Геомагнитное поле Земли

Влияние магнитных полей на биообъекты различного уровня

Магнитные свойства обнаруживаются во всем окружающем нас мире: от элементарных частиц до безграничных космических пространств. Интерес к вопросу о влиянии магнитного поля возник в относительно давние времена. Еще в древности в Китае знали об особых свойствах железной руды, которая содержит атомы железа различной степени окисления, названная впоследствии магнетитом. В Китае во II веке до н. э. и был изобретен первый компас, с которым в Европе познакомились в ХII веке. Описание биполярного характера магнита и магнитных силовых линий впервые встречаются в 1269 году в трактате Петра Перегрина «Послание о магните». Однако принцип действия компаса был понят после исследований, выполненных в 1600 году английским медиком и физиком У. Гильбертом, который в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните Земля» первым высказал идею о намагниченности Земли. Резкое увеличение научных исследований и публикаций по магнитобиологии отмечается с 1960-х годов. Открытие таких направлений науки как гелиобиология и космическая биология с полным основанием связывают с именами А.Л. Чижевского и В.И. Вернадского.

Все источники электромагнитного поля (ЭМП) можно разделить на естественные и техногенные.

К естественным относят геомагнитное поле Земли (ГМП). Меньшее значение в формировании естественного электромагнитного фона Земли имеют грозовая активность (атмосферные разряды), электромагнитные излучения всего радиочастотного диапазона, инфракрасное и ультрафиолетовое излучения, видимый свет, ионизирующее излучение. Естественные ЭМП представляют собой спектр электромагнитных «шумов», в условиях которых существует все живое на Земле.

Особое внимание при изучении влияния естественных ЭМП на живую природу уделяется ГМП – одному из важнейших экологических факторов окружающей среды.

Магнитное поле Земли – диполь, ось которого составляет с осью вращения Земли угол 11°, не проходит через геометрический центр вращения Земли, а сдвинута на 342 км в сторону, противоположную оконечности Бразилии. Полярность ГМП противоположна географической. Северный магнитный полюс расположен на юге, в Антарктиде, а Южный – на севере, в Канаде. Так, г. Москва, расположенная на 560 северной географической широте, имеет южную магнитную широту 510. Наклон и смещение оси диполя по отношению к оси вращения, а также величина магнитного момента определяют лишь общую картину магнитного поля Земли. На малых расстояниях от Земли поле несколько искажается под влиянием магнитных аномалий: Бразильской, Южноатлантической, Северной и др. На расстоянии более 6-7 радиусов Земли оно существенно искажено солнечным ветром (магнитным полем, вмороженным в плазму солнечного ветра). На расстоянии менее 6-7 радиусов Земли магнитное поле можно считать почти дипольным, сферически симметричным и не зависящим от долготы.

Установлено, что напряженность поля различна на разных географических широтах и постоянно меняется во времени. На северном геомагнитном полюсе напряженность составляет 0,6 эрстед (Э), на южном - 0,7 Э, на магнитном экваторе - 0,35 Э. В отдельных местах (например, в районах Курской, Криворожской, Кольской магнитных аномалий, аномалии на Урале и др.) напряженность поля может быть значительно выше. Так, самая высокая напряженность поля Курской магнитной аномалии достигает 1,5-1,9 Э. Обычно сильные магнитные аномалии связываются с залежами магнетитовых (FeO, Fe₂O₃) и титаномагнетитовых руд (примеси TiO₂), с залежами других пород, обогащенных магнетитом, с некоторыми пирротиоловыми (FeS) месторождениями. Проявления слабых магнитных аномалий обусловлено залежами бурых и красных железняков, марганца, хромита, а также с интрузиями и местами контактов различных горных пород, отличающихся магнитными свойствами.

Магнитное поле Земли (как векторное поле) характеризуется вектором напряженности (НТ), который в направлении магнитного меридиана можно разложить на две составляющие: горизонтальную Н, действующую в горизонтальной плоскости, и вертикальную Z, перпендикулярную к Н. Горизонтальную составляющую в свою очередь можно разложить на силу, направленную вдоль географического меридиана, так называемую северную составляющую Х, и силу, перпендикулярную к меридиану, - восточную составляющую У. Стрелка компаса в каждой точке Земли направлена вдоль магнитного меридиана, т. е. вдоль условной плоскости земной поверхности, совпадающей с направлением ГМП.

Полный вектор магнитного поля Земли наряду с изменением абсолютной величины претерпевает изменения в пространстве. Положение вектора в пространстве может быть характеризовано двумя угловыми величинами – склонением и наклонением. Магнитное склонение D является углом в горизонтальной плоскости, т. е. углом между географическим меридианом (линия север-юг) и магнитным меридианом данного места на Земле. Магнитное наклонение I - угол между горизонтальной плоскостью и направлением напряженности полного вектора ГМП (рис. 1).

По структуре ГМП Земли можно разделить на постоянное (период изменения - сотни лет) и переменное (период - меньше года). Переменное ГМП имеет либо определенный и плавный ход, либо беспорядочный, при котором амплитуда, фазы и периоды колебаний резко и непрерывно меняются.

По классификации Б.М. Яновского (1978) ГМП является суммой нескольких полей: Н0 - поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара; Нm – поля, создаваемого неоднородностью глубоких слоев земного шара, материкового поля; На – поля, обусловленного различной намагниченностью верхних частей коры, аномального поля; Нe – поля, источник которого находится вне Земли, внешнего поля; δН – поля вариаций, вызванными причинами лежащими вне Земли. Полное магнитное поле НТ= Н0 + Нm + Не + На + δН. Исследователи установили, что происхождение ГМП почти полностью связано с внутренними причинами, обусловленными глубинными слоями Земли (ядро, оболочка, кора) и сложными индукционными токами в них, а значительно меньшая часть ГМП связана с внешними причинами, среди которых главную роль играют токи в ионосфере и магнитосфере. Современные теоретические работы дают основание полагать, что главной причиной ГМП являются вихревые электрические токи в жидком ядре Земли.

В результате хромосферной вспышки на Солнце, ее волновые компоненты - ультрафиолетовое, мягкое рентгеновское и жесткое корпускулярное излучение обнаруживаются на Земле через 8 минут, вызывая ионизацию нижнего слоя ионосферы, т. е. практически одновременно со вспышкой, а медленное корпускулярное излучение (представляет собой водород с небольшой примесью гелия, вследствие ионизации атомов находящиеся в плазменном состоянии) достигает Землю за 2 - 3 дня. Это приводит к геомагнитным возмущениям, т. е. изменениям параметров магнитного поля от спокойного уровня.
Для характеристики вариаций магнитного поля Земли и степени магнитной активности используют различные индексы - всего более 20.

В медико-биологических исследованиях наиболее часто используют следующие:

· К-индекс – локальная трехчасовая объективная оценка возмущенности магнитного поля Земли. Запись магнитного поля на одной обсерватории. Минимальная величина К-индекса – 0, максимальная – 9.

· Кp-индекс – планетарный трехчасовой индекс. Осреднение К-индексов 12 обсерваторий, расположенных между 48° и 63° северной и южной геомагнитных широт. В качестве суточной характеристики применяется К N,S – сумма восьми значений «К» за сутки (28 – бальная система).

· АР-индекс – планетарная среднесуточная эквивалентная амплитуда вариации магнитного поля Земли. Вычисляется по индексам Кр. С – локальная среднесуточная, глазомерная оценка возмущенности геомагнитного поля Земли. Записи вариаций геомагнитного поля на одной обсерватории.

· ММП (знак поля) – направление межпланетного магнитного поля. Записи вариаций магнитного поля Земли на полярных обсерваториях «Восток» и «Туле».

· Числа Вольфа – относительные числа солнечных пятен R, W.

Геомагнитная активность обусловлена активностью Солнца и связана с крупными возмущениями межпланетной среды. Существуют два класса явлений, способных вызвать магнитную бурю на Земле: высокоскоростные потоки солнечного ветра и крупномасштабные выбросы солнечного вещества. Увеличению геомагнитной возмущенности обычно предшествует или прохождение через центр солнечного диска коронарной дыры (источника высокоскоростного потока), или эруптивные явления (вспышки, исчезновение волокон) в центральной зоне Солнца. Возмущения естественного магнитного поля Земли могут иметь локальный характер и наблюдаться только в ограниченном секторе долгот и широт или охватывать одновременно всю Землю. Такие возмущения принято называть магнитными бурями. Магнитная буря, являясь следствием вспышек на Солнце, сопровождается быстрым (в течение от одного до нескольких часов) изменением магнитного поля с амплитудами в средних широтах от 100 до 500 нанотесл (нТл) и более. При этом нормальные суточные вариации магнитного поля Земли не превышают 50-70 нТл. По интенсивности магнитные бури могут быть большими, умеренными и слабыми. Наиболее сильные магнитные бури приходятся на период роста и спада солнечной активности, а их частота (количество) тем больше, чем выше солнечная активность в данном году. При этом частота магнитных бурь зависит также от времени года и имеет тенденцию к увеличению в периоды равноденствий.

Выделяют магнитные бури с внезапным и постепенным началом. В первом случае на фоне спокойного хода всех элементов внезапно происходит скачок, отмечаемый одновременно в пределах 1-2 минут на всех станциях Земли. Во втором случае возмущения возникают в виде постепенного увеличения амплитуды всех элементов. В этом случае моменты начала бури, определяемые на разных станциях, могут отстоять друг от друга на час и больше.

Техногенные электромагнитные поля (ЭМП) создаются источниками переменного (ПеМП) и постоянного (ПМП) тока и имеют широкий диапазон частотных характеристик. Уровень электромагнитного излучения в десятки тысяч раз превышает естественный электромагнитный фон. За последние 50 лет только мощность радиоизлучения объектов гражданского назначения увеличилась более чем в 50000 раз. ЭМП является сложным событием объективного мира и обладает несколькими биотропными параметрами: индукция (Тл), частота (Гц), форма импульса, градиент (Тл/м), вектор, экспозиция (с), локализация.

В соответствии с международной классификацией среди антропогенных источников ЭМП выделяют 2 группы:

· Источники электромагнитных излучений крайне низких и сверхнизких частот (0-3 кГц);

· Источники электромагнитных излучений радиочастотного и микроволнового диапазона (3 кГц – 300 ГГц).

К первой группе относят все системы производства, передачи и распределения электроэнергии: воздушные линии электропередач (ЛЭП), электростанции, генераторные и трансформаторные подстанции, системы электропроводки жилых и общественных зданий, телефонные кабельные системы, кабельные системы заземления и др. устройства, которые используют электроэнергию промышленных частот (50-60 Гц). К ним относят электробытовую и офисную технику, а также электротранспорт.

Вторая группа антропогенных источников электромагнитного поля представлена средствами получения и передачи информации: радиостанции, радиолокационные станции, радио- и телепередатчики, телевизоры, компьютерные мониторы, микроволновые печи, а также медицинское и диагностическое оборудование. Большинство из перечисленных средств являются источниками электромагнитного излучения сверхвысоких частот (20 МГц – 3 ГГц), т.е. микроволнового излучения. В таблице 1 и на рисунке 2 приведены данные, полученные Ю.Г. Григорьевым (1997) об уровнях ЭМП, генерируемых электрическими приборами и вблизи от ЛЭП.

Рисунок 2 - Распределение магнитного поля вблизи воздушных ЛЭП.

Данные, представленные на рис.2, свидетельствуют о превышении допустимых величин магнитного поля в районах ЛЭП с напряжением в 500 кВ.

Таблица 1 - Максимальное расстояние от бытовых электрических приборов,
на котором регистрируется магнитное поле выше предельного уровня 0,2 мкТл

Электроприборы	Потенциально опасное расстояние
Холодильник	- 1,2 м от дверцы, 1,4 м от задней стенки
Утюг	- 0,25 м от ручки
Телевизор (36 см)	- 1,1 м от экрана, 1,2 м от боковой стенки
Электрорадиатор	- 0,3 м
Торшер (2 лампы по 75 Вт)	- 0,03 м от провода
Электродуховка	- 0,4 м от передней стенки
Электрогриль	- 1,4 м от боковой стенки

Рассматриваемое в данной главе влияние естественного и искусственных магнитных полей имеет принципиальное значение при обсуждении их биотропных эффектов, а также отдаленных патологических проявлений.

Дата добавления: 2015-06-26