Ta-

ble. 1).


Table 1. The results of treatment of patients with psoriasis

The treatment regi-

men

Clinical recovery significant improvement Insignificant im-

provement

With no effect

Аbs.. % Аbs. % Аbs. % Аbs. %

1st group (n=10)

8

80

2

20

0

0

0

0

2nd group

(n=10)

6

60

3

30

1

10

0

0

From the Table 1 we can see that varying de-

grees of therapeutic effect was obtained in all 10

(100%) Group 1 patients. Clinical recovery was ob-

served in 8 (80%) patients and a significant improve-

ment in 2 (20%) patients (PASI reduction was 65-

80%). Clinical recovery was observed in 8 (80%) pa-

tients and a significant improvement in 2 (20%) pa-

tients (PASI reduction was 65-80%). The patients from

this group on the 4-5-th day from the beginning of the

disease stopped the emergence of fresh elements. In the

area of lesions was reduced hyperemia. Approximately

on the 10th day was observed flattening and blanching

of psoriatic elements. There was a central or peripheral

completion of psoriatic rash, which was especially pro-

nounced on the 14-15-th day. Complete clinical remis-

sion we were observed on the 27-28-day of treatment.

This is manifested in the form of flattening and disap-

pearance of psoriatic elements, in place of which there

was only a secondary depigmentation or hyperpigmen-

tation.

Clinical recovery of patients of the 2nd group

observed in 6 (60%) patients (PASI reduction of 75%),

a significant improvement - 3 (30%) patients (PASI re-

duction of 52%), a slight improvement in 1 (10%).

The average time resolution of psoriatic skin

rashes in patients of Group 1 amounted 27,10,5 day.

At the same time, the average time resolution of psori-

atic skin rashes in patients of Group 2 accounted

32,60,2 day. So we can state the fact that the average

duration of authorization of psoriatic lesions on the skin

of patients receiving phototherapy an average of 5 days

less in comparison with patients who were treated with

drugs only basic therapy.

Conclusions. Treatment results have shown that

therapeutic efficacy in the first group of patients with

psoriasis who received basic treatment and photother-

apy at 311 nm higher than that in the second group of

patients who received only basic therapy. So as a result

of treatment Group 1 clinical improvement was ob-

served in 8 of 10 patients (80%) and in Group 2 - 6

(60%).

In this way, the best results have been obtained

in the treatment of plaque-papular extensive psoriasis.

With regard to of palmo-plantar psoriasis method nar-

row wavelength 311 nm phototherapy proved highly

effective, since this form of psoriasis is characterized

by resistance to various therapies.

The advantage of phototherapy at 311 nm is well

tolerated, no side effects and minimal risk.

References:

1. Андрашко Ю.В., Чечерская Т.И. Опти-

мальные комбинации аппаратных и медикаментоз-

ных методов лечения ладонно-подошвенных форм

псориаза // Украинский журнал дерматологии, ве-

нерологии, косметологии. - 2013. - № 4 (51). - С.

166-169.

2. Баткаев Э.А., Чистякова И.А. Ультрафио-

летовая средневолновая фототерапия узкого спек-

тра 311 нм в лечении псориаза // Вестник последи-

пломного медицинского образования. - 2013. - № 4.

- С. 29-30.

3. Жукова О.В., Круглова Л.С., Котенко К.В.

Комбинированная фототерапия в лечении тяжелых

форм псориаза // Физиотерапевт. - 2014. - № 5. - С.

42-49.

4. Кривко С.В., Франкенберг А.А., Шевченко

В.А. Опыт применения мази «Форкал» в комбина-

ции с фототерапией при лечении больных псориа-

зом // Украинский журнал дерматологии, венероло-

гии, косметологии. - 2009. - № 3 (34). - С. 20-22.

5. Перламутров Ю.Н., Ольховская К.Б. Ком-

плексная терапия ограниченных форм псориаза //

Клиническая дерматология и венерология. - 2007. -

№ 5. - С. 61-64.

6. Псоріаз: адаптована клінічна настанова,

заснована на доказах. http://nadoest.com/psoriaz-

adaptovana-klinichna-nastanova-zasnovana-na-doka-

zah-stor-1.

7. Reich A., Medrek K. Effects of Narrow Band

UVB (311 nm) Irradiation on Epidermal Cells //Inter-

national Journal of Molecular Sciences. – 2013. –

v.14(4). – P. 8456-8466.

8. Weatherhead S., Farr P., Jamieson D. et al.

Keratinocyte Apoptosis in Epidermal Remodeling and

Clearance of Psoriasis Induced by UV Radiation //

Journal of Investigative Dermatology. – 2011. - 131,

1916–1926; doi:10.1038/jid.2011.134

9. Yones S., Palmer R., Garibaldinos T. et al.

Randomized Double-blind Trial of the Treatment of

Chronic Plaque Psoriasis: Efficacy of Psoralen–UV-A

Therapy vs Narrowband UV-B Therapy // Arch Derma-

tol. – 2006. – N 142(7):836-842. doi: 10.1001/arch-

derm.142.7.836

http://elibrary.ru/item.asp?id=21247155




http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1248214


http://elibrary.ru/contents.asp?issueid=1248214&selid=21247155











http://nadoest.com/psoriaz-adaptovana-klinichna-nastanova-zasnovana-na-dokazah-stor-1



http://archderm.jamanetwork.com/article.aspx?articleid=406585&resultClick=3




Lemark Klyukin,

PhD, Academician of the Russian Federation RAMTS,

director of "Modern computer medical equipment" ltd

Russia, Moscow

Valerian Ermakov

doctor

Russia, Moscow

Mary Rudenko

doctor

Russia, Moscow

ТHE PRACTICE OF EARLY AND NONINVASIVE DIAGNOSIS OF A

NUMBER OF NOSOLOGY IN THE HUMAN BODY BY UNIT DOT.

SUMMARY.

DOT-diagnostics as a method for survey of the human health was offered relative recently in practices of

disease as an alternative to another conventional CM ray techniques as XM, CT, MRT and thermal techniques

proposed as to the diagnostics, because it’s absolutely safe. Apparatus DHV has been used for the examination of

mammary glands first, as in this application, in our opinion, it gives many advantages over the conventional survey

techniques. First it has been used in the screening of the breast cancer because this disease is the most danger for

the female health. In this paper we show that using DHV is better for diagnostic and other diseases because it

have such advantages as absolutely safe and it can be used for all patient ages.

Keywords: CM - conventional human health diagnostic methods generally accepted in the medical practice

of the developed countries in the real (current) time, DVH - diagraph volumetric heat, CT - computer tomography,

MRI - magnetic resonance imaging, S – sonar, RM - X-ray mammography, TIS - a thermal imaging survey, BC –

breast cancer, PA - pathological area, CR - cancer region, FBD - fibrocystic breast disease, UMS - upper maxil-

lary sinus, CLQM= cholesteric liquid crystal membranes.

Лемарк Клюкин,

Кандидат наук, академик РАМТН РФ,

директор ООО «Современная компьютерная медицинская техника »

Россия, г. Москва

Валериан Ермаков

врач


Мария Руденко врач


ПРАКТИКА РАННЕЙ И НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ РЯДА НОЗОЛОГИЙ В ТЕЛЕ

ЧЕЛОВЕКА АППАРАТОМ ДОТ.

АННОТАЦИЯ

Цель настоящей статьи заключается в показе практики использования нового метода диагно-

стики состояния здоровья человека – ДОТ-диагностики путем использования аппарата ДОТ, обеспечи-

вающего отсутствие ограничений, накладываемых существующей ныне конвенциональной техникой об-

следования пациентов: лучевой (рентгеновская маммография (РМ), компьютерная томография ( КТ),

магниторезонансная томография (МРТ) и тепловой (тепловизионной техникой (ТВО), использованием

пленок холестерических жидких кристаллов ( ЖКХП). Преимущества предложенной техники состоят в

том, что:

- ДОТ-диагностика абсолютно безопасна для пациента,

-пригодна для любого возраста больного,

- она дает возможность доклинической диагностики опухолевых заболеваний,

-- она портативна,

- имеет автономное питание,

- дешева и пригодна для контроля и профилактики здоровья масс населения, - позволяет проводить

мониторинг с целью отработки используемой терапии с любой частотой во времени.


Ключевые слова: КМ - конвенциональные методы диагностики здоровья человека, общепринятые в

медицинской практике развитых стран в реальном (текущем) времени, ДОТ – диаграф объёмный тепло-

вой, КТ – компьютерный томограф, МРТ – магнитно-резонансный томограф, УЗИ ультразвуковое ис-

следование РМ – рентгеновский маммограф, ТВО – тепловизионное обследование, МЖ – молочная же-

леза, ПО – патологическая область, РО – раковая опухоль, РМЖ – рак молочной железы, ФКМ –

фиброзно-кистозная мастопатия, ВЧП - верхне-челюстные пазухи, ЖКХП- пленки на базе холестериче-

ских жидких кристаллов.

I. Введение.

Ранняя и неинвазивная ДОТ- методика об-

следования состояния здоровья человека впервые

предложена в России и ряде зарубежных стран как

альтернатива КМ, зачастую отрицательно влияю-

щих на здоровье пациента [1- 4]. Она базируется на

физиологической особенности живого теплокров-

ного субъекта - направленности теплового потока,

вырабатываемого клетками организма ортого-

нально к поверхности кожного покрова. Этот теп-

ловой поток обуславливает на кожной поверхности

пациента температурный рельеф, зависящий от ис-

кажения лежащими под кожным покровом патоло-

гическими областями, (несвойственными в норме).

При этом, чем меньше будет характерный размер

этих патологических областей и чем глубже они за-

легают под кожей, тем меньшее значение будет у

температурных градиентов, обусловленных ими, по

отношению к накожному температурному полю в

норме. Создание прибора ДОТ дало возможность

измерять эти градиенты благодаря адекватной тем-

пературной чувствительности ДОТ. Поэтому этот

прибор, являясь неинвазивным и способным изме-

рять значение упомянутых градиентов и их знак,

обладает возможностью избежать недостатков КМ,

где используются в клинике лучевые методы обсле-

дования (РМ, УЗИ), зачастую провоцирующие РО,

или не обладающих патогномическими признаками

при обнаружении РО малых размеров (УЗИ). КМ,

позиционирующие себя в качестве неинвазивных

( ТВО, ЖКХП) также непригодны для кон-

троля опасных онкологических заболеваний из-за

невозможности обнаружения РО в ранней стадии

[4]. Более подробно теоретическое обоснование

принципа работы ДОТ приведено в работе [5].

2.Метод получения информации о патоло-

гических областях, скрытых в толще тела паци-

ента Как указывалось выше, получение информа-

ции о патологических зонах в методе ДОТ основано

на использовании результатов обследования с нор-

мой, при которой патологические зоны в соответ-

ствующих областях зон тела отсутствуют. Поэтому

в данном методе используются эластичные маски,

позволяющие точное сканирование поля кожной

температуры если , топология объекта исследова-

ния имеет небольшую вариабельность в норме

(структуры туловища, например), либо если обсле-

дуется орган , имеющий значительную вариабель-

ность пространственной структуры ( лицо чело-

века) используются характерные точки на

структуре в норме. Примеры масок для различных

конфигураций органов туловища на ряде объектов:

- (женская грудь) или грудобрюшная часть туло-

вища (эллипсоид в сечении), приведены ниже (на

рис. 1 и 2). В этих масках предусмотрены отвер-

стия, через которые температурный датчик прибора

контактирует с кожей и, соответственно, измеряет

температурный градиент на коже в любой из точек

объекта исследования. Маска при этом выполняет

роль формирования природной структуры объекта,

что важно для последующего сравнения структуры

поля температуры в режиме мониторинга исследо-

вания, если в этом по указанию врача возникает

необходимость.

Рис.1.А. Схема, иллюстрирующая метод измерение градиентов температуры на коже МЖ: 1 –

теплопроизводящая опухоль, 2 – опухоль, нетеплопроизводящая, 3 – положительный градиент темпера-

туры, 4 – отрицательный градиент температуры, 5 – нулевой градиент температуры, 6 – лепесток эластич-

ной маски на МЖ, 7 - отверстия в эластичной маске, 8 – биоткань МЖ, 9 – направление потока тепла

внутри МЖ.

Б. Размещение лепестка на левой груди и схема её обследования: 10 – номера отверстий на эластич-

ной маске, 11 – виртуальные сечения МЖ, организованные ярусами отверстий, 12 – направление сканиро-

вания МЖ датчиком ДОТ, 13 – увеличенное отверстие в маске для соска МЖ


Отверстия в масках расположены так, что

внутренний тепловой поток работает аналогично

рентгену, как это происходит при снятии томо-

граммы с помощью КТ. В ДОТ методе роль сечений

по телу организован ярусами ряда отверстий в

маске – для МЖ по 8 в каждом сечении, как пока-

зано на рис.1. Число сечений зависит от размера

МЖ (3 – для размера МЖ от нулевого до второго и

4 для размера МЖ от третьего до четвертого). Это

же относится и к случаю снятия термограммы для

тела, как показано на рис.2.

Рис.2. Схема формирования интегральной томограммы тела пациента

аппаратом ДОТ: 1- пациент, 2- эластичный

костюм, 3 –

отверстие в костюме, 4 – ярус из отверстий,

5- направление

потока внутреннего тепла, 6- теплопроизво-

дящее

новообразование, 7- положительный гради-

ент температуры в

проекции поз.6, 8 – отрицательный градиент

температуры в

проекции поз.10, 9- плоть, 10- нетеплопро-

изводящее

новообразование, 11- уровень кожной тем-

пературы в норме,

Знак градиента зависит от природы ПО, ко-

торая может быть «теплопроизводящей», (напри-

мер, РО в ранней стадии) или «нетеплопроизводя-

щей», ( гематома). Образцы эластичных

масок приведены на рис.3

Рис.3. 1- набор лифов для снятия маммотермограмм;2 - один вариантов костюма (три типоразмера,

перекрывающих размер тела от 46 до 56).

3. Практические результаты использова-

ния ДОТ методики в клинике ДОТ-диагностика

на практике оценивалась клиническими испытани-

ями, проведенными в период с 2000 года по 2016

год в России, странах СНГ, Европейском Союзе и в

Венесуэле. Наиболее значимые по объему и вери-

фикации проводились в России и в клинике ШИБА

(Бен-Гана, Израиль) на протяжении десяти лет (в

Израиле в течение 6 лет под эгидой Министерства

Здравоохранения этой страны [6]). В проведенных

исследованиях особенно большая статистика полу-

чена для проблемы РМЖ.


для чего термомаммограммы апробирова-

лись использованием КМ технологий, с последую-

щей обязательной гистологией, что дало возмож-

ность результатам быть максимально

достоверными [6].

Выпускаемая в настоящее время фирмой

«СКТМ» модификация ДОТ показана на рис.4.

Рис.4. Комплект ДОТ 4: А-кейс прибора ДОТ 4; В - вид прибора ДОТ4 с закрытой верхней крышкой; С -

с открытой верхней крышкой. Цифрами обозначены:

1- кейс;2- комплект эластичных масок (здесь, в варианте «Маммотерм» лифы - 4 маски); 3- го-

ловка ДОТ; 4- паспорт прибора; 5- охлаждающий столик; 6 – Инструкция пользователя; 7- вычисли-

тель (нотбук); 8- кабель связи головки 3 с вычислителем; 9- адаптер включения в сеть вычислителя;10

–кабель подключения адаптера вычислителя к сети; 11- поролоновая прокладка.

3А. Маммография

Как было отмечено выше, основное направ-

ление ДОТ исследований вначале было нацелено на

решение проблемы ранней диагностике РМЖ. Это

вначале проводилось в России на базе федераль-

ного маммографического Центра, а параллельно в

Израиле (клиника ШИБА, Рамат - Ган). Надо отме-

тить, что в клинике ШИБА полученные результаты

при обследовании МЖ решали не только проблему

РМЖ, но и для доброкачественной опухоли ФКМ,

как её вероятной предшественницы РМЖ [7].

В первые годы применение ДОТ в маммоло-

гии с целью решения проблемы РМЖ было осно-

вано на диагностике с использованием типовых

форм для РО. Но, позднее после открытия эффекта

циклического кровенаполнения МЖ со сравни-

тельно небольшим периодом, сопутствующие

ему изменения температурного поля на кожной

поверхности МЖ могут маскировать наличие РО

[8,9], что привело к коррекции алгоритма диагно-

стики РМЖ в соответствии с вновь открытым эф-

фектом.

В режиме обследования МЖ было обследо-

вано до 3000 пациенток. Обследования в России и в

Израиле проводились в период 2001 – 2015 гг. За

этот период было доказано преимущество ДОТ для

ранней, в том числе доклинической диагностики

РМЖ [10]. Cтатистическая обработка полученных

результатов показала, что при использовании ДОТ

диагностики чувствительность метода составляет

97,5 % , специфичность 87,1 % и точность до 88 %

[11].

3.Б. ДОТ-диагностика в дифференциаль-

ной оценке заболеваний в ЛОР клинике (на при-

мерах нозологий в пазухах верхне-челюстных ко-

стей)

В ЛОР-клинике задача обнаружения заболе-

ваний в пазухах верхне-челюстных пазухах (ВЧП)

КМ реализуется как с помощью рентгеновской тех-

ники, так и с помощью МРТ. Эти методы, как ин-

тервенционные, вызывают ненужный риск отда-

лённых последствий облучений отдельных органов

и тканей, а с учётом их радиочувствительности они,

как интервенционные, опасны. ДОТ-диагностика,

проводившаяся на кафедре болезней уха, горла и

носа ЛОР-клиники Московской Медицинской Ака-

демии им И.М. Сеченова в период с ноября 2003г.

по октябрь 2005г. показала принципиальную воз-

можность применения этой методики при исследо-

вании состояния околоносовых пазух. Она проде-

монстрировала определенную диагностическую

значимость данного метода диагностики, как объ-

ективного способа выявления разнообразной пато-

логии околоносовых пазух [12].

При помощи ДОТ-диагностики в Москов-

ской Медицинской Академии было проведено ис-

следование 55 пациентов, из них 34 мужчин и 21

женщина по поводу нозологий в ВЧП в период с

2006 по 2011 г. Обследования проводили на пред-

мет скрининга следующих нозологических форм:

катаральный гайморит, гнойный гайморит, кисты

околоносовых пазух и полипозный процесс в них.

Абсолютная безопасность и неинвазивность ДОТ-

диагностики дали возможность мониторинга обсле-

дований, что имеет ряд преимуществ в сравнении с


КМ, включая рентгенологические. Простота в вы-

полнении ДОТ-диагностики не требовала дополни-

тельно подготовленного персонала. Точность и

наглядность материалов была обеспечена компью-

терной обработкой данных исследования, что зна-

чительно упрощает и объективизирует интерпрета-

цию полученных данных. На рис.5 приведена схема

зоны сканирования костей черепа с целью выявле-

ния нозологии в полостях ВЧП.

Рис. 5.Зона сканирования верхне-челюстных пазух ДОТ–методом.

Поскольку при сканировании ВЧП сложно

использовать эластичные маски из-за трудно пред-

сказуемых морфологий лиц пациентов обследова-

ние проводилось через точки, соответствующие

разметке по анатомическим признакам лица паци-

ента: первой является точка, соответствующая ла-

теральному углу правого глаза, далее вниз по вер-

тикали 7 точек в параллельных рядах. При этом

выбранной точкой с наименьшей температурой на

лице являлся кончик носа. При завершении обсле-

дования проводится компьютерная обработка дан-

ных в области проекции каждого отдельного

участка лицевой области с последующим выведе-

нием температурных данных на экран монитора.

Оценка состояний ВЧП проводилась путём

сравнения температурных данных в областях, пока-

занных на рис.6 и окружающих структур, имеющих

разное теплораспределение в зависимости от сте-

пени кровенаполнения тканей.

Конкретным нозологическим заболеваниям

соответствуют определенные термографические

картины, подтверждённые рентгеном или томогра-

фом, как при норме, так и при острых фазах, ука-

занных нозологий. С помощью мониторинга можно

наблюдать реабилитационный процесс, вплоть до

полного выздоровления. На этом рисунке показан

ряд ЛОР термограмм с помощью ДОТ, в том числе

и норма и ряд основных нозологий в пазухах ВЧП.

Рис.6.Серия дифференциальных ЛОР термограмм ВЧП ( по рис.5):

А: ЛОР термограммы ВЧП: 1- норма, 2- левосторонний гайморит

( пациент И, 19 лет), 3- киста в правой ВЧП (пациентка С, 22

года.4-термограмма той же пациентки после удаления кисты,

5- полипозный процесс (пациентка П, 38 лет.

В: верификация ЛОР нозологий с помощью: 1 – КТ, 2 –рентген,

3- рентген, 4-5 –КТ.


При гнойном гайморите характерно наличие

аномальной зоны с высокой температурой в соот-

ветствующей пазухе, с постепенным снижением её

к периферии, а при катаральном гайморите ано-

мальная зона с высокой температурой по перифе-

рии в виде расплывчатого кольца; - при кистах -

аномальная зона с низкой температурой, а в зависи-

мости от локализации ее в пазухе в виде округлой

формы; при полипозном процессе в пазухе - нали-

чие перемежающихся аномальных зон с высокой и

низкой температурой.

В результате использования ДОТ – диагно-

стики в ЛОР клинике было отмечено, что ДОТ ме-

тодика позволяет распознать различные заболева-

ния верхнечелюстных пазух включая

воспалительные, пролиферативные и объемные

процессы; абсолютная безопасность метода дает

возможность неоднократных повторных исследо-

ваний, а это является важным при оценке эффектив-

ности проведенного лечения, а само обследование,

включая обработку полученных результатов, пред-

ставляет определенную экономическую целесооб-

разность, так как, проводится на базе стандартного

персонального компьютера и не требует дополни-

тельного оборудования и специально подготовлен-

ного персонала.

3.В. ДОТ-диагностика в дифференциаль-

ной оценке заболеваний

тела пациента

Для проведения обследования заболеваний в

теле человека нами использовался вариант прибора

ДОТ – бодитерм. Он отличается от описанного

выше наличием комплекта из трёх эластичных ма-

сок для тела, с помощью которых можно проводить

обследование пациентов в практически полном

охвате спектра размеров тела, а также другой ком-

пьютерной программой, предварительно устанав-

ливаемой в компьютер. Один образец из набора 3

эластичных масок – (костюм) показан на рис. 3.

Подготовка пациента к обследованию по-

дробно описана в Инструкции пользователя к при-

бору. Сканирование датчиком проводится через от-

верстия в костюме. Количество отверстий

составляет 160, так что при времени измерения тем-

пературы кожи через каждое отверстие, составляю-

щего 3 секунды, общее время полного обследова-

ния туловища пациента производится за 12-14

минут.

Если после общего обследования у пациента

выявляется патологическая зона, компьютерная

программа обследования даёт возможность прово-

дить её может не по всем 160 точкам, а по точкам в

данной зоне. Это резко сокращает время обследова-

ния и мониторинга терапии обнаруженного заболе-

вания.

На рис. 7 приведён ряд примеров ДОТ термограмм для разных нозологий в теле пациентов.


Рис.7.Серия термограмм: 1- норма,2 – расса-

сывающаяся гематома

справа, (перелом ребра),пациент К, 38 лет, 3

– рак легкого

слева, пациент П, 54 лет, 4 – рак позвонка ,

пациент Б, 56 лет.

3.Г. Примеры использования ДОТ-

диагностики для ряда других нозологий

В настоящем разделе укажем на ряд приме-

ров применения ДОТ-диагностики при исследова-

нии нозологий, имеющих целью показать дополни-

тельные, но существенные методы применения

ДОТ

Пример 1. Диагностика для профи-

лактики диабета 1-го типа. На примере 1 показана возможность профи-

лактики и лечения диабета

1го типа, при использовании ДОТ. Она за-

ключается в том, что температурная чувствитель-

ность ДОТ позволяет определить начало

вирусной атаки на β - клетки, производящие

инсулин и расположенные в хвосте поджелудочной

железе. Воспалительный вирус аутоиммунный про-

цесс, сопровождающий эту дегенерацию скрытно,

длится порядка года, после чего происходит мани-

фестация, связанная с уничтожением всех β - кле-

ток, производящих инсулин.

С тем, чтобы предотвратить хроническую

зависимость пациента от инсулина, ДОТ-

диагностикой проводится периодический контроль

температуры в точке Мэйо-Робсона [13]. Термо-

грамма на рис.8 показано начало дегенерации ост-

ровков Лангерганса, производящих инсулин и рас-

положенных в хвосте поджелудочной железы.

Рис.8. Термограмма, иллюстрирующая начало процесса разрушения β-клеток в

поджелудочной железе: 1 – термограмма передней части туловища пациента,

2 – термограмма спины пациента, 3-4 – проекции для контроля начала

дегенерации на передней части туловища, 5 – зона проекции хвоста

поджелудочной железы (зона Мэйо-Робсона), 6 – зона билатеральная зоне

Мэйо-Робсона.

Для профилактики этого заболевания сле-

дует использовать контроль температуры в зоне

Мэйо-Робсона с помощью ДОТ, поскольку его чув-

ствительность достаточно высока для определения

начала процесса дегенерации. Как видно из термо-

граммы рис. 8 температура в зоне Мэйо-Робсона

невелика и составляет 0,5 0С. Но эта температура

достаточна для эпикриза начала деградации остров-

ков Лангерганса, при которой должно проводить

антивирусное лечение пациента.

Пример 2. Использование ДОТ в урологии.

На примере № 2 иллюстрируется примене-

ние ДОТ-диагностики для контроля состояния мо-

шонки. Особенность этого органа заключается в

том, что он составляет отдельную часть тела, при-

легающую, но не совпадающую с туловищем по

температуре. Поэтому для контроля состояния мо-

шонки, в частности, оценка здоровья яичек, в кото-

рых внутренний поток тепла тела использовать не-

возможно. Для контроля состояния яичек была

использована жёсткая маска с отверстиями, через

которые анализируют температуру обоих яичек в

положении стоя методом, схожим с тем, как это

производится для молочных желёз [14] (рис. 9).


Рис. 9. Термограмма, полученная при обследовании яичек в мошонке:А – схема обследования: 1-

пациент; 2- ремни крепления маски; 3- маска: Б- киста в левом яичке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ДОТ, являясь абсолютно безопасным и пор-

тативным и автономным устройством, дает воз-

можность дать не только самые ранние, полностью

безопасные оценки клинического состояния прак-

тически основных частей человеческого тела.

Сколь угодно частый скрининг и мониторинг, не-

обходимый как для коррекции терапии, так и в ка-

честве контроля процесса реабилитации пациента

может быть одним из существенных преимуществ

этого аппарата, наряду с его низкой стоимостью и

поэтому возможностью массового использования

для профилактики больших масс населения.

Литература

1. Klukin L. M., V. A. Namiot (2001) On ther-

mal method of character of inclusions structure rating

in semiinfinitely medium volume. Physics Letters A,

288:115 - `120.

2. Клюкин Л. М., Намиот В. А.(2001) Метод

реконструкции участков патологии в объеме жи-

вого объекта. Биофизика, т. 46, вып. 3: 524 – 529.

3. Клюкин Л. М., Намиот В. А. 2001) Тепло-

вой метод исследования структур внутри человече-

ского тела. Наука и техника в России, № 2 – 3:10 -

12.

4. Клюкин Л. М., Намиот В. А.(2001) О воз-

можности исследования внутренних

структур человеческого тела новым высоко-

чувствительным тепловым

методом. Международный Медицинский

Журнал. № 2: 170 –173.

5. Клюкин Л. М.(2005) Новый метод кон-

тактного объемного тепловидения в задачах скри-

нинга, ранней диагностики патологических образо-

ваний в теле человека и их мониторинга. Наука и

техника в России, № 2 – 3: 24- 27.

6. Шихман С. М., Цитринбаум Б. И., Клюкин

Л. М., Зубкин В. И, Геворкян К. М.(2007) Контакт-

ная объёмная термография молочных желёз. Эндо-

скопическая хирургия.Т.13, №6: 39-44.

7. Георгиева Г.П.( 1999) Как нормальная

клетка превращается в раковые? Соросовский обра-

зовательный журнал., № 4::17-22.

8. Клюкин Л. М (2014) Влияние простран-

ственно- динамических процессов кровенаполне-

ния женских молочных желез на доклиническую

диагностику рака методом сканирующей контакт-

ной термографии .НТР, ,т.93, №4 :.3-16.

9. Klukin L. M., Namiot V.А (2015) Regular

Therrmal Waves in Mammary Gland Tissues. Biophys-

ics, v.60 , №1:138-139.

10. «Разрешение на применение новой меди-

цинской технологии», МЗ РФ,

ФС № 2010/258 от 1 июля 2010 г.

11. Papa M.Z., Ayalon Sh., Klukin L.M., Shi-

khman S., Ronstein A.,

Kunyavsky G.,Villanu G. (2009)Breast volu-

metric contact thermography . Proceed.of Chaim Sheba

Center. Ramat-Gan, Israel.. Рilot Investigation :3-6.

12..Руденко М. В,. Клюкин Л. М, Свистуш-

кин В. М., Никифорова Г. Н. (2006) Исследование

патологии верхнечелюстных пазух новым методом

контактной термографии. Современные аспекты

онкологии. Материалы конференции. Ереван :171-

172.

13. Блескин Б. И., Клюкин Л.М., Михеев С.В

(2010) Использование контактной термографии для

ранней экспресс-диагностики сахарного диабета 1-

го типа и мониторинга его лечения. Медицинская

техника. №5:.25-26,

14. Клюкин Л. М., Морозов С. Ю (2012)

ДОТ-диагностика заболеваний мошонки. НТР, т.

91, № 2 : 37- 42.


Alena Yurevna Markina

Kand. medical sciences, associate professor of public health and health care

Medical University "South Ural State Medical University" of Ministry of Health of Russia.

Chelyabinsk

SOCIAL ORPHANHOOD AS A CONSEQUENCE OF FAMILY CRISIS

AND AS A CAUSE OF DEPOPULATION

Annotation

The last decade in the Russian Federation were characterized by a deep crisis in socio-economic, socio-

political and cultural life of the Russian society. Radical economic reforms in the country have led to various

changes in all spheres of human activity, which significantly reduced the standard of living of a large part of the

population, which, of course, impact on health and, above all, on the level of reproduction. At present, the profound

changes in the socio-demographic structure of the population is a reflection of depopulation processes in all re-

gions of the country. The birth rate in the country is 1.5 times lower than that required for simple reproduction of

generations (Prokopevich O.SCH., Tishuk EA, 2005; Rimashevskaya, NM, 2005; IJ Vasilenko Vasilenko OI .,

2006).

Social aspects of the depopulation is a crisis of such an important social institution, the family. family crisis

concept focuses not on the external to the family of the causes of adverse events, however important they may be

in themselves, not to "interference" evolutionary course of events, and the vices of the option the social organiza-

tion of the market-industrial type, which is spontaneously formed in modern society (Medkov VM, 2003).

The crisis of the family, violation of its structure and functions, the fall in living standards, devaluation of moral

ideals, changing guidelines led to a significant increase in social exclusion of people, which is primarily mani-

fested in the loss of social ties in the family and creates the problem of child abandonment (Zhukov V. I., 2003).

Key words: family crisis, parental guardianship, social orphanhood, child abandonment prevention.

Маркина Алена Юрьевна

Канд. мед наук, доцент кафедры общественного здоровья

и здравоохранения

ГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Минздрава России.

г. Челябинск

СОЦИАЛЬНОЕ СИРОТСТВО КАК СЛЕДСТВИЕ КРИЗИСА СЕМЬИ И КАК ПРИЧИНА

ДЕПОПУЛЯЦИИ

Аннотация

Последние десятилетия в Российской Федерации характеризовались глубоким кризисом в соци-

ально-экономической, общественно-политической и культурной жизни российского общества. Коренные

экономические преобразования в стране привели к различным изменениям во всех сферах человеческой

деятельности, которые существенно снизили жизненный уровень значительной части населения, что,

естественно, отразилось на здоровье и, прежде всего, на уровне воспроизводства. В настоящее время

глубокие изменения в социально-демографической структуре населения являются отражением депопуля-

ционных процессов во всех регионах страны. Рождаемость в стране в 1,5 раза ниже, чем требуется для

простого воспроизводства поколений (Прокопьевич О.Щ., Тишук Е.А., 2005; Римашевская, Н.М., 2005;

Василенко И.Я., Василенко О.И., 2006).

Социальным аспектом депопуляции является кризис такого важнейшего общественного инсти-

тута, как семья. Концепция кризиса семьи ориентирует не на внешние по отношению к семье причины

неблагоприятных явлений, как бы важны они ни были сами по себе, не на «помехи» эволюционному ходу

событий, а на пороки того варианта социальной организации рыночно-индустриального типа, который

спонтанно сложился в современном обществе (Медков В.М., 2003).

Кризис семьи, нарушение ее структуры и функций, падение жизненного уровня, обесценивание мо-

рально-нравственных идеалов, изменение ориентиров ведут к значительному росту социальной дезадап-

тации людей, которая, прежде всего, проявляется в утрате социальных связей в семье и порождает про-

блему социального сиротства (Жуков В.И., 2003).

Ключевые слова: кризис семьи, родительская опека, социальное сиротство, профилактика сирот-

ства.

За последние сто лет Россия переживает тре-

тью волну сиротства. Сейчас детей-сирот насчиты-

вается больше, чем после окончания Великой Оте-

чественной войны. Так, в 1945 году их было около

600 тысяч. Согласно официальным статистическим

данным, в Российской Федерации проживает около

800 тысяч детей-сирот и детей, оставшихся без по-

печения родителей. Из них, по состоянию на 1 ян-

варя 2005 года 545 тысяч детей (68%) состоит на


воспитании в семьях граждан: 375 тысяч – под опе-

кой (попечительством), 11 тысяч – в приемных се-

мьях, 159 тысяч – усыновлены посторонними граж-

данами. Остальные (более 260 тысяч)

воспитываются в государственных учреждениях

для детей-сирот и детей, оставшихся без попечения

родителей, различных ведомств, а также в негосу-

дарственных учреждениях (Мельников В.П. Холо-

стова Е.И., 2006).

Сиротство как социальное явление суще-

ствует столько же, сколько само человеческое об-

щество, и является неотъемлемым элементом циви-

лизации. Войны, эпидемии, стихийные бедствия,

другие причины приводили к гибели родителей,

вследствие чего дети становились сиротами. Одно-

временно с возникновением классового общества

ответвляется и так называемое “социальное сирот-

ство”, когда дети лишаются попечения родителей в

силу нежелания или невозможности осуществлять

последними родительские обязанности, когда ро-

дители отказываются от ребенка или устраняются

от его воспитания (Сафонова, Т.Я., 1995).

Социальное сиротство - это тяжелая, неесте-

ственная ситуация, когда родители по разным при-

чинам не воспитывают своих детей. После креще-

ния на Руси начинает приобретать все большее

распространение христианская семейная мораль.

Русь берет жизнь детей под охрану своих законов.

В те далекие времена, когда еще не существовало

единого государства Российского, призрение де-

тей-сирот было частным делом князей, либо возла-

галось княжеским государством на церковь. Так ве-

ликий князь Владимир I поручил в 996 году

общественное призрение, куда входила и помощь

сиротам, попечению и надзору духовенства. Забо-

тился он о прокормлении сирот и сам, раздавая убо-

гим, странникам, сиротам большую милостыню.

Другой Великий князь Ярослав учредил сиротское

училище, где призревал своим иждивением и обу-

чал 300 юношей. Призрение бедных и страждущих,

в том числе и детей, рассматривал как одну из глав-

нейших обязанностей и Владимир Мономах. В

своей Духовной Детям он завещал защищать си-

роту и призывал: "Всего же паче убогих не забы-

вайте, но елико могуще по силе кормите, снабдите

сироту". Но в любом случае оно осуществлялось из

религиозных, моральных побуждений, рассматри-

валось как богоугодная акция. Поговорка того вре-

мени гласит: "Не постись, не молись, а призри си-

роту". Существовали в древние времена и

конкретные способы защиты осиротевшего ребенка

путем его усыновления или передачи на опеку

(Максимов Е.Д., 1990).

В современном обществе происходит транс-

формация института семьи, которая носит общеми-

ровой характер. Этот процесс болезненно проте-

кает везде, при этом в России изменение семейных

ценностей происходит на фоне кардинального эко-

номического, политического и социального пере-

устройства общества, изменения моральных и эти-

ческих норм. Около 30% детей родятся вне

зарегистрированного брака родителей (Нечаева

А.М., 1999).

За период с 1 января 2000 года по 20 мая

2008года в клинику Башкирского государственного

медицинского университета поступило 39 мальчи-

ков и 40 девочек. Возраст детей распределялся сле-

дующим образом: до шести месяцев — 30%, от ше-

сти месяцев до года - 24% и старше года - 46%

детей. Все дети были из семей ведущих асоциаль-

ный образ жизни. В клинику 6,3% детей достав-

лены с вокзалов города, 3,8% оставлены на улице,

8,9% «забыты» родителями у посторонних людей.

У 13,9% малышей родители находились в местах

лишения свободы. В общей сложности органами

охраны правопорядка в клинику было доставлено

81% детей. После обследования и лечения в стаци-

онаре 62% детей переведены в дома ребенка; 6,3%

в специализированный дом ребенка для ВИЧ - ин-

фицированных детей), Один ребенок с множествен-

ными пороками развитии сердечно-сосудистой и

нервной систем умер (Бабенкова Л.И. и соавт.,

2008).

Среди детей-сирот и детей, оставшихся без

попечения родителей, преобладает категория “со-

циальных сирот” - 75,9 % от общей численности.

Основной причиной возникновения и роста соци-

ального сиротства является разрушение государ-

ственной инфраструктуры социализации и обще-

ственного воспитания детей без формирования

новой эффективной структуры социализации и до-

суга несовершеннолетних в условиях рыночных от-

ношений. Другой причиной является кризис семьи:

рост бедности, ухудшение условий жизнедеятель-

ности и разрушение нравственных ценностей и вос-

питательного потенциала семей. Ослаб воспита-

тельный потенциал семьи, разрушаются ее

нравственные устои, утрачиваются фундаменталь-

ные человеческие ценности. Из-за пьянства, нарко-

мании, аморального образа жизни, отказа от содер-

жания и воспитания детей государство вынуждено

лишать родителей родительских прав. Помещение

ребенка в учреждение несемейного воспитания, его

вывод из семьи, которая отказала ему в защите и

воспитании, - это всегда психологическая травма.

Ребенок лишается возможности развиваться и со-

циализироваться в естественных условиях (Мар-

ченков В.И., 2008).

Ущерб, наносимый обществу несовершен-

ными репродуктивными установками населения, в

условиях реформирования здравоохранения, тре-

бует концептуальных подходов к организации аку-

шерско-гинекологической помощи, создания опти-

мальных для современной ситуации и

перспективных на будущее новых организацион-

ных технологий (Зайнуллина Л.В., Брыксина В.И.,

Литвинова А.М., 2000).

В нашей стране, начиная с 1997 года прирост

числа социальных сирот составлял от 5000 до 10000

детей за год, и на 2006 год их число достигло

127096 детей. Одной из актуальных и социально

значимых задач, стоящих перед нашим обществом

сегодня, является поиск путей снижения роста со-

циального сиротства и повышения эффективности

его профилактики. Под профилактикой социаль-

ного сиротства понимаются научно обоснованные


и своевременно предпринимаемые действия,

направленные на предотвращение возможных фи-

зических, психологических или социо-культурных

коллизий у отдельных индивидов группы риска, со-

хранение правильных репродуктивных и материн-

ских установок. Своевременная профилактическая

деятельность способствует значительному сниже-

нию издержек социальной работы с уже имеющими

место, “состоявшимися” девиациями (Платонова,

Н.М., 2003; Варывдин В.А., Клемантович И.П.,

2004; Мельников В.П. Холостова Е.И., 2006).

А.В. Гогоева (2003) выделяют несколько

уровней профилактической деятельности в отноше-

нии социального сиротства: общесоциальный уро-

вень предусматривает деятельность государства,

общества, их институтов, направленную на разре-

шение противоречий в области экономики, соци-

альной жизни, в нравственно-духовной сфере; спе-

циальный уровень состоит в целенаправленном

воздействии на негативные факторы, связанные с

отдельными видами отклонений или проблем; ин-

дивидуальный уровень представляет собой профи-

лактическую деятельность в отношении конкрет-

ных лиц, поведение которых имеет черты

отклонений или проблемности. Главный акцент

нужно сделать на первичную профилактику - ком-

плекс мер, направленных на предотвращение нега-

тивного воздействия биологических и социально-

психологических факторов, влияющих на форми-

рование отклоняющегося поведения у матери. Сле-

дует отметить, что именно первичная профилак-

тика (ее своевременность, полнота и постоянность)

является важнейшим видом превентивных меро-

приятий в области предотвращения отклонений у

будущих матерей, и являющихся содержанием ра-

боты медицинского персонала учреждений родо-

вспоможения.

Таким образом, несмотря на многоплано-

вость и многоаспектность проблемы социального

сиротства общество активно берётся за её разреше-

ние уже только после того, как факт оставления но-

ворожденного без родительской опёки произошел.

В вопросах первичной профилактики социального

сиротства служба родовспоможения оставлена

один на один с проблемой, хотя поддержка её уси-

лий и семей группы риска на этапе беременности

позволила бы избежать больших моральных и ма-

териальных издержек в будущем.

Список литературы

1. Бабенкова, Л.И. Покинутые дети: совре-

менные аспекты проблемы /Л.И. Бабенкова, Э.И.

Эткина, А.А. Фазылова, и др.//Здоровье и безопас-

ность жизнедеятельности молодёжи: проблемы и

пути решения.-Уфа,2008.-С.49-52.

2. Василенко, И.Я. Значимость основных

факторов, формирующих демографическую обста-

новку / И.Я. Василенко, О.И. Василенко // Гигиена

и санитария. – 2006. - № 5. – С. 86-89.

3. Варывдин, В.А. Управление системой со-

циальной защиты детства/ В.А. Варывдин, И.П.

Клемантович - М., 2004. - 192с;

4. Гогоева, А.В. Аддиктивное поведение и

его профилактика / А.В Гогоева – М,2003.- 249 с.

5. Жуков В.И. Российские преобразования:

социология, экономика, политика/ В.И. Жуков - М.:

Академический Проект, 2003. - 656 с.

6. Зайнуллина, Л.В. современные аспекты

перинатальной идеологии рождения здорового ре-

бёнка / Л.В. Зайнуллина, В.И. Брыксина, А.М. Лит-

винова // Здоровый новорожденный. Перинаталь-

ные проблемы и прогнозирование.-Екатеринбург,

2000.-С.38-42.

7. Максимов, Е.Д. Начало государственного

призрения в России / Е.Д. Максимов //Трудовая по-

мощь.- СПб., 1900.- №1.-С.41.

8. Марченков, В.И. Анализ работы с детьми

в Коркинском муниципальном районе по итогам

2007 года/ В.И. Марченков. - Коркино, 2008.- 100с.

9. Медков, В.М. Основы демографии / В.М.

Медков. – Ростов-на-Дону.: Феникс, 2003. – 447 с.

10. Мельников, В.П. История социальной ра-

боты в России: Учебное пособие/ В.П. Мельников

Е.И. Холостова. - М., 2006. - 334с.

11. Нечаева, А.М. Россия и ее дети /

А.М.Нечаева.- М., 1999.-С.5-96.

12. Платонова, Н.М. Комплексная про-

грамма по профилактике социального сиротства,

реабилитации и коррекции социальных сирот и де-

тей, пострадавших от семейного насилия/ Н.М.

Платонова. – СПб., 2003. - 761 с;

13. Прокопьевич, О.Щ. Проблемы демогра-

фического развития России / О.Щ. Прокопьевич,

Е.А. Тищук // Экономико здравоохранения. – 2005.

- № 3. – С. 5-8.

14. Римашевская, Н.М. Стратегические за-

дачи в контексте динамического развития России /

Н.М. Римашевская // Народонаселение. – 2005. - №

1. – С. 4-13.

15. Сафонова, Т.Я. Реабилитация детей в

приюте / Т.Я. Сафонова. - М., 1995.-320c.


Minina Elena Evgenevna

Ph.D., Departament of faculty pediatrics, South Ural State Medical University, Chelyabinsk, Russia

Medvedeva Larisa Valentinovna

Ph.D., Departament of faculty pediatrics, South Ural State Medical University, Chelyabinsk, Russia

Zhakov Yaroslav Igorevich

M.D., Professor, Departament of faculty pediatrics, South Ural State Medical University, Chelyabinsk, Russia

CYTO-IMMUNOLOGICAL FEATURES OF INDUCED SPUTUM IN

CHILDREN WITH MILD INTERMITTENT ASTHMA

Abstract. The authors evaluated the differential cell counts and immunological parameters in induced spu-

tum and the distribution of inflammatory phenotypes in children aged 5-16 years with mild intermittent asthma

(n=58) and children without allergic diseases (n= 19). Pulmonary function measurements were carried out all

children. Revealed that the predominant type of inflammation in mild intermittent asthma was eosinophilic, and

in children without allergic diseases – paucigranulacytic (p <0.05). Lung function in patients with mild intermit-

tent asthma did not differ from group without allergic diseases. Also identified cyto-immunological features of

induced sputum can be used as noninvasive screening methods in children for the diagnosis of asthma.

Keywords: asthma, induced sputum, inflammatory phenotypes, cytokine, children

Introduction

Asthma is a serious global problem in the

health’s field involving all age groups. The prevalence

of asthma is increasing in many countries, especially

among children. Many researchers underline the wide-

spread underdiagnosis of the disease. [4, p. 8]. Under-

taking asthma basic treatment involves the use of anti-

inflammatory drugs which should be adequate to the

severity of the disease. Currently, the first stage of ther-

apy is applied only short-acting ß2-agonist (SABA) as

monotherapy. But the relationship of disease severity

with the severity of inflammation of the airways has not

yet been investigated. Evaluation of inflammation of

the respiratory tract is important for a timely start of

basic therapy, for choice of drug and duration of asthma

treatment, because patients with rare or newly emerg-

ing symptoms have detected chronic airway inflamma-

tion [4, p. 44; 5, p. 160-161; 6, p. 127-128; 9].

The purpose of the study - to reveal the features

of the cellular composition of induced sputum, distri-

bution of inflammatory phenotypes, immunological pa-

rameters induced sputum in children with mild inter-

mittent asthma.

Subjects and methods

A cross-sectional study was used. Children with

mild intermittent asthma submitted for examination in

Child Allergy Department of Chelyabinsk City Hospi-

tal #1 (n=58) [7, p. 81-82]. Inclusion criteria were: age

5 to 16 years, mild intermittent asthma; the absence

during the preceding months of episodes of acute infec-

tious and inflammatory diseases, episodes of asthma

exacerbations and vaccination; the absence of basis

therapy in the last 6 months, consent to participate in

the study. Exclusion criteria were: tobacco smoking.

The comparison group consisted of 19 children of the

same age who do not have allergic diseases.

Pulmonary function measurements were carried out all

children with spirometer "Spirolab II". Sputum was in-

duced by inhalations with hypertonic sodium chloride

solution, using a own patented method [8]. The concen-

tration of immunoglobulin E (IgE) and subclasses of

immunoglobulins G (IgG (1-4)), interleukin-4 (IL-4),

interleukin-8 (IL-8), tumor necrosis factor-alpha

(TNFα) were determined in induced sputum by immno-

enzyme analysis (JSC "Vector-best", Novosibirsk,

Russia); the levels of all results were recalculated per

unit of protein.

Statistical analysis was carried out using Statistica for

Windows 6.0 and SPSS 12.0. Most variables were not

normally distributed and values have been expressed as

medians and interquartile range (Me; 25-75%). Differ-

ences in proportions between groups were analyzed by

Fisher's exact test or χ-square test. Significance was ac-

cepted when p <0.05.

Results

According to the results of spirometry we didn’t

found significant differences between groups of exam-

ined children (Tab. 1).


Table 1. Indices of spirometry (% from proper)

Differential cell counts in induced sputum ex-

amined children are presented in table 2.

Table2. Differential cell counts in induced sputum

Significant differences between the groups was

obtained only for the eosinophils of induced sputum. It

is well known the high counts of eosinophils is typically

for asthma, especially in children. According to the re-

sults of cytological examination induced sputum deter-

mined the type of inflammation: eosinophilic (eosino-

phils >3%), neutrophilic (neutrophils >61%), mixed

granulocytic (eosinophils >3% or neutrophils >61%)

and paucigranulacytic (eosinophils <3% and neutro-

phils <61%) [2]. The distribution of inflammatory phe-

notypes are presented in table. 3.


Table 3. The prevalence of inflammatory phenotypes according to induced sputum

It is revealed the predominant type of airway

inflammation in asthma group was eosinophilic. The

level of eosinophils more than 3% is considered high

and requiring the appointment of basic anti-inflamma-

tory therapy. The most effective drugs in this case rec-

ognized is inhaled glucocorticosteroid (ICS). The num-

ber of patients with eosinophils more than 3% was

approximately half of all surveyed (eosinophilic and

mixed mixed eosinophilic/neutrophilic phenotype).

Paucigranulacytic phenotype is the least studied,

it is possible that this type of inflammation can be tran-

sient. Paucigranulacytic phenotype was in children

without allergic disease, as confirmed by other works

[3]. In the asthma group paucigranulacytic phenotype

was 43.1% (p<0.05), which perhaps shows period of

asthma remission and needlessness for the appointment

of anti-inflammatory therapy.

Neutrophilic type of inflammation has met with

the least frequency. Neutrophils poorly respond to ICs

therapy, at the same time, according to in vitro studies,

montelukast (blocker LT-receptors) can affect neutro-

phil inflammation by a mechanism nonspecific inhibi-

tion of cyclic nucleotide phosphodiesterase, the result

of which is cAMP-dependent suppression of the proin-

flammatory activity of neutrophils [1].

Immunological parameters induced sputum in

study groups are presented in table 4.

Table 4. Immunological parameters induced sputum in children in study groups

In our study, the level of TNF-α is the main pro-

inflammatory cytokine in asthma exceeded the value of

this cytokine in the group without allergic disease by

1.3 times; the level of IL-4, which is the main cytokine


involved in the pathogenesis of the allergic response,

the most important and necessary factor in the induc-

tion of IgE, but can also stimulate the production of

TNF-α, was higher in asthma group almost two times.

The level of IL-8 (a cytokine that supports late-phase

allergic inflammation) in the group with asthma was

2.5 times higher than in the group without allergic dis-

ease (p<0.05). The level of IgE in children with asthma

was 3.5 times higher (p=0.001). The concentrations of

subclasses IgG1 and IgG2 between the groups did not

differ significantly, and the subclasses IgG3 was 3.0

times higher and IgG4 was 11 times higher in asthma

group (p<0.05). It is known that increase of level of

IgG4 accompanied by excessive degranulation of mast

cells, to excessive secretion of biologically active sub-

stances and airway obstruction.

Conclusions

Thus, the obtained data showed the importance

of determining the predominant type of inflammation

in mild intermittent asthma is to address the issue about

the need to start a basic therapy, and also choice of

medicine.

Identified cyto-immunological features of induced spu-

tum can be used as noninvasive screening methods in

children for the diagnosis of asthma.

References 1. Anderson R. Montelukast inhibits neutrophil

pro-inflammatory activity by a cyclic AMP-dependent

mechanism / R. Anderson, A.J. Theron, C.M. Gravett

et al. // Br. J. Pharmacol. - 2009. - Vol. 156. - № 1. - P.

105–115.

2. Simpson J.L. Inflammatory subtypes in

asthma: assessment and identification using induced

sputum / J.L. Simpson, R. Scott, M.J. Boyle et al. //

Respirology. - 2006. - Vol. 11(1). - P. 54-61.

3. Wang F. Different inflammatory phenotypes

in adults and children with acute asthma // F. Wang,

X.Y. He, K.J. Baines et al. // Eur. Respir. J. - 2011. -

Vol. 38. – P. 567-574.

4. Глобальная стратегия лечения и профилак-

тики бронхиальной астмы (пересмотр 2014 г.) / под

ред. А.С. Белевского. – М.: Российское респиратор-

ное общество, 2015. – 148 с., ил.

5. Медведева Л.В. Клинические особенности

и показатели секреторного иммунитета у детей с

бронхиальной астмой: дис. ... канд. мед. наук / Л.В.

Медведева. – Челябинск, 2006. – 191 с.

6. Минина Е.Е. Использование метода инду-

цированной мокроты для оценки иммуноопосредо-

ванных процессов воспаления слизистой оболочки

бронхов при лёгкой бронхиальной астме у детей:

дис. ... канд. мед. наук / Е.Е. Минина. – Челябинск,

2010. – 161 с.

7. Национальная программа «Бронхиальная

астма у детей. Стратегия лечения и профилактика».

– 4-е изд., перераб. и доп. – Москва: Оригинал-ма-

кет, 2012. – 184 с.

8. Пат. 2364341 РФ Способ получения инду-

цированной мокроты у детей для оценки степени и

характера воспаления слизистой бронхов / В.И. Ку-

личков, Ю.Л. Мизерницкий, О.Г. Рыбакова, Е.Е.

Минина, Я.И. Жаков. – №2008116364; заявл.

24.04.2008; опубл. 20.08.2009, Бюл. № 23. – 10 с.

9. Пат. 2407451 РФ Способ диагностики

бронхиальной астмы у детей раннего возраста с ис-

пользованием данных цитологии индуцированной

мокроты / Я.И. Жаков, О.Г. Рыбакова, В.И. Кулич-

ков, Е.Е. Минина – №2009117008; заявл.

04.05.2009; опубл. 27.12.2010, Бюл. № 36. – 14 с.

Pavlov V P , Khrennikov J B, Ivanov D.V.

V.A.Nassonova Scientific Research Institute Rheumatology R F

PROBLEMS AND RESULTS OF FIRST METATARSOPHALANGEAL FUSION

IN RA PATIENTS WITH HALLUX VALGUS

ABSTRACT

Aim: to investigate a non-union of first metatarsophalangeal arthrodesis in RA patients with Hallux Val-

gus, in connection with the fixation methods and also long-term results for these procedures.

Material and methods: 86 RA patients (pts), the ratio of women to men is 32:1, the age - 53,8±9.5 years

(18-75 y), rheumatoid factor + (RF+) - at 80 patients (pts),RF - at 6 pts. Minimal activity of RA established at 72

pts, the average – at 14 pts. II stage of RA - 31,4% pts , III - 62,8%, IV - 5.8% pts . First functional class ( 1 f c)

and second last one (2 f c) – had been in 52.3% and 47.7%, respectively. Hallux Valgus as an integral part of the

typical deformities of the forefoot - digitals V rheumatics (DVR) had been established at all pts. We had do a

standard global reconstructive surgery – SGRO and modernized version of this procedure - MGRO. Both opera-

tions included the first metatarsophalangeal fusion with the fixation of its by Kirschners wire and compression

staples in A) and B) groups pts respectively. Valuation of surgical treatment were carried out separately for foots

of both groups. This paper presents only the results of first metatarsophalangeal fusion.

Results: Assessment of long-term results of first metatarsophalangeal fusion in accordance with the

AOFAS before and 2,3±1,5 years after surgery was 35,51±8,16 / 82,32±6.09 points for A) group pts and -

39,93±6,65 / 82,26±5,59 points for B) group pts. Non-union of fusion for first MTP. installed 3 pts of group B)

and amounted to 2.15 %. Prior to operation 3 of 141 feet had II degree valgus deviations in the range of 21-40º.

III and IV degree valgus deviation - 41-60 and >60 º marked 90 and 48 feet, respectively. Through 2,3 yars after

arthrodesis normal valgus deviation - 10-12ºc detected in 131 feet , II degree - 11-20 º - 10 feet.


Conclusion: High efficiency of first MTP fusion of RA patients with Hallux Valgus and correspondingly

low percentage of failure of fusion -2,15% achieved by application of differentiated methods of fixation of osteo-

synthesis. Long-term results after 2.3 years after surgery questionnaire AOFAS scoring corresponded to the score

of "good" in 97.8%

Key words: fusion, insolvency, fixation, complications, result

The aim of our study was to a) study the fea-

tures of first metatarsophalangeal fusion (MTP) in RA

patients with resistant strains of the forefoot type hallux

valgus, b) identification of complications, and c) as-

sessment of long-term results of surgical treatment in

comparison with that of pre-operative data

Material and methods: 86 RA patients (PTS),

the ratio of women to men - 32: 1, age-53,8 ± 9,5 y. (18

- 75 y.y.), an RF-positive – 80, RF-negative - 6, the

minimal activity established at 72 PTS, the average -

14. Stage II of the PA 31.4%, III - 62,8%, IV- 5,8%,

functional class (FC) 1 and 2 - 52.3% and 47.7% re-

spectively. All PTS were with Hallux Valgus as an in-

tegral part of the typical deformation of the forefoot -

Digitis V Rheumaticus (DVR) with 1, II and III degrees

of deformity, which are used for the treatment of the

standard Global Reconstructive Operation –(SGRO)

and modernized version - MGRO. First MTP fusion

was a part of these operations

P-there A) group (n-68) with I and II degree of

deformation produced MGRO DVR, and group B) with

grade III DVR (n-73} –SGRO. Along with the MTP fu-

sion arthroplasty of II-V MTP was part SGRO, Weil -

osteotomy II-V MTP joints includes MGRO.

In accordance with the abobe, our clinical ma-

terial had been divided into two groups of PTS: group

A (n-68) first MTP fusion by Kirschner wires (K) and

group B (n-73) – with fixing by compression staples..

PTS of A) group (n-68) with I and II degree of

deformation had operated by method of MGRO, and

group B) with grade III DVR (n-73) - SGRO. Along

with the first MTP fusion arthroplasty of lesser MTP

was part of SGRO. Weil- osteothomyI of lesser meta-

tarsal heads (joint protected operation) - includes as a

part of MGRO

Given our data regarding the choice of the fix-

ation’s method for the fusion of first MTP joint. Assess-

ment of bone mass occurs during the processing of the

articular ends with oscillating saw and hemispherical

cutter, during which a number of patients cortical layer

is not crushed, which is an indirect indication of the rel-

ative density in the presence of signs osteoporosis by

densitometric parameters. This serves as an indication

to perform Acompression osteosynthesis of first MTP

joint.

The crushing cortical and cancellous layers dur-

ing the similar treatment of articular ends for a number

of other patients determined by indirect signs of pro-

nounced osteoporosis confirmed by densitometric data

of the study. This is an indication for the secon the third

spoke To. entered interscalene along the length axis of

the first beam to the joint Lafranca d method of fixation

of the arthrodesis osteosynthese two intersecting

spokes K. in the area of the SFC.

Results: Evaluation of long-term results ar-

throdesis 1 PPS rheumatoid foot in line with the

AOFAS questionnaire before and 2,3 ± 1,5 years (1-4

g) after surgery was in patients of group A) as 35,51 ±

8,16 / 82,32 ± 6,09 (P > 0.01) and group B) - 39,93 ±

6,65 / 82,26 ± 5,59 (P> 0,01) points. It should be clari-

fied that the AOFAS questionnaire includes clinical

and functional parameters such as pain, activity limita-

tion, the requirements for shoes, motion SFC degrees

(back and plantar flexion), the stability of the SFC and

the knuckle (ISF), the presence or absence of callosity

1 finger joints, adaptation to the surface. Score 95-100

- corresponds to the evaluation "excellent", 75-94 -

"good", 51-74 - "satisfactory", less than 50 - "not satis-

factory"

Thus, based on estimates of AOFAS, preopera-

tive clinical and functional status of patients in both

groups was not satisfactory, and a 2,3 ± 1, 5 g on aver-

age (1-4g) match the rating of "Good", and to the same

extent in both groups of patients. It should be added that

good results arthrodesis in patients with 1 finger A)

group were observed in 100% feet and B) group -

97.3% as a result of insolvency arthrodesis in 3 patients.

The failure of arthrodesis 1 PPS. rheumatoid

foot installed within 6 months after surgery in 3 n-ing

group B), which accounted for 2.15%. Reartrodeziro-

vanie they spoke with fixing osteosynthesis K. yielded

positive results.

Prior to surgery, 3 of 141 feet had Grade II val-

gus 1 PPS within 21-40º, III and IV degree valgus 1

PFS- 41-60º and> 60 º were observed in 90 and 48 feet

respectively. Through 2.3, the average after arthrodesis

1 PPS normal valgus deviation - 10-12º marked at 131

feet, II degree - 11-20 º - at 10 feet.

One of the criteria of normal biomechanics of

the foot is erratic function of the foot due to the inter-

action of all elements of the capsular ligament, tendon

and muscle components. With the loss of one finger

movements PPS as a result of the arthrodesis compen-

satory increases motor function of the MFS 1 finger that

was observed during long-term postoperative period

compared with the preoperative state. Thus, the motor

function of MFS 1 finger before surgery was on aver-

age within 44 ± 5º in an arc, after the surgery, it in-

creased to 51 ± 5 º, ie increased by 7º, compared with

the original data.

Of complications in the immediate postopera-

tive period were marked by ligature fistula in 3 patients.

Complications cropped after removal of ligatures, fol-

lowed by sanitation stations operating seams.

Results and Discussion

Arthrodesis PPS 1 finger recognized gold

standard for surgical treatment of Hallux valgus in var-

ious diseases, including rheumatoid arthritis (1, 2). De-

mand for arthrodesis PPS 1 finger remains unchanged,

despite the advances of modern antirheumatic therapy,

which allows to reduce the surgical treatment of re-

sistant strains II-V PPS (3 4). On the other hand, the

discussion about alternative methods of surgical treat-

ment for arthrodesis PPS 1 finger is not yet complete.


According to international studies, noteworthy compar-

ative analysis of arthrodesis and arthroplasty PPS 1 fin-

ger in RA patients. Has a large satisfaction with the re-

sults of surgical treatment of patients with arthroplasty

in relation to patients with arthrodesis, while improving

support ability of the stop, the results podobarografii

turned in patients with arthrodesis (5).

As an alternative surgical techniques with re-

spect to arthrodesis SFC considered osteotomy for Lud-

lloff, Scarfe-osteotomy, chevron osteotomy, but the

clinical material - 27 patients, in line with the observa-

tional data, light for a reliable evaluation of the results

of this work (6).

Japanese orthopedists (7) on a larger clinical

material - 65 RA patients (107 feet) published the re-

sults of arthroplasty 1-V PPS. 6 years after arthroplasty

of the results of this operation was granted only 75% of

patients, 25% - are not satisfied due to the recurrence

of Hallux Valgus and molotochkoobraznoy strain II-V

fingers.

Actual problem arthrodesis PPS I toe in patients

with rheumatoid arthritis is the instability of the joint as

a result of lack of fusion

articular ends of the metatarsal bones and pha-

langes, in Western terminology - nonunion.

The failure of the arthrodesis is considered a

common complication during arthrodesis PPS 1 finger

and perpetually podiatrists, dealing with the problem of

surgical treatment of the foot in many diseases, includ-

ing rheumatoid arthritis.

We present a study of the system analysis 37

sources insolvency arthrodesis in 2656 patients (8).

This group included patients with Hallux Valgus

(47,2%), rigid PPS 1 finger (32%), rheumatoid arthritis

(11.5%), after revision surgery (9.3%). Osteosynthesis

of the arthrodesis was performed using compression

screws, dorsal metal plates with screws, compression

brackets. The failure of the arthrodesis was noted in

5.4% of patients with these diseases. From this analysis

it is impossible to determine the percentages of insol-

vent arthrodesis in RA in relation to patients with other

diseases.

The risk of insolvency arthrodesis after 1 g of 3

months. after surgical treatment is higher in RA than in

patients with other diseases in the ratio as 22.9% / 6.9%

(9). According to the results of this work can be as-

sumed that rheumatoid arthritis is one of the factors of

negative influence on the processes of bone formation

in the osteosynthesis, but more similar to the texture

and design of the study shows that in patients with RA

after arthrodesis PPS 1 finger percentage insolvent ar-

throdesis longitudinally low - 3, 3% (10).

Presumably it can be assumed that the method

of fixation for arthrodesis PPS 1 toe affects the outcome

of the operation with respect to insolvency osteosynthe-

sis. For example, c to reduce insolvent arthrodesis used

intramedullary titanium post and walking very early

operated patients in special shoes, but the percentage of

failed arthrodesis remained at 3.2% (11).

In our work we used the differential method of

fixing PPS I toe depending on the characteristics of os-

teoporosis metatarsal bone and the proximal phalanx.

In marked osteoporotic compression latches do not al-

ways give a complete compression of the articular ends

artrodeziruemogo joint, and therefore, their fixation

with two crossed spokes K. in PPS and intraossalnoy

spokes K. pursued across the longitudinal axis of the

beam 1 to Lisfrankova joint proved to be more effective

As a result of differentiated techniques fixation

arthrodesis failure of fixation occurred in only 3 1 PPS

pin of the total number of 141 feet, which amounted to

2.15%.

Subsequent revision surgery using spokes K. 3

patients B) group with the insolvency arthrodesis PPS I

toe was effective.

Conclusion: The high performance PPS I toe

arthrodesis in RA patients with Hallux Valgus and ac-

cordingly low percentage insolvency arthrodesis -

2.15% achieved by the application of differentiated

methods of fixation osteosynthesis. Long-term results

after 2.3 years after surgery by questionnaire in

AOFAS scores corresponded to "good" in 97.8%

Competing interests: None

Ethics approval: Ethics Committee of Institute

Rheumatology

Contribution Authors equally participated in

operations, collecting and processing of clinical mate-

rial. And also writing of the manuscript also bear full

responsibility for the latest version of the manuscript

References: 1. Cullen N, Singh D. Rheumatoid forefoot re-

construction Acta Orthop Bellg. 2010 Jun; 76(3):289-

97

2. Duan X et al. Rheumatoid forefoot reconstruc-

tion with first metatarsophalangeal fusion and arthro-

plasty of lesser metatarsal heads. Zhongguo Xiu Fu

Chang Jia s Waike Za Zhi. 2012 Apr; 26(4):445-8

3. Bhaviatti M et al. Joint preserving surgery for

rheumatoid forefoot improves pain and correct deform-

ity at midterm follow up. Foot (Edinb) 2012 22 (2):81-

4.-.doi :10 :1016/s.foot.2011.12.002.Epub 2012 Jan 24.

4. Lauwerens JW, Schring JC Rheumatoid fore-

foot patophysiology, evaluation and operative options.

Int Ortop. 2013 Sep 37 (9): 17- 19. doi: 101007 /

so00264 – 013 – 20`14 – 2. Epub 2013 Jul 26.

5. Rosenbaum D. et al. First ray resection arthro-

plasty versus arthrodesis in the treatment of the rheu-

matoid foot. Foot Ankle Int. 2011 Jun; 32 (6): 589 -94,

doi: 10.311/ FAL. 2011. 0589.

6. Chao J C et al Radiografic and clinical out-

comes of joint – preserving procedures for hallux val-

gus in rheumatoid arthritis. Foot Ankle Int. 2013 Dec;

34 (12): 1638 – 44. doi: 10.1177 / 107 110071 10071

3500 654. Epub 2013 Aug 14.

7. Matsumoto F et al. Meedterm results of re-

section arhtroplasty of forefoot deformity in patients

with rheumatoid arthritis and the risk factors associated

with patients dissatisfaction. J Foot Ankle Surg. 2014

Jan- Feb ; 53 (1): 41 – 6. doi: 10. 10531) Jtas. 2013. 09.

14. Epub 2013 N0v 14.

8. Roukis T S, Mousnier T, Augoyard M. Non-

union rate of first metatarsal – phalangeal Joint ar-

throdesis with crossed – titanium flexible intramedul-

lary nails and static staple with immediate

weightbearing. J Foot Ankle Surg. 2012 Mar- Apr ; 51


(2): 191 -4.doi: 10.10531 ) Jtas. 2011. 10041. Epub

2011 Dee G.

9. Ellington J K et al. Review of 107 Hallux

MTP joint arthrodesis using done – shaped and

Stainless – steel dorsal plate. Foot Ankle int.

2010 May, 31 (5): 385 – 90. doi: 10. 3113 / FAL . 2010.

0385.

10. Dai H et al. Clinical result of forefoot cor-

rection by the first ray stabilization combined with re-

section of the lesser metatarsal head procedure for pa-

tient with rheumatoid arthritis. Zhongguo Gu Shang.

2012 Oct; 25 (10): 821 - 4

11. Roukis T B. Nonunion after arthrodesis of

the first metatarsal–phalangeal joint:asystematic re-

view. J Foot Ankle Surg 2011 Nov –Dec; 50 (6). doi:

10.10531) JTAS. 2011. 06012. Epub 2011 Aug 15

Salkov Mykola,

MD, PhD

assistant of department

of nervous diseases and neurosurgery,

Dnipropetrovsk Medical Academy, Ukraine

ACTUAL PROBLEMS OF CLASSIFICATION OF SPINAL CORD INJURY

ABSTRACT

We conducted research 200 patients with spinal cord injury. We have seen two cases where patients had

hemitype symptoms, and ASIA scale analysis was subject only point scale. The complexity of the analysis was in

the categories A - E. Thus, our proposed system scale gradation of the patient with spinal injury is closest to urgent

spinal neurosurgery and in our opinion, is an algorithm to determine the tactics of further treatment of patients.

Conclusion: we have developed a more convenient and acceptable scale for examination of patients for

urgent spinal neurosurgery and traumatology. The classification allows assesses neurological status and general

condition of the patients.

Key words: spinal injury, classification, ASIA, Frankel, rheabilitation.

Сальков Микола Миколайович

Кандидат медичних наук, асистент кафедри

нервових хвороб та нейрохірургії ФУЛ,

Дніпропетровська Медична Академія, Україна

АКТУАЛЬНІ ПРОБЛЕМИ КЛАСИФІКАЦІЇ ХРЕБЕТНО-СПИННОМОЗКОВОЇ ТРАВМИ

АНОТАЦІЯ

Нами проведено дослідження 200 пацієнтів з хребетно-спинномозковою травмою. Ми спостері-

гали 2 випадки, коли у пацієнтів відмічалась симптоматика за гемітипом, і в шкалі ASIA аналіз підлягає

лише бальній оцінці, складність аналізу в категоріях A – E. Таким чином, нами шкала запропонована сис-

тема градацій стану пацієнта із хребетно-спинномозковою травмою є найбільш наближеною до урген-

тної спинальної нейрохірургії й на нашу думку, служить алгоритмом для визначення тактики подальшого

лікування пацієнтів.

Висновки: для оцінки стану пацієнта розроблено шкалу неврологічних і вітальних порушень, що яв-

ляється більш прийнятною й зручною для використання в ургентній спинальній нейрохірургії й травма-

тології.

Ключові слова: хребетно-спинномозкова травма, класифікація, ASIA, Frankel, реабілітація.

Залежно від строків виникнення хребетно-

спинномозкової травми (ХСМТ), клінічного пере-

бігу ушкодження хребта й спинного мозку, розріз-

няють чотири періоди (А.В. Лівшиць, 1990 р.; Duh,

1994 р.): гострий, ранній, проміжний і пізній. Виді-

ляють: гострий період до 2-3 доби. Клінічна кар-

тина в цьому періоді може бути обумовлена спина-

льным шоком. Ранній період до 2-3 тижнів. У цьому

періоді спостерігається синдром повного пору-

шення провідності спинного мозку внаслідок спи-

нального шоку, порушень крово- і ликвородина-

міки, набряку й набрякання спинного мозку (Albіn,

1985 р.); Проміжний період до 2-3 мес., коли зника-

ють явища спинального шоку, набряку спинного

мозку й виявляється характер і об’єм ушкодження:

забій спинного мозку, часткове або повне пору-

шення неврологічних функцій нижче рівня ура-

ження (Tator, 1991 р.). Пізній період до 2-3 років.

Відбувається розвиток рубцевого процесу, кістоут-

ворення, виникнення посттравматичної сирингомі-

єлії, прогресування кіфотичної деформації хребта,

явищ нестабільності з пізньою компресією спин-

ного мозку (Vіllanueva, 1994 р.). [1-4].

Quencer R. в 1992 р. запропонував кла-

сифікацію, де виділив наступні фактори, що ушкод-

жують:

а) кісткові або сторонні відламки, що про-

никнули в хребетний канал;

б) вплив компремітуючих сил на спинний

мозок;


в) механізм надмірного розтягання спин-

ного мозку;

г) ішемічні порушення, що обумовлюють

вторинні ушкодження спинного мозку.

За клінічними формами ушкодження спин-

ного мозку, запропонована найпоширеніша кла-

сифікація, у якій розрізняють:

1. Струс.

2. Забій.

3. Роздавлення із частковим порушенням

анатомічної цілості або з перервою спинного мозку.

4. Гематомієлію.

5. Епідуральній, субдуральний й субарах-

ноїдальний крововиливи.

6. Травматичний радикуліт [5].

Класифікація Amerіcan spіnal іnjury

assocіatіon (ASІА) - найбільш широко використо-

вувана міжнародна система градацій ХСМТ, для

реєстрації погіршення сенсорних і моторних функ-

цій після ХСМТ. За минулі десятиліття досягнуті

значні успіхи в оцінці неврологічного й соматич-

ного стану в пацієнтів із ХСМТ, однак, більшість

клініцистів і дослідників підтримують подальше

вдосконалення класифікації ХСМТ [6].

Всі запропоновані класифікації не врахо-

вували неврологічну оцінку пацієнтів із ХСМТ,

особливо в гострому періоді, тому що багато в чому

саме вона диктує тактику лікування й визначає дов-

гостроковий прогноз. Надто важливо ідентифіку-

вати рівень і глобалізацію ушкодження ХСМТ,

тому розроблена шкала ASІА є найпростішим і са-

мим корисним методом класифікації гострої

ХСМТ, заснована на Amerіcan spіnal іnjury

assocіatіon і Іnternatіonal Medіcal Socіety of

Paraplegіa (ASІ/ІMSOP) [7].

Клініцисти використовували різні методи,

щоб оцінити неврологічний дефіцит гострої ХСМТ.

В 1969 р. Frankell і колеги видали першу систему

класифікації для гострої ХСМТ, заснованої на до-

слідженні, проведеному в Stroke Mandevіlle

Hospіtal протягом 10 років [8]. Вони ретроспек-

тивно оцінили 682 пацієнтів з ХСМТ і система-

тизували стан пацієнтів з повною втратою моторної

й сенсорної функції нижче рівня ушкодження,

включаючи втрату сакральної функції. Клас B був

для пацієнтів з повною втратою моторної функції,

але збереженими сенсорними функціями, включа-

ючи сакральні. У класі C і D пацієнти зберегли де-

яку моторну функцію; однак, критерії оцінки чітко

не були розмежовані. У пацієнтів у групі E невро-

логічних змін не відзначалося. Після публікації

шкала Frankell знайшла широке застосування в ме-

дицині. Уперше оцінювала стан пацієнтів на основі

неврологічних розладів, а не тільки на кісткових

змінах хребта. Однак, у шкали були істотні обме-

ження, наприклад, не зовсім ясно було роз-

межування пацієнтів у групах C і D. Також не

зовсім ясна залишалася різниця в групах у чутливій

сфері [9-14].

Починаючи із класифікації Франкеля, випли-

вали кілька інших класифікацій. В 1978 р. Bracken

al.10 запропонували систему класифікації, засно-

вану на дослідженні 133 пацієнтів із ХСМТ у

Медичній школі Уэльского університету. Для

оцінки був використаний моторний і сенсорний

неврологічний дефіцит. Моторний дефіцит вклю-

чав 5 категорій і сенсорний 7. Однак, у цієї кла-

сифікації був істотний недолік, невідповідність

змін у моторній і сенсорній системах [15].

Lucas і Dacker в Інституті Меріленду cлужбы

швидкої допомоги, також розробили систему кла-

сифікації наприкінці 1970-х. Вони провели огляд

436 пацієнтів із ХСМТ і запропонували кла-

сифікацію, засновану на моторній системі індексу

(Mlі). Ця система класифікації не була широко ви-

користана, але вона запроваджувала стандартизова-

ний метод моторної експертизи [15, 16].

Кілька інших систем класифікації були ро-

зроблені на початку 1980-х. Klose and coll.

опублікували Міamі Neuro-Spіnal іndex (UMNІ), що

об'єднав і сенсорну й моторну дисфункції. Моторна

функція містила в собі 44 групи м'язів. Сенсорна

функція оцінювалася шпильковим уколом і

вібрацією на правих і лівих сторонах тіла. Кла-

сифікація була ефективною, мала кількісну і якісну

оцінку й могла використовуватися для контролю

змін стану пацієнтів. Однак, мала недоліки, тому

що була складною у використанні [17].

В 1981 р., Chehrazі and coll. розробили си-

стему класифікації, відому як Yale Scale. Ця шкала

з'єднувала числові моторні й сенсорні функції й

оцінювала ступінь неврологічних розладів, прогноз

відновлення при ХСМТ. Сенсорні розлади до-

сліджувалися уколом, виміром глибоких видів чут-

ливості. Укол був класифікований від 0 до 2 б. у

дерматомах нижче рівня ушкодження. Глибока чут-

ливість оцінювалася стиском ахіллового сухожилля

або пальця ноги. Система класифікації мала прак-

тичне застосування. Однак, як більшість попе-

редніх класифікацій, не оцінювала сакральну

функцію [18].

В 1984 р., у Чикаго, конференція ASІА

визначила стандарти для неврологічної кла-

сифікації ХСМТ. Неврологічна оцінка здійснюва-

лася по 10 групам м'язів, класифікованих від 0 до 5

балів. В 1991 р., Prіebe і Warіng установили, що ро-

зроблена система 1989 р. більш точна, і мала опти-

мальний коефіцієнт надійності (до = 0.67) [19].

В 1992 р., у друге були переглянуті стан-

дарти ASІА для неврологічної класифікації

пацієнтів c ХСМТ (рис. 1) [20].


Рис. 1. Класифікація Amerіcan spіnal іnjury assocіatіon (ASІА).

Класифікація по шкалі ASІА має 5 категорій

оцінки неврологічних розладів:

A - Повне ушкодження спинного мозку. Від-

сутні чутливість і рухи нижче рівня ушкодження,

включаючи сакральні сегменти.

B - Неповне ушкодження. Збережено всі

види чутливості нижче рівня ушкодження, рухи

відсутні, включаючи сакральні сегменти.

C - Неповне ушкодження. Збережено незна-

чну м'язову силу, однак рухи настільки слабкі, що

функціонального значення не мають < 3 (немож-

ливість перебороти силу гравітації).

D - Неповне ушкодження. Збережено м'язову

силу. Збережені рухи мають функціональне зна-

чення й можуть бути використані для пересування

> 3 (подолання сили гравітації).

E - Всі моторні й сенсорні функції збережені.

Можуть бути патологічні рефлекси.

Повне ушкодження спинного мозку

відповідає оцінці А. Неповне ушкодження

відповідає (В, С, D).

Моторні функції оцінюються перевіркою

м'язової сили в 10 контрольних групах м'язів і

співвідносяться із сегментами спинного мозку:

1. С5 - згинання в лікті (bіceps,

brachіoradіalіs).

2. С6 - розгинання зап'ястя (extensor carpі

radіalіs longus and brevіs).

3. C7 - розгинання в лікті (trіceps).

4. C8 - згинання пальців кисті (flexor

dіgіtorum profundus).

5. T1 - приведення мізинця (abductor dіgіtі

mіnіmі).

6. L2 - згинання стегна (іlіopsoas).

7. L3 - згинання коліна (quadrіceps).

8. L4 - тильна екстензія стопи (tіbіalіs

anterіor).

9. L5 - розгинання великого пальця (extensor

hallucіs longus).

10. S1 - тильна флексія стопи (gastrocnemіus,

soleus).

Максимально можливе значення по даній

шкалі - 100 балів.

Чутливість оцінюється по 2 бальній системі:

0 - відсутність чутливості.

1 - порушення чутливості.

2 - нормальна чутливість.

Оцінка чутливих і рухових функцій прово-

диться з двох сторін і бали, набрані в кожному сег-

менті, підсумовуються. При оцінці моторної

функції максимальна сума балів для 10 сегментів

кожної сторони дорівнює 50 балам і при перевірці

чутливості для 28 сегментів кожної сторони - 56

балів.

Система найбільше чітко класифікує невро-

логічний статус пацієнта з погляду моторної, сен-

сорної й сакральної функцій, оцінює функціональ-

ний статус пацієнта.

Наступні дослідження шкали ASІА показали

високу прогностичну оцінку ушкодження ХСМТ

[21, 22].

На сьогоднішній день шкала ASIA являється

найбільш актуальною у візначенні функціональ-

ного стану пацієнта, що переніс ХСМТ. Однак і

вона не завжди дозволяє відповісти на всї питання,

що стосуються неврологічного стану хворого.

Нами проведено дослідження 200 пацієнтів з

хребетно-спинномозковою травмою (табл. 1).


Таблиця 1. Розподіл пацієнтів за статтю та віком (абс., %)

Вікові категорії (років)* Стать Всього (n=200)

Чоловіча (n=170) Жіноча

(n=30)

От 17 до 44 (молодий) 128 (75,3%) 20 (66,7%) 148 (74%)

От 45 до 59 (середній) 32 (18,8%) 6 (20,0%) 38 (19%)

От 60 до 74 (похилий) 10 (5,9%) 4 (13,3%) 14 (7%)

Середній вік (M±m) 35,9±1,0 40,6±2,6 36,6±1,0

Примітка.* - за класифікацією Європейського бюро ВІЗ (Київ, 1963 р.); при всіх порівняннях показників

між групами хворих різної статі p>0,05.

Так, ми спостерігали 2 випадки, коли у паці-

єнтів відмічалась симптоматика за гемітипом, і в

шкалі ASIA аналіз підлягає лише бальній оцінці,

складність аналізу в категоріях A – E.

Найбільш оптимальною шкалою, що може

використовуватися в ургентних умовах є шкала

Frankel, однак, на нашу думку, у шкалі є недоліки

схожі зі шкалою ASІА, які описані вище.

З огляду на складність шкали ASІА, а саме

складної бальної оцінки, що займає значну частину

часу ургентного лікаря, коли необхідно приймати

чітке й швидке рішення про подальшу тактику лі-

кування пацієнта й те, що в деяких випадках сис-

тема не відповідає об'єктивності, нами запропоно-

вана шкала для оцінки стану пацієнта, його

неврологічних і вітальних порушень, що є більш

прийнятною й зручною для використання в ургент-

ної спинальній нейрохірургії й травматології.

Нами виділені 7 категорій:

1 - пацієнти з верифікованим рентгенологіч-

ним повним ушкодженням хребетного каналу (ана-

томічним розривом спинного мозку й корінців кін-

ського хвоста).

2 - пацієнти з тетраплегією, анестезією ни-

жче рівня пошкодження й порушенням вітальних

функцій, які мають потребу у введенні вазопресорів

і ШВЛ.

3 - пацієнти з важкою поєднаною травмою -

кровотеча із внутрішніх органів, систем органів, що

потребують хірургічного втручання суміжними фа-

хівцями, важка ЧМТ.

4 - пацієнти з легкою поєднаною травмою

(без масивної кровотечі).

5 - пацієнти з тетраплегією, анестезією ни-

жче рівня пошкодження, але в яких відсутнє пору-

шення вітальних функцій (пацієнти не мають пот-

реби у ввденні вазопресорів і використання ШВЛ).

6 - пацієнти, з будь-якою збереженою невро-

логічною функцією нижче рівня пошкодження

спинного мозку.

7 - пацієнти, що мають кістково-травматичні

зміни, без неврологічних розладів.

Таким чином, запропонована нами шкала

градацій стану пацієнта із ХСМТ є найбільш набли-

женою до ургентної спинальної нейрохірургії й на

нашу думку, служить алгоритмом для визначення

тактики подальшого лікування пацієнтів.

На основі розробленої нами шкали надання

ургентної допомоги пацієнтам із ХСМТ, нами роз-

роблено алгоритм дій нейрохірурга або травмато-

лога приймально-діагностичного відділення (рис.

2). Можна з упевненістю сказати, що всі системи

раніше використовуваних градацій (Frankel, ASIA і

т.д.) більш придатні в процесі реабілітації, вони яв-

ляються більш делікатними і точними, але навряд

чи можуть використовуватися в ургентній обстано-

вці.


Рис. 2. Алгоритм надання ургентної допомоги пацієнтам з ХСМТ в приймально-діагностичному відді-

ленні.

Висновки: для оцінки стану пацієнта розро-

блено шкалу неврологічних і вітальних порушень,

що являється більш прийнятною й зручною для ви-

користання в ургентній спинальній нейрохірургії й

травматології.

Список літератури:

1. Лившиц А. В. Хирургия спинного мозга

[Текст] / А. В. Лившиц. – М. : Медицина, 1990. –

351 с.

2. The effectiveness of surgery on the treat-

ment of acute spinal cord injury and its relation to phar-

macological treatment [Text] / M. S. Duh, M. J. Shep-

ard, J. E. Wilberger, M. B. Bracken // Neurosurgery. –

1994. – Vol. 35. – Р. 240 – 249.

3. Albin M. S. Acute cervical spinal injury

[Text] / M. S. Albin // Crit. Care Clin. – 1985. – Vol. 3.

– P. 267.

4. Villanueva P. Spinal cord injury: An ICU

challenge for the 1990's [Text] / P. Villanueva,

S. J. Patchen, B. A. Green // The High Risk Patient:

Management of the Critically Ill / E. Sivak, T. Higgins,

A. Seiver A. (eds.). – Philadelphia, Lea & Febiger,

1994. – P. 146 – 159.

5. Acute traumatic central cord syndrome:

MRI-pathological correlations [Text] / R. M. Quencer,

R. P. Bunge, M. Egnor [et al.] // Neuroradiology. –

1992. – Vol. 34. – P. 8 – 94.

6. National Spinal Cord Injury Statistical Cen-

ter. Spinal cord injury: facts and figures at a glance

[Text] / National Spinal Cord Injury Statistical Center

// J. Spinal Cord Med. – 2005. – Vol. 28, No. 4. – Р. 379

– 380.

7. American Spinal Injury Association, Inter-

national Spinal Cord Society. International Standards

for Neurological Classification of Spinal Cord Injury

[Text] / American Spinal Injury Association; Interna-

tional Spinal Cord Society. – 6th ed. – Chicago, IL,

2006 [Електронний ресурс]. – Режим доступу :

https://www.nscisc.uab.edu.

8. The value of postural reduction in the initial

management of closed injuries of the spine with para-

plegia and tetraplegia, I [Text] / H. L. Frankel,

D. O. Hancock, G. Hyslop [et al.] // Paraplegia. – 1969.

– Vol. 7, No. 3. – Р. 179 – 192.

9. American Spinal Injury Association. Stand-

ards for Neurological Classification of Spinal Injury

Patients [Text] / American Spinal Injury Association. –

Chicago, IL. – 1984 [Електронний ресурс]. – Режим

доступу : www.asia-spinalinjury.org.

10. American Spinal Injury Association. Stand-

ards for Neurological Classification of Spinal Injury

Patients [Text] / American Spinal Injury Association. –

Chicago, IL. – 1989 [Електронний ресурс]. – Режим

доступу : http://www.asia-spinalinjury.org.

11. Benzel E. C. Functional recovery after de-

compressive spine operation for cervical spine fractures

[Text] / E. C. Benzel, S. J. Larson // Neurosurgery. –

1987. – Vol. 20, No. 5. – Р. 742 – 746.


12. Ditunno J. F., Jr. New spinal cord injury

standards, 1992 [Text] / J. F. Ditunno, Jr. // Paraplegia.

– 1992. – Vol. 30, No. 2. – Р. 90 – 91.

13. American Spinal Injury Association. Inter-

national standards for neurological and functional clas-

sification of spinal cord injury. American Spinal Injury

Association [Text] / F. M. Maynard, Jr., M. B. Bracken,

G. Creasey [et al.] // Spinal Cord. – 1997. – Vol. 35,

No. 5. – Р. 266 – 274.

14. Wells J. D. Scoring acute spinal cord injury:

a study of the utility and limitations of five different

grading systems [Text] / J. D. Wells, S. Nicosia // J.

Spinal Cord Med. – 1995. – Vol. 18, No. 1. – Р. 33 –

41.

15. Bracken M. B. Classification of the severity

of acute spinal cord injury: implications for manage-

ment [Text] / M. B. Bracken, S. B. Webb Jr, F. C. Wag-

ner // Paraplegia. – 1978. – Vol. 15, No. 4. – Р. 319 –

326.

16. Lucas J. T. Motor classification of spinal

cord injuries with mobility, morbidity and recovery in-

dices [Text] / J. T. Lucas, T. B. Ducker // Am. Surg. –

1979. – Vol. 45, No. 5. – P. 151 – 158.

17. University of Miami Neuro-Spinal Index

(UMNI): a quantitative method for determining spinal

cord function [Text] / K. J. Klose, B. A. Green,

R. S. Smith, R. H. Adkins [et al.] // Paraplegia. – 1980.

– Vol. 18, No. 5. – Р. 331 – 336.

18. A scale for evaluation of spinal cord injury

[Text] / B. Chehrazi, F. C. Wagner, Jr., W. F. Collins,

Jr., D. H. Freeman, Jr. // J. Neurosurg. – 1981. – Vol.

54, No. 3. – Р. 310 – 315.

19. Priebe M. M. The interobserver reliability of

the revised American Spinal Injury Association stand-

ards for neurological classification of spinal injury pa-

tients [Text] / M. M. Priebe, W. P. Waring // Am. J.

Phys. Med. Rehabil. – 1991. – Vol. 70, No. 5. – Р. 268

– 270.

20. American Spinal Injury Association, Inter-

national Medical Society of Paraplegia. Standards for

Neurological and Functional Classification of Spinal

Cord Injury Patients [Text] / American Spinal Injury

Association and International Medical Society of Para-

plegia. – Chicago, IL. – 1992 [Електронний ресурс].

– Режим доступу : https://www.nscisc.uab.edu.

21. Bednarczyk J. H. Comparison of functional

and medical assessment in the classification of persons

with spinal cord injury [Text] / J. H. Bednarczyk,

D. J. Sanderson // J. Rehabil. Res. Dev. – 1993. –

Vol. 30, No. 4. – Р. 405 – 411.

22. Prediction of ambulatory performance based

on motor scores derived from standards of the Ameri-

can Spinal Injury Association [Text] / R. L. Waters,

R. Adkins, J. Yakura, D. Vigil // Arch. Phys. Med. Re-

habil. – 1994. – Vol. 75, No. 7. – Р. 756 – 760.


PHARMACOLOGY, TOXICOLOGY AND

PHARMACEUTICAL SCIENCE.

Ivan Vladimirovich Pavlyuk

PhD student of the Department of Pharmacology and Medical recipes, Zaporizhia

Igor Fedorovich Belenichev

Doctor of Biological Sciences, Professor,

Zaporozhye State Medical Universit, Zaporizhia

Ludmila Ivanovna Kucherenko

Doctor of Pharmacy, Professor, Zaporozhye State Medical University

SPA "Farmatron", Zaporozhye

PHARMACOLOGICAL EFFECTS ON OXIDATIVE STRESS NO-

DEPENDENT MECHANISMS IN THE BRAIN UNDER CHRONIC ALCOHOL

INTOXICATION: ANGIOLIN ANTIOXIDANT EFFECTS The aim of this work was to study antioxidant effect of the new original neuro- and cardioprotector with

endothelium protective properties – "Angiolin" ((S) -2,6- diaminohexanoic acid 3-methyl-1,2,4- thiazolyl -5-thio-

acetate) in modeling of chronic alcohol intoxication on the effect on the basic indicators of the NO system and

oxidative stress. Under forming chronic alcohol intoxication in rats within30 days in the control group we regis-

tered the disorders in the nitrergic brain system (increase in the NOS activity, hyper-NO, L-arginine deficiency),

that led to the activation of oxidative stress, as evidenced by the increase in oxidative protein modifications prod-

ucts and nitrotyrosine. 14-day therapy with Angiolin (100 mg/kg, intragastrically) after the 30-day alcoholization

had a normalizing effect on the studied indicators of the NO system – the level of stable NO metabolites was

decreased, the NOS activity was decreased in the setting of increasing concentrations of L-arginine. These positive

changes under the influence of Angiolin in nitrergic brain system of animals with chronic alcohol intoxication

proceeded in the setting of significant decrease of nitrotyrosine, adelhydfenihydrazones and carboxylfenihydra-

zones, indicating significant inhibition of oxidative stress. Angiolin authentically exceeds the reference medication

Mildronate (250 mg/kg, intragastrically) by virtue of the antioxidant action for all studied indicators. The results

are experimental justification for the inclusion of Angiolin in the traditional treatment of alcoholism.

Keywords: chronic alcohol intoxication, the NO system, oxidative stress, Angiolin, Mildronate

Since 1990, in the post-Soviet countries there is

a new wave of alcohol abuse incidents along with the

increase of population alcoholization indicators which

are significantly higher than the average European

level. Official data shows that more than 3% of the cit-

izens of Russia, Ukraine, Moldova and other countries

of the former Soviet Union chronically abuse alcohol

[8, c.128-130]. In recent years, the growth of preva-

lence rate associated with the use of alcohol among

young people, steady decline in the age of initiation to

alcohol and the increase in the number of alcoholic

teenagers become apparent [9, c. 5-7, 12, c. 115 ]. De-

spite the rather extensive coverage of the affected is-

sues in the special literature, approaches to medicamen-

tal remodeling of target organ damage, and especially

the brain, remain poorly developed and are not always

reasonable [4, c.16-30, 10, c. 368, 14]. Features of the

alcohol neurodegeneration mechanisms, in particular

NO-dependent as well as search and evaluation of the

most promising target components for pharmacologic

effects on this the process, require more detailed con-

sideration. Therefore, disclosure of molecular and bio-

chemical mechanisms of neuron death and in terms of

alcohol abuse and the development of ways of pharma-

cological remodeling is one of the urgent problems of

modern neurology, narcology, psychiatry and pharma-

cology. Neurometabolic cerebroprotektor (thiocetam),

which includes pyracetamum and thiotriazolin, showed

promising results in the treatment of alcoholism [1-3 c.

124]. The members of SPA "Farmatron" under the di-

rection of professor Mazur I.A. worked out new origi-

nal neuro- and cardioprotector with endotheliotropic

properties – Angiolin ((S)-2,6- diaminohexanoic acid

3-methyl-1,2,4- thiazolyl -5-thioacetate) by chemical

modification of 3-methyl-1,2,4- thiazolyl -5- thioace-

tate (thiotriazolin) molecule [6, 7]. Based on the above,

the purpose of this paper is to investigate the Angiolin

antioxidant effect under chronic alcohol intoxication on

the effect on the basic parameters of the NO system and

of oxidative stress.

Materials and methods

The study was conducted on 70 white outbred

male rats weighing 160 to 180 g, obtained from the vi-

varium of the Institute of Pharmacology and Toxicol-

ogy, Academy of Medical Sciences of Ukraine. All ma-

nipulations were carried out according to the

regulations on the use of animals in biomedical experi-

ments (Strasbourg, 1986, as amended in 1998). Chronic

alcohol intoxication was induced by daily intragastric

administration of 15% solution of ethanol in a dose of

4 g/kg on the first 10 day, 15% ethanol in dose of 6 g/kg

on the next 10 days, and 25% ethanol in dose of 4 g/kg

on subsequent 10 days. After 30 days alcoholization

was stopped, experimental treatment by studied drug

was conducted and the monitoring was continued

within 14 days [3, c. 512, 4, c. 16-30]. Studied drugs


were administered intragastrically 1 time per day for 14

days after 30-day alcoholization in a suspension stabi-

lized with Tween-80 using a metal probe: 100 mg/kg of

Angiolin, 250 mg/kg of Mildronate [3]. In this series of

experiments there were four groups of animals:

1) intact (received normal saline with Tween-80

(10 rats);

2) control (untreated chronic alcohol intoxica-

tion (CAI), received normal saline with Tween-80 (20

rats);

3) animals with CAI receiving "Angiolin" (20

rats);

4) animals with CAI receiving Mildronate (20

rats).

We used: 200 mg of Angiolin tablets of PJSC

"Kyivmedpreparat" production and 250 mg of Mil-

dronate capsules of JSC "Grindex" (Latvia) production.

At the end of the experiment the animals were narco-

tized by aethaminalum-natrium (40 mg/kg), the brain

and the blood from the abdominal aorta were ejected.

The brain was rapidly stripped from blood, separated

from the meninges and the studied pieces in liquid ni-

trogen were grounded to powder and then stirred into

10-fold volume of medium at (2°C) containing (in

mmol): sucrose - 250, Tris -HCl -buffer – 20, EDTA -

1 (pH 7,4) [5]. The mitochondrial and cytosolic frac-

tions were isolated at a temperature (+4°C) by differen-

tial centrifugation (17000g) on refrigerating centrifuge

Sigma 3-30k (Germany). Nitrergic system was esti-

mated by the activity of NO-synthase (NOS), the con-

tent of stable NO metabolites, the L-arginine level. The

activity of oxidative stress was assessed by the level of

the products of oxidative protein modification (OPM) -

adelhydfenihydrazones (AFH), carboxylfenihydra-

zones (CFH) and nitrotyrosine in the cytosolic fraction

of the brain. The stable NO metabolites were deter-

mined in rat’s brain cytosol using BCM Diagnostics

kits at 540 nm detection. The total NOS activity was

determined in brain cytosol from the difference be-

tween the rates of NADPH oxidation recorded by fluo-

rometric method in two parallel samples both contain-

ing and not containing NOS inhibitor [5, c. 81]. L-

arginine was determined in brain cytosol spectrophoto-

metrically after separation by thin-layer chromatog-

raphy [5, c. 81]. L-arginine of the Sigma-Aldrich com-

pany (Cat.№ A 5006) was used as standard. The

number of AFH and CFH was determined by spectro-

photometry on oxidated amino acid residues interaction

with 2,4-dinitrophenylhydrazine [5, c. 81]. Nitrotyro-

sine was determined by immuno sorbent solid-phase

sandwich method (ELISA) (ELISA Kit (Cat. № HK

501-02) of Hycult Biotech production). The protein

was determined by the Lowry method. The spectropho-

tometer Libra S70 PS (Biochrom Ltd. production,

United Kingdom) was used in the work.

The results of the investigation were calculated

using the standard analysis package of computer pro-

gram «STATISTICA® for Windows 6.0» (StatSoft-

Inc., №AXXR712D833214FAN5), as well as «SPSS

16.0», «Microsoft Office Excell 2003».Verification of

normality was performed using the Shapiro-Wilk test.

Data are presented as the sample mean. Accuracy of

differences between sample means was assessed using

Student t-test under normal distribution. The Mann–

Whitney U test was used in the case of nonnormal dis-

tribution or analysis of ordinal variables. The analyses

of variance (ANOVA) under normal distribution or

Kruskal-Wallis test for nonnormal distribution were

used for comparison of the independent variables in

more than two samples. The difference p <0.05 (95%)

was considered statistical significant for all analyses.

Results and its discussion

As a result of studies, it was found that chronic

alcohol intoxication in rats leads to the activation of ox-

idative and nitrosating stress, as evidenced by the in-

crease of AFH and CFH, as well as protein nitrosylating

products - nitrotyrosine in the brain and plasma. The

free radicals attack the proteins of the entire length of

the polypeptide chain, breaking not only primary but

also secondary and tertiary protein structure, leading to

protein molecule aggregation or fragmentation. Many

enzymes containing SH-groups, such as adenosine tri-

phosphatases, or dehydrogenases are easily oxidized by

free radical attack. Thus, in the control group AFH and

CFH increased by 54.35% (P ≤ 0.05) and 71.43% (p ≤

0, 05), respectively, compared with the intact group and

nitrotyrosine in plasma and brain of rats increased by

212.74% (p ≤ 0.05) and 737.32% (p ≤ 0,05) respec-

tively, compared with the intact group (Table. 1).

Oxidative stress results in damage of the most

important polymers - nucleic acids, proteins and lipids,

AOS causing DNA damage (bases oxidation and their

modification, chain breaks, chromosomal damage).

Consequently their diverse functional activity (enzy-

matic, regulatory, participation in matrix synthesis,

transport of ions and lipids) is reduced or eliminated,

and as a result of all this, the normal functioning of the

neuronal brain activity is changed, memory and cogni-

tive-mnestic functions are impaired [1-3, 12, c. 115-

127].

Angiolin demonstrated strong antioxidant effect

under chronic alcohol intoxication, reducing AFH and

CFH at 32,39 (p ≤ 0,05) and 36.66% (p ≤ 0,05), as well

as reducing nitrotyrosine in the blood plasma by 60%

(p ≤ 0,05) and in the brain by 67.2% (p ≤ 0,05) compar-

ing with the same parameters of control group (Table.

1). Antioxidant effects of Angiolin include AFH retar-

dation in glutamate-calcium cascade and in mitochon-

drial bioenergetic systems, as well as inactivation of

oxygen radicals [6,7]. Mildronate showed antioxidant

effect which is less apparent than Angiolin. For exam-

ple, the therapy with mildronate led to AFH decrease

by 16% (p ≤ 0,05) and CFH by 15% (p ≤ 0,05), and also

to plasma and brain nitrotyrosine reducing by 23.6% (p

≤ 0,05) and 39.20% (p ≤ 0,05) respectively, as related

to the same parameters of control group.


Table 1

Influence of Angiolin and Mildronate on the indicators of oxidative stress in the brain in a 30 day simula-

tion of chronic alcoholism and subsequent 14-day treatment

Animal groups OPM products, c.u./g protein Nitrotyrosine in

blood plasma, nM/g

of protein

Nitrotyrosine in

brain, nM/g of tissue

AFH CFH

Intact (n=10) 0,368±0,02 0,175±0,02 6,21±0,53 17,23±1,05

Control (CAI) 0,568±0,06* 0,3±0,02* 19,5±2,13* 144,27±18,5*

CAI+Mildronate, 250

mg/kg (n=10)

0,472±0,03**

(-16%)

0,255±0,015**

(-15%)

14,85±1,17**

(-23%)

87,71±6,4**

(-39%)

CAI+Angiolin, 100

mg/kg (n=10)

0,384±0,03**1

(-32%)

0,19±0,02**1

(-36%)

7,73±0,51**1

(-60%)

47,26±2,63** 1

(-67,2%)

Note:

* – p ≤ 0,05 intact;

* – P ≤ 0,05 control; 1 – p ≤ 0,05 mildronate;

The NO system and its cytotoxic derivatives -

peroxynitrite, nitrosonium ion, etc. play an important

role in neuron’s damage in the brain under chronic al-

cohol intoxication [2,3,11, c. 12-16, 12, c. 115-127].

We have found that the simulation of chronic alcohol

intoxication in rats led to nitrergic brain system disor-

der and hyper-NO, that was testified with the increase

of the level of nitrite in 3,5 times (p ≤ 0,05), of the level

of NOS activity in 2,5 times (p ≤ 0,05) in the setting of

simultaneous reduce of L-arginine content (p ≤ 0,05) by

80% (Table 2).

Table 2

Influence of Angiolin and Mildronate on the indicators of the NO system in the brain of rats in the setting

of chronic 30-day alcohol intoxication and subsequent 14-day treatment

Animal groups NO metabolites

(NO2-), μm/g

NOS, nM/mg/pro-

tein/min

L-arginine, mcM/g of tis-

sue

Intact (n=10) 4,84±0,83 2,41±0,37 3,67±0,44

Control (chronic alcohol-

ization) (n=10) 16,90±1,6* 6,02±0,97* 0,77±0,08*

Mildronate, 250 mg/kg

(n=10)

15,86±1,5

(-6%)

5,76±0,75

(-4%)

0,79±0,06

(+2%)

Angiolin, 100 mg/kg

(n=10)

7,67±0,68**1

(-54%)

2,43±0,21**1

(-59%)

3,08±0,4**1

(+289%)

Note: * – p ≤ 0,05 intact;

* – P ≤ 0,05 control;

1 – p ≤ 0,05 mildronate;

The 14-day course of treatment by Angiolin led

to the decrease of the level of stable NO metabolites

and NOS activity by 54% (p ≤ 0,05) and 59% (p ≤ 0,05)

respectively, as related to the control group. At the

same time the increase of L-arginine indicators is ob-

served in the brain of animals treated with Angiolin by

289% (p ≤ 0,05) as related to the control group. Mil-

dronate has not shown the effect on the indicators of the

system of nitric oxide in the brain of rats with chronic

alcoholism. Antioxidant effect of Mildronate unlike the

similar Angiolin effect is preset in the final stages of

free radical oxidation due to the decrease of fatty acids

delivery in the cytosol and mitochondria and inhibition

of Fe2+ -induced reactions of lipoprotein and proteins

oxidation.

Thus, as a result of the study it was found that

the prescription of “Angiolin” to the animals after

chronic alcohol abuse normalizes the NO system indi-

cators and inhibits the reaction of oxidative stress. Our

data do not contradict the results of other researchers

who have shown that Angiolin in acute and chronic

brain ischemia inhibits the formation of mitochondrial

dysfunction and AOS by bioenergy systems, reduces

the glutamate excitotoxicity, thereby reducing the pro-

duction of AOS of neuronal NOS by increasing the af-

finity of the GABA- benzodiazepine receptor complex,

as well as raising the level of a restored intermediates

of thiol-disulfide system.

Conclusions:

1. In the formation of chronic alcohol intoxica-

tion in rats within 30 days in the control group we reg-

istered the disorders in nitroxidergic brain system – in-

crease in nitrite levels in 3,5 times (p ≤ 0,05, an increase

of the NOS activity in 2,5 times (p ≤ 0,05), in the setting

of simultaneous reducing of the L-arginine by 80% (p

≤ 0,05), resulting in the activation of oxidative stress,

as evidenced by the increase in AFH to 54.35% (p ≤

0,05) and CFH to 71,43% (p ≤ 0,05) and nitrotyrosine

in blood plasma and brain to 212,74% (p ≤ 0,05) and

737.32% (p ≤ 0.05) respectively, compared with the in-

tact group.

2. 14-day therapy after the 30-day alcoholiza-

tion, with Angiolin (100 mg/kg, intragastrically) had a


normalizing effect on the studied indicators of NO sys-

tem and significantly reduced the oxidative stress pro-

cesses.

3. Angiolin authentically exceeds the reference

medication Mildronate (250 mg/kg, intragastrically) by

virtue of the antioxidant action for all studied indica-

tors.

4. The results are experimental justification for

the inclusion of Angiolin in the traditional treatment of

alcoholism.

Literature

1. Беленичев И.Ф. Снижение апоптической

гибели нейронов СА1 зоны гиппокампа крыс в

условиях пренатальной хронической алкоголиза-

ции и на фоне введения цереброкурина и тиоце-

тама/ Беленичев И.Ф., Егоров А.А., Спахи

О.В.//Нейронауки: теоретические и клинические

аспекты.-2012.- Т.8,№2.-С.145-151.

2. Беленичев И.Ф. Нитрозирующий стресс в

головном мозга пренатально алкоголизированных

крыс: эффекты Тиоцетама /Беленичев И.Ф., Куче-

ренко Л.И., Бухтиярова Н.В.//Патология.-2012.-

№3(26).-С.124

3. Беленичев И.Ф. Нейропротекция и

нейропластичность / Беленичев И.Ф.,Черний В.И.,

Павлов С.В. и др. - Киев:Логос,2015. - 512с.

4. Бонитенко Е.Ю. Моделирование токси-

ческих ком, вызванных веществами депримирую-

щего действия // Труды института токсикологии,

посвященные 75-летию со дня основания / Под.ред.

С.П. Нечипоренко, СПб.. – 2010. – С.16-30.

5. Доклиническое изучение специфической

активности потенциальных нейропротективных

препаратов/ Чекман И.С., Беленичев И.Ф., Колес-

ник Ю.М.-Методические рекомендации Государ-

ственный фармакологический центр МЗ Украины,

Киев.-2010. - 81с.

6. Патент 2370492 РФ, МПК C 07 D 413/00

(2006.01). Лизиний 3-метил-1,2,4-триазолил-5-тио-

ацетат, проявляющий нейропротективное, ноо-

тропное, кардиопротективное, эндотелиопротек-

тивное, противоишемическое, антиоксидантное,

противовоспалительное противогипоксическое

действие и обладающий низкой токсичностью / Ма-

зур И.А., Беленичев И.Ф., Колесник Ю.М., Абра-

мов А.В., Кучеренко Л.И., Волошин Н.А., Чекман

И.С., Мамчур В.И., Горчакова Н.А., Георгиевский

Г.В., Грошовый Т.А. (UA); - заявитель и патентооб-

ладатель ООО НПО «Фарматрон». - № 2007121014

;заявл. 04.06.07 ; опубл. 20.10.09, Бюл. 29.

7. Патент 86668 Україна, МПК C 07 D

249/08 (2009.01), A 61 K 31/4196, A 61 P 9/00, A 61

P 9/10 (2009.01), A 61 P 25/28 (2009.01). Лізіній 3-

метил-1,2,4-триазоліл-5-тіоацетат / Мазур І.А.,

Бєленічев І.Ф., Колеснік Ю.М., Абрамов А.В., Ку-

черенко Л.І., Волошин М.А., Чекман І.С., Мамчур

В.Й., Горчакова Н.О., Георгієвський Г.В., Гро-

шовий Т.А.; заявник і патентовласник ТОВ НВО

«Фарматрон». - № а200705865 ; заявл. 25.05.07 ;

опубл. 12.05.09, Бюл. 9.

8. Осыченко А.С. Особенности статистиче-

ских данных отравлений алкоголем/ Осыченко

А.С., Донника А.Д. // Adv. curr. nat. sci. – 2011. – №

8. - С. 128-130.

9. Alcohol use and addiction services in

Ukraine / Samokhvalov A. V., Pidkorytov V. S., Linsky

I. V.et al. // International Psychiatry. – 2009. – Vol. 6,

№ 1. – P.5-7.

10. Ammendola A. Gender and peripheral neu-

ropathy in chronic alcoholism: Aclinical-electroneuro-

graphic study/ Ammendola A., Gemini D. Iannacone S.

//Alcohol and Alcoholism.-2010.-Vol.35.-P.368-371.

11. Belenichev I.F. Pharmacological modula-

tion of apoptosis signaling in neurons of CA1-zone of

hippocampus of rats with chronic alcohol intoxication /

Belenichev I.F., Abramov A.V. // Innovation Journal of

Medical and Heath Science.-2011.-Vol.1,№1.-P.12-16

12. Fulton T. Crews. Mechanisms of Neuro-

degeneration and Regeneration in Alcoholism /Fulton

T.Crews, KimNixon.//Alcohol and Alcoholism.–2010.

-Vol.44, №2.-Р.115-127

13. Belenichev I.F. Functional nitric oxide con-

jugate systems state/restored heart thiols of rats in mod-

eling isadrine-pituitrin’s myocardial infarction using

metabolitetropic cardioprotector “Angiolin”/ Bele-

nichev I.F., L.I. Kucherenko, E.A. Nagornaya, I.A. Ma-

zur ,A.S. Bidnenko , N.V. Bukhtiyarova , N.A. Av-

ramenko// International Journal of Basic and Clinical

Pharmacology.-2015.-Vol.4,№1.-Р.1-5

14. Global status report on alcohol and health –

2015 ed./World Health Organization, 2015. –354р.


CHEMISTRY.

УДК 34

1 Utelbayev Bolysbek , Doctor Science(Chemistry), Professor of Kazakh British Technical University, Al-

maty,Kazakhstan

1Suleimenov Esen, Doctor Science (engineering), Vice Chief Laboratory of Advanced Materials and Technology,

Kazakh British Technical University, Almaty,Kazakhstan 2Utelbaeyva Akmaral , Doctor Science(Chemistry), associated professor of Southern Kazakhstan State Univer-

sity named M. Auezov, Shymkent,Kazakhstan

TTRANSFER OF ENERGY BETWEEN MATERIAL OBJECTS BY

ELEMENTARY PARTICLES

Abstract.

It was shown that in the burning the release of light and heat are the result of changes in internal energy

due to the redistribution of elementary particles between the nuclei of the reacting system. Transport and transfer

energy is realized between material objects by discrete of elementary particles.

Keywords: microstructure, electron, photon, "teplotron", light, heat, vibrations, pulsation ,wave.

1Утелбаев Б.Т., 1Сулейменов Э.Н. 2Утелбаева А.Б.

1Казахстанско - Британский технический университет 2Южно-Казахстанский Государственный университет им.М.Ауезова

ОБ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПЕРЕНОСЧИКАХ ЭНЕРГИИ МЕЖДУ МАТЕРИАЛЬНЫМИ

ОБЪЕКТАМИ

Абстракт.

Показано, что выделение при горении свет и теплоты это результат изменения внутренней энер-

гии за счет перераспределения элементарных частиц между ядрами реагирующей системы. Перенос и

передача энергии между материальными объектами осуществляется дискретным потоком элементар-

ных частиц.

Ключевые слова: микроструктура, электрон, фотон, «теплотрон», свет, теплота, колебания,

пульсация,волны.

Введение

Познание внутреннего строения веществ

служит теоретической базой для современных раз-

работок в различных направлений науки и техники:

материаловедение, энергетика, электроника, нано-

технология, синтез новых материалов с заданными

свойствами [1,2]. Без знания характеристик микро-

и макросвязи в веществе невозможно с необходи-

мой эффективностью проектировать технологиче-

ские процессы в промышленном производстве. В

последнее время требования к этим процессам еще

более ужесточились: некоторые сферы производ-

ственной и научной деятельности требуют матери-

алы определенной «чистоты» [2,3]. Это требование

точного, фиксированного состава, и жесткое огра-

ничение на наличие инородных примесей в синте-

зируемом веществе требует знаний микрострук-

туры материалов и поведение их элементарных со-

ставляющих. При этом необходимо учитывать, что

макрообъекты построены из микрообъектов. Изу-

чая микрообъекты, мы рассматриваем те же самые

макрообъекты, только на более фундаментальном

уровне.

Кроме того, при воздействии на массивную

часть вещества, изменению подвергается также

микроструктура с соответствующим изменением

поведения элементарных частиц составляющих ее.

Изменение движение элементарных частиц харак-

теризует изменение внутренней энергии вещества,

т.е. формы передачи энергии в ее различных прояв-

лениях (электризация, выделение света, теплоты и

др.) [4]. Взгляды современных учёных на меха-

PHYSICAL SCIENCES.


низмы передачи, распространение и перенос эле-

ментарных частиц (частным случаем является теп-

лота и свет) отличаются разнообразием, непоследо-

вательностью и противоречиями [5-9].

В настоящей статье обсуждается вероятный

механизм передачи энергии элементарными части-

цами, составляющими микроструктуру веществ и

их реальное поведение.

Обсуждение

К общеизвестному факту передачи внутрен-

ней энергии между материальными объектами в

единстве микро- и макропроявлений относятся хи-

мические реакции. Для протекания химических ре-

акции во многих случаях необходима энергия акти-

вации реагирующих веществ (воздействие теплоты,

света, катализатора, механической энергии и др.).

При этом валентные электроны, участвующие в хи-

мической связи исходных соединений, взаимодей-

ствует с элементарными частицами переносчиками

энергии (фотонами, «теплотронами» и др.), образуя

их различные комбинации [10,11,28]. При механи-

ческом воздействии также изменяются химические

связи между элементами микроструктуры веществ.

Во всех случаях изменяется промежуточное струк-

турно-энергетическое состояние между электро-

нами, ядрами и комбинированными элементар-

ными частицами реагирующей системы. Например,

при сгорании углеводородов в кислороде в первую

очередь происходит взаимодействие элементарных

частиц переносчиков энергии с валентными элек-

тронами С-Н и О-О связей реагирующих молекул,

и создается разность потенциалов из – за различия

электоротрицательных значений химических эле-

ментов. Однако, существующие точки зрения не

учитывают влияния других элементарных частиц и

их комбинаций [28] с ядрами на взаимодействие ре-

агирующих частиц. В [9] активация реагирующих

молекул углеводородов поясняется по схеме:

СnНm - 4е → СnНm4+

О-О + 4е → 2О-О2-

Образовавшиеся заряженные частицы

СnНm4+ и 2О-О2- вступают в химическое взаимодей-

ствие с образованием связей С-О и Н-О новых хи-

мических соединений диоксида углерода и воды.

Для брутто реакции предлагалось уравнение [9]:

СnНm + (n+0.25m)О2 +Еакт→ nСО2 +0.5mН2О+ ∆Н +∑hv + Др.

Здесь рассматривается общий баланс энерге-

тико - материальных равенств левой и правой части

микро-макросоставляющих как единой системы ,

где в правой части имеется множитель «∑hv» учи-

тывающий квантовую характеристику - выделение

света , ∆Н – теплоту и Др.- другие неучтенные про-

явления. В данном уравнении в сумму ∑hv можно

было внести и ∆Н, поскольку теплота также пере-

носится элементарными частицами «теплотро-

нами» [9,10,11] и имеет квантовую характеристику-

значение частоты колебания присущих микробъек-

там. В этом можно легко удостоверится на основе

известных в науке экспериментальных данных и

классических уравнений, описывающих макро-

микро проявления - теплоты как набора «теплотро-

нов». Например, теплота сгорания метана равна

43069кДж/кг или 689104Дж/моль[12]. Использую

число Авогадро(NA ) определяем теплоту на одну

структурную единицу моли:

∆Нс : NA = 689104 : 6,02∙ 1023 = 114,46∙10-20Дж/частица.

По формуле Планка Е = hv из эквивалентно-

сти энергии кванта и частоты колебания микрообъ-

ектов вычисляем «частоту колебания» (здесь «ча-

стота колебания» специально взято в кавычку,

так, как в дальнейшем раскроем суть колебания)

одной элементарной частицы – переносчика тепло-

вой энергии:

hv =114,46∙10-20Дж ; v =114,46∙10-20Дж : 6,62∙10-34Дж∙с =17,2∙1014с-1

Аналогичный результат можно получить на

основе термохимических данных. Пользуясь спра-

вочными данными[13]значений энтальпий образо-

вания определяли ∆rН для химической реакции го-

рения:

∆rН = [∆Нf(СО2) + ∆Нf(Н2О)] - [∆Нf(СН4) + ∆Нf(О2)]

∆rН = (-393,5) + (-241,3) – (-74,8) + 0 = -560,5кДж/моль

Тепло на одну элементарную частицу равна

93,1 ∙10-20Дж и определяем «частоту колебания»

одной элементарной частицы – переносчика тепло-

вой энергии:

v =93,1∙10-20 (Дж) : 6,62∙10-34 (Дж∙с) = 14,0∙1014с-1

Вычисленные величины частот на основе

термических данных совпадают с общепринятыми

частотами ИК излучения 4∙1014с-1, которых относят

к тепловому излучению [14]. В литературе утвер-

ждается , что излучается тепло, однако, невыяснен-

ным остается природа переносчика теплоты, хотя

существует полная аналогия между переносом теп-

лоты, света и электричества. Фейнман [15] все яв-

ления, связанные со светом и электронами, сводит

к поглощению фотонов электронами и испусканию

нового фотона, процесс который он называет рассе-

янием света. Отмечает также взаимодействие элек-

трона и ядра, обменивающихся фотонами.

В рассматриваемом случае активация реаги-

рующих молекул происходит в результате взаимо-

действия «теплотронов» с валентными электро-

нами в химической связи. Движущей силой физико

- химических превращений является стремление

системы к уменьшению запаса энергии, т.е. ΔG (из-


менение химического потенциала) стремится к ми-

нимуму. Это достигается выделением энергии из

системы, которое сопровождается выделением теп-

лоты, света и др. В результате изменяется внутрен-

няя энергия объекта - совокупное состояние эле-

ментарных частиц в микроструктуре, в частности,

изменение взаимодействия валентных электронов с

ядрами новых соединений СО2 и Н2О.

Очевидно, у метана и кислорода нет види-

мых запасов теплоты и света. Выделение света и

теплоты, т.е. поток фотонов и «теплотронов» обра-

зуется только при протеканий процесса и с окон-

чанием химической реакции образование фото-

нов и «теплотронов» также прекращается.

Следовательно, их можно обнаружить только в

процессе.

На примере горения метана или других уг-

леводородов можно убедится в том, что выделяю-

щиеся фотоны, «теплотроны» создавая световой и

тепловой эффект, рассеиваются в окружающую

среду по сравнению с электронами - участниками

этого же процесса . Число электронов до и после

реакции не меняются и только лишь валентные

электроны перераспределяются по связям, участвуя

в образований новых ядер продуктов реакции. Ви-

димо, это обусловлено характеристиками микро-

объектов, которые относятся к различным группам.

Элементарные частицы одной группы характеризу-

ются своеобразными специфическими свойствами,

что присуще только одной этой частице. Например,

такие свойства электронов выражаются в принципе

запрета Паули. К этой группе относятся элементар-

ные частицы с полуцелыми спинами (h/2π) и из-

вестны под общим термином «фермионы». Именно

благодаря этому свойству электроны заполняют со-

ответствующие электронные оболочки в строгой

последовательности взаимодействуя со своими яд-

рами. В том случае, когда принцип запрета Паули

не соблюдается для электронов, то мы не могли бы

различить индивидуальность химических эле-

ментов. Существует вторая группа микрообъектов

с целочисленным спином или без спина , которые

объединяются в группу «бозонов». Фотон отно-

сится к этой группе и они могут находится в одном

и том же состоянии в неограниченном количестве.

Именно «бозонность» фотонов обеспечивает ис-

пускание излучения и выделение света и тепла при

реализации процессов в системе.

Таким образом, внутренняя структура самих

элементарных микрообъектов является определяю-

щим фактором в их поведений в микро-макроско-

пических проявлениях. Соотношение между клас-

сической и квантовой механикой определяется

значением постоянной Планка (h) - называющаяся

также квантом действия . Для физических величин

у которых размерности действия значительно

меньше чем h существует необходимость учета

особенностей квантовой физики. Следовательно,

любой процесс, реализующийся в макромире, это

результат их микроскопических изменений, что

широко обсуждается в квантовой физике.

Как известно, годом рождения квантовой

физики считается 1900г., когда Планка [16], опуб-

ликовал предположение, что энергия теплового из-

лучения тел испускается прерывисто в виде кван-

тов. Он исходил из того, что абсолютно черное тело

состоит из громадного количества атомов, каждый

из них подобен миниатюрному вибратору-диполю

и каждый атом-вибратор колеблется с различными

частотами, излучая энергию. Согласно гипотезе

Планка энергия атома-вибратора абсолютно чер-

ного тела может изменяться кратными квантами и

элементарная порция энергии (ε) описывается урав-

нением:

ε= hv,

где h- универсальная постоянная Планка, v-

частота колебаний атома –вибратора.

Последовательное развитие гипотезы

Планка привело к созданию представлений о кван-

товых свойствах света [17]. Прямое подтверждение

световых фотонов реализовано в опытах Комптона

[18]. Впервые экспериментально Герц получал

электромагнитное излучение с помощью вибратора

- пары металлических стержней, разделённых не-

большим воздушным пространством, на которые

подавалось сильное электрическое напряже-

ние[19]. Электромагнитное излучение направля-

лось на большой металлический лист. По геометри-

ческим размерам элементов вибратора и по

расстоянию между излучающим и передающим

вибраторами, он определил скорость распростране-

ния электромагнитной волны. Получилась вели-

чина равная скорости света, что доказывало элек-

тромагнитную природу света. Она совпадала с

теоретическим определением скорости волн света,

которое рассчитал Максвелл.

Хотя, никто не сомневается, что свет это по-

ток фотонов - элементарных частиц, однако, в кван-

товой механике принято считать, что все микрообъ-

екты имеют двойственную природу - они могут

проявлять себя как частицы и как волны, т.е. могут

обладать одновременно корпускулярными и волно-

выми свойствами. Впервые двойственная при-

рода была установлена для света, а затем было до-

казано, что она присуща всем материальным

микрочастицам [20].

Анализ имеющегося теоретического и экс-

периментального материала дает основание пола-

гать, что при интерпретации результатов экспери-

ментов должным образом не принималось во

внимание различие в состоянии и характере коле-

бания и волны, участниками которых являются

эти же элементарные частицы. Необходимо под-

черкнуть, что волна - это есть траектория движе-

ния материального объекта (элементарных частиц

или др.). И следует отличить волну от колебания

элементарной частицы, где траектория колеблю-

щейся частицы представляет линию равную ам-

плитуде колебания. И все колебания в экспери-

ментальных работах являются принудительными,

которые осуществляются с помощью внешней

силы. Выделяющиеся элементарные частицы из ко-

лебательной аппаратуры не имеют колебательного

http://chem21.info/info/1494039







движения. При этом никак нельзя получить траек-

торию бегущей волны. Однако, математическое

описание колебательного движения частицы во

времени дает синусоидальную (косинисоидаль-

ную) зависимость, траектория этой зависимости

представляет волну. Очевидно, здесь описано изме-

нение амплитуды колеблющейся частицы во вре-

мени, и нет никакой волны. И возможно такой

подход описания форм движения элементарных ча-

стиц также является источником различного толко-

вания природы света как «волна» так и «частица».

В реальности выделяющиеся фотоны из ис-

точника в результате процесса (химического, элек-

трохимического, термоядерного и др.) наделены

определенной энергией (определенной скоростью)

и имеют в пространстве только прямолинейное

движение, если нет воздействия среды. Солнеч-

ный свет, представляющий поток фотонов, также

является результатом протекающего процесса пе-

рераспределения электронов и других элементар-

ных частиц в самой микроструктуре Солнца. Гипо-

теза о волновой природе света высказанная Гуком

и получившая развитие в работах Гюйгенса, Фре-

неля и Юнга в основном базируется на явлениях ин-

терференции, дифракции и разложении света на мо-

нохроматические составляющие [21]. Согласно

корпускулярной теории, свет представляет собой

поток частиц распространяющаяся по прямой ли-

ний, основоположником которой является И.Нью-

тон [20]. Результаты вышеназванных работ позво-

ляет заключить, что переносчики света могут иметь

сложную природу со специфическими свойствами

«бозонности». На наш взгляд движение фотонов с

огромной скоростью в линейном направлений не

позволяют им совершать колебательное движение.

В свою очередь экспериментальное обнаружение

дифракционных и интерференционных явлений

показывает, что для частиц характерно собственное

состояние пульсации, которое принимается как

волны де-Бройля[22]. Частота пульсаций это и

есть частота колебаний как гармонический осцил-

лятор в собственном объеме частицы. И использо-

вания общеизвестной формулы λ = с/ν , где ско-

рость света делится на частоту пульсаций, дает

величину равной длине стоячей волны. Фотон,

независимо от того, какой его размер, занимает со-

ответствующий объем в пространстве, и набор

пульсирующих фотонов в прямолинейном дви-

жении со скоростью света создает траекторию

волны. Пульсация фотона или других элементар-

ных частиц, известное как волны де-Бройля тре-

бует необходимость принятия понятийного выра-

жение «корпускулярно- волновой дуализм» для

описания реальных свойств микрообъектов. С уче-

том пульсирующих характеристик движущихся ча-

стиц можно заключить о правомочности вышена-

званных теорий [21], которые являются двумя

сторонами одной медали. В [17] отмечается, что

при изучении корпускулярно-волнового свойства

электрона обнаружили: при прохождении сквозь

щели электроны проявляют свои волновые свой-

ства, а при попадании на экран–детектор–корпус-

кулярные.

В работе Планка атомы-вибраторы колеб-

лются с различными частотами, излучая тепловую

энергию. В рассматриваемом случае колебания

атома-вибратора – это процесс перемещения элек-

тронов, и следовательно, в результате выделяются

элементарные частицы- поток которых представ-

ляет тепловую энергию [9-11,23]. Выделяющиеся

элементарные частицы дискретны и, например,

прерывистое выделение фотонов нарушает непре-

рывность функции при математическом описаний

процесса. Однако, прерывистость неминуема, так

- как выделение энергии осуществляется только в

процессе, а любой процесс идет с конечной скоро-

стью. Следовательно, промежуток времени между

концом и началом каждого элементарного акта про-

цесса, соответствует периоду прерывости. Идея

прерывистости переросшей в квантовые скачки с

их неизбежной вероятностной трактовкой после

предложения М.Борна [24] прочно утвердился в

квантовой физике и волновая функция получила ве-

роятностное толкование [25,26]. Придавая огром-

ную роль статистическим методам, М.Борн «увле-

ченно» выражался:«..Это является событием в

истории человеческого мышления, значение кото-

рого выходит за пределы самой науки» [27]. На

наш взгляд, следует объяснить то, что происходит

в реальном объективном мире, это можно реалисти-

чески осмыслить и нет необходимости «выходит за

пределы науки». Предпочтительное использование

вероятностных представлений (в т.ч. амплитуда ве-

роятностей) и законов при оперировании физиче-

скими величинами на уровне микроявлений в по-

следнее время доминирует в квантовой физике,

отодвигая на второй план причинно- следственную

связь реального мира, которая является движу-

щейся силой всего. Вероятность - это способ описа-

ния возможной реальной действительности относя-

щихся как к миро- так и макромиру и не сама

реальность. Реальность это объективный матери-

альный мир. И в зависимости от размерности от

нуля до соответствующего размера и скоростей

движения материальных объектов, проявляющих

различные свойства, мы называем веществом, по-

лем, электромагнитной волной и у всех этих со-

ставляющими элементами являются дискретные

частицы с соответствующими поведениями. Всё

окружающее нас пространство пронизано электро-

магнитным излучением в результате происходящих

процессов. В результате этого процесса выделя-

ются (поглощаются) потоки элементарных частиц,

которые означают уменьшения (увеличение) энер-

гии реагирующей системы на величину ∑hv , при

соблюдений общего закона сохранения материи и

энергии, т.е.:

U1 - U2 = W ± ∑hvi

где U1 и U2 – внутренняя энергия веществ в

исходных и конечных состояниях объединяющий

макроскопические и микроскопические свойства

системы ; W – энергия, затраченная на совершение

определенного вида работы,т.е. форма передачи

энергии и ∑hvi - световая, тепловая и др. виды энер-

гии, выделяющиеся(поглощающаяся) фотонами,

«теплотронами» и др. элементарными частицами, в


зависимости от частоты пульсаций - vi, охватыва-

ющий квантовый характер проявлений. При рас-

смотрении физико-химических процессов, можно

допустить, что создаваемые электромагнитные

проявления результат распада «комбинированных

элементарных частиц», находящейся в равновесий

с элементами окружающей среды, названный нами

«новатроном» в [28] за неимением официального

термина. Например, электрический разряд, где про-

цесс сопровождается световым, тепловым, электри-

ческим, магнитным, звуковым и др. макропроявле-

ниями, наглядный пример распада комплексных ча-

стиц «новатронов», на пульсирующие элементар-

ные частицы. Можно полагать, что пульсация –

результат непрерывного обмена материальными

(элементарными) частицами между пульсирующим

объектом и окружающей средой.

Заключение

Определено количество теплоты на одну

структурную единицу моли:

∆Нс : NA = 689104 : 6,02∙ 1023 = 114,46∙10-20Дж/частица.

По формуле Планка Е = hv из эквивалентно-

сти энергии кванта и частоты колебания микрообъ-

ектов вычислена «частота колебания», т.е частота

пульсации:

hv =114,46∙10-20Дж ; v =114,46∙10-20Дж : 6,62∙10-34Дж∙с =17,2∙1014с-1

Аналогичный результат получен на основе

термохимических данных. Тепло на одну элемен-

тарную частицу равно 93,1 ∙10-20Дж и определена

«частоту колебания» одной элементарной частицы

– переносчика тепловой энергии:

v =93,1∙10-20 (Дж) : 6,62∙10-34 (Дж∙с) = 14,0∙1014с-1

Вычисленные величины частот на основе

термических данных совпадают с общепринятыми

частотами ИК излучения 4∙1014с-1, которые отно-

сятся к тепловому излучению.

Развитие представлений о природе пульса-

ции откроет истинную картину идеи корпуску-

лярно- волнового дуализма для электромагнитного

излучения, представляющего поток дискретных

элементарных частиц. Комбинированные частицы-

«новатроны» (электрон с фотонами, «теплотро-

нами, др. элементарными частицами) при протека-

ний процесса перераспределяются между ядрами с

выделением потока пульсирующих дискретных ча-

стиц, принимаемых нами как электромагнитное из-

лучение. При этом происходят различные физико-

химические проявления: появление электричества,

магнитные свойства, свет , тепло и др. Комбинация

и состав «новатронов» зависят от природы данной

системы и находятся в структурно-энергетическом

равновесии с окружающей средой. Выявление вза-

имосвязи фундаментальных микро-макросвойств и

определение механизма процесса передачи энергии

откроют новые возможности в синтезе веществ с

заданными свойствами.

Литература

1. Материаловедение/Под. ред. В.С.Куш-

нера.Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008.-232с.

2.Солнцев Ю.П.,Пряхин Е.И. Материалове-

дение. Учебник для вузов.М.:ХИМИЗДАТ, 2006.-

784с.

3.Давыдов А. С. Теория твердого тела.

М.:Наука, 1976.-636с

4.Утелбаев Б.Т., Сулейменов Э.Н., Утелба-

ева А.Б.О взаимосвязи внутренней энергии с мик-

роструктурой вещества //Science and

World.International scientific journal.. 2015 т.1

№12(28), с. 61-65.

5.Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломас-

сообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ,

Брюханов 2005.

6.Физический энциклопедический сло-

варь. Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алек-

сеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и

др. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. - 944 с.

7. Давыдов А. С. Квантовая механика. 3-е

изд., стер. — СПб.: 2011 — 704 с.

8. itteach.ru/.../yavleniya-difraktsii-printsip-

giuygensa-frenelya-pryamoline...

9. Б.Т.Утелбаев, Э.Н.Сулейменов,

А.Б.Утелбаева..О формах передачи энергии между

материальными объектами // The Way of Science -

2015.-№10 (26). - С. 42- 45

10. Б.Т.Утелбаев, Э.Н.Сулейменов,

А.Б.Утелбаева. Возможный механизм тепловой ак-

тивации реагирующих веществ // The Way of

Science -2015.-№4 (20). - С. 88- 92

11. Б. Т Утелбаев, Э. Н. Сулейменов, А. Б.

Утелбаева.Роль «теплотронов» при физико - хими-

ческих превращениях. // The Way of Science – 2015.

– №6 (22).

12.Теория горения и взрыва:учебник и прак-

тикум/Под общ. ред.А.В Тотая,О.Г.Казакова.

М.:Издательство Юраайт,2013.- с.286

13.Краткий справочник физико-химических

величин /Под ред.К.П.Мищенко,А.А.Равделя.

Л.,1983

14. Инфракрасное излучение. Википедия.ru.

[Электронный ресурс]. – Режим доступа:

wikipedia.org/…/Инфракрасное.

15.Фейнман Ричард.КЭД- странная теория

света и вещества/Пер. с англ. –Москва: АСТ, 2014.-

191с.

16.www.eduspb.com/node/1997

17.Тарасов Л.В. Современная физика в сред-

ней школе.-М.: Просвещение.1990.-288с.

18. http://teachmen.ru/work/comptonL

19.

http://fmclass.ru/phys.php?id=485f8711cef0b

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D0%B2%D1%8B%D0%B4%D0%BE%D0%B2,_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80_%D0%A1%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D0%B5%D0%B2%D0%B8%D1%87


20.http://chem21.info/info/1580206

21.http://e-

science.ru/node/4403#sthash.TThRhHAb.dpuf

22.ЯворскийБ.М.,Селезнев Ю.А. Справоч-

ное руководство по физике для поступающих в

вузы и для самообразования.4-еизд.,испр.-

М.:Наука.1989.-576с

23. B.T. Utelbayev, E.N. Suleimenov, A.B.

Utelbayeva. The Hypothesis about of Heat Тransfer and

the Nature of its Car-

rier.//PONTE,Florence.Italy.Vol.72,No.2,2016. pp.18-

25.

24.Борн М. Статистическая интерпретация

волновой механики // Атомная физика .,М.: Мир,

1965. - с. 172-178.

25. Гейзенберг В. Развитие интерпретации

квантовой теории // Нильс Бор и развитие физики /

сб. под ред.Паули В. — М: ИЛ, 1958. -с. 23-45.

26.Гейзенберг В. Воспоминания об эпохе

развития квантовой механики // Теоретическая фи-

зика 20 века / сб. под ред.Смородинского Я. А. - М:

ИЛ, 1962. -с. 53-59

27. Борн М. Физика в жизни моего поколе-

ния./Пер.с англ.-М.:ИЛ,1963.

28.Б.Т.Утелбаев, Э.Н.Сулейменов,

А.Б.Утелбаева. О взаимосвязи внутренней энергии

с микроструктурой вещества.// The Way of Science -

2015.-№12(28). - С. 61- 65

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%BE%D1%80%D0%BD,_%D0%9C%D0%B0%D0%BA%D1%81

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%B9%D0%B7%D0%B5%D0%BD%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%B3,_%D0%92%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%80

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%83%D0%BB%D0%B8,_%D0%92%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D1%84%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B3

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%B9%D0%B7%D0%B5%D0%BD%D0%B1%D0%B5%D1%80%D0%B3,_%D0%92%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B5%D1%80

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BC%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9,_%D0%AF%D0%BA%D0%BE%D0%B2_%D0%90%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%87


EARTH AND PLANETS

Sonin G.V.

Geological museum of Kazan Federal university.

EUROASIAN MAMMUTH, CAUSA OF SUDDEN DEATH.

Abstract. Information about the findings of bodies clarify the cause of death of mammoths. Delepine land-

slides and solifluction in the era of permafrost degradation are considered to have the death causa and formation

of massive accumulations of their remains.

Key words. The degradation of permafrost, landslides, solifluction, alasses, traces of suffocation.

Мамонты Евразии, причины гибели.

Сонин Г.В. – Геологический музей КФУ,

Казань

Аннотация. Сведения о находках трупов

проясняют причины гибели мамонтов. Деляпсив-

ные оползни и солифлюкция в эпоху деградации

вечной мерзлоты рассматриваются как причина ги-

бели и способ формирования массового скопления

их останков.

Ключевые слова. Деградация вечной мерз-

лоты, деляпсивные оползни, аласы, солифлюкция,

следы удушья.

Мамонт - самое популярное ископаемое жи-

вотное было известно в Роcсии со времен Великой

Северной экспедиции. До этого его знали только

эвенки, якуты да немногие русские промышлен-

ники. Из ученых о нем писали Василий Татищев [9]

и Михаил Ломоносов [3]. Мамонт был первым вы-

мершим животным, труп которого был обнаружен

сохранившимся в вечной мерзлоте на крайнем се-

вере Сибири. Следующим в список «вымерших»

был занесен сибирский шерстистый носорог, опи-

санный П.С.Палласом [5]. Бивни мамонта – (рыбий

зуб) добываемые в России потреблялись резчиками

из кости и шли на изготовление биллиардных ша-

ров. Больше столетия, как пишет акад. В.А.Обручев

Россия торговала мамонтовой костью наравне с

пушниной и сейчас еще Якутия поставляет более 20

т мамонтовой кости ежегодно [4].

В Европе мамонт был обнаружен в 1695-96

гг. в Саксонии близ города Эрфурта при рытье пес-

чаного карьера на глубине 7 метров. В изданных в

1720 г. в Нюрнберге записках некого Избранидеса

[6] говорится о находке трупа мамонта с кожей и

шерстью найденного в вечной мерзлоте Сибири.

Ломоносов, обучавшийся в 1735-39 гг. в Гер-

мании химии и рудному делу, ознакомился с эр-

фуртской находкой. По его данным кости мамонта,

зубы и два бивня лежали прикрытые 4-мя слоями

рыхлых отложений. Тейтцель – библиотекарь Гот-

ского Принца признал их за останки настоящего

слона. Большинство ученых признали мамонтов

останками военных слонов, используемых «татар-

скими царями в войнах против Пирра и Ганнибалом

против Рима». Даже французский энциклопедист

Вольтер, был сторонником гипотезы военных сло-

нов Ганнибала. Ломоносов посмеивался над этой

наивной гипотезой из простых соображений: зачем

трупы погибших слонов закапывать на большую

глубину (23 фута) и почему тогда сами азиаты не

забрали ценные бивни умерших слонов для про-

дажи. С мнением М.В.Ломоносова, что мамонты

это - вымершие животные когда-то в большом ко-

личестве населявшие Сибирь, мало кто соглашался.

Русская царица Екатерина Великая, возражая Воль-

теру, тоже не рискнула сослаться на Ломоносова и

опиралась на здравый смысл. «Что интересно делал

Ганнибал у нас в Сибири?», спрашивала она Воль-

тера[1], и как тогда объяснить находку носорога,

сделанную Палласом. Она уже понимала, что прав

был Ломоносов, а не европейские светила науки.

Полярный мореплаватель – капитан Г.А.Сарычев и

историк В.Н. Татищев одними из первых вместе с

Ломоносовым стали поддерживать идею изменения

климата и вымирания теплолюбивой афро-азиат-

ской фауны в Сибири.

Еще много лет после Ломоносова идея изме-

нения климата не приходила в голову библейски

настроенным ученым. В 1769-70-х годах Н.П.Рыч-

ков обнаружил кости мамонта на р. Усень (притоке

Ика, республика Татарстан), а акад. И.Н.Лепехин в

1769 г нашел обломок бивня на р. Бирючь в окрест-

ностях г. Симбирска. Оба считали их останками во-

енных слонов азиатских народов. Только открытие

швейцарским ученым Луи Агассицем эрратических

валунов принесенных на территорию Европы со

Скандинавского полуострова, заставило, наконец,

и европейцев признать существование ледникового

периода на севере Евразии. Вечную мерзлоту Си-

бири стали считать реликтом – остатком той холод-

ной эпохи. Вымирание теплолюбивой третичной

фауны стали объяснять наступлением ледников

плейстоцена. Окончание оледенения 10 тысяч лет

назад ознаменовало наступление современной

эпохи голоцена и деградации вечной мерзлоты. По-

следние мамонты вымерли в Сибири уже в голо-

цене, а на острове Врангеля их популяция, воз-

можно, просуществовала вплоть до 5-го

тысячелетия.

Берелехское кладбище мамонтов, по пред-

положению В.Щербакова [10] возникло в резуль-

тате селя в горах Сибири. На коже погибших ма-

монтов, как он пишет, ученые нашли выступившие

кровяные тельца, которые якобы свидетельствуют

об их гибели от удушья. К сожалению Берелехское

захоронение находится в трудно доступном районе

и ученые лишены пока возможности подробнее ис-


следовать проблему и узнать точную причину ги-

бели одной из самых больших популяций сибир-

ских мамонтов. По последним сведениям зоологи

склоняются к теории их массовой гибели в болоти-

стой почве или на льду у зимнего водопоя [4].

В своей методичке по геологии для студен-

тов Казанского Пединститута я высказал другую,

надеюсь, более реалистичную гипотезу [7], чем

упомянутый В.Щербаков. Его гипотеза основыва-

лась на предположении падения крупного метео-

рита в Атлантическом океане и созданной им волны

цунами, прокатившейся по всему Земному шару. В

Сибири волна цунами вызвала сход лавин и селей с

горных склонов, прикрытых делювиальными отло-

жениями недавно закончившегося оледенения.

Именно с этой волной цунами тогда связывали ги-

бель Атлантиды и привязали к ней и гибель мамон-

тов. Для исследователей знающих геологию Си-

бири, фантастичность этой гипотезы очевидна.

Сплошные горные цепи, обилие крупных рек и озер

и самое главное чрезвычайная мелководность и об-

ширность шельфовых морей (Рис.1) должны были

настолько ослабить гипотетическую волну цунами,

что она не смогла бы вызвать такой гигантский

сель, чтобы затопить целую долину отложениями

грязи и погубить мамонтов.

Есть другая местная, более мощная при-

чина, чем волна цунами из далекой Атлантики. Я

имел в виду активизацию вулканизма в Момском

рифте [7]. Активизация вулканов должна была

мгновенно растопить ледники и снежные шапки на

вершинах вулканов произведя обширные селевые

потоки. Такая картина более обычна и знакома нам

по недавним извержению Южно-Американских

вулканов (например вулкан Руссис, Котопахи и др

), затопивших селевыми потоками не только меж-

горные долины, но и большие поселения на горных

склонах и унесших тысячи человеческих жизней в

одно мгновенье. Фантастика хороша, когда нечего

больше сказать и не хватает фактических данных.

Акад.В.А.Обручев, написав фантастический роман

«Земля Санникова» ни на йоту не отступил от гео-

логической правды, поскольку хорошо знал геоло-

гию Сибири, не ведая еще ничего о тектонике лито-

сферных плит и рифтовой долине Момского

хребта, являющейся, продолжением хребта Гак-

келя. Теперь мы видим насколько он как специа-

лист был ближе к истине, чем последующие иссле-

дователи. Деградация мерзлоты в результате

потепления климата превратила сухую морозную

тундру в болота и размокшую трясину. На склонах,

где еще сохранялись перелески чахлой древесной

растительности, основного корма мамонтов, по-

крылись опасным оплывающим грунтом и грядами

солифлюкции (рис.3,5,10). Передвижение по тря-

сине стало невозможным, а высокая влажность

сильно снижала теплозащитную функцию шерсти и

кожного покрова животных. Тяжелые животные

просто тонули в разжиженном грунте, скользили по

склонам и гибли в массовом количестве не в силах

найти твердую опору. Может быть, поэтому их

кожные покровы и содержат красные кровяные

тельца - следы гибели от удушья.

Рис.1.Физиографическая карта Мери Тарп Полярного бассейна. Видно как срединно-океанический хре-

бет Гаккеля на шельфе моря Лаптевых полностью закрыт осадками, но его продолжение на материке

восточнее устья Лены выходит на сушу в виде рифта Момского хребта. В рифтовой долине работала

серия молодых вулканов: Мысык-тас, Балаган -тас, Ургая -Хая и др. совсем недавно открытых отече-

ственными геологами [2]. Активизация их могла привести к началу таяния ледников и возникновению

селей. Пока современная трансгрессия не затопила шельф моря Лаптевых на нем бродили неисчислимые

стада мамонтов.


Рис.2. Бивни мамонта в делювиальной осыпи одного из склонов Момского хребта.

Их кладбища сохранились на Новосибир-

ских островах, островах Анжу, на острове Врангеля

и на болотистом притоке Индигирки как Берелех-

ское и Аччагый-Аллаихское кладбища. Возраст за-

хоронений на притоках Индигирки по уточненным

данным П.А.Никольского 11- 12,8 тысяч лет.

Рис.3. Ступенчатые террасы тектонического оседания по бортам Момского рифта, заносимые мощ-

ными толщами сползающего со склонов пролювия и делювия. В самом низу склона видны гряды со-

лифлюкционных грунтов.


Рис.4. Тектоническая карта Момского рифта и других дислокаций, полученные сейсмическим методом

ОГТ на шельфе и побережье моря Лаптевых (врезка Б), На врезке А под №3 обозначен Момский рифт, а

под №1- рифт хребта Гаккеля.

Рис.5-6. Вид вулкана Балаган-Тас с делювиальным шлейфом у подножья.


Рис.7. Потухший вулкан в Момском рифте с потоками лавы на склоне.

Рис.8. На этих обширных пастбищах совсем еще недавно бродили стада мамонтов.

Рис.9. Ископаемый лед на р. Мома.


Рис.10. Оплывины грунта в вечной мерзлоте на бортах долин рек.

Рис.11. Внезапные оползни грунта, показанные на рис.10, приводят к гибели животных, находившихся

под склоном. Теперь река размывает и обнажает трагедию их гибели.


Рис 12. Скопление костей мамонта и черепов сибирского носорога под береговым уступом, погибших в

жидкой грязи и вынесенных процессом солифлюкции к современному руслу реки.

В геологическом музее Казанского универ-

ситета с 1908 г стоит полный скелет мамонта. Он

был найден проф.А.А. Штукенбергом и М.Э.Ноин-

ским на одном из притоков реки Кама. Этот мамонт

тоже погиб в возрасте 46 лет в результате обруше-

ния склона делювиальных суглинков. Концы ребер

его были сломаны еще при жизни животного, и

несут следы регенерации, но остальные кости все

целы и невредимы. У скелета утрачены только

ступни ног со всеми фалангами. Возможно, их про-

сто отъели волки или гиены, когда труп мамонта

был под обвалом. Следы их зубов сохранились на

мотолыжках нижних оконечностей берцовой кости.

Рис.13. Скелет мамонта и собрание останков плиоцен -плейстоценовых животных в зале Геологиче-

ского музея Казанского университета.


Остальную часть трупа падальщики не

имели возможности достать из под кучи обвалив-

шегося грунта. В конце плейстоцена территория

Татарии представляла из себя такую же холдную

тундру с тающими грунтовыми льдами и «блюдеч-

ками» аласов, как современная Якутия. Круглые

мелководные озера долины реки Мёши, Предкамья

и Закамья, как показал в своей диссертации

А.С.Тайсин [8, с 115-117], и есть остатки таких

древних аласов – типичных перигляциальных форм

рельефа. Следы морозобойных трещин и клиньев

ископаемых льдов в грунтах он тоже приводит в

своей диссертации. Поэтому выводы о трагической

гибели многих найденных мамонтов выглядят сего-

дня вполне убедительно, скопление же их разроз-

ненных костей и целых скелетов связано, скорее

всего, с солифлюкционной аккумуляцией и ополз-

нями.

Использованная литература.

1. Вольтер и Екатерина II. Европейские

писатели и мыслители, ч.IV, изд. В.В.Чуйко,

СПб,1882.

2. Грачев А.Ф. Момский материковый

рифт.// Ленинград, изд. НИИГА, 1973, вып.8. с.56-

75.

3. Ломоносов М.В. О слоях земных. 1763.

//Соч.т. VII, АН СССР, 1934.

4. «Особо охраняемые природные террито-

рии» Боескоров Г.Г. Загадка Берелехского клад-

бища. Известия Самарского науч. центра РАН, т.15,

№ 3(2), 2013, с.806-809.

5. Pallas P.S. De reliquiis animalium exoti-

corum per Asiam borealem repertis complementum.

Novi Comm. Acad. Sci.Imp. Petropoli, t. XVII, 1773.

6. Путешествие и журнал по указу Великих

государей и царей и Великих князей Иоанна Алек-

сеевича и Петра Алексеевича, отправленного из

Москвы в Китай, господина Эбергарда Избрани-

деса посланником в 1692 году марта 14 дня.//Древн.

российск.вивлиофика, ч. VIII, М., 1789.

7. Сонин Г.В. Горы, вулканы, землетрясе-

ния и др. явления в новой геологии. Изд. Казанск.

строит. колледжа, 2003г. 76с

8. Тайсин А.С. Озера Приказанского рай-

она, их современные природные и антропогенные

изменения. Изд. «Логос», Казань, 2006, 167с.

9. Татищев В.Н. О мамонтовых костях. К

примечаниям 1730 г. Примечания на ведомости в

Санктпетербурге. Ч.100 и 101, 1732.

10. Щербаков В. Асгард.// Загадки звездных

островов. Изд. Молодая Гвардия, 1989.

Yakovenko Nаtaliya Vladimirovna

Doctor of Geography, Professor,

Head of the Chair of Social and

Economic Geography and Regional Studies

Komov Igor Vladimirovitch

PhD in Geography, Associate Professor

of the Chair of Social and Economic

Geography and Regional Studies,

Department of Geography

Didenko Olga Valeriyevna

PhD in Geography, Lecturer

of the Chair of Social and Economic

Geography and Regional Studies,

Department of Geography

Drobyshev Evgeny Aleksandrovitch

Ph.D. student of the Chair of Social and Economic Geography and Regional Studies, Geography, Geoe-

cology and Tourism, Voronezh State University, Voronezh

SCIENTIFIC APPROACHES TO THE DEFINITION OF THE CATEGORY OF

"REGIONAL SOCIO-ECONOMIC-GEOGRAPHICAL SYSTEM" IN

ECONOMIC GEOGRAPHY

Abstract

The article is devoted to the analyses of theoretical approaches towards definition of the concept “region”

in Russian and foreign researches. Research studies of a region as a socio-economic system appears to be suffi-

ciently conventional within the modern socio-economic and geographic science, however the united approach

towards theoretical evaluation of the category, its definition and its forming subsystems does not still exists. Region

is considered to be a complex spatially integral united system, which is represented by a local territorial complex

of interconnected social and economic subsystems, determined by the definite production structure, peculiarities

of the social infrastructure and human resources, taking into consideration place and role of the particular region


in social and economic complex of the country. The emphasis is put by the author on topological approach towards

definition of the concept “regional social, economic and geographical system”. The model of regional social,

economic and geographical system actual for each entity of the federal state is developed, taking into considera-

tion peculiarities and characteristics of the subjects. Thus, the region has constitutionally fixed competence and

authority. There are three levels of functional and structural subsystems, which are macro-, mezo- and microlevels.

Levels of the social, economic and geographical system (SEGS) coincides with the existing in Russia state struc-

ture, due to its role of the forming base of all territorial social and economic systems.

Key words: socio-economic-geographical system of the region, model, typological approach.

Introduction.

Economic and social geography is an integral

part of the system of geographic and social sciences.

Within economic sphere its studying objects include

social, ecological, political, psychological and religious

aspects of human society development process. This di-

rection of geographic science integrate social and eco-

nomic sides of human being into the united whole. The

branch is also called “social and economic geography”

and “social geography”. Inspite of the fact, that it is a

young direction, social and economic geography pos-

sesses clear constructive purposefulness, comprising

more spheres than forecasting and problems analyses.

Integrity and complexity make the science an integral

part of geographic education as well as of forming in

XXI century geographic mentality. Last decades set up

numeral problems and challenges in fundamental base

of. The subject of economic and social geography - ter-

ritorial organization of society spontaneously becomes

more complicated, its architectonical structure and

dominant evolution factors transforms. All this signi-

fies a strong necessity to adopt former concepts as well

as develop new approaches, theories and methodical

tools for further research in this sphere (Druzhinin et

al., 2010). The key initial theoretical base for each sci-

ence turns to be the necessity to reveal the subject of

research and its structure. Contemporary, detailed re-

search of composition and structure turns to be a mile-

stone for scientific research in general fundamental sci-

ences. Conventionally there are three approaches

towards definition of the essence of the concept “re-

gion”. It may be said, that each approach is aimed on

realization of different aspects in regional economic

studies. All existing points of view not only do not ex-

clude but mutually complete each other.

Literature review.

Concept “region”, generally considered as a part

o global space, is used by many regional social sci-

ences, which studies political, economic and social

space. Thus content of the definition depends on me-

thodical base of research. System approach in this case

seems to be effective. It allows to make a behavioral

model of the subject, reveal factors and regularities in

its development and all in all, to forecast possible future

events and influence on changes in a favorable way. It

is considered that the founder of the system approach is

L. von Bertalanfy, whose first work with the concept

“system” appears in 1940 (L. von Bertalanfy, 1940), an

article about the necessity and ways of formation for

general theory system in 1949 (L. von Bertalanfy,

1949), work with affirmation of the fact that coming

into being of the general theory of systems is a fact in

1962 (L. von Bertalanfy, 1962). Thus, we could take as

an example the definition given by M. Gunnarsson. In

his point of view, region represents interaction of “ac-

tors” and institutions in the framework of the geo-

graphic theory (Gunnarsson, 1999). In contradistinc-

tion, a well-known political analyst - international

relations expert K. Deutsch offers another so called

“summative” definition for the concept “region”, con-

sidering it as group of countries, which are closely in-

terconnected according to some parameters (Deutsch,

1981). There is also a relatively solid approach, repre-

sented by E. Markusen. In her interpretation, “region”

is a historically evolutioning territorially compact com-

munity, which contains physical surrounding, social

and economic, political and cultural environment and

spatial structure different from other regions and terri-

torial unities such as a city or a nation (Markusen,

1987). Thus E. Markusen is the first insider, who put

attention on interconnection of the meaning of region,

nation and city and mark out from all this diversity of

the concept “region”. Efforts to define region within

typical criteria were also taken by one more scientist -

М. Russet. He considers following explanatory defini-

tions to make the question precise:

Regions are homogeneous in social and cul-

tural aspects; states of both regions stick to the same

position towards inner attributes;

The region is formed by the states with sim-

ilar political attitudes; the states have a common view

over world tendencies and similar behavior on the

world arena, which is possible to reveal during votes in

the UN;

Politically interdependent regions, con-

nected via systems of national and intergovernmental

political structures.

Economically interdependent regions, con-

nected by close interregional trade with the volume that

could be defined by proportions of national income, etc.

(Russet (1967), Freemann (1988). Gregory (2006),

Hitchas and et. (2002), Krugman (1991), Krumme

(1970). Malmberg and et. (2002), Mankiw and et.

(1999), Parker (2007)), Yakovenko (2011-2016). What

is more the concept international political region, which

is used in political sciences, is operationally updated.

Contemporary there are many approaches towards re-

gions classification: geographical, political, ecological,

informational, civilizational, etc. Generally insiders di-

vide regions into two big groups: homogeneous and

functional regions. There are three subtypes of homo-

geneous regions: 1) Natural regions, which outlines are

defined by common topographic, climate and other nat-

ural characteristics (Nordic region); 2)Regions with the

strong sign of common cultural and historical identity

(Scandinavia); 3) Economically self-reliant regions

with a common type of industrial productivity (Big

Volga).


Elements of the functional region originally not

necessarily similar. Creation of such regions supposes

interaction and integration inside which is a crucial as-

pect to provide complementarity of all aggregating ter-

ritorial elements (Makarychev, 1999). Noralv

Veggeland with the use of functional approach divides

regions on functional, cultural and administrative.

Functional region could be characterized by narrow and

specific interaction aim, the region is concentrated on

some benefits within the frame of the particular sector

via regional cooperation. These could be, for instance,

some trade aspects, custom policy, educational sphere

and integration. Cultural type of the region is based on

the questions concerning identification issues. Homo-

geneity within the particular territory is formed by com-

mon legacy, language, traditions, etc. Thus the “cul-

tural” region differs from other territories. Activities

within one region could vary with the wide specter of

matters. Central issue for the cultural region is its func-

tioning “down-up”. N. Veggeland concludes, that cul-

tural regions could form a foundation for the develop-

ment of functional regions. Administrative type of

regions refers to administrative structure, which exists

in states with hierarchal structure between municipali-

ties, districts and central administration. From this

point of view, a district, for instance, could be referred

to the region (Gunnarsson,1999).

Results and discussion.

Within social and economic geography, eco-

nomic and geographical definition appears to be the

base for regionalization, mark out of territorial systems

and formation of territorial and industrial complexes.

Administrative approach is closely connected with

modeling researches (carried out on the ground of eco-

nomical and geographical approach) over regional con-

figurations of different scale. However reproduction

approach is instructive to develop regional economic

policy and selection of tools for its implementation, as

it characterizes region in the view of national economy

subsystem as well as relatively independent reproduc-

tion system. Consideration of the territorial entity sim-

ultaneously as a part and as a unity allows to define the

scale of interference into regional development from

the side of federal governing bodies and correlation of

different tools of regional economic policy, which are

used at the particular moment. In accordance with

“General provisions of regional policy in Russian Fed-

eration”, the region considers to be the part of territory

of the Russian Federation with the unity of natural, so-

cial and economic, national and cultural and other con-

ditions (General provisions…, 1996). The term “re-

gion” origins from latin “region” with the meaning

region, locality, country, i.e. particular area. Discussion

over the question of definition for the term “region” re-

sulted in two ways of its interpretation: in wide and nar-

row senses. In wide sense the term “region” could be

interpreted as the synonym for terms district, rayon, ter-

ritory, part of the country with a combination of natu-

rally or historically formed economical and geograph-

ical conditions. In a more narrow sense, the term

“region” is interpreted by different branches of the sci-

ence: political science, demography, geography, biol-

ogy, etc. For instance, in political science region is de-

fined as a group of countries, in a particular region with

common characteristics, which differs from other re-

gions (Near East, Central America, etc.). Other sci-

ences mark out demographic regions (Maghreb, Baltic

states), medical and sanitary zones, natural regions, ar-

eas, etc. That is a reason, why it is necessary to pay spe-

cial attention on some crucial aspects, when clarifying

concept “region” during the transformational period in

Russia. First of all, region in Russia could coincide with

constituent entity of the Federation independently of

the occupied square. This aspect is connected with dif-

ferent conditions of management, natural and geo-

graphical location, long-term socio-economic, admin-

istrative and cultural inner bonds. Secondly, region

possesses historically territorial detachment, which de-

fines its borders and specific social and economic,

sometimes national and other characteristics. Thirdly,

within homogeneity of natural, demographic, historical

conditions, each regional territory has its own peculiar-

ities. Fourthly, each Russian region, as well as regions

in foreign countries, carries out functions in social di-

vision of labor in national economy and has formed sec-

torial structure, industrial infrastructure, which is a base

for material and technical base and social sphere.

Fifthly, regions has to play a pivotal role in formation

of regional state policy within location of industrial ca-

pacities on the territory of the state and interregional

economic cooperation. Sixthly, economic potential

turns to be a foundation for social and economic base

of constituent entity of the Federation. It includes natu-

ral resources, industrial, financial and investment po-

tential. Seventhly, region is considered to be a united

social and economic subsystem, homogeneously re-

ceived at social and economic system of the country.

According to the conducted analyses over concept “re-

gion” in the system of regional studies sciences, it is

possible to develop authors definition of the category

“region”: region is a complex phenomenon, a unified

social, economic and geographical system, a part of the

Russian Federation (constituent entity of the Federa-

tion), has historically stipulated territorial and adminis-

trative borders, possesses unity of social, economic,

cultural, and естественно-исторического political

space. Functioning of such social, economic and geo-

graphical system historically submitted by the particu-

lar principles: 1) Relative, but sufficient high level of

economic and legal entity; 2) Territorial unity; 3) Gov-

erning bodies.

Each region takes its place in the territorial sys-

tem of work diversification and makes endowment into

economic complex of the state, develops in specific nat-

ural and climate conditions with different mining-and-

geological conditions of natural resources develop-

ment, location, infrastructure (regional goods market

and social), degree of management with different tradi-

tional economic and managing skills, industrial struc-

ture, social conditions, presence of food base, building

complexes conditions, concentration of scientific and

technological institutions, etc. These peculiarities,

should be taken into consideration during the processes

of forecasting and planning of social and economic de-


velopment and especially during the process of imple-

mentation of the technological and innovative policy.

As far as the region is an economic entity, it is neces-

sary to take into account several terms, which appears

in the frame of the particular area, such as:

Economic unity of the territory as the base

of economic complex;

Type and development degree of inside and

outside economic bounds, defined by market tools;

Unity of economic, social and social and po-

litical issues, which are discussed, within the territory

of the region.

Possibility for efficient territorial manage-

ment.

System approach is the main method in research

studies of any territorial social and economic system,

according to it the object is regarded as an integral va-

riety of interconnected elements (components), which

possesses yield (aim), entrance (resources), connection

with the environment, feedback and which is at the

same time a part of the higher-order system. System ap-

proach allows building multifactorial models, relevant

for social and economic systems. Due to this fact, terri-

torial social, economic and geographical system, which

is comprehended as formed and functioning on the par-

ticular territory integral complex of interconnected, in-

terpenetrative and interactive social, economic and nat-

ural components, is proposed as an object of research.

Within this the main terms could be following:

Element – as indivisible object of study;

Connection – relation between elements;

Structure – complex of relations between el-

ements;

Substrate – environment of the elements;

System – integral complex of elements, rela-

tions and substrate;

Subsystem – a part of the considering sys-

tem;

Supersystem – integral system.

Social, economic and geographical system

(SEGS) possesses financial and managing autonomy

within the system of governmental structure. Develop-

ment of SEGS is aimed at provision of balance of inter-

ests between economic growth and social stability.

Within system researches, a pivotal role plays the ne-

cessity to decompose the entire into parts (structural di-

vision) and to unite the parts into the whole, i.e. use of

decomposition and aggregation processes. S.S. Shatalin

marks out, that “…economy is a system, which consists

of the great variety of heterogeneous elements, that ob-

jectively supposes its hierarchal structure” (Shatalin,

2010). Figure1 illustrates the proposed by the author

static model of social, economic and geographical re-

gional system in the way of typological category. Eco-

logical and geographical, social, economic and political

subsystems, which could be named subsystems of the

first rank within regional social, economic and geo-

graphical system in the way of topological category,

could be defined as the key characteristics of the re-

gional social, economic and geographical system. The

foundation of the model is represented by ecological

and geographical and social subsystems, which in com-

plex form natural and social potential of the region.

Natural potential (natural resources) could be defined

as an accessible within existing technologies and social

and economic relations integrity of natural resources in

terms of land and land plots, water resources, air basin,

mineral resources, forests, plant and animal life (Bak-

lanov, 2010). The problem of efficient use of natural

potential of the region concludes in the necessity to har-

monise it with the concept of sustainable development.

This assumes harmonious development of industry, so-

cial sphere, population and environment. Natural and

resource factor plays a pivotal role in the intensification

of region’s development. Presence of industrial min-

eral, oil, gas, etc. assets in many ways becomes the

foundation for development of the region. However,

from our point of view, affluence in natural resources

could not be defined as the resolving factor of the de-

velopment. In the world economy there are precedents,

when affluent countries with sufficient level of natural

resources could not reach high level of economic de-

velopment, while those countries as Japan, South Ko-

rea, Israel could reach high indexes of economic devel-

opment due to effective use of existing resources. The

component “environmental situation” has the double

submission as it appears in the following view: 1) as a

part of ecological and geographical subsystem; 2) ap-

pears as a result of influence of regional economic en-

tities on the environment. Population is a base of the

social subsystem, it includes two more subsystems of

lower scale: “demographic” and “labor”. The compo-

nent “labor” also has a double meaning: 1) resource for

industrial system; 2) face challenges under influence of

industry. Labor potential of the region could be meas-

ured by quantity and quality characteristics. Quality

side of labor potential is defined by demographic fac-

tors (natural increase, health, mobility, etc.), industrial

demand in labor forces and ability to satisfy the need of

working-age population in work places.

Labor potential of the national economy could

be characterized by the number of working-age popu-

lation, i.e. labor resources, which are accessible for the

national economy in the particular period of time. Qual-

ity indicators of the labor index could be also developed

with the help of integrity of demographic, medical, bi-

ological, professional and qualifying, social, psycho-

logical, political, moral, scientific and technical issues.

General characteristics to define labor potential of the

region are the following: 1) population; 2) population

makeup according to sex and age; 3) number of unem-

ployed; 4) correlation between rural and city popula-

tion; 5) total population increase, dynamic of its growth

and increase; 6) the incidence of disease; 7) level of ed-

ucation.

As far as each region has its own national struc-

ture, traditions and mode of life, appears one more sub-

system – “socio-cultural environment”. Socio-cultural

environment is a type of sociocultural education, which

is characterized by stability and continuance of pres-

ence, presence of special economic, social and cultural

forms, inability to transform new areas into homeland,

making it wider and form naturally dependent vassals.


Figure 1 Structure of model of regional social, economic and geographical system (Yakovenko, 2013)

Due to the absence of changes in space and evo-

lution activity of socio-cultural environment, it occu-

pies quite small areas. It also form a subsystem of the

lowest level, due to the defining role of quality and

level of life for the social infrastructure. Central (key)

place in the model of regional social, economic and ge-

ographical system refers to the economic subsystem,

which is pivotal for regional functioning and includes

two large subsystems: industrial and financial. Indus-

trial sphere is considered as an integrity of economic

entities in different sectors of economy and economic

cooperation between them, it is also a sphere, where

real regional income produced (GNP, GDP, national in-

come, GRP).

Structural analyses of industrial potential of the

region allows to mark out industrial and agricultural po-

tential, potential in building sphere, etc., i.e. potential

in production branches. Industrial potential of the re-

gion is a dynamic characteristic as it constantly devel-

ops both in quantity and in quality. Industrial potential

highly depends on the level of innovative potential. The

last one is usually defined as an integrity of labor, tech-

nical, material, information, organisational resources,

resources of management, necessary to create new and

develop existing products, provide intensive production

process and changes of working conditions, increase of

efficiency in industry. Evidently, scientific and tech-

nical and industrial potential are directly connected via

mutual use of the particular part of resources and cor-

relation between characteristics of the elements of in-

dustrial potential and parameters of scientific and tech-

nical potential. Finances penetrates all structure of

regional social, economic and geographical system and

they are included into economic subsystem. Financial

potential of the region could be represented by the in-

tegrity of money funds, which are accessible for the re-

gion, enterprises and organisations and which is formed

during the process of allocation and relocation of re-

gional gross domestic product and domestic income.

Accumulation of capital appears to be a significant fac-

tor for regional economic growth. While accumulation

of real volume of capital equipment per unit of labor in

the region is conducive to increase of productivity and

growth of gross regional product, accumulation of cap-

ital is reached by the increase in volume of savings and

investments. Accumulation of the capital in region is

closely connected with technical progress. Economi-

cally undeveloped territories face the strong need of

modern technologies. Economically backward coun-

tries have a strong need in modern technologies, con-

version onto innovative way of development, adopted

to the local resource abilities. Significant role in the

process of formation of regional financial potential play

investments. During the process of elaboration of re-

gional investment policy, regions have to put more at-

tention on transformation of attitudes towards the re-

sults of activity, than to the process of investors’

attraction (Russian as well as foreign investors). Infor-

mation resources are an important part of economic po-

tential. This resource is represented by the particular

quantity of scientific and technical information (books,

magazines, inventions’ descriptions, etc.), accessible

for the state, district, sector of the national economy,

enterprise, etc. Necessity of research studies of infor-

mational potential in a view of efficiency factor for the

regional development is stipulated by transfer from ma-

terial society towards informational. Science-based and

knowledge-based technologies define quality of mate-

rial industry development, intellectual potential turns to

be the key factor of stable economic growth. Political

and legal system plays also a pivotal role in the consid-

ering model of SEGS. It includes following subsystems

of the lower scale: governmental and managing bodies,

political units and other political institutes as well as

regulatory and legal framework, which provides legal

regulation of all spheres in regional functioning. Politi-

cal and legal subsystem contains managing system,


which conducts inner management of the region. Re-

gional SEGS is better to be considered from the point

of view of potential abilities for realization of effective

social and economic regional management.

Conclusion.

The aforementioned model of regional SEGS is

relevant for each entity within the federal state, which

possesses individual characteristics. In this case, the re-

gion has constitutionally fixed competence and author-

ity. There are three levels of functional and structural

subsystems, which are macro-, mezo- and microlevels.

Levels of the social, economic and geographical system

(SEGS) coincides with the existing in Russia state

structure, due to its role of the forming base of all terri-

torial social and economic systems. Such hierarchal

representation allows not only to decompose aims,

tasks and events within managing levels, but also to

provide efficiency, operational efficiency and target

orientation of management. SEGS is a structural ele-

ment in the system of administrative and territorial gov-

ernance structure. Regional managing system includes

law-making and executive authorities. Each federal en-

tity has its own budget, ratified legally on the regional

level.

References.

1. Baklanov P.Ya. (2010) Structuration of geo-

graphic space–the base of theoretic geography. Materi-

als of International scientific conference. Rostov: Publ.

UFU. 12-21.

2. Deutsch K. (1981) On nationalism, world re-

gions, and the nature of the West. Mobilization, Center-

Periphery structure and nation-building. A volume in

commemoration of Stein Rokkan. Ed. by Per Torsvik.

Universitetsfrolaget. Bergen - Oslo - Toronto.

3. Freemann C., Perez C. (1988) Structural cri-

ses of adjustment, business cycles and investment be-

haviour in Freemann, C., Nelson, R., Silverberg, G.

(Eds).Technical change and economic theory. London:

Frances Pinter. 38-66.

4. Gregory P.P., Stuart R.S. (2006) Compara-

tive Economic Systems. Boston, 289 p.

5. Gunnarsson M. Regionalism and security –

two concepts in the wind of change, from:

http:www.umu.se/cerum/publika-

tioner/pdfs/NSB_1_00_6_1.pdf.

6. Hettne B. (1999) Globalization and the New

Regionalism. Globalism and new regionalism. London:

MacMillan Press Ltd.

7. Hitchas D.M, Biancc J.E., Wagner K. (2002)

Competitiveness and regional development: The case

of Northern Ireland. Oxford etc. 26:1100-111.

8. Komov I.V. (2015) The study of the territo-

rial organization of the productive forces of the region:

the theoretical aspect .Actual problems of the humani-

ties and the natural sciences. Number 12 (December)

Part. VIII. Materials of the first round table, dedicated

to the remembrance of Professor, Doctor of Geograph-

ical Sciences Yu.V. Porosyonkov. Moscow. 13-14.

9. Krugman P. (1991) Geography and Trade.

Leuven: Leuven University Press and Cambridge: MIT

Press. 142 p.

10. Krumme G. (1970) The inter-regional cor-

poration and the region. Tijdschrift voor Economicsche

en Sociale Geografie. 61: 318-333.

11. L. von Bertalanffy (1940) Der Organismus

als physikalisches System betrachtet. Die Naturwissen-

schaften, 531 p.

12. L. von Bertalanffy (1962) General System

Theory-A Critical Review. General Systems. 7:1-20.

13. L. von Bertalanffy (1995) Zu einer allge-

meinen Systemlehre. Biologia Generalis, 114-129.

14. Malmberg A., Maskell P. (2002) The elusive

concept of localization economies: towards a

knowledge-based theory of spatial clustering. Environ-

ment and Planning A. 33: 1213-1235.

15. Mankiw G.W., Romer D., Weil D.N. (1999)

A contribution to emperics of economic growth. The

Quarterly Journal of Economics. 107.2: 407-437.

16. Markusen A. (1987) Regions: The Econom-

ics and Politics of Territory. New Jersey. 227-233.

17. Morkovkil D.M., Yakovenko N.V., Komov

I.V., Derevyagina M.V., Didenko O.V. (2016) Factors

and material conditions for space-intensive economic

development of region. International Review of Man-

agement and Marketing., 6(S1): 67-72.

18. Parker Randall E. The Economics of the

Great Depression: A Twenty-first Century Look Back

at the Economics of the Interwar Era. Chelten-

ham.U.K.: Edward Elgar. 2007.

19. Yakovenko N.V. (2011) Cluster approach

and its application to development of the concept and

strategy of social and economic development of depres-

sive region Scientific Search. 2: 72-74.

20. Yakovenko N.V. (2011) Strategic monitor-

ing in the system of the comprehensive programme of

social and economic development of the municipality:

the theoretical approaches. In the world of scientific

discoveries. Humanities and social sciences. Krasno-

yarsk: Research and Innovation Centre. 4/16:262-267.

21. Yakovenko N.V. (2013) Depressive regions

of Russia: methodology, theory, practical aspects (the

Ivanovo region is an example) (Doctoral dissertation).

Voronezh. 40 p.

22. Yakovenko N.V. (2013) Depressive regions

of Russia: methodology, theory, practice. Ivanovo:

SUE IO Ivanovo Publishing House. 205 p.

23. Yakovenko N.V., Salimova E.A., Molchan

A.S., Savvach S.M., .Dianova V.A. (2016) Economic

security and organizational culture: theoretical ap-

proaches and categorical relationship. International Re-

view of Management and Marketing. 6(S1): 153-158.


MATH.

Anatoly Panov

Doctor of Science (Engineering), Professor, Member of International Academy of Navigation and Motion

Control.

International Academy of Navigation and Motion Control, Ukrainian Department, Kyiv, Ukraine.

Sergiy Ponomarenko

Ph.D. (Engineering), Senior Researcher.

State Research Institute of Aviation, Kyiv, Ukraine.

ON THE NEW NON-HAMILTONIAN QUATERNIONS OF

HALF-ROTATION AND THEIR APPLICATION TO PROBLEMS OF

ORIENTATION

ABSTRACT

The application new (non-traditional) groups, algebras of the half-rotation solid body and their application

in the orientation tasks for the strapdown inertial navigation system (SINS) and orientation systems (SIOS). Non-

Hamiltonian quaternions of the half-rotation can be zero in contrast to the classical Hamiltonian normalized

quaternions of the full-rotation with the parameters of the Euler (Rodrigues–Hamilton), their rates are not con-

stant and depend on the Euler angles of final rotation.

Index Terms: non-Hamiltonian quaternion of rotation; half-rotation; groups and algebras of quaternions;

strapdown inertial systems; guidance; navigation; control.

INTRODUCTION

In strapdown inertial navigation system (SINS)

[1] and orientation systems (SIOS) [9] of the aerospace

aerial vehicle the classical “Hamiltonian” quaternions

of solid body rotation with the parameters of the Euler

(Rodrigues–Hamilton) [1], [9] are now (from the begin-

ning of the 70s of the last century) widely used. These

quaternions are normalized (with unit norm) and they

cannot be zero [1]–[10].

The possibility of using an unnormalized qua-

ternion for SINS with no single the norms, depending

on the angle of the final Euler rotation of solid body

first is shown in [5] (2000), [10] (1999). Such quaterni-

ons are obtained by multiplying the normalized Hamil-

tonian quaternions of rotation (as unit vectors of the real

four-dimensional space) by an arbitrary function of the

angle of Euler rotation. They belong to the sets of non-

Hamiltonian quaternions of the solid body “full” rota-

tion.

The paper examines the new (previously pub-

lished in [6]) unnormalized quaternions of rotation

forming a set of non-Hamiltonian quaternions of the

solid body “half-rotation”.

Non-Hamiltonian unnormalized quaternions of

half-rotation are exceptional by virtue of their proper-

ties, in particular, the heterogeneity of systems of four

kinematic linear differential equations corresponding to

these quaternions.

1. Non-Hamiltonian quaternions of the half-ro-

tation

We are considering two types of non-Hamilto-

nian, quaternions of the half-rotation of solid body:

0 0, ,U u V v where

0 01 ;u 0 01 ;v

0 cos( / 2);

; sin( / 2);k k is the unit vector

of Euler’s axis of finite rotation (turn) of the solid body

in three-dimensional Euclidean vector space [1], [3],

[9]; is the Euler final rotation angle.

Parameter 0 and coordinates n (n = 1, 2, 3)

of three dimensional vector (coordinate orthonor-

mal basis with unit vectors related to a solid body) are

Euler

(Rodrigues–Hamilton as a function of the angle )

real parameters [1], [3], [9], [10]. They define the clas-

sic Hamiltonian quaternion of “full” rotation [1], [3]:

0 with unit norm

2 2

0 1, 2 2 2 2

1 2 3 .

Quaternions U, V are considered here as non-

Hamiltonian quaternions of half-rotation of solid body

and turn out as a result of multiplication of non-tradi-

tional new normalized quaternion of half-rotation

,P m p M p m (

sin / 4 ,m cos( / 4) ,p k

cos( / 4),p ( sin( / 4)m k ) respec-

tively on the modules 2 ,U m 2V p ,

(i. e. ,U U P V V M ). This normalized


“Hamiltonian” quaternions of half-rotation Р, М are re-

garded as vectors in the real four-dimensional vector

space.

The different sets of the half-rotation quaterni-

ons determined by the generalized non-Hamiltonian

quaternions of the half-rotation ,C UU c U

,C VV c V where ,U Vc c are arbitrary constant

coefficients. When 1U Vc c viewed quaterni-

ons U, V are obtained.

Unlike quaternions Λ, unnormalized quaterni-

ons U, V can be zero (at φ = 0 and φ = 2π respectively)

and their modules depend on angle φ. Therefore, they

are of special practical interest in solving two major

problems: inertial sensing and inertial attitude control

of the solid body provided that the shortest turns (at an-

gles and ) are ensured.

Quaternions U, V are exceptional (from the set

of possible non-Hamiltonian unnormalized quaternions

of rotation [1], [5], [6], [10]) as those quaternions and

their corresponding kinematic differential equations

and groups, group quaternions algebras of rotation have

a number of special or unique properties.

By the way for example, quaternions U, V in ad-

dition to going to zero, have a common vector , and

their norms are equal to doubled scalar parts:

22 22

0 0 0 02 ; 2 ,UuUUu VvVVv (1)

where 0 0( ); ( )Uu Vv are

conjugate quaternions.

In addition, the following equalities hold:

2

00 ( ),uv and ,U U UU

V V ,V V unlike inequality

, where (°) is the sign algebraic

operations “Hamiltonian” quaternion multiplication

[1], [3].

2. Quaternion differential kinematic equations

Quaternion kinematic differential equations for

“proper” quaternions [1], [9, p. 109] U, V, are linear, but

not homogeneous. Those equations are obtained from

the known [1] linear kinematic equations

2 for quaternion by substitution

of variable 0 with variables 0 0,u v and are as fol-

lows:

2 ;2 ,U UV V (2)

where is the angular velocity quaternion; is the

vector of absolute rotational velocity of the solid body;

, ,U V is the relative derivatives of quaterni-

ons in time.

The equations (2) have a joint first integral u0 +

v0 = 2.

These equations because of their inhomogeneity

are of special interest for the solution of tasks of syn-

thesis of high-precision conical precession computer al-

gorithms of SIOS (the sixth or tenth order of accuracy)

using Taylor’s rows [9].

3. The formulas for the multiplication of quater-

nions of the half-rotation

The multiplication formulas (rules, laws) [9,

p. 109] of proper non-Hamiltonian quaternions U, V,

are obtained from the classic (group) [1], [3] multiplica-

tion formulas of normalized own quaternions by

substitution of quaternion with quaternions U, V,

according to the following formulas

4 4 ,E U V E

where

)о1(4 E is a scalar unit quaternion, о zero vec-

tor.

For two sequential finite rotations (turns) of the

solid body, the group multiplication formulas of nor-

malized quaternions and non-Hamiltonian quaterni-

ons U, V are written in symbolic form as:

1 2; 1 2;U U U

1 2,V V V as well as:

1221 41212; 2 ,UUUUUVEVVVV

(3)

where , U, V are the resulting rotation qua-

ternions, 1 , U1, V1 are the first rotation quaternions,

2 , U2, V2 are the second rotation quaternions; ( )

is a conventional sign of the group (non-Hamiltonian)

multiplication [6], [10] of any non-normalized quater-

nions; (°) is a sign of the algebraic operation of Hamil-

tonian multiplication.

The formula (3) includes the operation of addi-

tion of quaternions, in contrast of the multiplication for-

mulas of the classical Hamiltonian quaternions with the

parameters of the Euler [1], [3], [4].

4. The group of non-Hamiltonian quaternions

of the half-rotation

The quaternion sets , U, V, form a four-di-

mensional quaternions representations of three-dimen-

sional rotations classical groups [3], [4], [6] – a groups

of non-Hamiltonian quaternions of three-dimensional

rotations and half-rotation of the solid body or of qua-

ternion groups of three-dimensional rotations and half-

rotation with the above group multiplication formulas

(3).

Multiplication formulas (3) quaternions U, V de-

termines their name “non-Hamiltonian quaternions of

the half-rotation”.

The following equalities follow from the above

formulas:

40; 2,UUUUVVVVЕ (4)


where 0 = oo are zero quaternion, o is

a zero vector.

These equalities show that unit elements in

groups of quaternions of U, V are respectively the zero

quaternion and the doubled single quaternion 2Е4, and

reverse quaternions 1,U

1V

are equal to the con-

jugate , .U V

5. Non-Hamiltonian quaternion algebra of the

half-rotation

Unnormalized quaternions space U, V, together

with their multiplication formulas (3) (the algebraic op-

erations), determined the actual new, associative, non-

commutative and unnormalized group [11, p. 259] of

quaternions algebras of half-rotation with single-valued

division and without zero divisors [11], [12] (since these

group algebras and group there is no zero divisors).

Multiplicity of the quaternions U, V forms a lin-

ear four-dimensional Euclidean vector space, while the

Hamiltonian quaternions rotation not form a vector

space, since haven’t zero quaternions.

By analogy with the algebra of Hamiltonian

quaternions of rotation the exceptional quaternions

algebras U, V of half-rotation are further endowed [4, p.

103–104] the structures of: 1) the commutative group

under addition; 2) the non-commutative, associative

four-dimensional algebra of division over the real. Thus

the operations of addition and multiplication group (3)

are distributive [3, p. 32].

6. Application of non-Hamiltonian quaternions

of the half-rotation in the problems of the control ori-

entation

Parameters of quaternions of U, V are used for

the solution of tasks of control of orientation of the

spacecraft (SC), as solid body, in positive definite qua-

ternion functions fu and fv Lyapunov of a square look

[5], [10]:

2 2

0 0( ) ( ); ( ) ( ),u u u u u v v v v vf u A g f v A g

(5)

where , , 0u u u and

, , 0;v v v Аu, Av are definitely positive sym-

metric constant operators; is the momentum kinematics

vector of the spacecraft; J is the operator (tensor) of in-

ertia of the spacecraft; is the angular velocity vec-

tor of the spacecraft.

To ensure control shortest reversals spacecraft

function is used fu when u0 < 1,

v0 >1 (0 < φ < π), or function fv when u0 > 0, v0 < 0 (π <

φ < 2φ).

With an appropriate choice of formulas deter-

mine the vector of control points (as described, for ex-

ample, in [10]) a negative definition of the derivative of

Lyapunov functions in time provides. The result is the

asymptotic stability of the processes controlling the ori-

entation of the spacecraft and its shortest spreads

throughout the range of variation of the angle from

to .

7. Application of non-Hamiltonian quaternions

of the half-rotation in the algorithms of the orientation

determine

Parameters – the coordinates of exceptional qua-

ternions U, V used in control algorithms by orientation

of spacecraft are calculated on computer algorithms of

SIOS with are similar known algorithm for computing

the classical quaternions rotation Euler (Rodrigues–

Hamilton) parameters [1], [2], [7]–[9], [14]–[18]. This

calculation algorithms parameters quaternions U, V

easily obtained from the many known algorithms for

calculating parameters of Euler (Rodrigues–Hamilton)

by simply replacing the scalar parameter 0 on the

parameters u0 and v0, respectively.

Based quaternion U, V may also be prepared by

new biquaternions SINS algorithms [1].

The one-step algorithms of the third and fourth

orders of accuracy in the “scaled” [9, p. 78, 79] quater-

nion type 0,5U used in the “HARTRON” Corp.

(Kharkov, Ukraine), in the task of determining the ori-

entation of the spacecraft [13].

Of particular practical interest now becomes a

four-step algorithm of the fourth – sixth order accuracy

[1], [2], [9], [14], [15], [17], [18], it is possible recur-

rence computing quaternion U, V with a time step H =

4h (h – a constant and minimum possible sample rate in

the computer SINS of signals gyroscopes in time).

The article [7], [8] shows that the four-step al-

gorithms are more effective for use in SINS than the

one-step, two-step and three-step algorithms. These al-

gorithms are used intermediate orientation parameters

[9, p. 144] – the coordinates 4,N k (k = 1, 2, 3)

small vector 4N characterizing finite Euler rotation

of the object to a small angle for a time equal to step H.

The algorithms for computing these parameters may be

represented by a generalized four-step algorithm of the

form [9, p.172]

441112223211242112,NNqaQqaQqaQqQqaQqQq (6)

where 4 2 1 1 2Nq q q q q ,

2 1 1 2, , ,q q q q are column matrix (1 Ч 3), com-

posed of angular increments corresponding quasi-coor-

dinates q (gyro signal) generated in the on-board

computer SIOS or SINS on four successive “small”

steps h poll gyroscopes; 2 1 1 2, , ,Q Q QQ are the

corresponding skew-symmetric matrix.

The values of the constant coefficients va (v =

1 … 4) to (6), that determine the specific form of the

case considered algorithms fourth order of accuracy [9,

p. 173], are presented in Table 1 in the form of frac-

tions. Algorithms 1, 2, 3, 5 are given in [9, p. 169; 153;

173; 157], the algorithm 4 – article [14] (“smoothing”


algorithm of the fourth order obtained on the basis of

Chebyshev polynomials).

Algorithm 3 was first published in 1986 [7] and

was also considered in the paper [8] (1987). The mon-

ograph [9, p. 158] in the algorithm (3) under the number

(3.3.45) contains a typo (instead of the coefficient a4 =

32/45 printed a4 = 32/55).

Table 2 shows for comparison the values of con-

stant speed calculation drift of the algorithms (with

conical vibrations of SIOS gyroscopes block [14] with

conditions: nutation angle – 1 deg, the frequency of vi-

brations of tapered – 10 Hz, step with computing – 0.01

s) obtained in computer simulations by the method of

the parallel accounts [9, p. 218]. As can be seen from

Table 2, algorithm 3 is significantly superior in accu-

racy and other algorithms are substantially so-called

conical algorithm [15] (the actual sixth-order of accu-

racy). Further analysis showed the benefits of the algo-

rithm 3 and also in operation performance [8], [9].

Table 1.The constant coefficients of four-step algorithms

Factors Number of algorithm

1 2 3 4 5 6

а1 0 0 22/45 184/315 –74/45 534/945

а2 16/9 0 22/45 112/315 –9/2 486/945

а3 0 4/3 22/45 212/315 86/45 414/945

а4 0 0 32/45 52/105 0 696/945

Table 2. The constant velocity of the drift computing of four-step algorithms

Option Number of algorithm

1 2 3 4 5 6

The actual order of accu-

racy 4 4 6 6 6 6

The drift velocity, deg / h 2.5 1.4 3.9·10–4 9.6·10–2 1.1·10–2 2.2·10–5

The algorithm 3 (as the main part of the calcula-

tion algorithm parameters Rodrigues-Hamilton) has

been implemented [2, p. 316] in the laser system

“SINS-85” in serial production [16], [19], [20] since

2002 and is designed for use on aircraft

Il-96-300, Tu-204, Tu-334. Modification of “SINS-85”

(“SINS-77”, “SIMS-T”,

“SINS SP-1”, “SINS SP-2”) are used on the aircraft

An-70, Tu-95, Tu-160, Tu-214, Su-35, T-50, Yak-130

[21].

Of particular interest is the possibility of using

adaptive conical algorithms [18] for the calculation of

the parameters non-Hamiltonian quaternions of half-ro-

tation in SINS. There is the only one optimal among the

four-step algorithms the best in terms of accuracy and

operation performance adaptive algorithm conical (al-

gorithm 6 of the 6th order from Tables 1, 2). It is ob-

tained based on the algorithm (6) with coefficients in-

sist on a conical motion. This configuration by

choosing values of the coefficient b23 in the formulas

(3.3.107) of [9, p. 173]. This algorithm is performed

complete (ideal) compensation conical error due coef-

ficients k05, k14, k23 in square terms of the asymptotic

estimates (4.3.31) constant speed computing drift-order

terms O(h6) → 0 ( – nutation angle)

[9, p. 215]. The accuracy of the algorithm, as shown by

computer simulation exceeds the accuracy of the algo-

rithm 3 a decimal

(2,2·10-5 deg / h) under the conditions of calculation,

the relevant Table 2.

Optimum conical algorithm exceeds the accu-

racy even of the four-step algorithm American com-

pany Litton [15] providing for filtering signals of laser

gyroscopes [21], [22]. The computational complexity

of optimal algorithm equal to the computational com-

plexity of the algorithm 4 and the algorithm of the com-

pany Litton.

There is also the only one among the five-step

algorithms the optimal conical algorithm of 6th order

with the ideal correction of the conical error.

A method for constructing such an algorithm

and computer study of its accuracy and operation per-

formance based on asymptotic estimates of similar

cases four-step algorithm [9, p. 218, p. 249-255].

CONCLUSION

The possibility of using non-Hamiltonian qua-

ternions of half-rotation in strapdown inertial guidance

and control is shown. In contrast to the classical Ham-

iltonian normalized quaternions of rotations the consid-

ered non-Hamiltonian half-rotation quaternions can be

zero and their modules and norms depend on the corner

of the end Euler rotation.

The parameters of the non-Hamiltonian quater-

nions of half-rotation are appropriate to use in advanced

SIOS and SINS of aerospace aircrafts, along with the

classic parameters of Euler (Rodrigues–Hamilton), or

instead of them.

REFERENCES

1. V. N. Branets and I. P. Shmyglevskiy, Intro-

duction to the theory of strapdown inertial navigation

systems. Moscow: Nauka, 1992. 278 p.

2 M. V. Sinkov, J. E. Boyarinova and J. A. Ka-

linowski, The finite dimension hypercomplex number

systems. Fundamentals of the theory. Applications.

Kyiv: Institute for information recording NAS of

Ukraine. 2010. 389 p.

3. V. F. Zhuravlev, Foundations of theoretical

mechanics. Moscow: Phismathlit, 2008. 304 p.


4. S. N. Kirpichnikov and V. S. Novoselov,

Mathematical aspects of the kinematics of a rigid body.

Leningrad: Publishing House of Leningrad University,

1986. 250 p.

5. A. P. Panov, V. V. Tsysarzh and V.

V. Aksenov, “On the new quaternion methods for solv-

ing problems of orientation, navigation and control for

the strapdown inertial systems”. VII St. Petersburg In-

ternational Conference on Integrated Navigation Sys-

tems. Proc. rep. St. Petersburg. 2000, May 29-31, pp.

115–117.

6. A. P. Panov, “On the application of unnormal-

ized quaternion rotations of five-dimensional vectors and

their algebra in the inertial orientation”. VIII Interna-

tional scientific-technical Conference “Girotehnologii,

navigation and traffic control”, Kyiv, “KPI”, 21-22

April 2011. Collection of papers. Part I, pp. 131–137.

URL: http://pskla.kpi.ua/index.php/materiali-konfer-

entsij.

7. A. P. Panov, “Methods of sixth-order accu-

racy for calculations of the orientation vector coordi-

nates by the quasicoordinates”. Cybernetics and Com-

puter Science, ALLERTON PRESS, New York, 1986.

vol. 69, pp. 47–52.

8. A. P. Panov, “Optimization algorithms of

highly accurate calculations of quaternions in the case

of the precession of a rigid body”. Cybernetics and

Computer Science, ALLERTON PRESS, New York,

1987. vol. 73, pp. 3–9.

9. A. P. Panov, Mathematical foundations of the

theory of inertial orientation. Kyiv, Naukova dumka,

1995. 279 p.

10. A. P. Panov, “On new unnormalized quater-

nions of solid body rotation”. Problems of Analytical

Mechanics and its Applications. Proceedings of the In-

stitute of Mathematics of the National Academy of Sci-

ences of Ukraine. Vol. 26, 1999, pp. 300–329.

11. A. G. Kurosh, Lectures on General Algebra.

Moscow. Phismathlit, 1973. 399 p.

12. I. L. Kantor and A. S. Solodovnikov, Hyper-

complex numbers. Moscow: Nauka, 1973. 143 p.

13. V. A. Demenkov, Y. A. Kuznetsov and A.

P. Panov, “Using reference models of rotation for esti-

mation of оrientation algorithms in unnormalized qua-

ternions of strapdown navigation systems”. 17th Inter-

national Conference on Automatic Control

“Automatics–2010”. Collection of papers. vol. 2.

Kharkiv, National University of Radio Electronics,

2010, pp. 45–47.

14. V. Z. Gusinsky, V. M. Lesyuchevsky, Y. A.

Litmanovich, Musoff Howard and Schmidt T. George.

“A New Procedure for Optimized Strapdown Attitude

Algorithms”. Journal of Guidance, Control and Dy-

namics. 1997. vol. 20. no. 4, pp. 673–680.

15. J. Mark and D. Tazartes. “Tapered algo-

rithms that take into account non-ideality of the fre-

quency response of the output signals of gyroscopes”.

Gyroscopy and navigation. 2000. no. 1 (28), pp. 65–77.

16. S. E. Perelyaev, G. I. Chesnokov and A. V.

Chernodarov, “Experience in development and design

problems of autonomous precision SINS aerospace”.

IV International scientific-technical Conference

“Girotehnologii, navigation, traffic management and

the construction of aerospace engineering”. Kyiv:

“KPI”, 26-27 April 2007. Collection of reports, pp. 29–

37.

17. Y. A. Litmanovich and J. Mark, “Progress in

the development of algorithms for SINS in the West

and the East with the materials of the St. Petersburg

conference: review of a decade”. X St. Petersburg In-

ternational Conference on Integrated Navigation Sys-

tems. Proc. rep. St. Petersburg. 2003, May 26-28, pp.

250–260.

18. A. P. Panov, “Adaptive algorithms for cal-

culations precession quaternion rotation of a rigid

body”. Cybernetics and Computer Science,

ALLERTON PRESS, New York, 1988. vol. 77, pp. 47–

52.

19. S. P. Kryukov, G. I. Chesnokov and

V.A. Troitskiy, “Experience in the development and

certification of strapdown inertial navigation system for

civil aviation (SINS-85) and creation on its basis of

modifications to control the movement of sea, land and

aerospace objects and tasks of geodesy and gravime-

try”. IX St. Petersburg International Conference on In-

tegrated Navigation Systems. Proc. rep. St. Petersburg.

2002, May 27-29, pp. 190–197.

20. G. I. Chesnokov and A. M. Golubev,

“Strapdown inertial navigation systems for modern avi-

ation”. X St. Petersburg International Conference on

Integrated Navigation Systems. Proc. rep. St. Peters-

burg. 2003, May 26-28, 192 p.

21. A. G. Kuznetsov, B. I. Portnov and E. A. Iz-

mailov, “Development and testing of two classes of air-

craft strapdown inertial navigation systems on the laser

gyro”. Gyroscopy and navigation. 2014. no. 2 (85), pp.

3–12.

22. URL: http://www.usd.es.nortropgrum-

man/com

http://pskla.kpi.ua/index.php/materiali-konferentsij#_blank

http://pskla.kpi.ua/index.php/materiali-konferentsij#_blank


POWER.

Rudnev B.I., D.Sc.,

Professor,

Povalikhina O.V.,

Associate professor

Far Eastern State Technical Fisheries University

Vladivostok, Russia

BASES OF MATHEMATIC MODEL OF LOCAL RADIANT HEAT TRANSFER

IN MARINE DIESEL ENGINE COMBUSTION CHAMBER

Abstract

The aim of the current paper is the creation of mathematic model of process local radiant heat transfer in

marine diesel engine combustion chamber. Zonal method of radiant heat transfer calculation well known in ther-

mal physics has been used as the basis of mathematic model. Calculations done by means of the suggested math-

ematic model gave the data of the local resulting radiant heat fluxes for the 6ChN 24/36 marine diesel. Their

comparison with the known experimental data confirmed the adequacy of the calculated mathematic model. The

discrepancy between the calculated and experimental data equals to 10 – 18 per cent.

Key words: mathematic model, zonal method, marine diesel engine, combustion chamber, integral equa-

tions, radiant heat transfer, radiant heat fluxes.

Руднев Борис Иванович

Доктор техн. наук, профессор, Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный

университет, г. Владивосток, Россия

Повалихина Ольга Владимировна

Доцент, Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет, г. Влади-

восток, Россия,

ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЛОКАЛЬНОГО РАДИАЦИОННОГО

ТЕПЛООБМЕНА В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ

АННОТАЦИЯ

Целью работы является создание математической модели процесса локального радиационного

теплообмена в камере сгорания судового дизеля. В основу математической модели положен зональный

метод расчета радиационного теплообмена, хорошо развитый в теплофизике, представлены основные

системы интегральных уравнений и их аппроксимации с учетом условий в камере сгорания дизеля. Выпол-

ненные с использованием предложенной математической модели расчеты позволили получить значения

локальных результирующих потоков излучения для судового дизеля типа 6ЧН 24/36. Их сопоставление с

известными экспериментальными данными подтвердило адекватность разработанной математической

модели, расхождения расчетных и опытных данных составило 10 – 18%.

Ключевые слова: математическая модель, зональная метод, судовой дизельный двигатель, камера

сгорания, интегральные уравнения, радиационный теплообмен, радиационный тепловой поток.

Процесс локального радиационного тепло-

обмена в цилиндре судового дизеля с открытой ка-

мерой сгорания (КС) на установившемся режиме

работы рассматривается нами на адекватной физи-

ческой модели, представленной на рисунке. Она

представляет из себя замкнутую осесимметричную

цилиндрическую излучающую систему.

Первая особенность этой системы в том, что

она состоит из трех граничных (поверхностных)

зон: F1 – крышка цилиндра, F2 – боковая поверх-

ность втулки цилиндра, F3 – днище поршня и объ-

емной зоны V.

Вторая особенность излучающей системы

заключается в нестационарном положении зоны F3

вдоль координаты Z. Это обуславливает нестацио-

нарность всех угловых коэффициентов излучения,

характеризующих взаимодействие потоков излуче-

ния в КС и значительно усложняет решение задачи.

Вместе с тем необходимо отметить, что поскольку

время распространения электромагнитной волны

излучения при ее скорости, равной 3·108м/с,

намного меньше времени перемещения зоны F3,

обусловленной скоростью движения поршня, то

условия квазистационарности 𝑡пр ≫ 𝑡𝑟 (𝑡пр −харак-

терное время рабочего процесса, 𝑡𝑟 – время распро-

странения электромагнитной волны излучения) га-

рантированно выполняется. Последнее позволяет

решать задачу локального радиационного теплооб-


мена в КС судового дизеля применительно к непре-

рывно-дискретному случаю как квазистационар-

ную для фиксированного момента времени.

Рисунок 1. Зональная модель излучающей системы в цилиндре судового дизеля с открытой камерой сго-

рания

При этом предлагается, что все оптические и

энергетические характеристики излучающей си-

стемы в течение времени ∆t неизменны и изменя-

ются скачком при переходе к следующему интер-

валу времени. Объемная зона V представляет собой

сферу переменного по углу поворота коленчатого

вала радиуса RV. Вначале процесса сгорания радиус

сферы (объемной зоны V) составляет примерно 0,25

радиуса цилиндра R', к концу процесса сгорания

выполняется условие RV = R'.

Ю.А. Суриновым [1] показано, что в зависи-

мости от способа задания граничных условий воз-

можны восемь постановок задачи локального ради-

ационного теплообмена, обладающих

единственностью решения. В нашем случае рас-

сматривается модифицированная фундаментальная

постановка задачи. Как известно [2, 3], при фунда-

ментальной постановке задаются оптические и

энергетические характеристики всех зон, то тесть

их степени черноты и температуры. Модификация

фундаментальной постановки задачи состоит в том,

что эффективные (или по классификации работы

[3] исходящие) потоки излучения от поверхност-

ных зон F1, F2 и F3 не учитываются. Авторами

настоящей статьи рассматривается процесс локаль-

ного радиационного теплообмена между объемной

зоной V и соответствующими поверхностными зо-

нами F1, F2 и F3. При такой постановке задачи отпа-

дает необходимость в ряде допущений, принятых в

работе [4], а современные экспериментальные дан-

ные [5 – 8] и расчетные методы [9 – 13] позволяют

задавать локальные значения оптических и энерге-

тических характеристик объемной зоны V. В част-

ности, характеристики объемной зоны V, степень

черноты ε(t) и температуры пламени Т(t) рассчиты-

ваются и определяются по приведенным в [14 – 19]

методикам и экспериментальным данным.

Схема задания краевых условий для модифи-

цированной фундаментальной постановки задачи о

локальном радиационном теплообмене в КС судо-

вого дизеля имеет следующий вид

Граничные условия Начальные условия

Геометрические характеристики системы

R1=R2= R'= const;

hmin = h0; hmax = h0+h;

или hmax= h0+S

tн = t0;

hн = h0;

R1,0=R1= R ; R3,0=R3= R ;

Оптические характеристики системы

𝜀𝑉 = 𝑓(𝑟𝑖 , 𝑡)

i=1, 2, 3, …, m ю𝜀𝑉,0 = 𝜀𝑉

′ (𝑡0)

Энергетические характеристики системы

и𝑇𝑉 = 𝑓(𝑟𝑖 , 𝑡); i=1, 2, 3, …, m

т𝑇𝑉,0 = 𝑇𝑉′(𝑟𝑖 , 𝑡0)

Временной интервал изменения граничных

условий принят в соответствии с рекомендациями

[4] и рассматривается от начала видимого сгорания

до начала открытия выпускных органов.

В основу предлагаемой авторами доклада

математической модели (ММ) для расчета локаль-

ных радиационных тепловых потоков в камере сго-

рания (КС) судового дизеля положен итерационно-

зональный метод исследования и расчета теплооб-

мена излучением, предложенный Ю.А. Суриновым

[1]. При этом реальная излучающая система для

условий КС судового дизеля представляется как со-

стоящая из четырех зон: трех поверхностных – по-

верхность крышки цилиндра F1, втулки цилиндра

F2 и поршня F3, а также одной объемной зоны V,

заполненной рабочим телом (сажегазовой средой).


Проведенный анализ взаимодействия основных по-

токов излучения в такой системе позволил устано-

вить, что результирующий поток излучения для

конкретной точки поверхности КС формируется

при взаимодействии двух потоков: собственного

потока излучения объемной зоны EсобV(Mi) и соб-

ственных потоков излучения поверхностей, образу-

ющих граничную поверхность EсобF(Mi). При этом

собственные потоки излучения граничной поверх-

ности и объемной зоны однозначно определяются

по зависимостям

Есоб𝐹 = 𝜎0𝜀𝐹𝑇𝐹4, 𝐸соб𝑉 = 𝜎0𝜀𝑉𝑇𝑉

4. (1)

В результате сложного взаимодействия рас-

смотренных выше потоков излучения между объ-

емной зоной и соответствующими точками гранич-

ной поверхности в замкнутой системе

формируются результирующие потоки, определяю-

щие радиационную тепловую нагрузку деталей КС.

Этот процесс взаимодействия основных потоков

излучения описывается системой неоднородных

интегральных уравнений излучения (уравнения

Фредгольма второго рода). Следуя [4] приведем

указанную систему уравнений для условий в точке

Мk граничной поверхности

𝐸пад(𝑀𝑘) = ∑∫𝐸эф(𝑀𝑖) ∙ 𝐿(𝑀𝑖 , 𝑀𝑘)𝑑𝑉 +

.

𝑉

𝑚

𝑖=1

+∑∫𝐸эф(𝑀𝑗) ∙ 𝐾(𝑀𝑗 , 𝑀𝑘)𝑑𝐹,

.

𝑉

𝑛

𝑗=1

𝐸эф(𝑀𝑘) = 𝐸соб(𝑀𝑘) + 𝑅𝑘 [∑∫𝐸эф(𝑀𝑗) ∙ 𝐾(𝑀𝑗, 𝑀𝑘)𝑑𝐹 +

.

𝑉

𝑛

𝑗=1

+∑∫𝐸эф(𝑀𝑖) ∙ 𝐿(𝑀𝑗 , 𝑀𝑘)𝑑𝑉

.

𝑉

𝑚

𝑗=1

] ,

𝐸рез(𝑀𝑘) = 𝜀𝑘 [∑∫𝐸эф(𝑀𝑗 , 𝑀𝑘) ∙ 𝐾(𝑀𝑗, 𝑀𝑘)

.

𝐹

𝑛

𝑗=1

𝑑𝐹 +

+∑∫𝐸эф(𝑀𝑖) ∙ 𝐿(𝑀𝑗, 𝑀𝑘)𝑑𝑉

.

𝑉

𝑚

𝑗=1

] − 𝐸соб(𝑀𝑘),

}

(2)

где Rk, εk – коэффициенты отражения и по-

глощения (степени черноты) поверхности F в точке

Мk; Mj – произвольная точка поверхности F, лежа-

щая вне окрестности точки Мk; Mi – произвольная

точка объема V.

Интегральные операторы K(Mj, Mk) и L(Mi,

Mk) называются ядрами уравнения, являются гео-

метрическими функциями точек объема и поверх-

ности и характеризуют систему как единый оптико-

геометрический объект.

Ю.А. Суриновым [1] показано, что итераци-

онно-зональный метод обобщает все основные по-

становки задач о радиационном теплообмене, име-

ющих единственное решение и различающихся

способом задания граничных условий и характери-

стик поля излучения. Математическую основу

этого метода составляет конечная система линей-

ных алгебраических уравнений, аппроксимирую-

щих соответствующую систему интегральных

уравнений (2). Указанная система алгебраических

уравнений запишется следующим образом:

𝐸пад(𝑀𝑘) =∑𝐸соб(𝑀𝑗)Ф(𝑀𝑗 , 𝐹𝑘) +∑𝐸соб(𝑀𝑉)Ф(𝑀𝑉 , 𝐹𝑘),

𝑚

𝑉=1

𝑛

𝑗=1

𝐸эф(𝑀𝑘) = ∑𝐸соб(𝑀𝑘)Ф(𝑀𝑘 , 𝐹𝑗)

𝑚

𝑗=1

+ (1 − 𝜀𝑘)∑𝐸соб(𝑀𝑗)Ф(𝑀𝑗 , 𝐹𝑘) +

𝑚

𝑉=1

+(1 − 𝜀𝑘)∑𝐸соб(𝑀𝑉)Ф(𝑀𝑉 , 𝐹𝑘),

𝑚

𝑉=1

𝐸рез(𝑀𝑘) = 𝜀𝑘 [∑𝐸соб(𝑀𝑗)

𝑛

𝑗=1

Ф(𝑀𝑗 , 𝐹𝑗) +∑𝐸соб(𝑀𝑉 , 𝐹𝑘) −

𝑚

𝑉=1

−∑𝐸соб(𝑀𝑘)Ф(𝑀𝑘 , 𝐹𝑗)

𝑛

𝑗=1

]

}

(3)

Проинтегрировав функции K и L, входящие

в систему уравнений (2), по всей граничной поверх-

ности, получим следующие уравнения связи гео-

метрических и разрешающих локальных угловых

коэффициентов излучения [4]:


Ф(𝑀𝑗 , 𝑀𝑘) = ∫𝐾(𝑀𝑗 , 𝑀𝑘)𝑑𝐹 = 𝑒𝑥𝑝(−𝜏)𝜑(𝑀𝑗, 𝑀𝑘).

.

𝐹

(4)

Ф(𝑀𝑖 , 𝑀𝑘) = ∫𝐿(𝑀𝑗, 𝑀𝑘)𝑑𝐹 = 𝑒𝑥𝑝(−𝜏)𝜑(𝑀𝑗, 𝑀𝑘).

.

𝐹

(5)

где 𝜏 = 𝑘𝐿 – число Бугера.

Уравнения (3) получены в предположении,

что излучающая система состоит из n граничных и

m объемных зон. Их решение позволяет определить

мгновенное локальное распределение по элементам

граничной поверхности всех видов потоков излуче-

ния. Известно также, что в КС дизелей температура

объемного излучения TV намного превышает темпе-

ратуры поверхностей крышки цилиндра, поршня и

втулки. Вследствие этого собственный поток излу-

чения объемной зоны также значительно больше

собственного потока излучения соответствующих

поверхностей.

Расчеты показывают, что при температурах

крышки цилиндра и поршня в пределах 550 – 620К,

втулки цилиндра 430 – 450К EсобV(Mi) на два по-

рядка больше EсобF(Mn). Поэтому можно считать,

что роль эффективных потоков излучения поверх-

ностей, образующих КС, в формировании резуль-

тирующих потоков незначительна и укладывается в

пределах 10 – 15%, т.е. сопоставима с погрешно-

стью экспериментального определения темпера-

туры объемного излучателя (пламени) и концентра-

ции частиц сажи в цилиндре дизеля. Тогда для

точки Мk граничной поверхности F можно прибли-

женно считать 𝐸эф𝐹1(𝑀1) = 𝐸эф𝐹2(𝑀2) =

𝐸эф𝐹3(𝑀3) ≈ 0. Учитывая приведенные выше поло-

жения в рамках предлагаемой ММ в КС судового

дизеля рассматривается взаимодействие только

собственного потока излучения объемных зон Vi и

соответствующих граничных (поверхностных) зон

F1, F2 и F3. Основные положения предлагаемой ММ

сводятся к следующему. Процесс теплообмена из-

лучением в цилиндре судового дизеля с неразде-

ленной КС на установившемся режиме работы рас-

сматривается нами на адекватной физической

модели, весьма подробно представленной в [18].

Проведенная модификация фундаментальной по-

становки задачи радиационного теплообмена в ча-

сти учета эффективного излучения позволило пред-

ложить для расчета падающих на поверхности

крышки цилиндра, втулки и поршня потоков излу-

чения систему уравнений вида:

𝐸пад(𝑀1) = 𝐸соб(𝑀𝑉1)𝜓(𝑀𝑉1 , 𝐹1) + 𝐸соб(𝑀𝑉2)𝜓(𝑀𝑉2 , 𝐹1) +

+𝐸соб(𝑀𝑉3)𝜓(𝑀𝑉3 , 𝐹1);


+𝐸соб(𝑀𝑉3)𝜓(𝑀𝑉3 , 𝐹2);


+𝐸соб(𝑀𝑉3)𝜓(𝑀𝑉3 , 𝐹3). }

(6)

Обобщенные угловые коэффициенты излу-

чения 𝜓(𝑀𝑉𝑖, 𝐹𝑖) от локальных объемных зон в си-

стеме уравнений (6) представлены в ММ как произ-

ведение угловых (геометрических) коэффициентов

и параметра Бугера, учитывающего поглощение из-

лучения в объеме КС:

𝜓(𝑀𝑉𝑀𝑉𝑀𝑉𝑀𝑉 , 𝐹𝑘) = 𝜑(𝑀𝑉 , 𝐹𝑘)𝑒𝑥𝑝(−𝑘𝐿), (7) где 𝜑(𝑀𝑉 , 𝐹𝑘) – угловой (геометрический)

коэффициент излучения; k – коэффициент ослабле-

ния; L – эффективная длина пути луча.

В итоге с учетом принятого в ММ допуще-

ния результирующие потоки излучения для поверх-

ностей крышки цилиндра, втулки и поршня могут

быть определены следующим образом:

𝐸рез(𝑀1) ≈ 𝐸пад(𝑀1); 𝐸рез(𝑀2) ≈

𝐸пад(𝑀2); 𝐸рез(𝑀3) ≈ 𝐸пад(𝑀3) (8)

Система уравнений(6)с соответствующими

краевыми условиями решалась на ЭВМ по специ-

альной программе в квазистационарном представ-

лении. Полученные средние за рабочий цикл значе-

ния радиационных тепловых потоков для дизеля

6ЧН 24/36 лежат в пределах 40–90кВт/м2, что с точ-

ностью 10–18% совпадает с известными экспери-

ментальными данными [14, 15, 19] и подтверждает

адекватность предложенной ММ. Ее использование

позволяет еще на стадии проектирования и доводки

прогнозировать теплонапряженное состояние дета-

лей, образующих КС, и решать ряд вопросов, свя-

занных с повышением эксплуатационной надежно-

сти современных судовых дизелей.


[1] Суринов, Ю.А. Об итерационно-зональ-

ном методе исследования и расчета лучистого теп-

лообмена в поглощающей и рассеивающей среде /

Ю.А. Суринов // Известия СО АН СССР. 1978. –

Вып.2. №8. – С. 106 – 125.

[2] Зигель, Р. Теплообмен излучением / Р.

Зигель, Дж. Хауэлл. – М.: Мир, 1975. – 934 с.

[3] Блох, А.Г. Теплообмен излучением.

Справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, Л.Н. Рыж-

ков. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 432 с.

[4] Петриченко, Р.М. Элементы автоматизи-

рованного проектирования ДВС: Алгоритмы при-

кладных программ / Р. М. Петриченко, С.А. Бату-

рин, Ю.Н. Исаков и др. – Л.: Машиностроение,

1990. – 328 с.

[5] Гладышев, А.В. Экспериментальное ис-

следование температурно-концентрационных по-

лей в цилиндре дизеля / А.В. Гладышев, В.А. Ваг-

нер, Д.Д. Матиевский // Двигателестроение. – 1990.

№7. – С. 3 – 6.


[6] Kamimoto, T. Particulate formation struc-

ture in diesel engine / T. Kamimoto, M.Yagita // SAE

Preprints. – 1989. – No. 890436. – 9 p.

[7] Oguri, T. Radiant heat transfer in diesel en-

gines / T. Oguri, S. Inaba // SAE Preprints. – 1972. –

No. 720023. – 19 p.

[8] Kostin. A.K. Radiative heat transfer in a die-

sel cylinder an experiment and method of calculation /

A.K. Kostin, B.I. Rudnev // Proceedings 19th Interna-

tional Symposium “Heat and mass transfer in gasoline

and diesel engines”. – Dubrovnik, Yugoslavia. – 1987.

– P. 439 – 448.

[9] Кавтарадзе, Р.З. Локальный теплообмен в

поршневых двигателях. / Р.З. Кавтарадзе – М.: Изд-

во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 472 с.

[10] FIRE. Users Manual Version 8.5. AVL

LIST GmbH Graz, Austria, 2007. (Лицензионное со-

глашение DKNR: BMSTU 101107 между МГТУ им.

Н.Э. Баумана и APS Consulting).

[11] Bozza, F. Numerical simulation of incylin-

der processes and duct flow in a light duty diesel engine

/ F. Bozza, M.C. Cameretti, R. Tuccillo // Fourth Inter-

national symposium on small diesel engine. – Journal

of Polish CIMAC. – Warsaw, Poland. – 1996. – Vol. 2.

– No. 1. – P. 51 – 56.

[12] Rudnev, B.I. A simple model of convective

heat transfer in the combustion chamber of diesel en-

gine / B.I. Rudnev, V.M. Bespalov, Yu.G. Izrailsky et

al // Fourth International Symposium on small diesel

engine. – Journal of Polish CIMAC. – Warsaw, Poland.

– 1996. – Vol. 2. – No. 1. – P. 177 – 182.

[13] Руднев, Б.И. Оптические параметры ча-

стиц сажи и энергетические характеристики радиа-

ционного теплообмена в камере сгорания дизель-

ного двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина //

Тепловые процессы в технике. – 2013. – Т.5, №10. –

С. 476 – 480.

[14] Руднев, Б.И. Процессы локального теп-

лообмена в камере сгорания дизелей / Б.И. Руднев.

– Владивосток: Дальнаука, 2000. – 221 с.

[15] Руднев, Б.И. Процессы теплообмена в

камере сгорания дизельных двигателей. Экспери-

мент и математическое моделирование / Б.И. Руд-

нев, О.В. Повалихина. – Saarbrucken, Germany: LAP

LAMBERT Academic Publishing, 2013. – 112 c.

[16] Руднев, Б.И. Расчетные значения оп-

тико-геометрических характеристик радиацион-

ного теплообмена в камере сгорания дизельного

двигателя / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Науч-

ные проблемы транспорта Сибири и дальнего Во-

стока. 2014. – № 1- 2. – С. 199 – 202.

[17] Руднев, Б.И Анализ взаимодействия ра-

диационных тепловых потоков в камере сгорания

дизеля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Materials

of the X International scientific and practical confer-

ence “Modern European science -2014”. Vol. 17. Tech-

nical sciences. – Sheffield. – Science and Education

LTD. – 2014. – P. 65 – 72.

[19] Руднев, Б.И. Особенности расчета оп-

тико-геометрических характеристик теплообмена

излучением в камере сгорания дизельного двига-

теля / Б.И. Руднев, О.В. Повалихина // Тепловые

процессы в технике. 2015. Т.7 №2. – С. 87 – 91.

[19] Flynn, P. An experimental determination of

the instantaneous potential radiant heat transfer within

an operating Diesel engine / P. Flynn , M. Mizusawa,

O.A. Uyehara et al // SAE Preprints. 1972. No. 720022.

– 32 p.


Smirnova Ludmila

Chair of technical sciences

Samara State Technically University.

Samara

MATHEMATICAL MODEL OF HEAT EXCHANGE IN EXTERNAL GAS

FURNACES

Annotation with the solution of the problems of heating massive bodies in the gas-fired furnaces crucial

point is external heat exchange. The obtained expressions make it possible to determine heat fluxes , going to the

warming-up layings, heating metal with known temperatures of gas , of laying and metal and assigned optical and

geometric system characteristic. The use of the method proposed allows according to known temperatures of lay-

ing, gas, and metal of the previous interval to determine heat flux for the laying on the subsequent time interval,

etc in each section before obtaining of the dependence of heat flux for entire process of the heating.

The keywords: laying, furnace, heat flux, the boundary conditions of Stephan Boltzmann, the temperature

head.

Смирнова Людмила Николаевна

Канд.техн.наук, доцент

Самарский государственный технически университет.

Самара

MАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА В ГАЗОВЫХ

ПЕЧАХ

Аннотация

При решении задач нагрева массивных тел в газовых печах важным моментом является внешний

теплообмен. Полученные выражения позволяют определить тепловые потоки , идущие на разогрев

кладки, нагрев металла при известных температурах газа , кладки и металла и заданных оптико-геомет-

рических характеристиках системы. Использование предложенного метода позволяет по известным

температурам кладки, газа, и металла предыдущего интервала определить тепловой поток на кладку на

последующем временном интервале и т.д. на каждом участке до получения зависимости теплового по-

тока для всего процесса нагрева

Ключевые слова: кладка, печь, тепловой поток, граничные условия Стефана- Больцмана, темпера-

турный напор.

При исследовании динамики объекта управ-

ления целесообразно рассматривать модель « рас-

ход топлива- температура нагрева изделия».

Роль процессов внешнего теплообмена экви-

валентна наличию некоторого динамического

звена, входным параметром для которого является

расход топлива, а выходным- тепловой поток на ме-

талл. В то же время, тепловой поток на металл

можно считать входным воздействием звена внут-

реннего теплообмена, выходным параметром кото-

рого является температурное поле нагреваемого из-

делия.

В общем случае тепловая схема , интерпре-

тирующая основное свойство объекта по каналу «

расход топлива- температурное поле изделия» мо-

жет быть представлена в виде последовательно со-

единенных динамических звеньев внешнего и внут-

реннего теплообмена при наличии нелинейной

обратной связи по температуре поверхности нагре-

ваемого тела.

Такая интерпретация позволяет при решении

трехмерных задач теплопроводности трансформи-

ровать граничные условия Стефана-Больцмана в

граничные условия второго рода с переменным теп-

ловым потоком. Задача внутреннего теплообмена

становится линейной. А все нелинейности отно-

сятся в звено внешнего теплообмена.

В результате анализа эффективных и резуль-

тирующих излучений теплообменивающихся по-

верхностей в системе «топливо-металл» был введен

промежуточный объект – кладка и получены зави-

симости тепловых потоков для поверхности ме-

талла q m и кладки kq от температур( усреднен-

ные эффективные абсолютные температуры): газа

Т g , кладки Т k и металла Т m .

kq = 01 (Т

4

g -Т4

k )- 02 (Т

4

k -Т4

m ) , (1)

q m = 0 3 (Т4

g -Т4

m )- 04 (Т

4

k -Т4

m ) , (2)

где


1 =

E

mggk 111 3)

2 = E

gmk 1 (4)

3 = E

kgmg 111 (5)

4 = E

gmk 1 (6)

E=1-(1- g )(1- k )[ (1- g )(1- k )+1- ] (7)

=

k

m

F

F, ε g , ε

k, ε m - приведенные степени

черноты соответственно газа, кладки и металла,

0 -видимый коэффициент излучения абсолютно

черного тела,

1- степень развития кладки, F m , F

k -поверхности нагрева соответственно метала и

кладки.

Выражения (1),(2) позволяют определить

тепловые потоки , идущие на разогрев кладки,

нагрев металла при известных температурах газа Т

g , кладки Т k и металла Т m и заданных оптико-гео-

метрических характеристиках системы.

Выражение (2), является неявной функ-

цией времени через температуры Т g , Т k и Т m и

может рассматриваться как реакция выходной ве-

личины звена внешнего теплообмена на любое воз-

действие на входе, при заданных конкретных усло-

виях, и следовательно полностью характеризует

динамические свойства. Наличие функциональных

зависимостей температур газа Т g =f1

( ), кладки Т

k =f 2 ( ) и металла Т m =f 3 ( ) в явном виде резко

усложняет последующий анализ и расчеты. По-

этому предложен численный метод определения

динамических характеристик объекта с учетом ука-

занных зависимостей от времени. В качестве тем-

пературы поверхности металла Т m при расчете

внешнего теплообмена принимается средне инте-

гральная температура по всей поверхности, участ-

вующей в процессе внешнего теплообмена. Зависи-

мость температуры кладки Т k =f2

( ) можно полу-

чить совместным решением уравнения

теплопроводности для кладки и выражением (1),

определяющим граничные условия для кладки. Обе

зависимости температур определяются в едином

вычислительном процессе

Анализ различных существующих методов

при определении газа в металлургических печах[

1,2,3,7] показал. Что в рассматриваемом случае

наиболее целесообразной оказывается одноразмер-

ная схема без учета осевых лучистых пото-

ков[1,3].Если принять эффект передачи тепла для

каждого вертикального сечения зоны теплообмена

пропорционально разности четвертых степеней

температур излучателя и металла в данном сечении

при дополнительных допущениях. То указанная

схема. Несмотря на значительные упрощения дей-

ствительных явлений в печи , хорошо отражает ос-

новные закономерности процесса и дает закончен-

ное представление о явлениях внешнего

теплообмена.[4,5]

Решение дифференциального уравнения

внешнего теплообмена для данной схемы позво-

ляет получить зависимость безразмерной величины

среднего температурного напора [θ4

sr ] в долях от

максимального температурного напора [Т4

] max

как функцию уходящих газов Т u при постоянной

температуре лучеиспускающей поверхности Т p

.[1,7]

[θ4

sr ] = max

4

4

T

T=

4

3

1

1

p

up (8)


где θ p =Tt

Tp- относительная температура

лучевоспринимающей поверхности, u =

t

u

T

T- отно-

сительная температура уходящих газов, Т t -темпе-

ратура газов при входе в рабочую камеру ( теорети-

ческая температура сгорания топлива),

=4

1ln

pu

pu

+

2

1arctg

p

u

(9)

=4

1ln

p

p

1

1+

2

1arctg

p

1 (10)

Температура газов , обеспечивающая температурный напор (8) определяется соотношением (1,5)

T4

g -T4

p = [θ4

sr ] (1-4

p )T4

t (11)

Суммарное количество тепла Q

и полученное с учетом выражений

q k = ,k

k

F

Q q m =

m

m

T

Q, (12)

записывается в виде:

Q

= o (1 + 3 ) F k (T

4

g -

31

4

31

4

mk TT) (13)

Исходя из (13) , можно представить действи-

тельный процесс теплообмена в печи с двумя луче-

воспринимающими поверхностями как процесс

нагрева излучением единственной условной по-

верхностью с условной температурой Т us по фор-

муле :

Т us =

31

4

31

4

mk TT, (14)

что позволяет определить температуру газа

через условные температуры, для этого в ( 11 )

нужно вместо Т p и p подставить Т us и Т g =f1

(

), причем Т p и Т us необходимо брать для одного и

того же времени:

T4

g =T4

us + [θ4

sr ] (1-4

us ) T4

t (15)

Средний относительный напор определяется

для известного расхода газа D по уравнению тепло-

вого баланса печи[5] :

D = ( Qp

n -V g CT u )- 0 (1 + 3 )F k [θ

4

sr ] (1-4

us ) T4

t (16)

где V g -объем продуктов горения на еди-

ницу сгоревшего топлива, -коэффициент тепло-

выделения в камере с учетом потерь на единицу

сгоревшего топлива, Qp

n -низшая теплотворная

способность топлива, С-теплотворность продуктов

горения, T u температура уходящих газов в градусах

Цельсия.

Температурная зависимость Т g =f1

( ) мо-

жет быть найдена по us и [θ4

] sr , определяемым

при решении уравнений ( 8 ) и ( 16 ) , где us =f4

(τ)

является функцией температуры кладки Т k =f2

( )

и металла Т m =f 3 ( )

Разогрев клади определяется падающим на

нее потоком тепла (1).Температурная зависимость

кладки Т k =f2

( ) получена в результате решения

одномерного уравнения теплопроводности для

кладки с граничными условиями Стефана –Больц-

мана (2) при переменных во времени температурах

газа Т g ( ) и металла Т m ( ). Однако зависимость

переменных во времени не позволяет получить точ-

ное аналитическое выражение. Все известные ме-

тоды дают только приближенное аналитическое


выражение для больших значений критерия Фурье

.

Пренебрегая достаточно малыми потерями

кладки в окружающую среду с ее внешней поверх-

ности по сравнению с тепловым потоком , идущим

на разогрев кладки, и учитывая, что прим малых

значениях критерия Фурье все процессы, связанные

с разогревом , будут затрагивать тонкий по глубине

слой на ее поверхности [5,6 ] , задача нагрева

кладки формулируется в виде одномерного уравне-

ния теплопроводности для полуограниченного тела

с граничными условиями второго рода (2):

),(xTk =a k

2

2 ,

x

xTk

, (17)

τ>0, 0< x< .

k x

xTk

,0x =q k ( ) (18)

x

Tk

,=0 (19)

T k (x,0)=T o (20)

где a k -коэффициент температуропроводно-

сти кладки, k - коэффициент теплопроводности

для внутренней поверхности кладки, q k (τ) опреде-

ляется выражением (1).

Температурная зависимость кладки Т k =f

2( ) при переменном тепловом потоке на нее по-

лучена с использованием интеграла Дюамеля:

Т k (x,τ)-T 0 =

0

),0( tTk q k (t)dt (21)

где Т k (0,τ-t)- реакция системы на единич-

ный тепловой поток q k =1 является решением си-

стемы (17)-(20) при постоянном тепловом потоке q

k =const .

Т k (x,τ)-T 0 =

k

kq

2 ka ierfc

ka

x

2 (22)

Для поверхности кладки (х=0) при единичном тепловом потоке, получим:

Т k (0,τ)-T 0 =

k

2 ka ierfc 0 (23)

или T k (0, )= T 0 +b k , (24)

где b k =

k

2 ka ierfc 0= 1,1284

k

ka

2 (25)

Подставляя (24) в (21), получаем температуру кладки для произвольной зависимости теплового

потока:

Т k (x,τ)-T 0 =

0

2)(

1

tbkq k (t)dt (26)

Выражение (26) позволяет получить прибли-

женное решение температуры кладки путем ап-

проксимации подинтегральной функции q k (t) ку-

сочно- постоянной функцией с малыми

интервалами времени. Точность аппроксимации за-

висит от характера кривой q k (t) (Рис.1),числа

участков разбиения функции теплового потока и

продолжительности процесса нагрева.

В общем случае для n интервалов разбиения

температура поверхности кладки определяется по

выражению(26) и принимает вид:


Т k (0,τ)-Т 0 =b k i

n

i

kq1

[ 1 inin ] (27)

где τ n -общее время нагрева, τ i - время i-той

ступени, τ 1i -время i-1 ступени,(q k ) i -средний

тепловой поток на кладку на i–том участке, причем

на каждом интервале тепловой поток определяется

как сумма всех средних тепловых потоков преды-

дущих интервалов. Таким образом, тепловой поток

представляет собой ступенчатую функцию от нуле-

вого до i -того участка.

Использование данного метода позволяет по

известным температурам кладки, газа, и металла

предыдущего интервала определить тепловой по-

ток на кладку на последующем временном интер-

вале и т.д. на каждом участке до получения зависи-

мости теплового потока q k ( τ) для всего процесса

нагрева. Выполнена аппроксимация переходной

функции теплового потока на кладку ступенчатой

функцией.

Произведено исследование функций тепло-

вого потока для различных значений расхода топ-

лива требует учета обратной связи по температуре

поверхности нагреваемого тела Т m =f 3 ( ), опреде-

ляемой решением трехмерного уравнения тепло-

проводности при граничных условиях второго рода

с переменным тепловым потоком, определяемым

по (2).[5,6,7]

Библиографический список

1.Кавадеров А.В. Тепловая работа пламен-

ных печей. М.: Металлургтздат.1956.

2.Смирнова Л.Н. Фролов А.В. Анализ мето-

дов и поиск решений задач нагрева массивных тел.

Инновации в науке : пути развития. Материалы V

Международной заочной научно-парактической

конференции 20 февраля 2014г.с.343-347

3. Рапопорт Э.Я. Смирнова Л.Н. Газовая тер-

мическая печь как объект оптимального управле-

ния В сб. . «Системы автоматического регулирова-

ния технологических процессов» Куйбышев, 1972.

4. Рапопорт Э.Я.Автоматическое регулиро-

вание температуры жидкого металла жидкого ме-

талла в газовых отражательных плавильных и раз-

даточных печах для алюминиевых сплавов.

Канд.дисс. Куйбышев ,1965

5.Смирнова Л.Н. , Харымова Л.Н. Газовая

нагревательная печь как объект оптимального

управления процессом нагрева массивных тел. Ал-

горитмизация и автоматизация технологических

процессов промышленных установок. Тематич.

Меэвуз.сб. научн.тр.вып.6.Куйбышев, 1975.

6.Смирнова Л.Н.. Стулин В.В. Исследование

сложного теплообмена в газовых печах при нагреве

крупногабаритных штампов. РКНТ.том IX .Москва

, 1994.

7.Смирнова Л.Н. Идентификация процесса

внутреннего теплообмена при нагреве крупногпба-

ритных штампов в газовой печи. РНКТ-2. Вторая

Российская национальна конференция по теплооб-

мену 26-30 октября 1998г. Москва, 1998.


Docent Aslanov Z.Y.,

senior lecturer i.f.d. Dadashova K.S.,

Lecturer Abdullayeva S.M.

Azerbaijan State University of Economics-UNEC; Baku, Azerbaijan

THE ANALYSIS OF QUALITY MANAGEMENT COMPLEX SYSTEMS IN

AZERBAIJAN INDUSTRY AREAS

The implementation of reforms and the international experience shows that foreign partners set the product

quality management compliance with the requirements of ISO standards as a precondition for enterprises. Ac-

cording to these standards, the application of quality management system is an essential condition for every com-

pany to come out of the international market. So, in order to produce competitive products should reduce produc-

tion costs and increase product quality.

Keywords: complex, system, quality, competition, products, commodity

Quality Management System includes lots of

means and methods and which allows providing high

quality in design, production and sales stages. Assess-

ment is important for quality management, however

modern methods of quality assessment does not take

into account of the full necessary information. Hence,

this leads accepting incorrect decisions on the quality

assessment.

requirements in terms of all industry equipment.

Therefore , trying to establish goods (commodity) in

limited nomenclature which will be in high demand and

ensure maximum profit.

For example, in China since 1978 approach of

products (commodities) quality control, launched to

handle typical Chinese realities of the external experi-

ence. The "total quality management" is using widely,

the success criterion for the company product consider-

ing to be competitive in the external market. Develop-

ment of the consumer market, intensive technology im-

provement, market globalization, concept of capital and

other factors leads to strengthening competitiveness of

the commodity sharply. Modern market as a form of

public relations, competition between commodities

should meet the consumers comparative demands .

In comparison, of a similar product, advantageous

product fully meets the needs and specific requirements

of the consumers. Thus, it can be noted that competi-

tiveness [1,2,3]:

a) determined by comparison of competing

commodities

b) according to the competitive commodity the

characteristics of the product provides

c) can vary for the same commodity in different

sectors of the market.

Competitiveness of the commodity evaluates

with the help of the proper methods. The task of the

experts is to develop and improve analysis methods of

competitiveness. In addition, consumers requirement

are equally important with the realized features of the

commodity.

Depending on the saturation degree of the com-

modity market, non-price factors of competition has be-

gun to play more important role in the country. The so-

ciological polls conducted by many marketing

companies show that consumers want to achieve opti-

mal ratio between quality and price in the choice of

commodity. Buyers of long-term exploited commodi-

ties are interested in "operating cost" which means the

costs associated with the operation of the product.

Therefore, with other equal terms, consumers prefer

high-quality, less price and less costs associated with

exploitation.

The main goal of each entity is to produce high

quality products and in order to achieve it establishment

of quality management system in accordance with in-

ternational standards of ISO 9000 series plays great im-

portance [2,4,5].

In order to analyze consumer desires (needs),

quality management techniques translate these de-

mands into technical terms "language", control accu-

racy of technological processes, substantiate volume of

the selective control, duration and scope of testing and

play a major role in the creation of a new modern qual-

ity system. Otherwise, current quality management sys-

tems are the sum of resource and methods, management

responsibility and organizational structure that referred

to satisfy consumers demands.

Modern managers should know and learn es-

sential quality management methods as well as produc-

tion management, analysis of the micro and macroeco-

nomics and etc. Middle level managers should be able

to freely use these methods.

In all stages of production acquisition of high-

quality makes the application of complex measures

necessary for its assessment and management. How-

ever, quality is a complex indicator, thus, reveals cer-

tain difficulties in its assessment. Quality of the work is

the general characteristics of the employee or the group

of employees employment. This specifies a group of

PRODUCTION


employee or the employee's ability to carry out the as-

signment determined in accordance with the require-

ments. Organization of production, worker's ability and

discipline, work rhythm, development level of equip-

ment and etc demonstrate itself in quality of the work.

Complex management system of modern prod-

uct quality is a system efficiently structured, describes

well-adjusted program, carry out the complex measures

of product quality on the "man-machine-information"

scheme, meets the consumers` needs, reduce the quality

costs. Complex management system of product quality

is the scientifically generalized result of best practices.

Main features of this system is implementation of com-

plex systematic approach, application of enterprise

standards (ES) in quality as the organizational and tech-

nical foundation of management [3,6,7].

Management responsibility, establishment and

implementation of quality management system are the

duty of specific service established for this purpose.

However, quality of management policy should be de-

termined by company management who in charge of

organizational-technical issues and mobilize employ-

ees to this area. Only in a specified manner complex

approach of quality management system leads to

achieve and provide cost-effective results.

Market relations require the formation of a new

and principled approach on quality problems from all

industries and enterprises of Azerbaijan. Obtaining

high quality of the product is crucial not only for pro-

ducers and consumers, but also an important issue for

whole country economy. Product and service high qual-

ity increase sales volume and profitability, and this

leads to increase export potential of the country, thus,

resulting in the improvement of citizens' well-being and

quality of life. Thereby, implementing regular and sys-

tematic complex activities in different levels of the pro-

duction process is very important for improvement

quality of the product.

In most cases, higher quality is not only estab-

lished to meet the high demand, but also change the na-

ture of existing demand or creating new one, and pro-

vide an impetus to the development of social

production and improvement life quality of the popula-

tion.

Low-quality labor, material and energy used for

the production of low quality products turns to the

measure, as well as, in most cases, product remains un-

finished and demand remains unpaid. In contrast, high-

quality protects labor, material and raw material and

creates the material conditions for the development of

the society successfully.

The most important institutional and normative

base of the product quality management is standardiza-

tion. An important function of standards is to regulate

of product quality requirements and guarantee continu-

ous improvement .Standards are technical normative

and legal documents. Standards are significant criteria

in specific activity area and serve to make a comparison

of the produced product quality requirements [4,8].

One of the important elements of product qual-

ity management is the certification of industrial prod-

ucts. During certification, manufactured products are

divided into three categories: superior, first and second.

Superior products technical-economic indicators meet

and even exceed of the highest achievements of science

and technology in the foreign and domestic market.

First category products technical - economic indicators

are compatible with the requirements of existing stand-

ards and technical specifications. The Second category

is related to the products that do not meet modern re-

quirements with their technical-economic indicators.

Planning is also plays an important role in the

product quality management. Planning of the product

quality improvement is about to choose the best internal

and external analogies technical and economic param-

eters; to comply with standards and technical specifica-

tions; using the latest achievements of science and tech-

nology to execute systematic improvement of product

quality.

In addition, in product quality management sys-

tem moral and material incentives play an important

role , based on the price, extra discount, bank loan, sal-

ary and benefits improvements, economic sanctions

and other economic instruments. Product quality man-

agement, high-quality products combine material and

spiritual encouragement, use of the latest scientific and

technological achievements, utilization of industrial-in-

novative techniques and technologies and moreover,

setting work in this direction may create the basis for

the competitive product production.

Thus, for the creation of an effective quality sys-

tem with the help of industry reforms, a flow of ad-

vanced techniques and technologies to the country, and

in market relations conditions objective internal and ex-

ternal preconditions has already been created.

Consequently, the implementation of reforms

and the international experience shows that foreign

partners set the product quality management compli-

ance with the requirements of ISO standards as a pre-

condition for enterprises. According to these standards,

the application of quality management system is an es-

sential condition for every company to come out of the

international market. So, in order to produce competi-

tive products should reduce production costs and in-

crease product quality.

Literature:

1.Məmmədov N.R, Ələkbərov E.B. və b.

Kvalimetriya və keyfiyyətin idarə edilməsi: Ali

məktəblər üçün dərslik. T.e.d. prof. N.R.

Məmmədovun redaktəsi ilə. – Bakı: Elm, 2007.

2.Ponomoryov S.V. Missenko S.V., Belobraqin

V.Y. Məhsulun keyfiyyətinin idarə edilməsi. Dərs

vəsaiti – rus dilindən tərcümə. Bakı: “İqtisad Universi-

teti”. nəşriyyatı. 2008.

3.Эфендиев Э.М. Квалиметрия и управление

качеством продукции: Учебное пособие. – Баку:

«Тахсил» ИПП. 2004.

4.Системы качества: Сборник нормативно –

методических материалов. – М.: Издательство стан-

дартов. 2003.

5.Аристов О.В. Управление качеством. М.:

ИНФРА – М, 2004.

6. Миронов М.Г. Управление качеством.-

Проспект, 2006.

7. Исаев Л.К. Обеспечение качества. – М.:

ИЛК. Издательство стандартов, 2001.


8.Mehdiyev M.İ. Keyfiyyətin idarə edilməsi.

Ali məktəblər üçün dərslik. – Bakı: Çaşıoğlu, 2007.

Yulian Tuz

Sc.D. Eng., Professor of the Experimental Research Automation Department

Bogdan Kokotenko

Assistant of the Experimental Research Automation Department

Artem Porkhun

Postgraduate Student of the Experimental Research Automation Department

National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”,

Kyiv

DEVELOPMENT OF THE INTEGRATED DATA ACQUISITION SYSTEM

FOR CRASH TEST EXPERIMENTS

ABSTRACT

Safety and quality assurance in aerospace and automotive industries would be impossible without crash

testing. This paper describes main challenges that arise during crash-test system design. To verify and improve

the design rules for stress-tolerant measuring equipment, the integrated data acquisition system has been devel-

oped and fabricated. The data acquisition system has been designed to withstand mechanical shocks up to 10000

g. The paper also presents preliminary test results. The authors provide recommendations for the development of

stress-tolerant autonomous data acquisition systems.

Keywords: crash test, data acquisition, mechanical shock, information measuring systems.

The crash testing plays extremely important role

in accident investigations, safety and quality improve-

ments, prediction of potential failures and general sys-

tem design optimization. It is used in a variety of appli-

cations, such as:

– automotive and train industries;

– aerospace and aviation;

– military technologies and advanced wea-

ponry;

– heavy duty vehicles and equipment;

– personal protective equipment.

The essential aspect of any crash testing is the

measuring equipment, namely, data acquisition sys-

tems. Such system is installed on the test set-up or inte-

grated in the units under crash test. It performs all re-

quired measurements and saves sensors data to the

memory for further analysis. So the crash test data ac-

quisition system gives engineers the detailed infor-

mation about what happened during the test.

Obviously, the crash and impact tests imply

damages of the object under test or, in some cases, full

destroy of the test set-up. Such test conditions signifi-

cantly increase the test cost. Therefore, the engineers

must be able to rely on their measuring equipment to

extract the maximum amount of useful and valid data

from each test.

This paper explains general approaches to the

development of custom integrated data acquisition sys-

tems for crash testing, as well as the design details and

test results of the particular system.

Crash Test Measuring System Requirements

There are few official standards, which describe

crash test conditions and performance requirements of

similar data acquisition systems. Here are some of

them:

– SAE J211: Instrumentation for Impact

Test[1];

– SAE J1698: Event Data Recorder [2];

– ISO 6487: Road vehicles – Measurement

techniques in impact tests [3];

– ATSM F2656: Standard Test Method for

Crash Testing of Vehicle Security Barriers [4];

– TSO C124a: Flight Data Recorders surviva-

bility [5].

Ranges of measured physical quantities and op-

erational conditions may vary for particular applica-

tion. However, the most critical crash tests imply:

– mechanical overloads (vibration up to 50 g,

shock up to 20000 g);

– high temperatures (fire or explosion up to

2000 °С);

– high pressures (blast overpressure up to

200 kPa or hydrostatic pressure up to 6 MPa) or vac-

uum (aerospace applications).

The common approach to provide high surviva-

bility of measuring equipment is various protective

cases. However, in spite of attenuation by protective

case physical impacts still affect nodes and their con-

nections inside the system. Due to critical values of ex-

ternal impacts the influence of next factors is signifi-

cantly increased [6, p.1]:

– hidden defects of electronic and electrome-

chanical components;

– minor violation and quality issues of manu-

facturing technologies;

– limitations and undetected issues with hard-

ware, software or general system design;


– random combination of all effects.

Ignoring one or more mentioned factors may

cause critical operation modes of measuring equip-

ment, which leads to increasing of measurement errors

or even complete data loss. To avoid such issues the

systems must have good factor of safety to ensure the

maximum reliability.

Additionally, all data acquisition systems must

be as small-sized and lightweight as possible. Depend-

ing on the particular application, they may be also

equipped with autonomous power supply, RF beacon

or other auxiliary instruments. The combination of such

critical requirements becomes a great challenge for the

developers of crash test measuring systems.

There are many companies, which develop and

manufacture measuring equipment with high surviva-

bility. Among them are Honeywell, Lockheed, B&D

Instruments, Avikont, LMS, MESSRING, DTS, etc.

But available solutions may not suit the test require-

ments in particular cases. Therefore, the development

of custom data acquisition systems and their nodes has

always been very important task.

To verify and improve the design rules for as-

suring sustainability the custom crash test data acquisi-

tion system was developed. The main requirement of

the system under development was ability to operate af-

ter high mechanical shocks up to 10000 g.

Measuring System Design and Specifications

Any data acquisition system has a sensing node

(consists of sensor), a signal conditioning node (ampli-

fier and antialiasing filter), processing node (analog to

digital converter (ADC) and microcontroller) and

memory node (data memory circuit) (Figure 1). Addi-

tionally such system may include interfaces for com-

munication with external equipment, autonomous

power supply or other auxiliary nodes.

The sensors selection for crash test measure-

ments is quite complicated task. Very often particular

measurements demand modification or development of

new sensors. Then they require calibration, which en-

sures accuracy and consistency of measurement results.

This is very sophisticated topic. And it will be pre-

sented in next research paper.

A. System hardware

The initial stage of data acquisition system de-

velopment is the electronic circuits design. Traditional

design rules are usually applied as in case of any elec-

tronic device development. However, the one aspect

becomes an issue – general purpose electronic compo-

nents are not designed for using under high mechanical

stress.

MIL-STD-833 [7] describes the test series for

evaluating microelectronic devices. It also includes me-

chanical shock test method (2002.3). At the verifying

stage the most of electronics components from different

manufactures are exposed to the mechanical shock of

less than 500 g. But the semiconductor dies and com-

ponent packages initially can withstand shocks up to

30000 g (peak). So electronic components manufactur-

ers recommend additional tests in particular cases. And

that became the main objective of this project.

Figure 1. Block diagram of typical data acquisition system

Summarizing the information from [8], [9], [10]

the authors decided to use general purpose electronic

components preferably in SMD packages.

The sensors signals conditioning circuitries

were implemented by operational amplifiers ADA4528

and instrumental amplifiers INA333. The antialiasing

filter was implemented by 5th-order low-pass filter

MAX7422. The data acquisition was organized by the

MSP430F5329 microcontroller with embedded 12-bit

ADC, which was able to collect data from up to 16

channels. After signal preprocessing microcontroller’s

firmware writes real-time data to the SPI NOR flash

memory N25Q512. After all tests measured data can be

uploaded via RS485 for further analysis. The imple-

mentation details of data acquisition firmware is worth

presenting in future papers.

The only general purpose component, which is

absolutely not suitable for applications related to high

mechanical stresses, is the quartz crystal oscillator. So

it was replaced by low-jitter precision CMOS oscillator

DSC1101, which has excellent shock and vibration im-

munity (qualified to MIL-STD-833).

After electrical components selection circuit

boards had to be created. All circuit boards assemblies

are usually made of ordinary glass epoxy substrate and

thin copper conductive tracks, which connect electrical

components. Obviously, they require additional protec-

tion against fractures. So the electrical circuit of custom

data acquisition system was made of the double sided

3.0 mm PCB. And all electrical components of all men-

tioned nodes were placed on the one layout of the PCB

(Figure 2).

In [8, p.53] was mentioned that “failure is more

likely at pins or pads of electrical components, espe-

cially at locations next to the package body than at the

solder joint”. So all components after soldering to the

PCB were covered with 832C Epoxy Encapsulating &

Potting Compound. That reduced any tensions and de-

formations in component connections and package

bodies as well. Additionally, to protect PCB against

moisture, it was covered with the thick layer of silicone

sealant Viksint K-18.


Figure 2. PCB top layout of the custom crash test data acquisition system

But, in spite of all protective measures, there

was no assurance that all particular components would

withstand critical mechanical shock. As long as the de-

veloped system circuit board was small-sized and

low-cost, 10 same units were assembled to achieve

10-fold redundancy.

B. Protective case and system assembling

A clue to the development of crash test measur-

ing equipment is the protective case design, as well as

the mounting scheme of particular units inside it. To

protect the developed system against mechanical stress

and high pressure it was installed in the thick cartridge

tube made of steel 12X18H10T (Figure 3). To reduce

the total system weight the shell could be made of tita-

nium alloy ВТ-1-0 which has similar tensile strength

and toughness. Then all PCBs were placed in separated

steel containers. Finally all PCB units were installed in

the cartridge tube and fixed by clamping nuts (Fig-

ure 3). Thus any unwanted PCBs movements and de-

formations were eliminated.

PCB wired connections also require special at-

tention. General purpose electronic connectors would

not able to sustain high mechanical shocks. So the best

solution was direct soldering connections by PFA iso-

lated wires. Additionally, all soldering points were also

covered with potting compound. Besides any sharp

edge inside the system case could cut sagging wires

during mechanical shock. So all empty space between

PCBs and wires was filled with polyurethane foam

KLEIBERIT 523.9.


Figure 3. Steel case of crash test data acquisition system with installed PCBs

One more thing worth mentioning is heat pro-

tection. Usually mechanical shocks are highly related

to high temperature (heat of explosion, inelastic colli-

sion, high friction, etc.). Since the developed system

has massive steel body, it can absorb heat from high

temperature sources and protect system internal nodes

against overheating. But in case of long-term tests in

high temperature environment the system requires ther-

mal isolation layer (Teflon or asbestos shell). Addition-

ally system body may contain internal cavities filled

with a material which absorbs heat during evaporation

or decomposition (for example, wax [11], sodium bi-

carbonate [12], etc.). In particular cases outer ablative

covering is desirable [13, p.4].

C. Battery power supply

The last stage is battery supply selection. Any

nonflammable dry batteries could be used. But the bat-

tery terminals require exceptional attention. Ordinary

battery holders with coiled spring wire, flat tab or screw

as a terminal would not withstand mechanical shock.

The best solution is soldering wires directly to the bat-

tery terminals. The battery redundancy would be also

desirable.

So developed system was equipped by 9 lithium

batteries Energizer® Ultimate Lithium, which have

great performance, extended temperature range and af-

fordable as well. Batteries were separated into 3 units

to achieve 3-fold redundancy. All units were connected

in parallel (using diodes) to provide power to the sys-

tem circuit boards.

Developed System Testing

To validate the custom made measuring system

the mechanical shock tests were conducted. Such tests

require advanced equipment that significantly increase

the test cost. So only 3 tests were scheduled. During

these tests the developed system was exposed to a me-

chanical shock of 10000 g for 1 msec.

The first test was conducted only with some pro-

tective measures for PCBs. In spite of failure the test

revealed weak places mentioned above, namely, wire

connections and battery terminals. However, the circuit

boards stayed fully operational.

Before the second test all defects had been fixed.

All wired connections and battery terminals were thor-

oughly covered by epoxy-polyamide adhesive at the

soldering points. All empty space inside the system

case were completely filled by polyurethane foam. So

the system successfully passed the second test. Moreo-

ver, all system units performed flawlessly during the

test. Then the system was disassembled for interior in-

spection. There were also no indications of wear or

weakness.

The third test scheduled for final validation with

installed sensors. The results will be presented in the

next paper.

Conclusions

This paper presents the development of custom

measuring system for crash testing. The hardware and

firmware parts of the system were successfully imple-

mented. If appropriate sensors are installed the system


provides recording up to 16 parameters as well as up-

loading measured data to a personal computer. Both

hardware and firmware design could be easily ex-

panded.

The main advantage of the described system is

ability to operate under high mechanical stress up to

10000 g. Moreover the system could be assembled with

inexpensive components, which are always commer-

cially available.

The developed measuring system successfully

passed the verification on the certified equipment and

could be recommended for commercial application.

References

1. Instrumentation for Impact Test – Part 1 –

Electronic Instrumentation // SAE Standard J211,

31/03/2014

2. Event Data Recorder // SAE Standard J1698,

08/05/2014

3. Road vehicles – Measurement techniques in

impact tests // Standard ISO 6487, 01/08/2015

4. Standard Test Method for Crash Testing of

Vehicle Security Barriers // Standard ATSM F2656 –

2015

5. TSO-C124b Technical Standard “Flight

Data Recorder” // Federal Aviation Administration,

Aircraft Certification Service, Washington, D.C. –

2007

6. Ройзман В.П., Воронов С.А., Бгорош

А.Т., Бубулис А., Юренас В. “Надежность ра-

диоэлектронной аппаратуры при работе на транс-

портных средствах” // Информационные техноло-

гии – 2010 – с. 145-148

7. MIL-HDBK-883E Electronic Reliability

Design Handbook Test Method Standard – 2015

8. R. Amya, G. Agliettia, G. Richardson “Reli-

ability analysis of electronic equipment subjected to

shock and vibration – A review” // Journal “Shock and

Vibration”, IOS Press, 2009

9. Tom Irvine “Shock Response Spectrum

Testing For commercial Products” // Tutorial, IDC

Technologies, 2012

10. Tom Irvine “Shock Severety Limits for

Electroni Components” // Technical report, IDC Tech-

nologies, 2014

11. Terence M. Fairbanks “Thermal and shock

resistant data recorder assembly” // Patent

US5708565 A – 1998

12. Берлин А.А, Халтуринский Н.А., Чуйко

С.В., Васин В.П. “Способ и устройство для тепло-

вой защиты электронных модулей” // Патент РФ №

2236099 – 2004

13. G. Swanson, D. Empey, K. Skokova3,

E. Venkatapathy “Development of an Integrated Data

Acquisition System for a Small Flight Probe” // NASA

Ames Research Center, Moffett Field, 2012

14. Or D. Dantsker, R. Mancuso, M. Selig,

M. Caccamo “High-Frequency Sensors Data Acquisi-

tion System (SDAC) for Flight Control and Aerody-

namic Data Collection” // University of Illinois at Ur-

bana–Champaign, Urbana, Urbana-Champaign 32nd

AIAA Applied Aerodynamics Conference Atlanta,

2014

15. V. Brusov, J. Grzybowski, V. Petruchik

“Flight Data Acquisition System for Small Unmanned

Aerial Vehicles” // International Micro Air Vehicles

conference, Netherlands, 2011

http://dx.doi.org/10.2514/MAPA14

http://dx.doi.org/10.2514/MAPA14


УДК: 67.05

Yuri V. Kholodnikov

candidate of technical Sciences, Managing Director of PLS SDO "Mysl"

Russia, Yekaterinburg

INDUSTRIAL PRODUCTS FROM COMPOSITE MATERIALS

Ю.В.Холодников

Директор ООО Специальное конструкторское бюро «Мысль»,

канд. техн. наук. РОССИЯ, г.Екатеринбург.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ИЗ КОМПОЗИТОВ

ANNOTATION

The article gives a brief description of new products production methods of polymer composite materials,

PLS SDO "Mysl" (Ekaterinburg, RUSSIA) as part of a comprehensive program of research and development work.

KEYWORDS

Polymer composite materials, methods of production.

АННОТАЦИЯ

В статье дано краткое описание новых способов производства изделий из полимерных композици-

онных материалов, разработанных в ООО Специальное конструкторское бюро «Мысль» (г. Екатерин-

бург РОССИЯ) в рамках реализации комплексной программы научно-исследовательских и опытно-кон-

структорских работ.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Полимерные композиционные материалы, способы производства.

Широкий ассортимент изделий производ-

ственно-технического назначения, изготавливае-

мых из полимерных композиционных материалов

(ПКМ), предполагает наличие многих технологиче-

ских приемов и способов их производства, учиты-

вающих размеры и назначение изделий, объемы

производства и условия эксплуатации, конфигура-

цию изделия, квалификацию и оснащенность про-

изводителя и т.д., и.т.п. Для того чтобы оптимизи-

ровать структуру производства изделия с

гарантийным обеспечением эксплуатационных па-

раметров, необходимо систематизировать извест-

ные способы производства по основным технологи-

ческим показателям. Основные технологические

приемы переработки рассматриваемой группы ком-

позиционных материалов в готовые промышлен-

ные изделия, следующие (см. рис.1):

1. контактное формование;

2. инжекция/инфузия связующего в закры-

тую форму;

3. формование из препрегов и премиксов;

4. прессование;

5. изготовление изделий протяжкой;

6. намотка;

7. магнито-импульсное формование;

8. интегральные конструкции;

9. объемное формование;

10. изделия из полимербетонов;

11. детали, получаемые механической обра-

боткой;

12. сборные конструкции;

13. футеровка;

14. литье;

15. ремонтные технологии.

Рис. 1. Основные способы получения изделий из ПКМ.


Многие из перечисленных выше технологий

и различных способов их реализации описаны в ли-

тературе [1,2,3] и нашли широкое применение в ре-

альном секторе экономики при производстве изде-

лий из ПКМ для различных отраслей

промышленности, транспорта и в быту. Остано-

вимся на новых технологиях и способах производ-

ства, разработанных в ООО СКБ «Мысль» за по-

следние годы.

Технология контактного формования.

СКБ «Мысль» предлагает эластичное виб-

ропрессование/”the elastic blok-making” (khow

how), где в качестве уплотняющего материала при

вибропрессовании используются эластичные,

например силиконовые, шары с внутренним утяже-

лением, которые в отличие от металлической дроби

имеют с ламинатом не точечный, а плоскостной

контакт, что позволяет проводить более равномер-

ное уплотнение материала и использовать их без

промежуточного баллона, а также исключить воз-

можность дефекта ламината при уплотнении на лю-

бых режимах вибропрессования.

Вибропрессование, обладая перечислен-

ными выше достоинствами, применяется в про-

мышленных условиях сравнительно редко. Это

обусловлено ограниченными возможностями дан-

ного способа по формованию деталей больших раз-

меров, а также вредным воздействием вибрации на

организм рабочих.

Инновационная разработка ООО СКБ

«Мысль» - «объемно-дискретное»/”space-discrete

lip seal” (khow how) контактное уплотнение» арми-

рующего материала (ноу-хау), заключается в при-

менении роботизированного комплекса для скани-

рования сложно профильных матриц с уложенным

в/на нее армирующим материалом и выработки

управляющего сигнала исполнительному меха-

низму с эластичным пуансоном, который благодаря

возвратно-поступательному движению исполни-

тельного механизма, обеспечивает точечный кон-

такт пуансона с требуемым усилием и в заданном

3-х мерном пространстве матрицы, с пропитанным

связующим армирующим материалом, тем самым –

уплотняя его, в том числе, в недоступных обыч-

ными методами местах матрицы.

«Магнито-волновое»/“magnetic wave lip

seal” (khow how) контактное уплотнение армирую-

щего материала (ноу-хау ООО СКБ «Мысль») за-

ключается в регулировке усилия прижатия метал-

лической дроби к армирующему материалу и ее

перемещении по поверхности матрицы за счет ре-

гулирования величины электро-магнитного поля и

его волнообразном перемещении вдоль формую-

щей поверхности композитного изделия.

«Балонное»/“the balloon seal” (khow how)

уплотнение армирующего материала, предложен-

ное ООО СКБ «Мысль» (ноу-хау) предполагает ис-

пользование объемного прижимного баллона, вы-

полненного или из эластичного резиноподобного

материала, или из наполненного газом (воздухом)

эластичного баллона. Путем механического нажа-

тия на баллон и вращательного перемещения его по

поверхности заготовки, происходит уплотнение

пропитанного связующим армирующего матери-

ала.

Формование деталей из препрегов и премик-

сов.

В развитие пресс-камерного способа формо-

вания деталей из препрегов [3], в ООО СКБ

«Мысль» разработан способ (ноу-хау) изготовле-

ния с применением двойного («бинарного») упруго-

эластичного мешка/”binary elastic and flexible

bag” (khow how), который состоит из внутренней

части, контактирующей с препрегом, выполненной

из эластичного материала (например, силикона), и

внешней части, выполненной из упругого матери-

ала (например, прорезиненной ткани), выполняю-

щей функции «жесткой крышки». Мешок жестко

крепится по краю матрицы, причем за упругий ма-

териал. При подаче избыточного давления внутрь

мешка, эластичная часть мешка прижимает препрег

к внутренней формообразующей поверхности мат-

рицы, а упругая часть мешка выполняет функции

жесткой крышки «классического» способа пресс-

камерного формования. Предлагаемая конструкция

проще, легче той, что применяется в традиционном

способе пресс-камерного формования, кроме того,

бинарный мешок – универсален и может использо-

ваться для различных по форме матриц.

Детали из препрега на выпуклой матрице

можно изготовить с применением термоусадоч-

ного покрытия/”forming coating shrink” (khow

how) (например, пленки). На выпуклую матрицу

выкладывается препрег и укрывается термоусадоч-

ным покрытием, закрепляемым на основании мат-

рицы. Затем вся конструкция помещается в термо-

камеру, где происходит усадка покрытия и обжим

препрега по формообразующей поверхности мат-

рицы и одновременная полимеризация термореак-

тивной смолы горячего отверждения. Способ пред-

ложен ООО СКБ «Мысль».

Суть способа формования композиционного

изделия из препрега на матрице переменной

формы (МПФ)/”matrix variable form” (patent), раз-

работанного в ООО СКБ «Мысль» поясняется

рис.2.

В общем виде устройство для реализации

данного способа изготовления включает: пуансон 1

в виде эластичного баллона, некоторое число ци-

линдров (исполнительных механизмов) 2, количе-

ство которых определяется габаритами изделия и

требуемой

точностью его изготовления, упруго-дефор-

мируемую прокладку 3, препрег 4, систему управ-

ления цилиндрами(механизмами) 5 и программно-

задающее устройство 6.


Рис. 2.. Принципиальная схема формования на матрице переменной формы.

Реализуется способ следующим образом: в

исходном положении (рис.2.а.) препрег 4 поме-

щают между эластичным пуансоном 1 и упруго-де-

формируемой прокладкой 3. В программно-задаю-

щее устройство 6 загружается математическая

модель описывающая форму изготавливаемого из-

делия. Программно-задающее устройство 6 выра-

батывает управляющий сигнал, подаваемый на си-

стему управления цилиндрами 5, которые в

заданном масштабе повторяют контур изготавлива-

емого изделия (рис.2.б). Цилиндры 2 сохраняют

контур изделия до момента окончания полимериза-

ции термореактивной смолы, входящей в состав

препрега 4, после чего цилиндры 2 возвращаются в

исходное состояние и изделие вынимается.

Вариант исполнения описываемого способа

производства, для изделий относительно простой

формы, показан на рис. 2.в,г.). В данном случае эла-

стичный пуансон 1 заменен на вторую упруго-де-

формируемую прокладку 7. Принцип действия –

понятен из рисунка.

Для изготовления описываемым способом

объемных оболочковых изделий из композицион-

ных материалов, предлагается вариант способа, по-

казанный на рис. 2.д,е. Вариант данного способа от-

личается от описанного выше тем, что вместо


эластичного пуансона 1 применена управляемая си-

стема из исполнительных цилиндров (механизмов)

2 и упруго-деформируемой прокладки 3, а заго-

товка из композиционного материала представляет

собой герметичный баллон 8 с внутренним неболь-

шим избыточным давлением.

Описанный способ изготовления изделий из

композитов найдет применение при единичном или

мелкосерийном производстве сложных кожухооб-

разных деталей, а также при разработке концепт-

модели, маркетинг-модели, лабораторного образца,

проведении комплекса НИОКР по новым видам

техники и отработке конструкций матриц для се-

рийного производства.

В настоящее время в конструкторско-техно-

логической проработке находятся следующие вари-

анты исполнения описываемого способа производ-

ства деталей МПФ:

- «гидро-дискретный»/”hydro-discrete man-

ner” (patent) - способ, в котором исполнительный

механизм состоит из заданного числа гидроцилин-

дров;

- «пневмо-дискретный»/”pneumo-discrete

manner” (patent) - исполнительный механизм –

пневмоцилиндры;

- «механо-дискретный»/”mechanical-

discrete manner” (patent) - исполнительный меха-

низм – различные вариации на тему «винт-гайка»,

при этом вариантами исполнения с данным испол-

нительным механизмом могут быть следующие

приводы: ручной – шток позиционируется путем

выставки каждого штока в отдельности в ручную;

приводной – штоки снабжены индивидуальными

приводами (например – электромоторами), управ-

ляемыми синхронно через компьютер; координат-

ный – есть некий привод (например – электромо-

тор) имеющий возможность автоматического

перемещения в плоскости и осуществляющий пу-

тем контакта с каждым из выдвижных штоков, его

индивидуальное позиционирование согласно ко-

мандам задающего устройства.

Кроме того, МПФ может быть односторон-

ним (исполнительный механизм расположен с од-

ной стороны препрега, см. рис.2.а) или двусторон-

ним (исполнительный механизм расположен с

обеих сторон препрега, см. рис.2.д). И наконец,

МПФ может быть баллонного типа (рис.2.а,б) или

диафрагменного типа (рис.2.в, д).

Способы изготовления изделий протяжкой.

ООО СКБ «Мысль» предлагает дополнить

существующую гамму методов и способов пултру-

зионного производства деталей из композицион-

ных материалов следующими вариациями (ноу-

хау) на эту тему:

УФ-пултрузия/”UV-pultrusion” (khow

how) – пултрузия, в которой применено УФ – от-

верждаемое связующее;

Термоусадочная пултрузия/”shrink pul-

trusion) (know how) – пултрузионный процесс, в ко-

тором полуфабрикат профиля после формующей

фильеры обматывается термоусадочной пленкой, а

затем поступает в термокамеру, где пленка обжи-

мает профиль, обеспечивая его уплотнение и

предохраняя от появления внутреннего расслоения

при дальнейшем нагреве для полимеризации связу-

ющего. На готовом профиле пленка выполняет

функции изоляции и предохранения профиля при

перегрузках, транспортировке и хранении;

Полироллформинг/”polirollforming”

(khow how) – вариант роллформинга, при котором

пултрузионная заготовка плотно обматывается по-

лимерной нитью, а затем поступает на обогревае-

мые ролики, которые подплавляя и обжимая поли-

мерную нить, формируют на пултрузионном

профиле прочное сплошное полимерное покрытие

с защитными функциями;

Прессовое профилирование/”forging

profiling” (khow how) – вариант роллформинга при

котором обогреваемые ролики выполняют также

функцию накаточных роликов, формирующих на

пултрузионной заготовке заданный накаточный

профиль в виде кольцевых, продольных, спираль-

ных или винтовых канавок, выполняющих в гото-

вом изделии технологические функции;

Спиральное профилирование/”the heli-

cal profiling” (khow how) – вариант роллформинга,

при котором обогреваемые ролики, имея необходи-

мую степень свободы, закручивают пултрузионную

заготовку в спираль регулируемого шага и диа-

метра;

Объемное профилирование /”surround

profiling” (khow how)– вариант ролформинга, при

котором несколько пултрузионных неотвержден-

ных заготовок сразу после фильеры поступают на

вязальное устройство, которое формует из них объ-

емные конструкции (сетки, рукава и т.п.), а затем

изделие поступает в термокамеру отверждения;

Намоточное профилирование/”winding

profiling” (khow how) – вариант нидлтрузии, при

котором на отвержденную пултрузионную заго-

товку в едином технологическом процессе произво-

дится спиральная намотка жгута из однонаправлен-

ного волокна, пропитанного связующим, причем

этот жгут перед намоткой проходит через профили-

рующую фильеру, которая определяет профиль

наматываемой спирали (метрический, трапеци-

идальный, упорный, прямоугольный, трубный и

т.п.), а далее изделие вновь проходит через термо-

камеру, где полимеризуется намотанный профиль.

Примером готового изделия может служить резьбо-

вая шпилька;

Пултрузионно-экструзионный спо-

соб/”pultrusion and extrusion method” (khow how) –

вариант намоточного профилирования, в котором

спиральная нарезка на поверхности пултрузион-

ного профиля формуется экструдером с соответ-

ствующей профилю фильерой, причем экструдер

подает или дисперсный термореактивный ком-

паунд или термопластичный полимер.

Вариантами изготовления композитных де-

талей экструзионным способом могут быть комби-

нированные технологии, описанные выше приме-

нительно к пултрузии, а именно:

экструзионно-намоточные/”extruding

and winding method” (khow how), включая: обмотку


одонаправленными волокнами по спиральной, пе-

рекрестной или продольно-перекрестной траекто-

рии, пропитанными термореактивным связующим;

намоточно-профилированные, предусматриваю-

щие формирование на поверхности экструзионного

профиля различных видов резьбы методом, описан-

ным для пултрузионных профилей;

экструзионно-пресссовые/” способы

аналогичные pullforming, роллформинг, описанные

выше для пултрузии.

Намотка.

В ООО СКБ «Мысль» теоретически обосно-

ван и экспериментально продемонстрирован спо-

соб намотки по объемной оправке/”a method of

winding mandrel on volume” (khow how), суть кото-

рого заключается в изготовлении пленочного бал-

лона из воздухонепроницаемого материала, кото-

рый в надутом состоянии служит оправкой для

намотки некой детали трубчатой (баллонной, элеп-

тической и пр.) формы. Для того, чтобы баллонная

оправка при намотке не деформировалась, прово-

дится ряд технологических операций по укрепле-

нию ее прочности, а именно: сначала баллон в не-

сколько слоев покрывается связующим, образую-

щим на наружной поверхности баллона твердую

пленку, на которую разными способами (ручной,

спрей, окунанием и пр.) наносится дисперсно-

наполненный композит, который после полимери-

зации увеличивает прочную пленку на поверхности

до толщины приемлемой для намотки армирую-

щего материала, т.е. собственно – намоточного про-

цесса. После изготовления детали из баллона уда-

ляется воздух и он вынимается. Внутри детали

остаются отвержденные слои связующего и дис-

персно-наполненного композита, которые выпол-

няют функции специализированного внутреннего

покрытия.

Способ непрерывного производства труб ме-

тодом спиральной намотки/”a method for spiral

winding” (patent), разработанный в ООО СКБ

«Мысль», позволяет производить трубы разного

диаметра без оправки. Схема технологического

процесса представлена на рис.3.

Рис.3. Общая схема безоправочного непрерывного производства труб методом спиральной намотки ли-

стового композита.

Способ реализуется следующим образом: су-

хой рулонный армирующий материал 1 через си-

стему отклоняющих роликов 2 направляется в

ванну для пропитки связующим 3, и после отжима

в роликах 4 поступает в теплокамеру 5, предназна-

ченную для ускорения процесса отверждения тер-

мореактивного связующего. На сформировавшу-

юся поверхность рулонного стеклопластика

распылителем 6 наносится клеевой состав, после

чего тянущими роликами 7 он направляется на фор-

мирующее устройство 8, которое путем изменения

угла установки β задает расчетный диаметр изго-

тавливаемой трубы. Угол навивки рулонного стек-

лопластика, величина перехлеста витков (толщина

трубы) регулируется путем изменения угла α, для

чего тянущие ролики 7 и формующее устройство 8

смонтированы на поворотной платформе 12. Про-

дольное перемещение изготовленной трубы обес-

печивает подающее устройство 9. Для повышения

эксплуатационных характеристик изготавливаемой

трубы дополнительно предусмотрена возможность

нанесения на ее наружную поверхность либо про-

питанного связующим ровинга 10, либо рулонного

армирующего материала 11, либо теплоизоляцион-

ного слоя и т.п.

Предлагаются следующие варианты описан-

ного способа производства:

листовой способ спиральной

намотки/”a method for helically winding sheet”

(patent) – когда намотка осуществляется предвари-

тельно изготовленным рулонным стеклопласти-

ком;

рулонный способ спиральной

намотки/”round spiral winding method” (patent) –

изготовление намоточного стеклопластикового ли-

ста и процесс намотки находятся в едином техноло-

гическом цикле (рис.3.);

усиленный способ спиральной

намотки/”reinforced spiral minding method”


(patent) – на наружную поверхность намотанной ли-

стовым стеклопластиком трубы наносится допол-

нительный слой материала (ровинг, рогожа и пр.),

для которого спиральныя труба выполняет роль

оправки;

- труба со специальным внутренним

слоем/”a pipe with a special inner layer” (patent) –

труба, на внутреннюю поверхность которой нане-

сен специальный защитный слой (с функцией до-

полнительной химической, абразивной, тепловой и

пр.

Технология объемного формования.

Разработанная в ООО СКБ «Мысль» техно-

логия объемного формования/”surround molding

technology” (patent), позволяет изготавливать прак-

тически любые объемные изделия, при этом до ми-

нимума сведены затраты на технологическую

оснастку и время на изготовление композитного из-

делия.

Суть предлагаемого технического решения

состоит в том, что сначала изготавливаемое изде-

лие сшивают из предварительно раскроенного в

размер армирующего материала. Затем вовнутрь

помещают воздухонепроницаемый эластичный

баллон с ниппелем.

Полученную, вышеописанным способом, за-

готовку пропитывают термореактивным связую-

щим после чего через ниппель в баллон подается

воздух, под давлением достаточным для принятия

заготовкой объемного вида изготавливаемого изде-

лия. После выдержки баллона под избыточным дав-

лением в течение времени полимеризации смолы,

давление сбрасывают, а баллон вынимают или

оставляют внутри в качестве дополнительного

внутреннего защитного слоя.

Преимущества предлагаемого способа про-

изводства объемных изделий из композитов перед

известными способами (намотка, пултрузия, кон-

тактное формование и др.) очевидны и заключа-

ются в следующем:

1. отсутствие форм и технологической

оснастки существенно удешевляет и упрощает про-

цесс производства;

2. емкостное изделие, например, цистерну

или воздуховод, можно изготовить сразу с присо-

единительными патрубками и закладными элемен-

тами конструкции;

3. данная технология позволяет изготавли-

вать изделия переменного сечения и неограничен-

ной длины, определяемой только ограничениями

по транспортировке и монтажу. При этом, заготов-

ленный в цеховых условиях полуфабрикат изделия,

можно транспортировать на место установки в

свернутом виде, а окончательный монтаж (подачей

сжатого воздуха вовнутрь баллона) производить по

месту;

4. объемная конфигурация изготавливае-

мого изделия лимитируется только возможностями

по сшивке элементов конструкции, при этом само

изделие получается после полимеризации, по сути

– бесшовное.

Опытно-экспериментальные работы, выпол-

ненные в рассматриваемом направлении изготовле-

ния изделий подтвердили ожидаемые параметры и

перечисленные выше достоинства данной техноло-

гии производства.

В СКБ «Мысль» проведены опытно-экспери-

ментальные работы по изготовлению описываемым

способом емкости, элементов трубопроводной ар-

матуры (тройник, отвод), трубы переменного диа-

метра и др. Работы признаны успешными. Разрабо-

тан ряд нормативных документов на предлагаемый

способ производства изделий из композиционных

материалов. Разработаны теоретические основы

расчета конструкции ламината и оптимальной

схемы раскроя армирующих материалов, позволя-

ющие интенсифицировать процесс производства и

минимизировать производственные издержки.

Вариантами описанного технического реше-

ния являются следующие виды конструкций и тех-

нологические предложения по оптимизации от-

дельных операций и расширению функциональных

возможностей объемного способа формования в це-

лом (ноу-хау):

контробъемный способ формова-

ния/”kontrobemny molding method” (khow how) –

связующим является термореактивная смола хо-

лодного отверждения, которой пропитывается под-

готовленная заготовка детали из сухого армирую-

щего материала до подачи в баллон воздуха или

наносится на поверхность «надутой» делали руч-

ным (кистью, валиком и т.п.), механизированным

(валики с принудительной подачей связующего)

или «спрей» (аппликатором, пистолетом и т.п.) ме-

тодом;

термообъемный способ формова-

ния/”termoobemny molding method” (khow how) –

связующим является термореактивная смола, от-

верждаемая путем подачи в баллон горячего воз-

духа или обогревом «надутой» детали в термока-

мере или инфракрасными обогревателями;

УФ-объемный способ формования/”UV-

volume molding method” (khow how) – связующим

является термореактивная смола УФ отверждения;

объемно-роллтрузионный способ фор-

мования/”space-rolltruzionny molding method”

(khow how) – полнообъемная заготовка, пропитан-

ная термореактивной смолой горячего отверждения

прогоняется через систему нагретых формующих

роликов, где изделию после полимеризации смолы

придаются окончательные формы (пустотелые:

квадратная, элипсообразная, треугольная, серпо-

видная и пр.);

последовательно-объемный способ

формования/”serial-to-volume molding method”

(khow how) – способ формования, при котором

сложное объемно-пространственное изделие фор-

муется не сразу, а путем последовательного формо-

вания (с полимеризацией) его отдельных частей, в

едином технологическом цикле, для чего каждая

часть изделия снабжена индивидуальным баллоном

с отдельным приводом;


объемно-матричный способ/”space-

matrix method of forming” (khow how) – контактный

способ изготовления изделий из композиционных

материалов, при котором роль матрицы выполняет

надувная модель, выполненная из воздухо- (паро-,

водо-, газо- и т.п.) непроницаемого материала мно-

горазового применения;

гибридно-объемный способ формова-

ния/”the hybrid-volume molding method” (patent) –

способ объемного формования, при котором внут-

ренний воздухонепроницаемый баллон выполнен

из легкоплавкого термопластичного материала, ко-

торый при подаче во внутрь его горячего воздуха,

подплавляется и частично вдавливается в армиру-

ющий материал, пропитанный смолой горячего от-

верждения, а после окончания формования термо-

пластичный слой остается в изделии и выполняет

функции специализированного защитного слоя;

объемно-каркасный способ формова-

ния/”space-frame molding method” (khow how) –

суть данного варианта объемного формования за-

ключается в том, что воздухонепроницаемые бал-

лоны являются не собственно изделием, а только

его каркасом, вокруг которого сформирована по-

верхность изделия из пропитанного связующим ар-

мирующего материала;

объемно-дифференциальный способ

формования/”spece-differential molding method”

(khow how) – в данном варианте во внутренней по-

лости формуемого изделия размещено несколько

воздухонепроницаемых баллонов с индивидуаль-

ными приводами, что позволяет формовать внеш-

ний контур изделия, варьируя давление в каждом из

баллонов;

полиобъемный способ формова-

ния/”poliobemny molding method” (khow how) – в

данном варианте для формования контура изделия

применяются не только надувные баллоны, но и

полномасштабные изделия, выполненные из дру-

гих видов материалов, например, из пенопластов,

дерева, пластинина и пр.;

инжекционно-объемный способ формо-

вания/”injection volume molding method” (khow

how) – здесь предложен способ подачи связующего

методом инжекции в армирующий материал по ка-

налам, проложенным по наружной поверхности

формуемого изделия, в нескольких точках поверх-

ности, через специальные клапаны.

Литьевые способы изготовления ПКМ.

В области литьевых технологий СКБ предла-

гает способ ротационно-вибро-центробежного

формования/”the method of rotational vibration ro-

tomolding” (patent) изделий трубчатой формы, поз-

воляющий получать качественные трубы с функци-

ональными слоями, отличающимися как по

структуре композита, так и по свойствам отдельных

слоев изделия.

В области центробежных способов формова-

ния изделий из ПКМ в СКБ разработано несколько

альтернативных способов изготовления, учитыва-

ющих назначение и конфигурацию данного вида

изделий.

Интегральные конструкции.

СКБ предлагает поливариантный способ

изготовления/”multivariate method of manufactur-

ing” (patent) изделий из композиционных материа-

лов, отличающийся тем, что для изделий с разными

функциональными слоями (частями) в едином не-

прерывном технологическом процессе реализу-

ются различные способы производства, конечным

результатом которых является единое, не разъем-

ное композитное изделие, причем формование из-

делия из различных частей происходит в течение

времени полимеризации связующего.

Таким образом, предложено более 40 новых

и усовершенствованных способа изготовления из-

делий из полимерных композиционных материалов

на термореактивной матрице из органических смол.

Предлагаемые технические решения позволяют

расширить представление о способах производства

изделий из ПКМ, реализовать новые возможности

применения композитов и новые виды изделий,

прежде всего – производственно-технического

назначения.

Список литературы 1. Справочник по композиционным матери-

алам: в 2-х кн. Под ред. Дж. Любина. - М.: Маши-

ностроение, 1988 г.- 584 с.ил.

2. О.М.Джоган., О.П.Костенко. Практиче-

ская классификация методов изготовления деталей

из ПКМ пропиткой в оснастке.//Вопросы проекти-

рования и производства летательных аппаратов.:

Сб. научн. трудов Национального аэрокосмич. Ун-

та им. Н.Е Жуковского «ХАИ». – Вып.4 (68) – Х.,

2011., - С 111-125.

3. Батаев А.А., Батаев В.А. Композицион-

ные материалы: строение, получение, применение.:

Учеб. пособие. – М.: Университетская книга.

ЛОГОС. – 2006 г. – 400 с.


Шангереева Бийке Алиевна

Кандидат технических наук, Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

Шахмаева Айшат Расуловна

Кандидат технических наук, Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА КРЕМНИЕВЫХ ПОДЛОЖКАХ

ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Аннотация: В статье изложены некоторые результаты изготовления полупроводниковых прибо-

ров и кремниевых транзисторов, в частности защита поверхности кремниевых подложек. По экспери-

ментальным исследований приведены примеры и получены оптимальные технологические режимы.

Ключевые слова: подложка, кремний, пленки, процесс, полупроводниковый материал, параметры,

прибор.

Abstract: The article describes some results of manufacturing semiconductor devices and silicon transis-

tors, in particular protecting the surface of silicon substrates. In experimental studies, examples and obtained the

optimum process conditions.

Key words: the substrate, silicon, film, process, semiconductor material, settings, device.

Зарождение и развитие микроэлектроники

как нового научно-технического направления,

обеспечивающего создание сложной радиоэлек-

тронной аппаратуры (РЭА), непосредственно свя-

заны с кризисной ситуацией, возникшей в начале

60-х годов, когда традиционные методы изготовле-

ния РЭА из дискретных элементов путем их после-

довательной сборки не могли обеспечить требуе-

мую надежность, экономичность, энергоёмкость

время изготовления и приемлемые габариты РЭА.

Изменения в процессе микроэлектроники

внесло коренные в принципы конструирования

РЭА и привело к использованию комплексной ин-

теграции, которая состоит из: структурной или

схемной интеграции; операционной интеграции;

технологической интеграции.

Изменения в процессе микроэлектроники

внесло коренные в принципы конструирования

РЭА и привело к использованию комплексной ин-

теграции, которая состоит из: структурной или

схемной интеграции; операционной интеграции;

технологической интеграции.

Основной чертой микроэлектроники 70-х го-

дов является освоение выпуска больших интеграль-

ных схем (БИС) и полупроводниковых запоминаю-

щих устройств (ППЗУ).

Большим достоинством тонкопленочной

технологии является ее гибкость, выражающаяся в

возможности выбора материалов с оптимальными

параметрами и характеристиками и в получении по

сути дела любой требуемой конфигурации и пара-

метров пассивных элементов.

В связи с непрерывным развитием и совер-

шенствованием как полупроводниковой, так и тон-

копленочной технологии, а также ввиду все боль-

шего усложнения ИС, что выражается в увеличении

числа компонентов и усложнении выполняемых

ими функций, следует ожидать, что в ближайшем

будущем будет происходить процесс интеграции

технологических методов и приемов и большин-

ство сложных ИС будут изготовляться на основе

совмещенной технологии. При этом можно полу-

чить такие параметры и такую надежность ИС, ко-

торых нельзя достигнуть при использовании каж-

дого вида технологии в отдельности.

Определяющими являются активные эле-

менты, так как обычно в качестве конденсатора ис-

пользуется переход база-коллектор транзистора, а в

качестве резистора –диффузионная область, полу-

чающаяся при создании базы транзистора. Нельзя

оптимизировать параметры одного элемента, не из-

менив одновременно характеристики других. При

заданных характеристиках активных элементов из-

менять номиналы пассивных элементов можно

лишь изменением их размеров.

В микроэлектронике тонкопленочные по-

крытия диоксида титана находят применение до-

статочно широко. Для создания слоев диоксида ти-

тана используют различные методы [1,2], но

наиболее часто применяют окисление пленок ме-

таллического титана. При этом выбранный способ

окисления, параметры термического отжига опре-

деляют свойства формируемых покрытий, что обу-

славливает возможные различные области их при-

менений.

Для проведения исследований были сформи-

рованы образцы на кремниевых подложках крем-

ния КЭФ 4,5 ориентации (001). Перед нанесением

металлической пленки Ti кремниевые подложки

обрабатывались в смеси «Каро» (H2SO4+H2O2), а за-

тем в смеси (NH4OH+H2O2) с последующей отмыв-

кой в деионизованной воде.

Пленки титана наносились методом магне-

тронного распыления. Параметры: давление по-

рядка 30 Па, напряжение на подложке 170 B. Нами

была установлена температура подложки 250-300

°С, при которой осажденные металлические пленки

Ti имели наилучшие характеристики – высокую ад-

гезию и равномерность пленки по толщине по всей

площади подложки, а электрическая прочность

анодных оксидных пленок на титане максималь-

ной. Мишенью служил титан чистоты 99,98 %. Для


получения пленок титана различной толщины про-

цесс проводился в течение 5, 10, 15 мин. При вы-

бранных режимах толщина пленок диоксида титана

составляла от 40 до 75 нм.

Как показано в [3], формирование беспори-

стых плотных анодных оксидных пленок на титане

возможно в различных электролитах, таких как

гидроксид калия, растворы кислот – серной, уксус-

ной, азотной, лимонной, растворы различных солей

и др. Полученные в указанных электролитах анод-

ные оксидные пленки на титане практически не от-

личались по структуре и свойствам одни от других.

При варьировании различных характеристик про-

цесса анодирования, таких как вид электролита

анодирования, его концентрация, плотность тока

анодирования, напряжение формовки, можно полу-

чать пленки с воспроизводимыми характеристи-

ками. Для формирования пленок диоксида титана

методом электролитического анодирования нами

был выбран 0,5% водный раствор лимонной кис-

лоты. При меньших концентрациях электролита

анодное окисление идет очень медленно, наблюда-

ется низкий выход оксида. При более высоких кон-

центрациях наблюдается искрение, выделение га-

зов, происходит отслаивание пленки от подложки.

При формировании анодных пленок нами был вы-

бран потенциодинамический режим (потенциостат

П 5827М). После процесса анодирования и от-

мывки от следов электролита проводился отжиг по-

лученных пленок диоксида титана на установке

типа «Изоприн» для удаления остатков воды, а

также для стабилизации структуры пленок.

Термическая обработка является одним из

самых хорошо изученных и хорошо использован-

ных методов управления структурными, фазовыми,

электрофизическими и другими свойствами раз-

личных материалов. Она применяется для создания

тонкопленочных покрытий в микроэлектронике,

оптике, технологии порошковых и конструкцион-

ных материалов, металлургии и многих других об-

ластях техники. При термической обработке умень-

шается концентрация дефектов кристаллической

решетки, структура кристаллических тел переходит

в термодинамически более устойчивое состояние,

которому соответствуют более стабильные физиче-

ские свойства. Изменяя условия и режимы термо-

обработки, можно определенным образом влиять

на изменения структуры, а, следовательно, и

свойств кристаллических тел.

Подложки с нанесенной пленкой Ti подвер-

гались термообработке на воздухе при различных

режимах. Длительный отжиг образцов проводили в

муфельной печи на воздухе. Температура отжига

для всех образцов составляла 650ºC. Время отжига

варьировалось от 5 до 15мин.

В импульсном режиме термообработка об-

разцов проводилась в атмосфере воздуха на лабора-

торной установке типа «Изоприн» воздействием

некогерентного излучения с интенсивностью, обес-

печивающей нагрев подложек со скоростью от 60

до 150 град/с до температуры 500 – 900°С с после-

дующим постепенным охлаждением на воздухе.

При этом за 1 – 10 с происходило формирование на

кремнии пленок диоксида титана. Условия термо-

обработки позволяют получать пленки TiO2 на под-

ложках без их разогрева и тем самым исключить

внутренние напряжения в пленках покрытия, кото-

рые обычно возникают за счет разности коэффици-

ентов термического расширения с подложкой.

Исследовали влияние температуры окисле-

ния на адгезию пленок диоксида титана. Методами

электронной сканирующей микроскопии было

установлено: увеличение температуры окисления

от 550 до 900ºC приводит к уменьшению прочности

формируемых пленок. При температуре отжига 550

ºC пленка TiO2 обладает хорошей адгезией к крем-

ниевой подложке, на ней видны незначительные де-

фекты поверхности, как видно на рисунке 1, а.

Увеличение длительности окисления тонких

пленок титана приводит также к деструктивным

процессам. Отслаивание покрытия от подложки и

его разрушение начинается при температуре от-

жига 800ºC и длительности отжига 10 мин (рис.

1.б). Увеличение температуры окисления до 900 ºC

приводит к практически полному разрушению фор-

мируемой пленки, наблюдается отслаивание ее от

поверхности кремния.

Для применения слоев TiO2 в микроэлектро-

нике важно оценивать их барьерные свойства. По

результатам исследований, проведенных на вто-

рично-ионном масс-спектрометре, сравнивали по-

крытия диоксида титана, анодного (температура

800ºC, время 1 мин), и полученного термическим

окислением металлической пленки титана (темпе-

ратура 800ºC, время отжига 5 мин).

Из анализа зависимостей установлено, что

количество атомов кремния, проникших в форми-

руемый оксид, больше в случае длительного окис-

ления металлической пленки титана. Очевидно,

микротрещины, возникающие в слое диоксида ти-

тана при длительном окислении, способствуют

проникновению атомов кремния в формируемый

оксид.

Нами были исследованы барьерные свойства

покрытий диоксида титана, полученных методом

высокотемпературного окисления слоев Ti с образ-

цами анодного TiO2. (отжиг при температуре 750ºC

в течение 3 с). Сравнение проводили по распреде-

лению атомов титана, кислорода и кремния по тол-

щине пленок. Для этого использовали метод оже-

электронной спектроскопии. Установлено, что в

случае анодного оксида проникновение кремния в

глубину формируемого слоя происходит в меньшей

степени.


а) б)

Рис.1. Внешний вид пленки TiO2, сформированной термическим окислением металлического Ti: а) тер-

мообработка при температуре 550 ºC в течение 60 с,

б) термообработка при температуре 800 ºC в течение 9±1 мин

Структурные свойства тонкопленочных по-

крытий TiO2 на кремниевых подложках оценива-

лись по распределению Ti, O, Si по толщине пленок

диоксида титана (рисунок 2 а, б).

а) б)

Рис. 2. ВИМС -распределения кремния, кислорода, титана по толщине пленок: а)- полученного термиче-

ским окислением пленок Ti, б)- анодного TiO2

Из результатов ОЖЕ-анализа следует, что

пленки TiO2, полученные высокотемпературным

импульсным отжигом как тонких пленок Ti, так и

тонких пленок анодного TiO2 имеют состав, близ-

кий к стехиометрическому и могут служить удовле-

творительным барьерным слоем для предотвраще-

ния проникновения атомов кремния в

формируемый оксид.

Проведены исследования зависимости каче-

ства поверхности сформированных пленок TiO2 от

температуры и времени отжига. Для пленок, полу-

ченных окислением слоя металлического титана,

при увеличении времени импульсного отжига от 3

до 10с приводит к появлению небольших деструк-

турированных участков на поверхности. При повы-

шении температуры отжига от 700 до 900ºC наблю-

дается укрупнение деструктурированных участков,

а при увеличении времени отжига до 20 с происхо-

дит частичное разрушение и отслаивание пленки.

Пленки анодного диоксида формировались без ви-

димых дефектов поверхности.

Влияние длительности и температуры им-

пульсного отжига на структурные изменения пле-

нок TiO2 исследовали на основе анализа оже-про-

филей. Кратковременный отжиг приводит к

формированию структуры, имеющей неравномер-

ное распределение атомов титана и кислорода по

толщине. Это свидетельствует о том, что структур-

ные изменения в пленке не завершены.

Стехиометрический диоксид титана форми-

руется по всей толщине покрытия при увеличении

длительности отжига до 10 с. при этом происходит

завершение процесса рекристаллизации в форми-

руемом слое диоксида титана.

Известны способы получения окиси титана

(ТiО2), сущность которых состоит в получении ти-

тановой пленки методом катодного распыления и


электронно-лучевым испарением титана с последу-

ющим его окислением при температурах 700-9500С

[4].

Основным недостатком этого способа полу-

чения диэлектрических пленок являются высокая

температура длительность процесса.

Технология получения диэлектрической

пленки диоксида титана (TiO2) отличается от из-

вестных, тем, что в качестве окислителя исполь-

зуют кислород O2 с добавкой закиси азота NO, что

снижает температуру процесса. Режимы проведе-

ния процесса обусловлены тем, что нижний темпе-

ратурный интервал лимитируется температурой

возгонки пентахлорида титана. При проведении

процесса выше 400 С все большая часть окиси ти-

тана окисляется в газовой фазе, засоряя реакцион-

ную камеру и ухудшая качество образующейся

пленки.

Известен следующий способ защиты поверх-

ности полупроводниковых кристаллов, сущность

которых состоят в том, что поверхность p-n- пере-

ходов защищают различными пленками на основе

окислов металлов: циркония, титана, бериллия и др.

[5].

Основными недостатками этих способов яв-

ляется длительность процесса, низкий процент вы-

хода годных кристаллов и ухудшение электрофизи-

ческих параметров.

Целью исследования состоит в сокращении

длительности процесса, улучшении электрофизи-

ческих параметров и получение выхода годных

кристаллов.

Поставленная цель исследования достига-

ется использованием защитной пленки на основе

пленки окиси титана.

Целью экспериментальных исследований

состоит в том, что защита поверхности полупровод-

никовых кристаллов осуществляется на основе

пленки окиси титана вакуумным катодным распы-

лением. Создание защитной пленки проводится в

печи при температуре 1100 C, а температура кри-

сталла 700 C. Расстояние между источником окиси

алюминия и кристалла 10 см.

Контроль толщины защитной пленки титана

=1,1±0,1 мкм.

Предлагаемый способ отличается от извест-

ных тем, что защиту поверхности p-n переходов

проводят с помощью порошка окиси титана. Затем

через рабочую камеру пропускают инертный газ и

устанавливают перепад температур между источ-

ником окиси титана и полупроводниковым кри-

сталлом и при увеличении разницы температур ско-

рость реакции повышается.

Экспериментальные исследования подтвер-

ждаются следующими примерами:

ПРИМЕР 1: Процесс защиты поверхности

полупроводниковых кристаллов осуществляется

вакуумным катодным распылением. Создание за-

щитной пленки проводится в печи при температуре

рабочей зоны -1000 С, температура полупроводни-

кового кристалла 700 C. Затем источник окись

алюминия в виде порошка загружают в кварцевую

трубу, несущим агентом служит галоген HBr. Рас-

стояние между источником окиси титана и кристал-

лом 5 см. По окончания процесса кварцевую ло-

дочку с порошком окиси алюминия медленно

выдвигают из печи.

Контроль толщины защитной пленки осу-

ществляется с помощью микроскопа МИИ-4. Тол-

щина защитной пленки окиси титана =0,8±0,1

мкм.

ПРИМЕР 2. Способ осуществляют анало-

гично примеру 1. Процесс проводят при темпера-

туре нанесения защитной пленки -1050 С.

Температура полупроводникового кри-


титана и кристалла 10 см.


ществляется с помощью микроскопа МИИ-4.

Толщина защитной пленки =0,9±0,1 мкм.



















Таким образом, предлагаемый способ по

сравнению с известными позволяет получить за-

щитную пленку для защиты поверхности p-n пере-

ходов на основе порошка окиси титана, где через

рабочую камеру пропускают инертный газ и уста-

навливают перепад температур между источником

окиси титана и полупроводниковым кристаллом и

при увеличении разницы температур скорость ре-

акции повышается.


1. Юнг Л. (1967) Анодные окисные пленки. -

Л: Энергия, - 232 с

2. Тонкие поликристаллические и аморфные

пленки: Физика и применения. Пер. с англ. / Под.

ред. Л. Казмерски. - М.: Мир. 1983. - 304 с.

3. Иванов М.В., Горбунова К.М. (1979) По-

лучение покрытий диоксида титана анодным окис-

лением // Современные методы нанесения гальва-

нических и химических покрытий: Материалы

семинара. -М. - С. 147-150.

4. Черняев В.Н. (1987) Технология производ-

ства интегральных микросхем и микропроцессо-

ров. М.: Радио связь. 463 с.

5. Курносов А.И. (1980) Материалы для по-

лупроводниковых приборов и интегральных схем. -

М.: «Высшая школа». 327 с.


4. Саркаров Т.Э., Шахмаева А.Р., Шангере-

ева Б.А. (2005) Метод формирования диэлектриче-

ских пленок TiO2. Проектирование и технология

электронных средств. -№4. -С.34-37.

5. Исмаилов Т.А., Саркаров Т.Э., Шахмаева

А.Р., Шангереева Б.А. (2007) Способ осаждения из

газовой фазы тонкой пленки оксида титана (ТiО2)

(тезисы). Сборник тезисов докладов XXVIII итого-

вой научно-технической конференции преподава-

телей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ.

Технические науки. –Махачкала: ДГТУ. -Ч.1. -С.

70-71.

American Scientific Journal

№ 1 (1) / 2016

Vol. 2

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, Massachusetts Institute of

Technology, Boston, USA

Assistant Editor - Samanta Brown, Doctor of Physical Sciences, American Institute of

Physics, Maryland, USA








Andrey Chigrintsev - Doctor of Geographical Sciences, University of South Carolina, Colum-

bia, United States


Angelina Pavlovna Alushteva - Candidate of Technical Sciences, Institute of Computer Sys-

tems and Information Security (ICSiIS), Krasnodar, Russian Federation






Adel Barkova - Doctor of Political Sciences, Univerzita Karlova v Praze, Prague, Czech Re-

public



Layout man: Mark O'Donovan

Layout: Catherine Johnson

Address: 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

Web-site: http://american-science.com

Е-mail: [email protected]

Copies: 1000 copies.

Printed in 90 st. – Elmhurst AV, Queens, NY, United States

http://american-science.com/

mailto:[email protected]

Documents

Chief Editor- Endrew Adams, Doctor of Technical Sciences, … · 2017. 1. 7. · explored soils to date are the soils of the Darkhat de-pression, marshy meadows and lake-bog complexes