Геомагнітне екологічне поле території України

М.І.Орлюк, А.О.Роменець

(Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України)

В роботі [1] визначено, що предметом геофізичної екології слід вважати визначення умов гармонійного співіснування та розвитку органічних систем в умовах навколишнього середовища, пошук та аналіз механізму впливу зовнішніх (екзогенних) геофізичних чинників на них з метою усунення або зменшення їх негативного впливу.

Розв’язок цих задач бачиться у визначенні величин нормальних (фонових) та варіаційних (змінних) фізичних полів, за яких певний індивід (популяція, екосистема) можуть існувати та розвиватися, а також граничних значень цих величин за яких розвиток та існування їх є неможливим. Геофізична частина даної проблеми зводиться до побудови просторово-часової структури геофізичного поля, в конкретному випадку геомагнітного поля.

Просторово-часова структура геомагнітного поля Землі (B_з) визначається сумою полів від різних джерел

B_З = B_н + B_л + B_a + B_з

де B_н — нормальне поле Землі, що генерується процесами на границі між ядром та мантією і яке визначає глобальну просторову та часову структуру поля планети; B_л — магнітне поле, зумовлене намагніченістю літосфери; B_a — полe від штучних об’єктів — продуктів антропогенної діяльності людини; B_з — зовнішнє поле, зумовлене впливом сонячного та космічного випромінюваня та магнітних полів Сонця і навколоземного простору.

Загальна просторово-часова структра геомагнітного поля Землі детально описана в роботі [1], тому зупинимось на представленні та аналізі геомагнітного поля території України. Наші знання про геомагнітне поле території України базуються на абсолютних та відносних магнітних зйомках повного вектора магнітного поля B та його горизонтальної Н та вертикальної Z компонент у різні роки різними авторами. Інтенсивність та просторова структура постійного магнітного поля визначаються трьома першими компонентами. Інтенсивність нормального поля на поверхні Землі змінюється від 60 000—70 000 нТл на магнітних полюсах до 30 000—40 000 нТл — на магнітному екваторі [6]. При цьому “найдовша хвиля” магнітного поля яку можна виділити на планеті дорівнює довжині її півкулі і складає = 20 000км). На цьому фоні з використанням спектрального аналізу встановлені аномалії з переважними довжинами хвиль 1500—2500, 500—700, 250—300, 100—200, 40—80, 18—24, 12—15, 5—7 км та інтенсивністю від 200 до 800 нТл [7]. За цього є унікальні аномалії типу Курських та Криворізьких (з довжинами хвиль 12—40км та більше), що мають інтенсивність таку ж або більшу, ніж головне поле, тобто сумарна інтенсивність в областях розташування цих аномалій сягає 100 000—160 000 нТл та більше. Згідно аналізу детальних магнітних зйомок [8—10 та ін.] можна виділити аномалії з довжинами хвиль біля , 670, 220, 76, 24, 8, 2-3м та ін. Такі ж довжини хвиль (з інтенсивністю аномалій від перших до десятків тисяч нанотесла) може мати і антропогенна складова, зумовлена різними промисловими об’єктами. Зауважимо, що серед довгохвильових аномалій максимальну інтенсивність (400—800 нТл) мають аномалії з довжинами хвиль 50—80, 100—200 и 500—600 км.

Часова структура геомагнітного поля визначається чотирма складовими компонентами, причому довгоперіодні зміни (від десятків до тисяч та мільйонів років) обумовлені головним полем Землі, а короткоперіодні — зовнішнім полем Землі. За палеомагнітними даними встановлені зміни головного поля Землі з періодами 20—50 млн. років (режим стійкості поля одної полярності) та 200—250 млн. років (зміна характеру інверсійного поля). Ці періоди за даними О.Н. Третяка [11] можуть бути зв’язані з протяжністю Галактичного року та його “сезонів”. Встановлена також циклічність формування магнітних джерел літосфери, з періодом утворення найбільш інтенсивних з них біля 600—800 млн.років [12]. На підставі обсерваторних та археомагнітних досліджень встановленно дискретний характер спектру вікових варіацій (22, 50-70, 120, 180, 350, 500-600, 1000, 7000-8000 років) [6].

Літосферна та антропогенна компоненти магнітного поля також мають варіаційні складові В_лз та В_аз, при цьому літосферні варіації аномального магнітного поля приналежні до магнітних неоднорідностей та зон глибинних розломів і за наявними даними можуть сягати 1,0—10,0 нТл/рік з довжинами хвиль від перших сотень метрів до 100 і більше кілометрів [13], а антропогенні варіації визначаються технічними параметрами відповідних об’єктів і можуть на обмежених просторах набувати різних значень [14].

Серед варіацій зовнішнього походження виділяються так звані “незбурені” варіації (річні, місячно-добові та сонячно-добові) та збурені.

B_з = B_р + B_м-д + B_с-д + B_зб

(тут В_р — річні, В_м-д — місячно-добові, В_с-д — сонячно-добові, B_зб — збуренні варіації неперіодичного характеру). Збурені варіації в свою чергу класифікуються за періодичністю (періодичні, неперіодичні та неправильні флуктуації). До періодичних відносяться сонячно-добові варіації з періодом сонячної доби та короткоперіодні коливання (геомагнітні пульсації), період яких коливається від долей секунд до десятків хвилин. За своєю фізичною природою геомагнітні пульсації — це гідромагнітні хвилі, які збуджуються в магнітосфері Землі і сонячному вітрові, чим вони суттєво відрізняються від повільних варіацій геомагнітного поля.

Характер коливального режиму електромагнітного поля Землі відображає зміну параметрів радіаційних поясів, особливої взаємодії магнітосфери з сонячним вітром, зміну конфігурації плазмопаузи, структури хвоста магнітосфери та ін. З погляду екологічного фактору важливо, що електромагнітні пульсації є джерелом коливань електромагнітного поля, які обумовлюють в верхніх шарах кори індукційні струми.

Відомі два класи геомагнітних пульсацій: стабільні (стійкі) Р_с (pulsations continnous), які характеризуються квазісинусоїдальною формою і стійким режимом коливань та нестабільні (нестійкі) Р_і (pulsations irregular), які носять нерегулярний характер і часто мають вигляд коротких сплесків з широким і нестаціонарним спектром частот.

Клас стійких пульсацій охоплює весь діапазон швидких коливань з періодами від 0,2 до 1000 с. В залежності від періоду поділяється на 6 типів: Р_с1 з періодом Т=0,2—5,0с; Р_С2 (Т=5,0—10,0с); Р_С3 (Т=10,0—45,0с); Р_С4 (Т=45,0—150,0с); Р_С5 (Т=150,0—600,0с); Р_С6 (Т600,0с).

Пульсації Р_і, які пов’язані із збуреннямм магнітного поля поділяються на три типи: Р_І1 (Т=1,0—40,0с), Р_І2 (Т=40,0—150,0с).

Пульсації Р_С1 (перли) є еліптично-поляризованими коливаннями з амплітудою 0,01—0,1 нТл, частоти коливань близькі до гірочастот протонів поблизу екваторіальної площини в області формування DR-струмів. Тому їх збудження трактується як результат розвитку кінетичних нестійкостей магнітосферної плазми у вказаному регіоні.

Пульсації Р_С2,3 (Т=5,0—45,0с) — самі поширені типи коливань. Вони спостерігаються на денному боці Землі, інколи на протязі декількох годин, також представляють собою еліптично-поляризовані коливання. Амплітуда пульсацій 0,5—5,0 нТл. Максимальні амплітуди спостерігаються в полуденні години. Співпадіння періоду Р_С3 з власними частотами коливань силових ліній магнітного поля в середніх широтах може свідчити про їх резонансний характер. З іншого боку вони близькі до гірочастот протонів сонячного вітру.

Пульсації Р_С4 мають природу, аналогічну природі пульсацій Р_С3, за цього варто замітити, що час їх збудження співпадає з часом дисипації DR-струмів.

Пульсації Р_С5 та Р_С6 пов’язані з високими широтами. Частоти Р_С5 близькі до власних частот коливань силових ліній геомагнітного поля в високих широтах. В той же час існує думка, що збудження коливань Р_С5 відбувається на кордоні магнітосфери при її взаємодії з сонячним вітром.

З неперіодичних відомі варіації під назвами аперіодичне збурення, та бухтоподібні. Неперіодичні варіації відбуваються під час так званих магнітних “штормів”, коли на протязі декількох годин (а, деколи і діб) магнітограми мають зигзагоподібний вигляд. Іррегулярні пульсації Р_І всіх видів також характерні для збурених умов в магнітосфері. По суті пульсації Р_І складають мікроструктуру суббурі і їх генерація відбувається в певній послідовності розвитку суббурі. Магнітні бурі (шторми) повязані з сонячною активністю, тому виявлені 27 денний (період обертання Сонця навколо своєї вісі) 11-річні та 22-річні періоди сонячної активності, що проявляються в кількості (11-річні) та полярності (22-річні) сонячних плям [15]. Згідно багаторічних досліджень інтенсивність періодичних варіацій складає перші десятки нТл, неперіодичних (під час магнітних бур) сягають перших тисяч нанотеслів.

В підсумку просторово-часова картина геомагнітного поля свідчить про неоднорідність його спектру в часі та просторі з наявністю хвиль з періодами від долей секунди (сантиметра) до мільонів років (тисяч кілометрів).

Згідно поставленої задачі в якості гармонійного магнітного екологічного поля (В_г) слід вважати суму полів:

В_г = В_н + В_л + В_рч + В_с-д + В_м-д + В_РС

(тут В_рч — поле річних варіацій, В_с-д — поле сонячно-добової варіації інтенсивністю 10-40 нТл залежно від пори року) , В_м-д — поле місячно-добової варіацій інтенсивністю перші нанотесли. Наведені варіації змінюються цілком закономірно в відповідності з іншими параметрами зовнішнього середовища, що (як буде показано далі) призвело до виникнення так званих ціркаритмів в біологічних геосистемах.

До негармонійного магнітного екологічного поля (В_нг) відноситься сума полів незначних в просторі магнітних неоднорідностей літосфери (з довжинами хвиль меньше 60—100 км, включно з аномаліями антропогенного походження) та нестійких в часі неперіодичних і неправильних варіацій і пульсацій зовнішнього та антропогенного походження.

В_нг = В_азб +В_б + В_рі + В_ап

При цьому В_азб — поле варіацій аперіодичного збурення, В_б — поле бухтоподібних варіацій, В_рі — поле нестійких пульсацій, В_ап — постійні поля антропогенних об’єктів (залізниці, металічні та залізобетонні мости, заводи та ін.) інтенсивністю від перших нанотесла до десятків та сотень тисяч нанотесла.

Таким чинов магнітне екологічне поле (В_е), тобто геомагнітне поле що аналізується з погляду його ролі (та впливу) в якості геоекологічного фактору розглядаеться як сума відповідно гармонійного та негармонійного полів:

В_е = В_г + В_нг

Так само можна розглянути інші геофізичні поля, зокрема дані роботи [14 та ін.] свідчать про суттєву просторову неоднорідність гравітаційного та електромагнітного полів, атмосферної електрики і іонізуючого випромінювання (див. табл. 1).

Вид поля	Значення параметру
Гравітаційне Фонові значення g Аномалії g Припливна аномалія g	978-983 Гал* 30 - 300 мГал 0, 345 мГал
Електромагнітне Фонові значення Аномалії	0,1 - 10 мВ/км до 30 - 40 мВ/км
Атмосферна електрика Нормальний фон Повітря в крупних містах Повітря “електрокурортів” Повітря біля водоспадів і прибою	1000-1400 аероіонів в 1 см3 1100-1500 1800-3700 100 000 -200 000
Іонізуюче випромінювання Фонове Спостережене Гранично допустиме	1,2 - 1,3 мЗв/рік** 20 - 30 50

^* 1 Гал = 0,01 м/сек², ^** 1 мЗв/рік відповідає 0,1 Р/рік

2. Що до фізичних полів (магнітного зокрема) біологічних об’єктів, то наявна досить обмежена інформація дозволяє зробити лише “ескізний” розгляд цього методичного пункту (з погляду не фахівця, як і двох наступних методичних пунктів).

Циклічні біологічні процеси (з періодами від мілісекунди до кількох років) спостерігаються на всіх рівнях організації живої системи — від молекулярного рівня через популяцію до екосистеми [16]. З відомих різноперіодних ритмів (розряди рецепторів нейронів, скорочення серця та дихання, структури сну, оваріальних та інших) найважливішими є ті що склалися в ході еволюції як пристосування до типу середовища та його періодичності, закріплених в генетичній структурі (рис.1). Це так звані ціркаритми — ритми, періоди яких близькі до відповідних геофізичних циклів зовнішнього середовища, а саме — припливи, день і ніч, фази місяця, пори року та ін. При цьому ціркадіанна система у вищих тварин складається з множини потенційно незалежних осциляторів, що знаходяться в різних частинах тканини тіла і які пов’язані один з одним та узгоджені із зовнішнім середовищем завдяки ціркадіанних ритмів в нервовій і ендокринній системах [16].

Згідно [1,17 та ін.] людина та інші живі істоти є генераторами електромагнітних, теплових та акустичних випромінювань, зокрема основні органи людини (серце, шлунок, мозок) завдяки їх електрохімічних процесів генерують електромагнітне поле амплітудою 10^-7 10^-3 нТл в діапазоні 0-1 кГц; поля поверхневих электричних зарядів та динаміка електрофізичних властивостей біотканин зумовлюють поля до сотень мілівольт.

Таким чином сумарне електромагнітне поле біологічного об’єкту (людини), як і будь-яке зовнішнє геофізичне поле, може бути представлене суперпозицією кількох складових, обумовлених життєдіяльністю організму в цілому та окремих його органів.

3. Сумісний аналіз магнітного екологічного поля Землі та магнітного поля живих істот та біосистем свідчить про те, що в їх спектрах наявні аномалії з одинаковими довжинами хвиль, але з суттєво відмінними амплітудами. Варто звернути увагу, що високочастотний спектр варіацій магнітного поля та геомагнітних пульсацій, які практично відображають “мікроструктуру силових ліній” магнітного поля (його “дихання” та “пульс”), відповідає спектру ритмів роботи нервових систем та внутрішніх органів організмів. Так спектру пульсацій Р_С1 відповідає спектр ритмів центральної нервової системи та скорочень серця (Т = 10^-2,51 с) ; спектрам Р_С2, Р_С3 і Р_С4 — періоди дихання, кровообігу та артеріального тиску (Т = 2200 с). Пульсаціям і варіаціям магнітного поля з періодами біля 1—2 год відповідають періоди активності та секреції гормонів. В спектрі В_е наявні також всі періоди, виявленні для організмів в цілому, популяцій та біосистем, аж до 11 та 22-річних. З часом напевне будуть “осмислені” з погляду розвитку біосистем достовірно виявленіі довгохвильові складові геомагнітного поля з періодами 50-70, 500-600, 7000-8000 років та ін.

4. Біологічні об’єкти знаходяться в своєрідному речовинно-польовому середовищі, що є вихідним для їх існування, зокрема ми детально розглянули геомагнітне екологічне поле Землі. Суть впливу геофізичних неоднорідностей Землі в цілому та земної кори зокрема на біологічні об’єкти зводиться до наступного. Геофізичні неоднорідності (тіла) є носіями відповідних геофізичних полів та випромінювань. Носієм, приймачем та передавачем полів є також матеріальні біологічні об’єкти в цілому та людина зокрема. Відповідно, дослідження механізмів взаємовпливу зовнішніх геофізичних чинників та біологічних об’єктів може грунтуватися на вивченні якісних та кількісних співвідношень між їх фізичними полями.

Тут, напевне, можуть реалізуватись дві схеми: по-перше — безпосередній вплив геофізичних екологічних полів на поля організму в цілому та окремих його органів в коротко-хвильовому діапазоні завдяки наявності в їх спектрах коливань з однаковими або близькими довжинами хвиль, по-друге — пристосування до довготривалих змін геофізичних екологічних полів шляхом ускладнення та вдосконалення структурної організації живих систем, що з часом закріплюється в їх генетичній структурі. При цьому варто зауважити, що перша схема реалізується безпосередньо на індивідах, а друга — на популяціях, екосистемах та ін.

Завдяки багатоосциляторній будові ціркадіанної системи одного організму різні його ритми в різній мірі піддаються захопленню змушуючим коливачем. Треба зауважити, що автономні коливання піддаються захоплюванню періодами, відмінними від їх власного лише в тому випадку, якщо ці відмінності не дуже великі [16]. Область величин періода змушувача, за яких захоплювання можливе, називається “вікном захоплювання”.

Щодо ролі гармонійних (нормальних) геофізичних екологічних полів, то відомо, що люди, працюючі з сильними постійними магнітними полями або генераторами радіохвиль часто жаліються на послаблення пам’яті, головний біль, швидку втому та ін. Також варто зауважити, що магнітосфера Землі захищає біосферу від прямого впливу сонячних космічних променів, так що відсутність тільки одного магнітного екологічного поля призвела б до суттєвих змін органічного світу.

Більш задовільно вивчено вплив поля В_в. Так, відомий вплив магнітних варіацій зовнішнього походження (магнітні бурі) на стан людей, телефонних та електричних мереж. Це відбувається внаслідок як безпосереднього впливу на магнітне поле людини, так і шляхом індукції телуричних струмів в провідних шарах кори. При цьому місця виникнення наведених телуричних струмів визначаються глибинною будовою літосфери Землі, зокрема встановлено іх приуроченість до глибинних мантійних розломів, які характеризуються сучасними інтенсивними тектонофізичними процесами [1]. Щодо впливу на людину, то в якості змінного можуть виступати також постійні поля різнохвильових інтенсивних джерел, якщо індивід рухається по відношенню до них з тою чи іншою швидкістю. Таким чином на нерухому людину, що знаходиться в певній точці Землі впливає поле В_н та поле В_в, а на рухому людину впливає також “варіаційне” поле від постійних об’єктів.

Дослідження впливу зміни нормальних (базових) полів (ця задача практично не ставилась і не вивчалась взагалі) та варіаційних полів (є багато робіт по виченню впливу змінних полів зовнішнього походження на біологічні об’єкти, але вони не систематизовані відносно впливу різнохвильових та різноінтенсивних компонент з визначенням кількісних параметрів) необхідно виконувати в контакті з біологами та медиками.

Завдяки взаємозалежності осциляторів, контролю над ними з боку коливача і з боку зовнішніх змушувачів підтримується чітка узгодженість різних процесів у часі, характерних для здорових організмів. Відповідно дослідження просторово-часової організації біосистем у зв’язку з нормальними та варіаційними геофізичними екологічними полями дозволить, на наш погляд, вивчити еколого-фізіологічні механізми адаптації до нових умов існування та запропонувати науково-обгрунтовані засоби корекції порушень, що виникають під впливом різних несприятливих факторів.

Заключення. Отже, в статті зроблено спробу визначити новий аспект в інтерпретації геофізичних полів, ( в конкретному випадку — геомагнітного поля) із аналізом їх просторово-часових параметрів, а саме їх вивчення в якості екологічного фактору. Цей, по-суті, новий напрямок фундаментальних та прикладних досліджень суттєво розширює діапазон інформативності та сферу застосування геомагнітного поля від вивчення фізики Землі, будови і розвитку її окремих оболонок та прогнозування корисних копалин, до визначення його ролі, як необхідної складової для існування та розвитку органічного світу в цілому і людини, зокрема. При цьому автором запропоновано своє бачення методології та методики вирішення вирішення задач геофізичної екології. При цьому самостійно геофізиками може бути вирішена лише задача просторово-часової структури геофізичних полів, побудова карт нормальних геофізико-екологічних полів та встановлення місць розташування глибинних розломів з сучасними тектоно-фізичними процесами. В контакті з біологами, фізіологами та медиками можуть бути розглянуті питання щодо визначення “гармонійності та негармонійності” тих чи інших складових геофізичних полів щодо їх впливу на різні компоненти біосистем та організмів. Поки-що можна тільки припустити, що гармонійними і необхідними для буття всього живого є стабільні в просторі та періодичні в часі геофізичні поля. Складається враження, що під їх впливом були сформовані життєдіяльні ритми всіх рівнів біосфери і, відповідно, вся природа живе за єдиними ритмами. Довготривалі зміни нормальних геофізичних полів повинні, мабудь, обумовлювати відповідну еволюцію біосистем, з пристосуванням до нових умов існування, а високочастотні збурення та пульсації — різкі зміни в життєдіяльності тих чи інших індивідів (популяцій) шляхом впливу на окремі їх органи (індивіди). Вирішення на кількісному рівні проблем геофізичної екології потребує значних зусиль спеціалістів різних наукових галузей. Геофізикам, насамперед, необхідно обладнати в Україні хоча б одну сучасну обсерваторію із замірами всього розмаїтя геофізичних параметрів довкілля, а тісна співпраця із фізиками, фізіологами, біологами та медиками дозволить, напевне, дослідити механізми впливу геофізичних полів на окремі органи, організми, популяції та біосистеми.

Автори вдячні д.ф.-м.н., професору, академіку В.І. Старостенку, д.г.-м.н., професору С.С. Красовському, д.г.-м.н., професору О.Н. Третяку та к.г.-м.н. В.М. Завойському за обговорення та слушні зауваження щодо окремих положень статті.

Література

1. Гарецкий Р.Г., Каратаев Г.И. Основные проблемы экологической геологии// Літасфера.—1995.—2.—С.33-41.

2. Жигалин А.Д. Экологическая геофизика или геофизическая экология?//Геофизика. — 1996.— №2.—С.52-57.

3. Географічна енциклопедія України.—1989.— т.2.—С.396.

4. Ретеюм А.Ю. Земные миры. Изд-во “Мысль”.—1988.—268с.

5. Яницкий И.Н. Живая Земля. М.: Агар.—1998.—80с.

6. Яновский Б.М. Земной магнетизм, Изд-во Ленинградского Ун-та—1978.—592с.

7. Колесова В.И., Петрова А.А., Почтарев В.И. Изменение спектральной структуры магнитного поля и его производных с глубиной/ Аномалии геомагнитного поля и глубинное строение земной коры. К.: Наукова думка, 1982.—С.44-55.

8. Букович И.И., Орлюк М.И., Шаталов Н.Н. Микромагнитные и биолокационные исследования даек северо-западной части УЩ// Докл. АН УССР.—1991.—№4.— С. 48-52.

9. Карта аномального магнитного поля (Т)а СССР (континентальная часть и некоторые прилегающие акватории). 1 : 2 500 000// Под. Ред. З.А.Макаровой. (М.: 1974).—16 листов.

10. Крутиховская И.К., Пашкевич И.К., Силина И.М. Магнитная модель и структура земной коры Украинского щита.—К.: Наукова думка, 1982.—216с.

11. Третяк А.Н. Феномен Галактического года в эволюции Земли// Геофизич. журн.—1996.—Т.18, №6.—С. 31-38.

12. Орлюк М.И. Методика и первые результаты построения четырехмерной магнитной модели земной коры территории Украины// Доп. НАН України.—1996.—№5.—С.95-99.

13. Orlyuk M.I., Maksimchuk V.E., Vakarchuk G.I. and Chepil P.M. Magnetometric studies with regional and local prognosis of oil and gas potential of the Earth’s crust in the Dniepr-Donets Basin// Geophys.J.—1998.—Vol. 18.—Р. 591-608.

14. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Зилинг Д.Г., Трофимов В.Т., Хмелевской В.К. Геофизика и экологические функции литосферы// Геофизика.—1998.—№5.—С. 49-53.

15. Казимировский Э.С. Планета в космической плазме.—1990, Гидрометеоиздат.—184с.

16. Биологические ритмы. В 2-х т. Т.1. М.: Изд-во Мир.—1984.—414с.

17. Николаев Ю.В., Годин Е.Е. Физические поля биологических объектов// Вестник АН СССР.—1983.—№8.—С.118-125.