В природе электрическое поле и магнитное известны как две составляющие электромагнитного поля. Обе эти составляющие существуют в природе как в естественном состоянии, так и являются результатом деятельности человека. Разница между ними 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 переменным током.
В международной практике напряженность электрического поля обозначается символом Е и измеряется в вольтах на метр (В/м). Напряженность магнитного поля Н 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 внешняя и протяженная оболочка Земли. Это область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц. Строение магнитосферы Земли приведено на рис. 1.
Рис. 1. Строение магнитосферы Земли
Земля постоянно находится в потоке корпускулярного излучения Солнца, так называемого солнечного ветра, который образуется благодаря непрерывному расширению (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 поле, напряженность которого в среднем равна 4,8х10 -3 А/м (6х10 -5 э).
При столкновении потока солнечной плазмы с препятствием - магнитным полем Земли - образуется распространяющаяся навстречу потоку ударная волна (рис. 1), 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 поле солнечной плазмы становится неупорядоченным, а движение ее частиц - хаотичным. Переходная область примыкает непосредственно к магнитосфере Земли, граница которой - магнитопауза - проходит там, где динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Она расположена со стороны Солнца на расстоянии 12 земных радиусов (70-80 тыс. км) от центра Земли, ее толщина -100 км. Напряженность магнитного поля Земли у магнитопаузы составляет ~8х10 -2 А/м (10 -3 э), то есть значительно выше напряженности поля солнечной плазмы на уровне орбиты Земли.
Потоки частиц солнечной плазмы обтекают магнитосферу и резко искажают на значительных расстояниях от Земли структуру ее магнитного поля.
Примерно до расстояния трех земных радиусов (-20 тыс. км) от центра Земли магнитное поле еще достаточно близко к полю магнитного диполя (напряженность поля убывает с высотой ~1/R 3 ). Регулярность поля здесь нарушают лишь магнитные аномалии (влияние аномалий сказывается до высот ~0,5 R над поверхностью Земли).
На расстояниях, превышающих ~20 тыс. км, магнитное поле ослабевает медленнее, чем поле диполя, а его силовые линии с солнечной стороны несколько прижаты к Земле. Линии геомагнитного поля, выходящие из полярных областей Земли, отклоняются солнечным ветром на ночную сторону Земли. Там они образуют хвост, или шлейф, магнитосферы протяженностью более 5 млн км.
Возмущения магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли подвержено вековым изменениям, которые, видимо, связаны с причинами, лежащими в недрах Земли. Однако существуют изменения магнитного поля, имеющие периодический характер. Эти изменения обусловлены внешними причинами и связаны с деятельностью Солнца.
Все геомагнитные колебания условно подразделяют на два класса: регулярные и нерегулярные.
Регулярные колебания характеризуются устойчивостью и получили обозначение Р C . Этот класс колебаний в свою очередь делится на пять подклассов.
Нерегулярные колебания Р I делятся на два подкласса. Для дневных часов характерен устойчивый тип колебаний Р C , для ночных - нерегулярный тип Р I
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 -5 гс = 1 нТл) объясняют динамо-эффектом, возникающим 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 нагреве атмосферы Солнцем.
Интересным типом регулярных короткопериодических колебаний являются колебания типа «жемчужин», которые объясняются 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 небольших территориях, в то время как с периодом колебания 1 < 2 с - глобально.
К нерегулярным колебаниям относятся всплески колебаний в ночное время, получившие название «цугов» (режим P I ). 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 широком диапазоне частот (10 -5 -10 2 Гц) и амплитуд (10 -3 -10 -7 э). В спокойное время в низких и средних широтах наблюдаются периодические солнечно-суточные и лунно-суточные магнитные вариации с амплитудами 30-70 гамм и 1-5 гамм соответственно.
Магнитные возмущения, охватывающие всю Землю и продолжающиеся от одного до нескольких дней, называются мировыми магнитными бурями, во время которых амплитуда отдельных составляющих 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 напряженность достигает нормы, продолжается несколько дней. Это, прежде всего, относится к магнитным бурям, наблюдающимся вблизи полярных сияний.
По интенсивности магнитные бури условно разделяют на очень большие (более 200-500 гамм), большие (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.
Рис. 2. Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения магнитных бурь
Характер изменения напряженности магнитного поля Земли в период возникновения магнитных бурь приведен на рис. 2.
Влияние геомагнитных полей на окружающую среду.
Учеными многих стран доказано, что геомагнитные поля влияют на окружающую среду и здоровье людей.
Во-первых , при магнитных бурях наблюдается непосредственное вторжение в магнитосферу частиц солнечного ветра, происходит 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.
Во-вторых , геомагнитное поле (ГМП) воздействует на живые организмы, растительный мир и на человека.
Достоверно установлено, что фактор риска для людей, подверженных сердечно-сосудистым заболеваниям, испытывает 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 отечественными учеными 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 ч после развития магнитной бури достигает максимума, что объясняется своеобразной стрессовой реакцией больного организма на изменение магнитной обстановки, связанной с изменением солнечной активности .
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 объектов, следует учитывать собственное магнитное поле живого организма, хотя о нем известно очень немного. По-видимому, оно слагается из сложного взаимодействия собственных магнитных полей на всех уровнях организации живой материи, начиная с субатомного.
Величина перманентного магнитного поля сердца составляет от 1х10 -7 до1х10 -8 гс, а головы - около 10 -9 гс. Считается, что указанные магнитные поля 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 соответствующих частей тела.
Для головы человека таким определяющим 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 глобальными естественными элект- рическими и магнитными полями подлежит изучению новой дисциплиной - электромагнитной экологией.
Искусственные магнитные и электрические поля и их влияние на природу и человека.
Магнитные и электромагнитные поля, то есть электромагнитное излучение, присутствуют везде. Однако напряженность их разнообразна и зависит от источника излучения. Постоянные магнитные поля создаются при помощи 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 радиовещание (телевидение, мобильные радиосистемы, телекоммуникации, радиосети, системы связи пожарных служб и полиции, военные системы связи, радиолюбительские передатчики, спутниковые системы связи, радары ПВО и т.п.). Источниками сильного магнитного поля являются промышленное и научное оборудование, используемое, например, при вторичной плавке алюминия, электрохимической и электроэрозионной обработке металлов; микроволновые и плавильные печи, электрические системы, ускорители частиц, сварочные агрегаты и др. Источниками сильного магнитного поля в медицине является оборудование, используемое при плазменном нагреве, томографии, гипетермии и диатермии, в электрохирургии и т.п.
Влияние магнитного поля на живые организмы.
Магнитные поля оказывают всестороннее влияние наокивые организмы. Механизм этого влияния весьма разнообразен и зависит от многих факторов, что может использоваться в различных практических целях.
Магнитные поля являются разновидностью физической материи, осуществляющей связь и взаимодействие между электрически заряженными частицами.
Известно, что ткани организма диамагнитны, то есть под влиянием магнитного поля не намагничиваются, однако многим составным элементам тканей (например, воде, форменным элементам крови) могут в магнитном поле сообщаться магнитные свойства.
Физическая сущность действия магнитного поля на организм человека заключается в том, что оно оказывает влияние на движущиеся в теле электрически заряженные частицы, воздействуя, таким образом, на физико-химические и биохимические процессы. Основой биологического действия МП считают наведение ЭДС в токе крови и лимфы.
По закону магнитной индукции в этих средах, как в хороших движущихся проводниках, возникают слабые токи, изменяющие течение обменных процессов. Кроме того, предполагают, что магнитные поля влияют на жидкокристаллические структуры воды, белков, полипептидов и других соединений.
Квант энергии магнитных полей воздействует на электрические и магнитные взаимосвязи клеточных и внутриклеточных структур, изменяя метаболические процессы в клетке и проницаемость клеточных мембран.
Глубина проникновения ВЧ излучения в организм человека зависит от таких факторов, как размер тела и состав воды в организме человека. Особенно критична частота от 50 до 500 МГц. При повышении частоты снижается глубина проникновения. Этот эффект хорошо известен и широко применяется в медицине.
При наличии неконтролируемого излучения опасность заключается в том, что механизмы регулирования температуры не реагируют на связанные с этим эффекты подогрева. Наши температурные датчики расположены в коже, где состав воды ниже. Эти датчики не способны засечь подогрев в теле, и поэтому потовые гланды (железы) не включаются в работу. Следовательно, температура тела поднимается локально или глобально. Эта опасность признана всеми и потому предписаны ограничения.
Нетепловые эффекты ВЧ излучения.
При модулированном ВЧ излучении возникают нетепловые эффекты на клеточном уровне. Это приводит к ослаблению иммунной системы, нарушению баланса гормонов и даже оказывает психологическое воздействие. Выявлено, например, биологическое действие переменных электромагнитных полей в диапазоне 0,2-100 кГц через изменение клеточной проницаемости биологических мембран.
Воздействие электромагнитного излучения на жизненно важные объекты.
В последние годы стал известен термин «электромагнитный терроризм», возникший из-за того, что в мире, в том числе и в России, появились «специалисты», создающие и использующие устройства, генерирующие электромагнитное излучение в широком диапазоне частот и мощностей, то есть создающие организованную помеху. Такое организованное электромагнитное излучение оказывает сильное «паразитное» воздействие на навигационную аппаратуру аэропортов; средства специальной связи милиции, скорой помощи, пожарных служб; вычислительные комплексы важного назначения и т.д.
В связи с этим возникает необходимость создания и внедрения специальной высокочувствительной аппаратуры для обнаружения источников магнитного и электромагнитного излучения с целью локализации их деятельности. В отличие от смога, который мы видим и ощущаем, человек не может непосредственно чувствовать электромагнитные поля. Поэтому необходимо вооружить население соответствующей аппаратурой и портативными приборами, в том числе и индивидуального пользования.
