ПРИРОДНЕ ТА ТЕХНОГЕННЕ МАГНІТНІ ПОЛЯ ЯК ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКТОР ДОВКІЛЛЯ

ПРИРОДНЕ ТА ТЕХНОГЕННЕ МАГНІТНІ ПОЛЯ ЯК ЕКОЛОГІЧНИЙ ФАКТОР ДОВКІЛЛЯ

М.І.Орлюк¹, А.О.Роменець¹, А.В.Марченко¹, І.М.Орлюк¹

¹Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України, м. Київ

Матеріали ХХХV наукової сесії Наукового товариства імені Шевченка. Комісія Фізики Землі та Геологічна комісія НТШ. Львів, Растр, 2024, с.29-34.

Вступ. Магнітне поле нарівні з іншими факторами зовнішнього середовища (гравітаційне поле, повітря, температура, тиск, вологість, тощо) є вкрай необхідною компонентою життя на Землі. Наразі в якості одного із геоекологічних факторів довкілля розглядалося природне магнітне поле Землі, а зараз в урбанізованих регіонах та мегаполісах треба брати до уваги і магнітні аномалії техногенного походження, які в широкому діапазоні частот можуть бути співставними, або переважати його за інтенсивністю. Екологічний аспект магнітного поля Землі (МПЗ) зводиться до двох основних моментів, а саме:

- це потужна силова оболонка, що захищає поверхню планети від потрапляння на неї сонячної плазми та заряджених частинок космічного випромінювання у широкому діапазоні частот;

- наявність МПЗ, де факто, як необхідного чинника довкілля.

Внутрішнє магнітне поле Землі, яке зумовлене джерелами в зовнішньому ядрі та літосфері, створює силову оболонку планети, яка поширюється на 50-70 тисяч кілометрів від її поверхні і взаємодія якої з зарядженими частинками сонячного і космічного випромінювання та замагніченої сонячної плазми призводить до її деформації та коливань, що проявляється періодичними варіаціями геомагнітного поля та його збуреннями. Періодичність та ритмічність, а також збуреність швидкоплинних (від долі секунди до годин та днів) та тривалих (місячних, річних, 11, 22-, 60-, 85÷100(?)- річних змін геомагнітного поля зумовлена процесами на Сонці та сонячно-земними зв’язками [1,2].

Магнітне (електромагнітне) поле може впливати на органічний світ завдяки ряду його біотропних параметрів: інтенсивності, градієнту, вектору, форми імпульсу, експозиції та локалізації [3-6 та інші]. За цього магніторецепція біологічних об’єктів на геомагнітне поле відбувається за рахунок електромагнітної індукції, наявності феромагнітних частинок у різних органах і тканинах та біохімічних реакцій [7-10].

У ряді нормативних документів для постійних та змінних високочастотних магнітних і електромагнітних полів природнього та техногенного походження введені граничні величини, а також максимальний час можливого перебування людини в таких полях [11, 12].

У залежності від ступеню перевищення екологічних норм магнітного поля в різних діапазонах частот та часу перебування в ньому спостерігаються такі явища, як відхилення у функціонуванні імунної, нервової і серцево-судинної систем, резистантності бактерій до антибіотиків, злоякісних новоутворень, а також загальне ослаблення організму [4,9,10,12].

Отже, згідно з наведеним природне та техногенне магнітні поля і їх варіації можуть бути екологічно значимими факторами довкілля щодо нормального проходження біосферних процесів, а також функціонування всього ієрархічного ряду біосистем і організмів. У зв’язку з цим проаналізуємо просторово-часову структуру магнітного поля для планети загалом та техногенної компоненти м. Києва та зони бойових дій, зокрема стосовно їх відповідності екологічним нормам та поширення вірусних та метаболічних захворювань.

Просторово-часові зміни магнітного поля Землі для часового інтервалу 1950-2020 рр. За міжнародною моделлю IGRF-13 [14] на поверхні планети максимальними значеннями головного магнітного поля Землі (65-70 мкТл) характеризуються геомагнітні полюси, а мінімальними – екваторіальні регіони, зокрема Південної Америки (22-25 мкТл) (Рис.1а). За цього спостерігається його значне послаблення, зокрема за 70 років поле зменшилося на 1,8 мкТл (4,5%), на тлі якого виділяються області з екстремальними його змінами. Максимуми зменшення (–5,5÷–7,4 мкТл) розташовуються поблизу Атлантичного узбережжя Центральної Америки, а також у районі протоки Дрейка і між Африкою та Антарктидою. Максимуми збільшення поля (2,1÷3,5 мкТл) характерні для Європи і Індійського океану (Рис.1в)[15].

У звязку з такими суттєвими просторово-часовими змінами індукції МПЗ на планеті, було досліджено поширення пандемії вірусу ковіду SARSCoV-2 [16,17 ].

Для 95 країн світу було сформовано масив цифрових даних модуля поля В_IGRF, його часового градієнту та загальної кількості хворих в їх межах (нормованих на 1млн. населення). З використанням масиву цифрових даних було виконано статистичний аналіз і розраховано кореляційні залежності захворювання громадян різних країн на SARS-CoV-2 у залежності від “геомагнітних умов”. Дослідження та розрахунки виконано з використанням наявних публікацій та баз даних [14,18;19].

Згідно зі статистичним аналізом можна говорити про тенденцію зв’язку кількості хворих на вірус SARS-CoV-2, а також спровокованої ним надлишкової смертності (порівняно з іншими причинами), з мінімальними та максимальними величинами геомагнітного поля планети Земля, що добре демонструється апроксимацією даних поліноміальною кривою 5 ступеню (рис.1б). Підвищена кількість захворювань також зв’язується як зі значними від’ємними (до –6,5 мкТл), так і додатними (до 2,5 мкТл), змінами геомагнітного поля, а для незначних змін в межах (-2,5÷1,5 мкТл) характерна незначна кількість захворювань (10000÷15000 чол. на 1 мільйон населення)(рис.1г).

Рис.1. Зіставлення глобального розподілу кількості хворих на COVID та їх надлишкової смертності (умовні позначки - коефіцієнт для всіх вікових груп на 100 000 чол/рік) з магнітним полем В_IGRF на епоху 2020р (1а) і його часової зміни за 70 років (1950-2020) (1б) та залежність кількості хворих на SARS-CoV-2 від величини В_IGRF (1в) та зміни геомагнітного поля за 70 років (1г).

Отже, максимальна кількість зареєстрованих випадків захворювання на SARS-CoV-2 припадає на країни Південної Америки та півдня Африки (США, Панама, Бразилія, Аргентина, Коста-Ріка, Колумбія, ПАР), які розташовані в областях з індукцією геомагнітного поля 24,0÷35,0 мкТл та її зменшенням на – 6,5 мкТл, а також на країни Європи (Швейцарія, Хорватія, Швеція, Іспанія, Австрія, Франція, Велика Британія, Італія) з індукцією геомагнітного поля 48,0÷50,0 мкТл і її зростанням на 2,5 мкТл. Натомість країни Південно-Східної Азії та Північної Африки (Китай, Японія, Нова Зеландія, Південна Корея, Австралія, Чад, Нігер, Ефіопія, Замбія), які розташовані в областях з індукцією геомагнітного поля 35,0÷45,0 мкТл і мінімальними його змінами (від –1,5 до 1,5 мкТл), характеризуються незначною кількістю захворювань. Виявлена залежність кількості захворювань та смертності людей від пандемії вірусу SARS-CoV-2 підтверджується поширенням метаболічного захворювання людей на діабет ІІ типу [20].

Проведений статистичний аналіз поширення захворювання на діабет засвідчив, що підвищена кількість захворювань (60÷90 тис/млн.) припадає на країни, які розташовані в області мінімальних значень поля В_IGRF та його максимального зменшення,а саме: Аргентина, Бразилія, Чилі, ПАР, Мексика, Венесуела, Коста-Ріка. Отже можна констатувати, що магнітне поле впливає на поширення вірусного та метаболічного захворювань.

Техногенна компонента магнітного поля на території м.Києва та в зоні бойових зіткнень. Сучасне магнітне поле Землі суттєво спотворюється техногенною складовою від різних електричних і магнітних джерел як на її поверхні, так і в атмосфері і навіть у ближньому космосі. За цього найбільш інтенсивні зміни як фонових значень індукції магнітного поля, так і його різноперіодних варіацій приурочені до мегаполісів, а в останній час до зони бойових дій. Природне магнітне поле на території м. Києва характеризується значеннями В=50,25÷51,35 мкТл і не виходить за межі екологічної норми.

Найбільш інтенсивні поля (10-20)÷(30-50) мкТл спостерігаються у метрополітені [21-24], що зумовлено особливостями будови тунелів і станцій метрополітенів, а також рухомого складу (рис.2).

Рис.2. Індукція магнітного поля на Святошинсько-Броварській лінії метрополітену (інші лінії мають схожу «картину»).

За експериментальними дослідженнями [21] для більшості платформ Київського метрополітену статичні магнітні аномалії знаходяться в межах екологічної норми (більше 30÷35 мкТл). Але на ряді платформ величини магнітного поля мають значення 10÷30 мкТл, що менше допустимих норм. Пікові значення індукції магнітного поля у вагоні електропоїзду під час прибуття (80÷200 мкТл) та відправлення (200÷500 мкТл) зі станції метрополітену спостерігаються в межах 1÷10с, а інтервали часу між ними визначаються часом стоянки поїзду на платформі (10÷30с) [23]. Інтервал часу з фоновими значеннями магнітного поля визначається відстанню між станціями метрополітену та швидкістю електропоїзду і складає зазвичай 120÷240с (див.рис.6).

Згідно з [25,26] в більшості будівель рівень поля не перевищує граничних значень 35,0÷55,0 мкТл. Однак в деяких каркасно-монолітних житлових будинках, офісних приміщеннях, торгово-розважальних центрах існують суттєві відхилення поля від норми [21], змінюючись в окремих кімнатах будинків різного типу в межах від 5,0 мкТл до 90,0 мкТл [24].

Отже магнітні аномалії техногенного походження мегаполісу, особливо в метрополітені, характеризуються значними змінами магнітного поля як в низькочастотному, так і високочастотному спектрі їх коливань, які суттєво вище прийнятих екологічних норм.

В районах бойових дій техногенна компонента магнітного поля співставна, або суттєво переважає за інтенсивністю природні аномалії верхньої частини розрізу земної кори, за рахунок її насичення «військовим» металобрухтом, різноманітними боєприпасами та мінами. В якості прикладу на карті аномального магнітного поля території України показано зону бойових дій та наведено експериментально заміряне аномальне магнітне поле до, та після мінування (Рис.3). Як можна бачити з рис.3 магнітні аномалії незамінованої ділянки (розміром 10х25м) характеризуються аномаліями з інтенсивністю (-6÷8) нТл, а замінованої – (-20÷120) нТл. Зважаючи на наявність в зоні бойових дій інших вибухонебезпечних предметів, можна вважати, що техногенна складова магнітного поля буде суттєво переважати її природню аномальну компоненту.

Рис.3. Зона бойових дій на карті аномального магнітного поля території України (за [27]) (а) та аномальне магнітне поле незамінованої (б) та замінованої (в) ділянок.

Висновки. В статті наведено результати досліджень, проведених в Інституті геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України, які стосуються вивчення просторово-часової структури природного та техногенного магнітного полів у контексті оцінювання екологічного стану довкілля, включно з мегаполісом м.Києва та зоною бойових дій:

-внутрішнє магнітне поле Землі суттєво зменшується на протязі останніх 100 років, що призводить до послаблення його захисної функції та проникнення на нижчі рівні по відношенню до поверхні Землі сонячної плазми та заряджених частинок космічного випромінювання у широкому діапазоні частот і відповідно зміни багатьох параметрів земної атмосфери.

- у зв’язку зі станом геомагнітного поля та його змінами на планетарному рівні показано залежність від нього процесу поширення вірусу ковіду SARS-CoV-2 та метаболічного захворювання людей діабетом ІІ типу..

- у м. Києві магнітне поле техногенного походження в ряді випадків істотно відрізняється від гранично допустимих норм, зокрема в метрополітені, будинках каркасно-монолітного типу та торгівельно-розважальних комплексах.

- особливої уваги на теперішній час заслуговує вивчення техногенної складової магнітного поля у зоні бойових дій, оцінка якої сприятиме визначенню ступеню техногенного забруднення приземного шару та розробці технології пошуку мін та боєприпасів методами дистанційної магнітної зйомки.

Перелік посилань

Орлюк М.І. Геофізична екологія — основні задачі та шляхи їх розв’язку. Геофізичний журнал. 2001. Т.23., №1. С.49—59.

Orlyuk M.I., Romenets A.A. The Earth’s magnetic field and the large-scale magnetic field of the Sun: the solar-terrestrial connection. Odessa Astronomical Publications. 2023. 36: 172—177. https://doi.org/10.18524/1810-4215.2023.36.290538

Любимов В.В. Биотропность естественных и искусственно созданных электромагнитных полей: аналитический обзор. Препринт № 7 (1103). Москва: ИЗМИРАН, 1997.

Сердюк А.М., Григор’єв П.Є., Акіменко В.Я., Протас С.В. Екологічна значущість геомагнітного поля та медично-біологічні передумови гігієнічної регламентації його ослаблення в умовах України. Довкілля і здоров’я. 2010. № 3. С.8—11.

Птицына Н.Г., Виллорези Дж., Дорман Л.И. и др. Естественные и техногенные низкочастотные магнитные поля, как факторы, потенциально опасные для здоровья. Успехи физических наук. 1998. Т. 168, № 7. С. 767—791. https://doi.org/10.1070/pu1998v041n07abeh000419

Zhang X., Yarema K., Xu A. Biological Effects of Static Magnetic Fields. Springer Singapore, 2017. https://doi.org/10.1007/978-981-10-3579-1

Kirschvink J.L., Gould J.L. Biogenic magnetite as a basis for magnetic field detection in animals. Biosystems. 1981. 13(3): 181—201. https://doi.org/10.1016/0303-2647(81)90060-5.

Johnsen S., Lohmann K. Magnetoreception in animals. Physics Today. 2008. 61(3): 29—35. https://doi.org/10.1063/1.2897947.

Wang C.X., Hilburn I.A., Wu D.-A., MizuharaY., Cousté C.P., Abrahams J.N.H., Bernstein S.E., Matani A., Shimojo Sh., Kirschvink J.L. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain. eNeuro. 2019. 6(2): e0483-18.2019 1–23. https://doi.org/10.1523/ENEURO.0483-18.2019.

Lei H., Pan Y., Wu R., Lv Y. Innate Immune Regulation Under Magnetic Fields With Possible Mechanisms and Therapeutic Applications. Review article. Front. Immunol. 2020. 22: 582772. https://doi.org/10.3389/fimmu.2020.582772.

Guidelines for limiting exposure to time‐varying electric and magnetic fields (1HZ to 100 kHZ). International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Health Physics. 2010. 99(6): 818—836. https://doi.org/10.1097/HP.0b013e3181f06c86 .

Standard der baubiologischen Messtechnik: SBM-2015. http://www.sbm-standard.de/.

Мартынюк В.С., Цейслер Ю.В., Темурьянц Н.А. Интерференция механизмов влияния слабых электромагнитных полей крайне низких частот на организм человека и животных. Геофизические процессы и биосфера. 2012. T. 11, № 2. С. 16—39.

DGRF/IGRF Geomagnetic Field Model 1945—2025 (IGRF-13) and Related Parameters. https://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/igrf_vitmo.php.

Orlyuk M.I., Romenets A.A. Spatiotemporal change in the geomagnetic field: environmental aspect. Geofizicheskiy Zhurnal. 2020, 42(4): 18—38. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v42i4.2020.210670.

Orlyuk M., Romenets A. SARS-CoV-2 virus spreading in depending of the Earth’s magnetic field. Geofizicheskiy Zhurnal. 2022. 44(4): 74—94. https://doi.org/10.24028/gj.v44i4.264842.

Orlyuk M., Romenets A., Orliuk I. Earth’s magnetic field spatial-temporal changes in relation to the SARS-CoV-2 virus spreading. In: Monitoring of Geological Processes and Ecological Condition of the Environment: Proc. XVI Int. Sci. Conf. (15—18 November, 2022, Kyiv, Ukraine). https://eage.in.ua/wp-content/uploads/2022/11/Mon-22-196.pdf.

Комісаренко С.В. Світова коронавірусна криза. Київ: ЛАТ&K, 2020. https://files.nas.gov.ua/PublicMessages/Documents/-8/2020/10/201001141517278-5741.pdf .

COVID-19 Excess Mortality Collaborators. Estimating excess mortality due to the COVID-19 pandemic: a systematic analysis of COVID-19-related mortality, 2020–21. The Lancet. 10 March 2022. https://doi.org/10.1016/ S0140-6736(21)02796-3.

https://diabetesatlas.org/data/en/country/

Розов В., Пелевин Д., Левина С. Экспериментальное исследование явления ослабления статического геомагнитного поля в помещении. Електротехніка і електромеханіка. 2013. № 6. С. 72—76. https://doi.org/10.20998/2074-272X.2013.6.13 .

Orlyuk M., Romenets A., Orliuk I. Natural and technogenic components of megalopolis magnetic field. Geofizicheskiy Zhurnal. 2016. 38(1): 78—85. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v38i1.2016.107727.

Орлюк М.І., Роменець А.О., Орлюк І.М. Магнітні поля Київського метрополітену: екологічний аспект. Доповіді НАН України. 2020. № 3. С. 63—70. https://doi.org/10.15407/dopovidi2020.03.063.

Орлюк М.І., Онищук І.І., Роменець А.О., Марченко А.В., Яцевський П.О. Орлюк І.М. Магнітні та радонові аномалії на території міста Києва: екологічний аспект. Геофізичний журнал. 2021. Т.43, №1. С.227—250. https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v43i1.2021.225551 .

Орлюк М.І., Роменець А.О. Магнітне екологічне поле мегаполісу (на прикладі м. Києва). Екологія і природокористування. 2004. №7. С.142—147.

Резинкина М.М., Пелевин Д.Е., Думанский Ю.Д., Биткин С.В. Ослабление геомагнитного поля в многоквартирных домах различных проектов. Гігієна населених місць. 2009. Вип.54. С. 209—216.

Орлюк М.І., Марченко А.В., Роменець А.О., Бакаржієва М.І. Розробка цифрових карт модуля індукції геомагнітного поля В для території України. Геофізика і геодинаміка: прогнозування та моніторинг геологічного середовища: зб. наук. праць. Львів: Растр-7, 2023. С.152—155.