УДК:577.3
Моніторинг та аналіз низькочастотного техногенного магнітного шуму в м. Києві.
А.О.Роменець, І.М.Орлюк
У ряді публікацій наведені дані про вплив постійного магнітного поля, а також його варіацій в широкому діапазоні частот на живі організми загалом і життєдіяльність людини, зокрема [Биомагнитные ритмы, 1998; Орлюк, 2001; Белокриницкий, 2009; Куликов. Тимофеева, 2011; Медведева и др., 2011; Физические факторы…, 2003]. Магнітне (електромагнітне) поле Землі змінюється в широкому спектрі частот. Загальновідомо, що в крупних мегаполісах природне магнітне поле Землі істотним чином доповнюється техногенною складовою від різних джерел постійного і змінного характеру [Орлюк, Роменець. 2004; Тягунов. 2011]. До постійних джерел відносяться різноманітні технічні споруди (будівлі, виробничі приміщення, мости, дороги і т.д.). Всередині будівель джерелами техногенного спотворення є феромагнітні елементи залізобетонних будівельних конструкцій (стін, підлоги, міжповерхових перекриттів і т.п.), а також опалювальних і сантехнічних мереж [Орлюк, Роменець. 2004; Резинкина и др., 2009]. В даній публікації наведені результати досліджень змінного магнітного поля техногенного походження в м. Києві.
Об'єкт досліджень. Змінне магнітне (електромагнітне) поле природного і техногенного походження змінюється в межах 10-6 Hz – 10 GHz [www.gigagertz-solutions.com]. Найбільший внесок в техногенний електромагнітний шум на низьких частотах (0,5Hz – 400кHz) здійснюється основними споживачами електричного струму промислової частоти [Тягунов, 2011]. Найменш дослідженими в експериментальному відношенні, при цьому, залишаються техногенні джерела на частотах 10-6 – 1 Hz. Зауважимо, що в цьому діапазоні частот проводиться запис варіацій магнітного поля Землі в магнітних обсерваторіях, що дозволяє виконати їх порівняльну характеристику. Тому представляється вельми актуальним вивчення техногенної складової магнітного поля на цих частотах, яка може бути пов'язана з феромагнітними та електричними джерелами (автомобілі, трамваї, тролейбуси, електрички, електропоїзди метро і т.д.), що рухаються, а також деякими виробничими процесами, що використовують устаткування на постійному струмі і т.д.
Апаратура і методика вимірювань. Для вивчення техногенної компоненти поля використовувалася серійна апаратура ЛФ ІКІ НАН України – магнітоваріаційна станція Lemi-008 [Корепанов та ін.]. Даний прилад робить виміри ортогональних компонент магнітного поля з діапазоном вимірювань поля ±65 мкТл і варіацій – ±2.5 мкТл. Такий діапазон вимірювань не дозволяє досліджувати більш інтенсивні техногенні джерела, тому для грубої їх оцінки був застосований портативний магнітометр на базі операційної системи Android. Даний магнітометр має в своєму складі датчик YAS530(YamahaS530). YAS530(Yamaha S530) - це 3-х осьовий датчик магнітного поля, який працює спільно з буферним підсилювачем, АЦП, схемою тактового генератора і послідовним інтерфейсом відправки даних. S530 являє собою компактний електронний компас з високою чутливістю і низьким енергоспоживанням і використовується в мобільних телефонах або системах мобільного GPS. Деякі технічні характеристики датчика:
Розмір: 2*2 мм
Робоча температура: -40°С - +95°С
Діапазон вимірювань : ±800 мкТл
Чутливість по осях: 0.15 мкТл (по осях Х, У) і 0.3 мкТл (по осі Z)
Для вимірювань за допомогою Lemi-008 застосовувалася стандартна методика спостережень варіацій магнітного поля Землі, а саме, прилад встановлювався в певному пункті з орієнтацією вісей датчика в північному, східному і вертикальному положенні та проводилась реєстрація Bx, By Bz – компонент магнітного поля з інтервалом 1 с.
За допомогою програмного забезпечення MagneticSolution на базі Android виміри магнітного поля виконувалися в русі з реєстрацією магнітного поля в мкТл і подальшою графічною візуалізацією шляхом нескладних перетворень числових даних.
Результати досліджень. Спостереження варіацій магнітного поля виконано в 6 пунктах, розподілених більш-менш рівномірно в межах території м. Києва у виробничих і підсобних приміщеннях на проспекті Палладіна, вулицях Фрунзе, Гарматна, Боженка, Велика Кільцева і Васильківська (рис.1).
Рис.1 Розташування пунктів спостережень (ПС) на мапі Києва.
Як приклад запису трьох компонент магнітного поля розглянемо варіації, зареєстровані в магнітному павільйоні Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України 5 листопада 2011р. (рис.2). Як бачимо на рис.2, спостерігається досить добра відповідність північної Bx і східної компонент магнітного поля в порівнянні зі стандартною добовою їх зміною за даними обсерваторії “Київ”. В той же час вертикальна Bz компонента максимально чутлива до техногенних завад, коли на фоні добової варіації чітко виділяється високочастотна складова інтенсивністю 5-10 нТл, яка ймовірно пов'язана з транспортом, що рухається по проспекту Палладіна. Підвищені значення вертикальної компоненти магнітного поля пояснюються тим, що техногенні джерела проявляються, як правило, у вигляді горизонтальних струмів на поверхні Землі. Тому вони завжди створюють магнітну індукцію В з максимальною вертикальною складовою, оскільки у напрямі розповсюдження струму горизонтальна Bx компонента буде дорівнювати нулю, а значення іншої горизонтальної компоненти також будуть незначними. У зв'язку з цим при аналізі техногенної складової магнітного поля досліджувалася саме вертикальна складова магнітної індукції Bz.
Рис.2 . Графіки варіацій північної ВX, східної ВY і вертикальної ВZ -компонент магнітного поля у павільйоні Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України (Проспект Палладіна, 32) (крива ПС) і на геомагнітній обсерваторії «Київ» (крива ГО).
Реєстрація магнітних варіацій в пунктах спостережень проводилася в листопаді-грудні 2012р. – січні-лютому 2013р. протягом 2-х – 3-х діб в кожному з них.
Пункт 1 (вул. Фрунзе). Проведені в період з 27 листопада по 29 листопада 2012 року вимірювання варіацій магнітного поля показали наявність завад різного характеру і періодичності (рис.3а). Порівняльна характеристика з варіаціями за даними геомагнітної обсерваторії «Київ» (як правило вони змінюються в межах перших десятків нанотесла) показує наявність трьох значних періодів відхилень магнітного поля від норми: 27.11.2012 з 13.27 (початок вимірювань) до 16.30 - ~ 700 нТл; 28.11.2012 з 6.30 до 16.30 - ~ 800 нТл ; 29.11.2012 з 6.30 до 13.04 (кінець вимірювань) - ~ 1000 нТл. Судячи з характерної видозміни кривої Вz-компоненти техногенна завада має, найімовірніше, електричний характер. Протягом всього періоду вимірювань Вz-компонента має пилкоподібний вигляд, що свідчить про наявність постійних механічних або електромагнітних вібрацій, викликаних, найімовірніше, рухом автомобілів і наявністю діючої трамвайної лінії. Виявлені високоінтенсивні до 300÷500 нТл збурення магнітного поля, пов'язані, як з'ясувалося надалі, з завадами від шиферного виробництва, а, точніше, від запуску печей для випалу. Отже, знаходження поблизу подібного виробництва дає постійне, достатньо інтенсивне спотворення магнітного поля, в десятки разів більше по інтенсивності ніж збурення під час магнітної бурі.
Рис.3 Графіки варіацій Вz-компоненти магнітного поля в досліджуваних пунктах (крива ПС): вул.Фрунзе (а); вул.Гарматна (б): вул.Боженка (в): вул.Велика Кільцева (г); вул.Васильківська (д) і на геомагнітній обсерваторії «Київ» (крива ГО).
Пункт 2 (вул. Гарматна). Спостереження, виконані 14 -16 грудня 2012 року, показали наявність завад різного характеру і періодичності (рис.3б). Суттєві відхилення від нормального протікання поля ( по даним геомагнітної обсерваторії «Київ») спостерігаються в періоди: 14.12.2012 з 3.30 (початок вимірювань) до 19.30 - ~ 100-200 нТл ; 15.12.2012 з 4.00 до 22.00 - ~ 100-200 нТл ; 16.12.2012 з 3.30 до 21.30 - ~ 50-100 нТл . Протягом всього часу вимірювань можна виділити 3 періоди (які відповідають переважно денному часу доби), де ВZ-компонента має пилкоподібний вигляд (амплітуда змін вказана вище), що свідчить про наявність постійних механічних або електромагнітних вібрацій, викликаних, найімовірніше, рухом автомобілів і близкістю потужного транспортного потоку (пр.Перемоги). На цьому фоні вимальовуються високоінтенсивні до 300÷400 нТл високочастотні збурення магнітного поля, заздалегідь пов'язані з завадами (найімовірніше процес вмикання – вимикання) перетворювачів постійного струму, обігрівачів і т.п.). Треба зазначити, що так само виділяються періоди (переважно нічний час ~22.00 - ~3.30 ) коли магнітне поле має в основному спокійний характер.
Пункт 3 (вул. Боженка). Отримані 09 - 11 січня 2013 року дані показали наявність завад різного характеру і періодичності (рис.3в). Суттєві відхилення від варіацій на обсерваторії спостерігаються в наступні часові інтервали: 09.01.2013 з 13.13 (початок вимірювань) до 22.45 - ~ 350 нТл; 10.01.2013 з 3.40 до 22.45 - ~ 450 нТл ; 11.01.2013 з 3.40 до 12.47 (кінець вимірювань) - ~ 350 нТл. Чітко виділяються 3 періоди збурень магнітного поля. Графік Вz-компоненти має пилкоподібний синусоїдальний вигляд (максимум відхилення від «норми» ~13.00- ~13.30), що свідчить про наявність постійних електромагнітних завад, викликаних, найімовірніше, роботою різноманітної апаратури (спостереження проводилися в інституті Патона). Близькість інтенсивних транспортних потоків (вул.Боженка та вул.Федорова) так само впливають на загальний характер протікання завад. Як і в попередніх випадках зареєстровані високоінтенсивні до 100÷150 нТл високочастотні збурення магнітного поля, які пов'язані з завадами (найімовірніше процес вмикання – вимикання) від перетворювачів постійного струму і т.п. Також виділяються періоди (переважно нічний час ~22.45-~3.40) коли магнітне поле має в основному спокійний характер.
Пункт 4 (вул. Велика Кільцева). Графік варіацій магнітного поля з 1 по 4 лютого 2013 року показує наявність декількох невеликих періодів відхилень магнітного поля від норми за цей проміжок часу (рис.3г). Найбільші аномальні відхилення поля спостерігаються на початку і в кінці циклу спостережень: 01.02.2013 з 10.03 (початок вимірювань) до 16.30 - ~ 50-90 нТл; 04.02.2013 з 06.20 до 12.48 (кінець вимірювань) - ~ 50-110 нТл. Вказані проміжки аномального відхилення поля не мають чіткої періодичності, що дозволяє припустити випадковий характер їх виникнення (вмикання – вимикання приладів, ремонтні роботи і т.п.). В інтервалі з 01.02.2013 (~16.30) по 04.02.2013 (~06.20) магнітне поле має спокійний характер і зпіставне з полем на обсерваторії «Київ». Протягом всього періоду вимірювань спостерігаються одиничні аперіодичні «сплески» до 30 нТл, які по своїй інтенсивності незначні і можуть бути викликані вище згаданими причинами. В денний час (~04.00-~22.00) спостерігаються високочастотні збурення магнітного поля, але вони по своїй інтенсивності незначні (до 10-15 нТл). В цілому, за винятком 2-х періодів спорадичних збурень магнітного поля вказаних вище, можна стверджувати, що магнітне поле в досліджуваному пункті носить спокійний характер.
Пункт 5 (вул. Васильківська). Спостереження виконані з 22 по 25 лютого 2013 року в напівпідвальному приміщенні фабрики «Киянка» (рис.3д). Найбільші варіації техногенного походження спостерігаються в наступних інтервалах: 22.02.2013 з 09.37 (початок вимірювань) до 23.10 - ~ 600 нТл ; 23.02.2013 з 03.20 до 23.10 - ~ 250 нТл ; 24.02.2013 з 03.20 до 23.10 - ~ 80-100 нТл; 25.02.2013 з 03.20 до 10.00 (кінець вимірювань)- ~ 550 нТл. Слід зазначити, що аномальні значення в період 23-24 лютого (вихідні дні) дещо нижче, ніж 22 і 25 лютого. Вказані проміжки мають чітку періодичність, що дозволяє припустити регулярний характер їх виникнення (найвірогідніше - це ефект від метро). В періоди 22-23.02.2013 (~23.10-3.20), 23-24.02.2013 (~23.10-3.20), 24-25.02.2013 (~23.10-3.20) магнітне поле має спокійний характер і істотно не відрізняється від такого на магнітній обсерваторії «Київ». Потрібно зазначити, що періоди спокійного протікання магнітного поля приурочені до нічного проміжку доби. Періоди доби (~03.20- ~23.10) характеризуються так само «пилкоподібними високочастотними збуреннями» магнітного поля інтенсивністю до 150 нТл, що характеризує «насиченість» цих періодів часу різноманітними магнітними «шумами».
Реєстрація варіацій магнітного поля в метро проводилася на відрізку станцій «Берестейська» – «Академмістечко». Після обробки цифрових даних побудований графік, з якого добре видно величини і періоди збільшення індукції магнітного поля (рис.4). Слід зазначити, що програма, яка зберігає дані магнітометра, автоматично виключає значення нормальної компоненти величиною 44 мкТл. На графіку чітко спостерігаються величини і періоди зростання магнітного поля в межах 40- 350 мкТл на станціях метро. Треба зауважити, що перш за все індукція В обумовлюється електродвигунами, розташованими в центрі під кожним вагоном, і яка різко зростає під час прискорення потягу. Проте, окрім електродвигуна потягу на величину В впливають також підземні комунікації, конструкції тунелів метро, а також наземна інфраструктура. Це чітко видно з графіка, зокрема на станції метро «Святошин», розташованої в районі потужної транспортної розв'язки. На графіку чітко видно великий інтервал з високими значеннями індукції В.
Рис.4. Варіації індукції магнітного поля В у вагоні метро на ділянці станцій «Берестейськая» – «Академмістечко».
Висновки.
Вперше експериментально досліджена техногенна складова магнітного поля в м. Києві для періодів від 1с до 24 годин (частоти 10-6 – 1 Hz).
Зареєстровані різноперіодні техногенні варіації мають амплітуди в десятки - сотні нанотесла і суттєво відрізняються від варіацій магнітного поля на геомагнітній обсерваторії “Київ”. Особливо великі значення індукції В (до 100-200 млТл) зареєстровані в метрополітені, під час початку руху або гальмування потягу.
Джерела техногенних варіацій мають в більшості випадків електричний і феромагнітний характер, а саме, пов'язані з вмиканням – вимиканням та роботою джерел постійного струму, рухом електричного транспорту, включно з метро, а також механічними переміщеннями різноманітних транспортних засобів.
Помітна добова ритміка техногенних джерел обумовлюється робочим режимом людей і виробництва.
Можна стверджувати, що в міських умовах людина постійно знаходиться під впливом середньої (а в деяких місцях - сильної) магнітної бурі.
Література.
Биомагнитные ритмы / Н. В. Павлович, С. А. Павлович, Ю. И. Галлиулин. - Мн.: Университетское, 1991. - 136 с.
Орлюк М.І. Геофізична екологія — основні задачі та шляхи їх розв’язку// Геофизич. журн.—2001 .—т.23., №1.—С.49—59.
Белокриницкий В.С. Что необходимо знать пользователям мобильных телефонов и компютеров. – К. – Университет “Украина”—2009. –112с.
Куликов В.Ю. Тимофеева Е.С. Оценка сочетанного влияния различных вариаций геомагнитного и радиационного полей на осмотическую резистентность эритроцитов человека в условиях in VITRO//Медицина и образование в Сибири”. —2011. —№4. —С.12-20.
Медведева О.А., Калуцкий П.В., Беседин А. В., Медведева С.К., Калуцкий А.П. Эколого-эпидемиологический анализ заболеваемости детского населения кишечными инфекциями в регионах Курской области с различным уровнем геомагнитного поля//Научные ведомости. Серия Медицина.Фармация.—2011.— №10 (105).—С.5—11.
Физические факторы производственной среды Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.1191-03 “Электромагнитные поля и здоровье человека”. – М. —2003. —19с.
Орлюк М.І., Роменець А.О. Магнітне екологічне поле мегаполісу (на прикладі м. Києва)//Екологія і природокористування. – 2004. – Випуск 7. – С. 142-147
Тягунов Д.С. Техногенное электромагнитное поле как экологический фактор. // Экология урбанизированных территорий. – М. —2011. — № 2. — С. 45 – 50.
Резинкина М.М., Пелевин Д.Е., Думанский Ю.Д., Биткин С.В. Ослабление геомагнитного поля в многоквартирных домах различных проектов// Гігієна населених місць.—2009.—№54.—С. 209-216.
Корепанов В., Беркман Р., Бест А., Лінте Г.-Й., Мар’янюк Я., Реда Я., Паюнпаа К., Рахлін Л. Експериментальні дослідження стабільності ферозондових магнітометрів, Український метрологічний журнал, 1999, випуск 3, с. 23-25.