6.7. Магнитоэлектронные устройства в экологии и медицине

В конце 70-х годов начались систематические исследования влияния магнитного ноля и электромагнитного излучения на человека и окружающую среду. Первые публикации в прессе были очень обппфньп*а1, и в качестве популярного объяснения этих вездесущих полей было принято слово смог , производное от англ. smoke - дьпй и туман.

В последние годы за рубежом все большее распространение получает такое понятие, как электросмог. Этот термин используется для характеристики влияния магнитных и электромагнитных полей на окружающую среду и человека.

В связи с чрезвьгаайной важностью влияния электросмога на окружающую среду и здоровье человека в 1992 г. бьша создана Международная комиссия по защите от неионизируюших излучений в качестве компаньона Международной ассоциации радиационной защиты, были разработаны соответствующие Стандарты Европейского союза.

В природе известны электрическое поле и магнитное как две составляющие электромагнитного поля. Обе эти составляющие части существуют как в природе, так и являются результатом деятельности человека. Разница между этими полями заключается в том, что в большинстве своем естественные поля постоянные, то есть они не меняют полярность. В отличие от этого поля искусственного происхождения переменные, так как они генерируются переменньпи током.

В международной практике напряженность электрического поля обозначается символом Е и измеряется в вольтах на метр (В/м). Папряженность магнитного поля П измеряется в амперах на метр (А/м) или в величинах магнитной индукции В в теслах (Тл) или гауссах (гс).

Понятие о магнитосфере

Огромное влияние на природу и человека оказывает магнитосфера - самая внепшяя и протяженная оболочка Земли. Это область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным нолем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц. Строение магнитосферы Земли приведено на рис. 6.79.

Магнитопауза

Рис. 6.79. Строение магнитосферы Земли

Земля постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца, так называемого солнечного ветра , который образуется благодаря непрерывному расппфению (истечению) плазмы солнечной короны и состоит из заряженных частиц (протонов, ядер и ионов гелия, а также более тяжелых положительных ионов и электронов). Солнечная плазма несет с собой магнитное ноле, напряженность которого в среднем равна 4,8г10 А/м (бгЮ' э).

При столкновении потока солнечной плазмы с нренятствием - магнитным нолем Земли - образуется распространяющаяся навстречу потоку ударная волна (рис. 6.79), фронт которой со стороны Солнца в среднем локализован на расстоянии 13-14 радиусов Земли (83-89 тыс. км) от ее центра.

За фронтом ударной волны следует переходная область толщиной ~20 тыс. км, где магнитное ноле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение ее частиц - хаотичным. Переходная область примыкает неносредственно к магнитосфере Земли, граница которой - магнитопауза - проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновепшвается давлением магнитного ноля Земли. Она расположена со стороны Солнца на расстоянии 12 земных радиусов (70-80 тыс. км.) от центра Земли, ее толщина ~100 км. Напряженность магнитного ноля Земли у магнитонаузы составляет ~8г10 А/м (10 э), то есть значительно выше напряженности ноля солнечной плазмы на уровне орбиты Земли.

Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от Земли структуру ее магнитного ноля. Примерно до расстояния трех земных радиусов (~20 тыс. км.) от центра Земли магнитное ноле еще достаточно близко к нолю магнитного диполя (напряженность ноля убывает с высотой ~1/R). Регулярность ноля здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние аномалий сказывается до высот ~0,5R над поверхностью Земли).

На расстояниях, нревышаюшдх ~20 тыс. км, магнитное ноле ослабевает медленнее, чем ноле диполя, а его силовые линии с солнечной стороны несколько прижаты к Земле.

Линии геомагнитного ноля, выходяпще из полярных областей Земли, отклоняются солнечным ветром на ночную сторону Земли. Там они образуют хвост , или шлейф , магнитосферы протяженностью более 5 млн. км [12,25].

Страница 327 Возмущения магнитного поля Земли

Магнитное ноле Земли подвержено веювым изменениям, которые, видимо, связаны с причинами, лежапрши в недрах Земли. Однако существуют изменения магнитного поля, имеюпще периодический характер. Эти изменения имеют внепшие причины и связаны с деятельностью Солнца.

Все геомагнитные колебания условно подразделяют на два класса: регулярные и нерегулярные.

Регулярные колебания характеризуются устойчивостью и получили обозначение Р^. Этот класс колебаний в свою очередь делится на пять подклассов.

Нерегулярные колебания Р. содержат два подкласса.

Для дневных часов характерен устойчивый тип колебаний Р^, для ночных - нерегулярный тип Р..

Устойчивые нерегулярные колебания, как полагают, связаны с солнечными, лунными и звездными сутками. Так, плавное изменение магнитного поля в пределах от нескольких до десятков гамм (1 гамма = 10 гс = 1 нТл) объясняют динамо-эффектом , возникаюпрш при движении ионизированного вещества поперек силовых линий поля. Такого рода движения могут быть как приливного характера (вызваны силой тяготения Луны и Земли), так и обусловлены атмосферной циркуляцией, которая возникает при пагреве атмосферы Солнцем. Интересным типом регулярных короткопериодических колебаний являются колебания типа жемчужин , которые обьясняются взаимодействием заряженных частиц, испускаемых Солнцем, с электромагнитным полем в плазме. Период повторения колебаний типа жемчужин составляет 1-4 мин. Амплитуда колебаний ~10-100 гамм. Жемчужины с периодом колебания 1 > 2-3 с появляются чаще всего на небольпшх территориях, в то время как 1 < 2 с - гаобально.

К нерегулярным колебаниям относятся всплески колебаний в ночное время, получивпше название цугов (режим Р.). Период таких колебаний может меняться в интервале от 1 до 150 с.

В околоземном космическом пространстве и на поверхности Земли колебания геомагнитного поля происходят в пшроком диапазоне частот (от 10 до W Гц) и амплитуд (от 10 до 10-э).

В спокойное время в низких и средних ппфогах наблюдаются периодические солпечно-суточпые и лунпо-суточные магнитные вариации с амплитудами 30-70 гамм и 1-5 гамм соответственно.

Магнитные возмущения, охватываюпще всю Землю и продолжаюпщеся от одного до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда отдельных составляюшдх может превзойти 1000 гамм. Магнитные бури, как правило, протекают в три фазы. В первую фазу, которая продолжается несколько часов, происходит возрастание горизонтальной составляющей компоненты поля Н до нескольких десятков и даже сотен гамм. Спустя примерно час начинается убывание величины горизонтальной составляющей до напряженности на 100 гамм ниже нормальной. Это вторая фаза, которая продолжается примерно 12 ч. Следующая, заключительная фаза, во время которой напряжепность достигает нормы, продолжается несколько дней. Это, прежде всего, относится к магнитным бурям, наблюдаюпршся вблизи полярных сияний.

По интенсивности магнитные бури условно разделяют на очень больпше (более 200-500 гамм), больпше (100-200 гамм) и малые (50 гамм). Слабые магнитные бури имеют 27-дневную периодичность. Это дает основание полагать, что на Солнце существуют магнитоактивные области (М области); период появления их равен времени оборота Солнца вокруг своей оси (27 земных суток).

Магнитная буря - одно из проявлений сильных возмущений магнитосферы, возникающих при изменении параметров солнечного ветра , особенно скорости его частиц и нормальной составляющей межпланетного магнитного поля относительно плоскости эклиптики.

Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения магнитных бурь приведен на рис. 6.80.

10 12 14 16 18 20 22 24

Рис. 6.80. Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения

магнитных бурь

6.7.1. Влияние геомагнитных нолей на окружающую среду

Учеными многих стран доказано, что геомагнитные ноля влияют на окружающую среду и здоровье людей.

Во-нервых, нри магнитных бурях наблюдается неносредственное вторжение в магнитосферу частиц солнечного ветра , нроисходит нагрев и усиление ионизации верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увеличение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи на коротких волнах и т.д.

Геомагнитные вариации служат одним из источников сведений о верхних слоях атмосферы. Магнитные возмущения, связанные, например, с магнитной бурей, наступают на несколько часов раньше, чем под ее воздействием происходят изменения в ионосфере, нарушающие радиосвязь. Это позволяет делать магнитные прогнозы, необходимые для обеспечения бесперебойной радиосвязи (прогнозы радиопогоды ).

Сильные возмущения магнитосферы сопровождаются появлением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотных излучений. Поэтому геомагнитные данные служат и для прогноза радиационной обстановки в околоземном пространстве при космических полетах [12, 25].

Во вторых, геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живые организмы, растительный мир и на человека. Достоверно установлено, что фактор риска для людей, подверженных сердечно-сосудистьпй заболеваниям, исныгьшает вариации, связанные с изменением солнечной активности. Согласно известной статистике, фактор риска минимален в годы минимума солнечной активности и достигает максимума в периоды подъема и спада солнечной активности. Наиболее сильные магнитные бури и магнитосферные возмущения приходятся на период роста и спада солнечной активности.

Проведенные отечественньпии ученьп*а1 исследования показали, что во время магнитных бурь у людей, страдающих, например, гипертонией, высока вероятность развития криза. В эти же периоды возрастает риск развития инфарктов миокарда (ИМ), а течение болезни гораздо тяжелее, чем у пациентов, у которых ИМ развился в относительно спокойной геофизической обстановке. В значительной мере магнитные бури способствуют развитию нарушений мозгового кровообращения, утяжеляют последствия заболевания. Смертность при сердечно-сосудистой патологии в первые 24 часа после развития магнитной бури достигает максимума, что объясняется своеобразной стрессовой реакцией больного организма на изменение магнитной обстановки, связанной с изменением солнечной активности [18].

Геомагнитное поле является важным фактором, влияющим на такие фундаментальные свойства эволюционного развития всех без исключения живых организмов, как наследственность и изменчивость, ответственные за уровень и ход мутагенеза в природе. Следовательно, ГМП - определяющий фактор в проявлении самых основных свойств живых организмов, и существенную роль в этом играют молекулы воды. Вместе с тем следует отметить, что сам глубинный механизм столь широкой и универсальной связи живых организмов с ГМП пока точно неизвестен.

Роль биомагнитных полей. Говоря о связи ГМП с гомеостазом биологических обьектов, следует учитьтать собственное магнитное ноле живого организма, хотя о нем известно очень немного. По-видимому, оно слагается из сложного взаимодействия собственных магнитных нолей на всех уровнях организации живой материи, начиная с субатомного.

Величина перманентного магнитного ноля сердца составляет от 1410 до 1410 * гс, а головы около 10 гс. Считается, что указанные магнитные ноля являются производными от ионных электрических токов в головном мозгу и соответственно в мышечных группах сердца. Сигнал магнитного поля сердца и головы человека идентифицирован как истинный В-вектор, производимый ионными токами внутри соогветствуюшдх частей тела. Для головы человека таким определяюпрш током является альфа-ритм, которому свойственны электрические колебания в интервале от 8 до 12 Гц.

Установлено и влияние на живые организмы магнитных полей широкого диапазона частот от 7-12 Гц до 0,029-0,031 Гц. Первый интервал соответствует частоте электрической активности альфа-ритма, а второй - сверхмедленным колебаниям потенциалов головного мозга.

Связь живых организмов с локальными и гаобальными естественными электрическими и магнитными полями подлежит изучению уже новой дисциплиной - электромагнитной экологией.

Искусственные магнитные и электрические ноля и их влияние на природу и человека

Магнитные и электромагнитные поля, то есть электромагнитное излучение, присутствуют везде. Однако напряженность их компонентов разнообразна и зависит от источника излучения. Постоянные магнитные поля создаются при помопщ постоянных магнитов и электромагнитов, питаемых от источников постоянного тока.

Переменные магнитные поля создаются специальными генераторами и другими электротехническими и радиоэлектронными устройствами. Например, поля низкой частоты 50-60 Гц генерируются сетями и потребителями переменного тока. В некоторых странах источниками электромагнитного излучения низкой частоты являются силовые сети железных дорог с частотой 16 и 2/3 Гц.

Помимо переменных полей, создаваемых сетями питания, электрические устройства генерируют другие частоты в зависимости от их функций. Источниками электромагнитных излучений являются: связь и радиовеш:ание (телевидение, мобильные радиосистемы, телекоммуникации, радиосети, системы связи пожарных служб и полиции, военные системы связи, радиолюбительские передатчики, спутниковые системы связи, радары ПВО и т.п.).