Космические и биологические ритмы

Ритм как упорядочение времени

Лекция 3. Ритмы, колебания, волны

План лекции:

1.Ритм как упорядочение времени

2.Космические и биологические ритмы.

3.Общая характеристика колебаний.

4.Виды колебаний.

5.Общая характеристика волны.

6.Упругие волны.

7.Электромагнитные волны.

8.Волновые явления.

Временной ритм - тип связи событий, обеспечивающий упорядочение процессов во времени. Ритм формируют временнỳю структуру,согласовывает функционирование отдельных частей во времени и организующий отдельные процессы в единую систему. Ритм определяет меру времени, лежит в основе измерения времени. Ритмичность, периодичность предполагают повторяемость, возврат. Вместе с тем время необратимо. Необратимость и ритмичность – взаимно противоречивые свойства времени, диалектически связанные друг с другом. Ритмические (циклические) процессы имеют место на всех уровнях организации Вселенной (от атома до галактик), на всех ступенях эволюции. Ритмичность – общая черта живого и неживого, это фактор, способствующий единству природы, и следствие этого единства. Цикличность характеризует геологическое развитие (движение Земли, сложное сочетание изменений гравитационного и магнитного полей, потоков космических лучей и радиации, глобальные оледенения и сейсмическую активность земной коры). Ритм в живой природе – форма синхронизации жизнедеятельности организма с изменениями внешней среды. Циклично историческое развитие (пассионарные взлеты и падения этносов) и разнообразные процессы в экономической сфере. Ритм – основа гармонии в музыке, живописи, поэзии. Поэтому выяснение сущности ритмических явлений и их описание имеет огромное значение для формирования научной картины мира. Ритм – предмет науки – ритмологии, - объединяющей различные разделы физики, химии, астрономии, геологии, биологии, медицины и т.д.

Ритмические процессы во Вселенной можно разделить на две группы: ритмы по антропной (соизмеренной с жизнью человека) и геологической (не соизмеренной с жизнью человека) шкале времени.

К первой группе относятся ритмы следующих процессов.

Суточный ритм. Сутки – время полного оборота Земли вокруг оси. При этом все тела на поверхности Земли, находящиеся на экваторе, приобретают линейную скорость 0,5 км/с. Ось вращения Земли в настоящее время наклонена к плоскости орбиты (эклиптике) под углом 66⁰33¢. Этот наклон – причина изменения продолжительности дня и ночи в течение года. На вращение Земли оказывает влияние притяжение Луны. Помимо приливов луна вызывает замедление вращения Земли. С помощью точных атомных часов установлено, что за каждые 100 лет «суточные часы» отстают на 100 с, а за 2000 лет – на 3,5 часа.

Годичный ритм. Год – время оборота Земли вокруг солнца, линейная скорость вращения Земли 30 км/ч. Орбитальное движение Земли обеспечивает климат различных областей земной поверхности. Солнце – важнейший источник энергии: за 1с Земля получает 1,8×10¹⁷ Дж, и это только 0,5×10^-9 часть выделяемой солнцем энергии. В ходе орбитального движения происходит смена времен года. Причина этого – наклон земной оси (на Уране и Юпитере, оси которых не наклонены к эклиптике, времен года нет)

Одиннадцатилетний ритм солнечной активности. Солнце – гигантский ядерный реактор, действие которого сопровождается освобождением частиц с высокой энергией. Время от времени в его магнитном поле возникают неоднородности, в области которых величина поля существенно возрастает. Эти неоднородности визуально выявляются в виде пятен. Перестройка солнечных пятен сопровождается вспышками (взрывами) – выделением энергии и образованием мощных потоков частиц. Соответственно происходят изменения в магнитосфере Земли, возникают магнитные бури, развиваются циклоны и другие метеорологические явления. Вспышка длится 8 мин, а ее последствия – до 2 суток. Но бывают периоды (до нескольких лет) когда число пятен заметно увеличивается, вспышки следуют одна за другой. Солнечная активность – число вспышек в месяц - резко возрастает. Это обусловлено вращением магнитного поля солнца с периодом приблизительно 22 года, так что через каждые 11 лет меняется полярность. При совпадении магнитной оси с осью вращения солнца активность минимальная, когда магнитная ось перпендикулярна оси вращения, –активность максимальна. Солнечная активность заметно влияет на биосферу Земли. Еще в 1801 г. английский астроном У. Гершель (1738 – 1822) отметил корреляцию между усилением солнечной активности и повышением урожайности сельскохозяйственных культур. А. Л. Чижевский (1897 – 1964) исследовал различные аспекты этого явления, установил корреляцию солнечной активности с целым рядом природных и социальных явлений (изменением грунтовых вод, повторяемостью засух, ураганов, возникновением эпидемий, ростом преступности). Его работы легли в основу новой науки: гелиобиологии. Чижевский рассматривал солнечную активность как один из существенных факторов, определяющих динамику всемирно - исторического процесса. Согласно его учению, «состояние предрасположения к поведению человеческих масс есть функция энергетической деятельности Солнца: усиление солнечных потоков воздействует на нервную и гормонально - эндокринную системы индивидуумов, что приводит к повышению коллективной возбудимости, неуравновешенности, агрессивности, экстремального поведения». Если в этот период в обществе нет объединяющей «идеи», то растет преступность, а если есть «идея» - как правило происходят революции: в годы повышенной активности произошли 60% подобных социальных движений (1789 г.,1830 г., 1848 г., 1905 г., 1917 г.), при минимуме активности – 5%.

Ритмы по геологической шкале времени включают следующие процессы.

Прецессия земной оси. Ось Земли прецессирует – описывает конус вокруг перпендикуляра к эклиптике с углом раствора 46^°53¢ т.е. с углом наклона к перпендикуляру под углом 23^°26,5¢. Период прецессии составляет приблизительно 25800 лет. Прецессия обусловлена влиянием гравитационных полей Луны и Солнца. По мнению некоторых ученых она является одной из главных причин глобальных колебаний климата (периодических оледенений). История Земли насчитывает десятки ледниковых периодов. Последний был около 2000 лет назад. В прежние века климат был теплее: 1000 лет на Британских островах выращивали виноград, а в центре Евразии от Уссури и до Дуная была вековая засуха. В пределах глобальных колебаний климата периодически возникают малые (с меньшей амплитудой температуры и периодом). Так с XV по XIX века наблюдался малый ледниковый период, и в настоящее время климат несколько теплеет (главным образом в следствии причин техногенного характера).

Колебания магнитного поля Земли. Магнитное поле Земли непостоянно. Периодически происходит изменение (инверсия) его полярности. Это изменение происходило в среднем не менее трех раз за каждый миллион лет. В период смены полярности предшествует Земля теряет магнитосферу, защищающую ее от интенсивных потоков космического излучения. Инверсии («переключения» магнитного поля) влекут за собой катастрофические изменения биосферы: мутации в клетках живых организмах, вымирание биологических видов.

Обращения Солнца вокруг цента галактики. Период этого обращения составляет приблизительно 250 млн. лет и называется галактическим годом. Скорость движения Солнца (и всей солнечной системы) по галактической орбите составляет около 250км/с, радиус орбиты Солнца - примерно 30000 световых лет. Наша Галактика – Млечный путь - система, состоящая из сотни миллиардов звезд. Она относится к дискообразным галактикам и имеет сложную структуру: спиральные рукава, содержащие яркие молодые звезды. вращаются с постоянной угловой скоростью («твердотельной»), а галактическое вещество диска галактики – звезды низкой светимости, межзвездный газ, заполняющие пространство между рукавами, имеют угловую скорость, убывающую с удалением от центра. Диск вращается быстрее, чем спиральный узор и возникает явление, называемое галактической ударной волной. Но есть зона, где эти скорости вращения совпадают – зона коротации (совместного вращения). Это кольцо шириной около 800 световых лет радиусом 30000 световых лет т.е. соответствующим радиусу солнечной орбиты. Участки коротационного круга, вне рукавов – это зоны, где нет ударных волн, редки вспышки сверхновых, и устойчивый «галактический климат» сохраняется миллиарды лет. Именно в этих зонах на образовавшихся около звезд планетах возможна химическая эволюция, в ходе которой формируются сложные комплексы органических молекул, а затем и возникновение жизни. Вспышки сверхновых губительны для жизни.

Биологические ритмы – периодические процессы, наблюдаемые на всех уровнях организации живых систем и характеризующиеся широким диапазоном частот.

Можно выделить клеточные, органные, организменные, популяционные ритмы. Частотные диапазоны этих классов перекрываются, но наблюдается тенденция к удлинению периодов по мере усложнения систем.

По функциональной направленности различают собственные рабочие (физиологические) ритмы, обеспечивающие сбалансированность физико – химических процессов в организме, и адаптивные, роль которых – обеспечение приспособляемости организма к изменениям среды, а периоды близки к параметрам геофизических циклов.

По природе ритмические процессы подразделяются на механически е (биение сердца, ритм дыхания, сокращения перистальтики и др.) и электромагнитные (a - ритмы головного мозга)

Частотный диапазон биологических ритмов достаточно широкий. В нем можно выделить ритмы высокой частоты (с периодами от доли секунд до 30 мин.): осцилляции на молекулярном уровне, a - ритмы головного мозга, биение сердца, ритмы дыхания, перистальтики кишечника), - а также макроритмы (от 10 - 20 дней до года): периодические изменения трех интегральных составляющих жизнедеятельности человека: физического самочувствия, эмоционального состояния и интеллектуальной активности (каждому человеку полезно знать и учитывать эти показатели для себя, в особенности - время совпадения их минимумов, так называемые «тройные точки»: в такое время увеличивается вероятность негативных последствий).

Дата добавления: 2014-01-11