Космос и биосфера

ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ВСТРЕЧИ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ С ГИПОТЕТИЧЕСКОЙ ЗВЕЗДОЙ НЕМЕЗИДОЙ МОГУТ БЫТЬ ПРИЧИНОЙ БИОСФЕРНЫХ КАТАСТРОФ ???

2010-07-18T20:06:00.007+03:00

В современной эволюционной теории есть много пробелов и один из них связан с тем, что за последние полмиллиарда лет Биосфера Земли не раз подвергалась серьезным изменениям, которые сопровождались массовыми вымираниями биологических видов. Особый интерес у биологов-эволюционистов, палеобиологов и геологов вызывает определенная периодичность, с которой происходили эти изменения. Выглядит это так - примерно каждые 26-27 млн. лет происходит на Земле нечто, что приводит к массовому вымиранию отдельных видов и целых таксонов.

К этому вопросу постоянно возвращаются. Еще в 2003 году в работах российских исследователей Гончарова Г.Н. и Орлова В.В. было показано, что такие явления коррелируют с импактными событиями – падением на Землю космических тел. Эти импактные события характеризуются близкой периодичностью. Причина такой периодичности неизвестна, но наиболее рациональное объяснение этого явления связано с периодическим прохождением Солнечной системы через плоскость нашей галактики. Гравитационное поле Галактики плоское. Звезда ниже галактической плоскости притягивается, набирает скорость, «падает» на эту плоскость и «проскакивает» ее. Далее она, замедляясь, поднимается выше плоскости, затем «падает» снова и снова «проскакивает». Солнечная система проходит галактическую плоскость приблизительно каждые 30 млн. лет. Прохождение Солнечной системы через плоскость Галактики являются особым эпизодом. В этой плоскости сосредоточена газо-пылевая составляющая вещества Галактики (звездная составляющая образует гораздо более «толстый» диск). Галактические газ и пыль имеют облачную («клочковатую») структуру, не заполняя равномерно всю плоскость. При пересечении галактической плоскости Солнце имеет повышенную вероятность оказаться в пределах газо-пылевого облака. Именно в этот период повышается вероятность дестабилизации облака Орта и выпадение космических тел во внутреннюю область Солнечной системы. Несомненно, это может иметь серьезные экологические последствия для Земли. Они плохо изучены и, видимо, ряды данных по периодическому вымиранию биологических видов – это единственное, что мы объективно наблюдаем.

Следует, тем не менее, отметить, что при рассмотрении проблемы массовых вымираний видов предлагаются разные гипотезы, порой экзотические. К такому случаю, видимо, можно отнести одну из последних работ Adrian L. Melott и Richard K. Bambach, где предпринята попытка проанализировать возможные последствия периодического сближения Солнечной системы с гипотетической звездой Нимезидой. Сразу возникает вопрос, почему авторы ищут другие причины? Один из аргументов авторов, который ставит под сомнение важную роль периодичности прохождения Солнечной системы относительно плоскости галактики в рассматриваемом явлении, основан на расчетах, которые показывают, что периодичность этого движения Солнечной системы в галактике не совпадает с массовыми вымираниями. (Rem.: Тут авторы, вероятно, забыли тот факт, что в настоящее время оценка такой периодичности характеризуется большими погрешностями. Достаточно вспомнить дебаты по поводу прогноза очередного максимума солнечной активности. Уж тут-то казалось, что все известно и динамическая машина нашей звезды работает надежно. Но Солнце преподнесло сюрприз и теперь стало ясно, что наши знания оказались весьма неполными, а все сделанные расчеты, в лучшем случае, очень приблизительными, а в подавляющем большинстве – ошибочными). Adrian L. Melott и Richard K. Bambach пошли простым путем, основанном на идеи о существовании у Солнца пока неизвестного двойника – звезды Немезиды, которая находится за границами Солнечной системы, но примерно каждые 27 млн лет проходит сквозь находящееся на ее дальних подступах облако Орта, представляющее собой скопление огромного количества ледяных обломков. Немезида выбивает их со своих мест, вызывая катастрофическую кометную бомбардировку внутренних областей Солнечной системы – ледяной дождь, приводящий к катастрофам на Земле. Исследователи провели анализ периодов вымирания за последние 500 млн лет. Из этих данных периодичность в 27 млн лет действительно была, как бы, подтверждена (Rem.: Что и не удивительно! Ведь за основу был взят apriori заранее установленный «необходимый» период. И это не смотря на то, что в спектре динамики вымирания видов, приведенном авторами, присутствует целый набор периодов, где период 62 млн. лет является доминирующим, но он авторами детально не обсуждается). В модели, предлагаемой авторами, периодические встречи с Немезидой, как бы, действительно отлично объясняют эту 27-милн.летнюю регулярность. Но именно регулярность, по мнению авторов, свидетельствует против влияния Немезиды, так ее движение должно возмущаться другими космическими объектами и приводить к нарушению устойчивой периодичности. Вывод замечательный, но у читателя все равно остается вопрос, а что же искали авторы? Объяснение периодичности гео-биосферных катастроф или звезду Немезиду? Судя из названия работы, искали все-таки Немезиду, но весьма интересным способом. :-) Не удивительно. что её так и не нашли. :-)

ПРИНЦИП МАКСИМАЛЬНОЙ РЕЗОНАНСНОСТИ – УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ВСЕЛЕНСКИЙ ПРИНЦИП!

2010-07-08T23:17:00.006+03:00

Давно известна вездесущность космических ритмов в биологических процессах. К этому феномену не всегда относятся серьезно, полагая, что он относится к категории астрологических и прочих ненаучных доктрин. Нередко подобным образом относятся и к принципу максимальной резонансности Солнечной системы, предложенному Молчановым. Этот принцип является гипотетической теоретической схемой, объясняющей наличие многочисленных целочисленных соотношений между динамическими параметрами Солнечной системы. Согласно Молчанову Солнечная система обладает кооперативными свойствами, так что все колебательные подсистемы в ней движутся в едином режиме. Другими словами Солнечная система представляет совокупность слабо связанных осцилляторов; в процессе длительной эволюции эта система выходит на особый кооперативный динамический режим, в котором все частоты связаны между собой целочисленными («резонансными») соотношениями. Длительная эволюция такой колебательной системы привела к исчезновению в неустойчивых («нерезонансных») состояний. Ранее мы уже отмечали, что этот принцип в может быть справедлив для объяснения солнечно-земных и солнечно-биосферных связей, для которых характерно проявление космических периодов в геофизических и биологических процессах (http://www.publisher.science-center.net/Pictures/Space%20Weather%20in%20Our%20Life%20Book.pdf).

Фундаментальную роль в установлении резонансного кооперативного режима движения играет процесс синхронизации. Замечательное свойство этого широко распространенного в природе явления - возможность выхода на синхронный режим движения при «сверхслабых» связях между осцилляторами, настолько слабых, что в некоторых случаях можно говорить об отсутствии порога синхронизации. В солнечной системе практически все автоколебательные подсистемы синхронизованы. После публикаций Молчанова было найдено множество подтверждений «принципа максимальной резонансности». Например, связь осевых периодов вращения планет с периодами орбитального движения их спутников. В орбитальном резонансе вращаются наши гиганты Сатурн и Юпитер, периоды обращения которых относятся, как 2:5, или Плутон с Нептуном (2:3). Важное следствие этого принципа – наличие связи между конфигурациями планет и вариациями солнечной активности. Автоколебания в конвективной зоне Солнца, проявляющие себя в изменении числа солнечных пятен с периодом около 22 лет, также синхронизированы с движением планет. К этому типу событий можно отнести и синхронное образование загадочных образований в атмосфере Юпитера и Венеры (см., например, http://cosmo-bio.blogspot.com/2009/08/blog-post.html).

Как оказывается, подобная небесная гармония характерна не только для Солнечной системы. Недавно подобный синхронизм обнаружен в системе красного карлика Gliese 876, расположенной в созвездии Водолея, примерно в 15-ти световых годах от нас. Самая близкая к звезде и крупная планета Gliese 876-b делает 4 оборота вокруг звезды за то же время, что самая дальняя и небольшая планета Gliese 876-е делает 1 оборот.

Таким образом, принцип максимальной резонансности Молчанова можно рассматривать как универсальный вселенский принцип!

«ТИШИНА» НА СОЛНЦЕ ПРОДОЛЖАЕТ УСИЛИВАТЬСЯ

2009-08-29T13:38:00.006+03:00

Минимум солнечной активности явно затянулся. Все чаще говорят о наступающем глобальном минимуме активности нашего светила. Как показывают наблюдения на Солнце «тишина» усиливается: Максимально снизилась светимость Солнца в рентгеновском и видимом диапазоне, снизилась, соответственно, и скорость, температура и давление солнечного ветра. За период с 1992 года, когда начались регулярные наблюдения Солнца в ИК-диапазоне, по настоящее время (примерно два 11-летних цикла) наблюдается выраженная тенденция быстрого и неуклонного спада максимальной регистрируемой напряжённости магнитного поля солнечных пятен. При этом снижение напряжённости магнитного поля пятен сопровождается повышением интенсивности их излучения в ИК-диапазоне. Это неожиданное поведение Солнца пока не находит разумного теоретического объяснения и является еще одним сюрпризов для астрофизиков.

Периодические сбои в ритмике «солнечного динамо», известные как глобальные минимумы активности, представляют большую загадку. Это временная «остановка двигателя»» или какая-то внутренняя «аритмия». Анализ рисунков пятен на Солнце, сделанных в конце XVIII столетия Иоганном Штаудехером и Джеймсом Гамильтона в период глобального минимума Дальтона (793-1795 гг), позволил сделать вывод о том, что аномально длительный минимум Дальтона на самом деле представляет собой комбинацию двух аномально коротких и слабых циклов длительностью семь и девять лет соответственно – оставшихся незамеченными из-за использования при ретроспективном анализе активности только лишь данных о количестве пятен вообще. Видимо, такая «аритмия» является для нас редким, но во временном масштабе нашей звездной системой «нормальным» состоянием Солнца, и у нас есть шанс увидеть это редкое событие, а возможно и ощутить его проявление в динамике климатической машины Земли. Начавшийся затяжной экономический кризис и затянувшийся минимум солнечной активности – это случайное совпадение? Анализ истории показывает, что это не совсем так! Действительно, есть стойкое ощущение, что мы сейчас находимся на пороге серьезных для цивилизации глобальных изменений – климатических, экономических, социально-политических и культурно-мировоззренческих. Есть ли такое ощущение у наших политиков, которые все чаще рассуждают о возможных вооруженных конфликтах и упорно толкают миллионы людей на конфронтацию?

ЗАГАДКИ СИНХРОНИЗМА В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ

2009-08-09T19:46:00.035+03:00

Исследователям, занимающимся солнечно-биосферными связями, хорошо известны периоды, которые одновременно обнаруживаются во временных рядах космо-, гео- и биологических данных. Если быть более точным, то это спектр периодов разной длительности - от нескольких минут до нескольких дестяков лет и более. Такой синхронизм вполне понятен, если рассматривать Биосферу как очень сложную открытую автоколебательную систему биологических процессов на всех уровнях организации, для которых характерен широкий спектр собственных периодов и которые могут синхронизироваться внешними, даже очень слабыми (космофизическими и геофизическими), воздействиями.

В середине июля сенсацией стало синхронное образование загадочных образований в атмосфере Юпитера и Венеры. Особый интерес вызвал именно синхронизм этих аномалий. "Загадка синхронизма", - именно так наиболее часто комментировали это явление на новостных страничках. Однако, для исследователей Солнечной системы такой синхронизм не является какой-то особой загадкой! В настоящее время ясно, что весь этот спектр периодов в Солнечной системе и его вариации устойчивы на больших интервалах времени и являются отражением высокой степени кооперативной организации нашей звездной системы. Такая синхронность событий хорошо известна и находит истолкование в так называемом «принципе максимальной резонансности» солнечной системы, который предложен А.М. Молчановым в 1973 г. В основе этого принципа лежит следующая идея: солнечная система представляет совокупность слабо связанных осцилляторов; в процессе длительной эволюции в присутствии сил трения эта система выходит на особый кооперативный динамический режим, в котором все частоты связаны между собой целочисленными («резонансными») соотношениями: естественный отбор привел к исчезновению в процессе эволюции неустойчивых («нерезонансных») состояний. Таким образом, мы являемся свидетелями реализации этого универсального принципа! Вероятно, что этот принцип в определеной степени справедлив и для анализа солнечно-биосферных связей.

ХОРОШАЯ НОВОСТЬ! ЖУРНАЛ "ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА" БУДЕТ ВЫХОДИТЬ В АНГЛОЯЗЫЧНОМ ФОРМАТЕ

2009-07-16T10:42:00.009+03:00

Есть две новости. Одна хорошая, другая плохая.

Начнем с плохой... Впрочем, это не новость, а давняя наболевшая пролема. У исследователей, занимающимся вопросами солнечно-биосферных связей, всегда стоит вопрос о том, в каких журналах публиковать свои результаты. По причине того, что исследования носят междисциплинарный характер, попытка опубликовать работу в хрошем академичнском журнале становится трудно преодолимой задачей.

А теперь хорошая новость... Нетак давно, благодаря усилиям членкора РАЕН Александра Сидорина, начал выходить специализированный академический журнал "Геофизические процессы и биосфера", в котором публикуют статьи как раз по интересующей нас тематике. С уверенностью можно всем нашим коллегам можно рекомендовать это издание. Более подробно с тематикой журнала и требованиями к оформлению статей можно ознакомиться на страничках журнала http://www.ifz.ru/journals/gpb/genelal_info.htm

А самая последня хорошая новость - принято решение об издании с 2010 года английской версии журнала. Готовить издание будут совместно МАИК и Pleades Publishing Ltd., а распространять по всему миру - Springer.

ЧТО СЛЕДУЕТ ПОНИМАТЬ ПОД СВЕРХСЛАБЫМИ ВОЗДЕЙСТВИЯМИ ПОЯСНИЛИ НА КОНГРЕССЕ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ

2009-07-15T12:53:00.018+03:00

В Санкт-Петербурге состоялся очередной Конгресс по слабым и сверхслабым полям и излучениям в биологии и медицине (20.06-03.07.2009). Без сомнения можно сказать, что это знаменательное событие для специалистов и исследователей, работающих в области изучения биологической активности слабых и сверхслабых воздействий, в частности в гелиобиологии, экологической биофизикие и электромагнитной биологии. Хочется поздравить организаторов Конгресса с успехом и выразить слова благодарности за интересную, насыщенную научную программу, а также за создание атмосферы праздника общения.

Вероятно, многие участники Конгресса согласятся, что главными итогами Конгресса является следующие моменты.

1. Можно с увереностью сказать, что наконец-то физики разных академических направлений обратили серьезное внимание на биологические эффекты всерхслабых воздействий, которые давно волнуют биологов и медиков, и предпринято ряд серьезных попыток теоретического объяснения таких эффектов с позиции современных физических теорий.

2. Сверхслабыми воздействиями предложено считать такие, энергия которых может быть на 7-8 порядков (!) ниже теплового уровня kT. Такие воздействия соответствуют энергии квантовых процессов, таких как эффект Зеемана, Штарка и др. Сверхнизкими концентрациями, вероятно, следует считать величины ниже 10^-12М.

3. Важную роль в первичных механизмах воздействия сверхслабых факторов на биологические системы лежат квантовые спиновые эффекты, которые в конечном счете приводят к изменению структурно-динамических свойств водной фазы. В этой связи следует отметить, что наличие кислорода и его активных форм в водных средах и в тканях живых организмов является в большинстве случаев определеющим фактором в биоэффектах элетромагнитных полей.

4. Поставлен вопрос о необходимости междисциплинарного согласования терминологии, так длительный опыт показывает, что физики, биологи и медики, используя одни и теже терминологические названия, вкладывают в их понимание совершенно разный смысл.

КАКОЙ ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКТОР ЯВЛЯЕТСЯ ГЛАВНЫМ В ПЕРЕДАЧЕ ИЗМЕНЕНИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ В БИОСФЕРУ? ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

2009-07-14T18:36:00.019+03:00

Вопрос, вынесенный в заглавие этого раздела, в настоящее время является одним из главных в современной гелиобиологии. Это сложный вопрос, поэтому сразу обращаю внимание, что приводимые в этом разделе материалы рассчитаны на подготовленного читателя. Из предыдущих материалов читатель уже знает в том, что существует огромный массив данных, свидетельствующий о связи земных процессов с космической погодой. Список феноменов постоянно расширяется. Однако по-прежнему малопонятными остаются физические и биологические механизмы, отвечающие за реализацию такой связи. В конечном итоге суть проблемы сводится к поиску ответов на два главных вопроса: какие экологические факторы, контролируемые космической погодой, оказывают непосредственное воздействие на биологические системы и каковы биологические механизмы, определяющие разнообразие реакций живых организмов на воздействие этих факторов?

Ответ на первый вопрос в настоящее время более-менее ясен и он лежит в области исследований солнечно-земной физики. В самых общих чертах пути воздействия солнечной активности на среду обитания показаны на рисунке 7.1. Здесь выделены два основных канала воздействия – через изменения коротковолнового излучения и ионосферу (солнечная активность), а также через изменения в солнечном ветре – магнитосферу (геомагнитная активность). Уместно еще раз подчеркнуть, что в первом случае воздействие суммируется по всему солнечному диску (по всем активным областям), во втором – влияние ограничивается активными областями в узкой зональной области данного солнечного полушария с запаздыванием в 3-5 дней. Здесь не показан еще один возможный канал связи, который значительно реже обсуждается в литературе, – это космические галактические и солнечные лучи, поток которых модулируется солнечным ветром.

В среде обитания на живые организмы действует комплекс факторов. Ряд факторов, такие как электромагнитные поля крайне низких частот, проникают в лито- и гидросферу, оказывая воздействие практически на все живые организмы биосферы. Другие факторы могут оказывать действие только на ограниченных пространствах и их параметры сильно зависят от состояния атмосферы (радиочастотный электромагнитный фон, инфразвук, электрическое поле, ультрафиолетовое излучение и др.).

Рис. 7.1. Общая схема влияния солнечной активности на Биосферу. Показаны два основных канала воздействия: через солнечный ветер – магнитосферу и через коротковолновое излучение – ионосферу и озоносферу. Отсутствие точного знания о других источниках влияния на биосферные процессы символизирует стрелка со знаком вопроса на правой крайней части схемы и означает, что на нынешнем этапе исследований не все пути воздействия космофизических факторов раскрыты.

Ясный ответ на второй вопрос, т.е. о биологических механизмах действия слабых факторов, который по своей сути является фундаментальным биофизическим, пока еще остается открытым. Это связано, с одной стороны, со сложностью исследований влияния крайне слабых факторов на фоне сильных экспериментально неконтролируемых шумов, а с другой, - с отсутствием ясных теоретических представлений о физических механизмах воздействия таких слабых факторов. Эти обстоятельства часто являются причиной острых дискуссий, необоснованной критики, а порой откровенного недоверия к перечисленному кругу научных проблем. Тем не менее, имеющийся современный массив экспериментальных данных позволяет сделать некоторые выводы, о которых пойдет речь ниже.

Биологическая активность слабых электромагнитных полей

Экспериментальное обнаружение биологической активности слабых (сверхслабых) электромагнитных полей – одно из самых важных достижений современной биофизики и экологии. В настоящее время природные электромагнитные поля рассматривают в качестве главного посредника между активностью солнца и биологическими процессами. Это и не удивительно, потому что наибольшее количество корреляций биологических процессов с солнечной активностью выявлено с использованием гео- и гелиофизических индексов, которые в той или иной степени характеризуют электромагнитную обстановку окружающей среды. Постепенно становится понятным, что вариации амплитуд электромагнитных колебаний на разных частотах тоже необходимо рассматривать как особый экологический фактор фундаментальной важности. Следует отметить, что это все еще гипотеза, но которая в настоящее время имеет под собой серьезную экспериментальную базу, поэтому данный вопрос мы рассмотрим более подробно.

Идея экспериментальной проверки биологической активности электромагнитных полей, близких по своим частотным и амплитудным характеристикам к природным, возникла практически сразу после того, как были установлены основные механизмы воздействия солнечной активности на защитные оболочки Земли (раздел 1.5). Однако в то время большинство исследователей были убеждены в том, что низкочастотные электромагнитные поля не могут вызывать какие-либо реакции со стороны живых организмов, потому что энергия таких воздействий на несколько порядков меньше энергии, приходящейся на единицу степени свободы теплового движения молекул. Поэтому вопрос о биологической активности и экологической значимости природных электромагнитных полей автоматически снимался с рассмотрения. В такой обстановке накопление экспериментальных данных о влиянии электромагнитных полей нетепловой интенсивности проходило медленно и крайне трудно. Экспериментальные данные о высокой чувствительности живых организмов к таким воздействиям встречались научной общественностью с откровенным недоверием.

Ситуация изменилась после публикаций А.С. Пресмана (Пресман А.С., 1968). Он обобщил имеющиеся на тот момент экспериментальные данные и выдвинул три принципиально важных постулата, которые стали базовыми в последующем становлении и развитии нового раздела современной биофизики – электромагнитной биологии неионизирующего излучения. Коротко их можно сформулировать следующим образом: природные и техногенные электромагнитные поля влияют на биологические процессы; внутренние электромагнитные поля живых организмов участвуют в регуляции биологических процессов; электромагнитные поля принимают участие в коммуникации между организмами. Такой подход привел к появлению концепции об информационной роли электромагнитных полей в биосфере, которая получила серьезное экспериментальное обоснование. Итак, что же сегодня известно о биологической активности слабых электромагнитных полей?

Экспериментальный массив данных о биологической активности слабых электромагнитных полей в настоящее время огромен, и авторы не имеют возможности в рамках одного раздела посвятить читателя во все тонкости этой проблематики. Эта проблема касается не только экологической и медико-биологической значимости природных электромагнитных полей, но и в большей степени электромагнитных излучений техногенного происхождения в широком диапазоне частот. Поэтому рассмотрим только отдельные аспекты электромагнитного воздействия на живые организмы, которые принципиально важны для понимания возможных путей влияния природного электромагнитного фона на биологические процессы.

Перед тем, как рассматривать вопросы биологической активности слабых электромагнитных полей, необходимо определиться в том, как следует понимать термин «слабые». Необходимо отметить, что в электромагнитной биологии четкого критерия «слабого» или «сильного» электромагнитного воздействия не существует в силу высокой чувствительности и нелинейности ответа живого организма на то или иное электромагнитное воздействие. Тем не менее, «слабыми» часто называют такие воздействия, которые не приводят к нагреву биологических тканей. Более точный критерий, который позволяет называть такие воздействия слабыми, - это величина энергии воздействия, которая по своему уровню не должна быть больше энергии, приходящейся на единицу степени свободы теплового движения простых молекул. Однако по отношению к низкочастотным магнитным полям применяют другие критерии «слабости». Очень часто «слабыми» называют такие низкочастотные магнитные поля, амплитуда которых ниже установленных предельно допустимых уровней для жилых и офисных помещений, в данном случае это диапазон ниже 100 микротесла. Для сравнения можно привести такие данные: средняя напряженность (индукция) постоянного магнитного поля Земли составляет приблизительно 50 микротесла, а амплитуда его медленных вариаций может достигать до 1 микротесла; уровень электромагнитного фона, создаваемого электротехническими устройствами в обычных помещениях, в которых проводятся эксперименты, находится в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен нанотесла; уровень электромагнитного фона на частотах Шумановского резонанса для электрической компоненты составляет десятые доли милливольта на метр, а для магнитной компоненты – доли-единицы нанотесла; реакции живых организмов экспериментально обнаружены для магнитных полей начиная с единиц пикотесла (Qin C. Et el, 2005).

Биологические эффекты электромагнитных полей крайне низких частот (менее 300 Гц), близких по своим отдельным характеристикам к природным обнаруживаются на всех уровнях организации живых систем. Этой проблеме посвящено ряд добротных обзорных работ и фундаментальных монографий (Темурьянц Н.А. и соавт., 1992; Бинги В.Н., 2000). Поэтому очень кратко рассмотрим основные эффекты влияния рассматриваемого фактора на организм человека и животных.

Влияние на центральную нервную систему. Воздействие слабых магнитных полей крайне низких частот влияют на электрическую активность мозга животных и человека, при этом энцефалографические данные показывают усвоение разных частот действующего поля (Gavalas-Medici R.T. et el., 1978; Ludwig H.W., 1987). Слабые низкочастотные магнитные поля угнетают развитие условных рефлексов (Сидякин В.Г., 1986; Pavlenko V.B. et el., 2004), и изменяют зоосоциальное поведение животных (Сидякин В.Г. и соавт., 1995). Одной из причин развития торможения на уровне интегративной деятельности центральной нервной системы являются повышения в активности серотонинэргических систем (Zecca L. Et el., 1995), контролируемых уровнем мелатонина в крови, который в свою очередь определяется функциональной активностью особой нейроэндокринной железой головного мозга - эпифизом (Burch J.B. et el, 1999; Pfluger D. H.et el, 1996). Эффекты действия магнитных полей крайне низких частот на поведение и условно-рефлекторную деятельность животных связывают с изменениями также и в холинэргическом медиаторном звене. В исследованиях показано, что причиной снижения холинэргической активности в таких случаях является активация опиоидной системы мозга (Kavaliers M., 1986). Такие изменения в нейромедиаторных системах головного мозга, вероятно, могут быть одной из причин магнитоиндуцированнного повышения алкогольного влечения у животных, находящихся в условиях стресса (Никольская К.А. и соавт., 2000). Важно также то, что слабые электромагнитные поля крайне низких частот влияют на параметры межполушарной асимметрии, которая является одной из фундаментальной характеристикой интегративной деятельности головного мозга (Мартынюк В.С. и соавт., 2001). Данные результаты позволяют в определенной степени объяснить наблюдаемый феномен зависимости распределения острых мозговых нарушений кровообращения в полушариях мозга от фазы цикла солнечной активности, обнаруженной Цыганковым К.В. и соавт. (2007) (см. главу 3).
В независимых исследованиях показано влияние магнитных полей крайне низких частот на метаболические процессы в разных структурах центральной нервной системы, при этом характер этого влияния сильно зависит от индивидуально-типологических особенностей животных (Мартынюк В.С., 2001). Это обуславливает разнообразие реакций в популяции животных, которое не всегда учитывается исследователями в своих модельных исследованиях.

Один из основателей советской электромагнитной биологии Ю.А Холодов (1982, 1998) считает, что из трех основных структурных элементов нервной ткани - нейрон, глия, кровеносный сосуд - наиболее чувствительной к магнитным полям является глия. При этом детальное изучение самых начальных реакций мозга в течение первых секунд и минут воздействия электромагнитных полей позволило Холодову Ю.А. сделать важный вывод о неспецифичности таких реакций на уровне центральной нервной системы (Холодов Ю.А., 1998). Этот исследователь предлагает называть такую реакцию НАРМ-реакцией, т.е. «начальной адаптационной реакцией мозга». Принципиальным моментом такой системной неспецифической реакции является то, что при НАРМ-реакции еще не наблюдается никаких изменений со стороны периферических органов и тканей.

Исследовательская группа под руководством академика РАН Агаджаняна Н.А. (1992) в лабораторных условиях моделировала короткопериодные магнитные пульсации c частотами 0.05 – 5 Гц 100 нТл, которые по своим характеристикам близки к пульсациям геомагнитного поля. Результаты их исследований показали, что такие МП КНЧ повышают спонтанную ритмическую активность нервных клеток мозжечка, что доказывает возможность прямого влияния МП КНЧ на функциональную активность отдельных нейронов и целых нейрональных структур.

Таким образом, краткий анализ имеющегося в настоящее время большого массива экспериментальных данных указывает на то, что в ответ на действие электромагнитных полей, близких по своим частотным и амплитудным характеристикам к природным, со стороны центральной нервной системы наблюдаются разнообразные реакции, начиная с изменений реализации программ поведения и заканчивая элементарной биохимической и биофизической организацией нервных процессов.

Влияние на нейроэндокринную регуляцию. Широко известно, что эндокринные железы и, в частности, система гипоталамус-гипофиз-кора надпочечников играют важную роль в неспецифических защитно-приспособительных реакциях организма на воздействие разнообразных факторов внешней среды, в том числе и на действие электромагнитных полей (Андрейчук Л.А., 1999). Поэтому не удивительно, что в исследованиях биологической активности слабых электромагнитных полей обнаруживаются разнообразные реакции со стороны данного звена нейро-эндокринной системы организма. В частности, повышается активность симпато-адреналовой системы и увеличивается накопление адреналина в эритроцитах (Темурьянц Н.А. и соавт., 1982), сдвигаются параметры ее биоритмов (Темруьянц Н.А. и соавт., 1982). Результаты многочисленных исследований показывают фазную активацию гипоталамо-гипофизарно-надопочечниковой системы, реакции со стороны щитовидной железы, половых желез (Гаркави Л.Х. и соват., 1990).

В системных механизмах воздействия электромагнитных полей на живые организмы важную роль играет эпифиз, который по последним данным, участвует в регуляции циркадианного ритма посредством специального гормона – мелатонина (Темурьянц Н.А. и соавт., 1998). Эпифиз вовлекается в регуляцию разнообразных физиологических и иммунных процессов, что во многом объясняется существованием многочисленных взаимосвязей с различными структурами мозга и эндокринными железами. Показано, что, оказывая сложное влияние на состояние гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, эпифиз взаимодействует с различными эндокринными органами, среди которых гонады, надпочечники, щитовидная и поджелудочная железы. Причем указанное влияние имеет, главным образом, сдерживающий, ингибирующий характер. Одновременно с этим мелатонин является важным и тонким модулятором активности разных звеньев иммунной системы. Анализ многочисленных литературных данных свидетельствует о том, что слабые магнитные поля с различными характеристиками вызывают принципиально одинаковые изменения в функциональной активности эпифиза, которые сводятся к снижению концентрации мелатонина в крови.

Влияние на сердечно-сосудистую систему. Одной из магниточувствительных систем организма является сердечно-сосудистая система, а ее функциональные изменения, скорее всего, являются результатом нарушения транспорта кислорода в тканях. Слабые магнитные поля, в зависимости от условий эксперимента, могут оказывать аритмогенное действие на функции сердца (Кузнецов А.И., 1990) или снижать показатель вариабельности сердечного ритма (Sastre A.et el,1998). Это в обоих случаях рассматривается как неблагоприятный фактор, свидетельствующий о напряженной работа регуляторных механизмов, контролирующих работу сердца.

Влияние на систему крови и иммунитет. Эффекты воздействия слабых магнитных полей крайне низких частот хорошо выявляются на показателях системы крови и зависят от частоты, интенсивности и экспозиции воздействия (Темурьянц Н.А. и соавт., 1982). В первые часы воздействия, как правило, наблюдается лейкопения, т.е. происходит снижение количества лейкоцитов в крови (Мартынюк В.С., 1995). Одновременно в режиме колебаний изменяются показатели функциональной активности лейкоцитов (Темурьянц Н.А. и соавт., 1996). Действие магнитных полей также проявляется в активизации противосвертывающей системы крови (Русяев В.Ф., 1984). Важным являет тот факт, что были найдены частотные «окна», в которых наблюдались более выраженные биоэффекты синусоидальных и импульсных переменных магнитных полей крайне низких частот с амплитудами 5,1; 51 и 5100 нТл. Так показатели периферической крови существенно изменялись только в результате воздействия отдельных частот: 0,02; 0,55; 5,5; 9,5 и 80 Гц (Темурьянц Н.А. и соавт., 1982).

Иммунная система также демонстрирует высокую чувствительность к действию электромагнитных факторов. Установлено, что при действии электромагнитных полей изменяются факторы гуморального естественного иммунитета (Думанский Ю.Д. и соавт., 1992), при этом лейкоцитарное звено проявляет наиболее высокую чувствительность к этому воздействию. Хроническая экспозиция в МП КНЧ может подавлять активность некоторых клонов клеток иммунной системы и тем самым способствовать развитию разного рода иммунодефицитов и снижению защиты организма от перерождающихся клеток (Lyle D.B.et el, 1988). Однако есть данные и о магнитно-полевой активации иммунных процессов, когда магнитно-полевое воздействие приводило к повышению синтетического потенциала лимфоцитов и тимоцитов, т.е. магнитные поля крайне низких частот способствуют восстановлению исходно сниженных клеточных характеристик до субнормальных и даже нормальных значений. Нормализующее и «антистрессорное» влияние слабых переменных магнитных полей 8 Гц на животных обнаружено в исследованиях Темурьянц Н.А. и соавт. (1982, 1988).

Как известно, одним из важных клеточных элементов иммунного происхождения в разных тканях организма человека и животных являются тучные клетки, синтезирующие и секретирующие биологически активные регуляторы - гепарин, гистамин, серотонин, катехоламины. Магнитное поле вызывает увеличение количества тучных клеток и повышает их функциональную активность, что свидетельствует о важной роли тучных клеток в изменении реактивности организма на воздействие магнитных полей, на активное участие их в иммунорегуляторном цикле. Авторами были проведены специальные исследования реакции тучных клеток на действие магнитного поля частотой 8 Гц в условиях in vitro (Мартынюк В.С., 2001). Было показано, что тучные клетки непосредственно реагируют на магнитно-полевое воздействие повышением своей функциональной активности, при этом слабая, но достоверная реакция данных клеток была обнаружена для интенсивностей магнитного поля порядка несколько десятков нанотесла. Эта реакция усиливалась с увеличением амплитуды переменного магнитного поля. На основании этих фактов был сделан вывод о том, что данные клетки и им подобные (клетки APUD-системы) в организме человека и животных могут выступать в роли неспецифических акцепторов магнитно-полевого воздействия, вызывая комплекс неспецифических тканевых и системных реакций, которые давно описаны в литературе, но не имели единого объяснения.

Влияние на обмен веществ. Многочисленные исследования показывают, что воздействие переменных магнитных полей на организм животных и человека изменяет углеводный обмен (Колодуб Ф.А., 1989), при этом отмечается угнетение кислородного энергетического звена и активации бескислородного - гликолитического. Основываясь на данных литературы, можно предположить, что такие метаболические сдвиги являются отражением развития гипоксии в разных тканях организма и активации анаэробных путей энергетического обмена в клетках тканей (Сташков А.М. и соавт., 1998). Существенным моментом при действии магнитных полей крайне низких частот является изменение показателей липидного обмена. При многократном воздействии магнитным полем происходит уменьшение содержания липидов в крови и в печени экспериментальных животных (Чернышева О.Н., 1987). Это указывает на то, что в результате развития неспецифической адаптационной реакции организма в ответ на многократное действие магнитным полем происходит переключение метаболизма с углеводного типа на липидный. Причем, на фоне количественных изменений наблюдаются и качественные сдвиги липидного состава. Одновременно с этим наблюдаются изменения со стороны системы транспорта липидов в крови, в том числе и такие, которые в зависимости от параметров электромагнитного воздействия носят анти- или наоборот про-атеросклеротический характер.

В ряде исследований показано влияние слабых магнитных полей на процессы свободнорадикального окисления липидов (Мартынюк. В.С., 1992). Одновременно с этим изменяется активность разных звеньев антиоксидантной системы, которая контролирует активность свободнорадикальных процессов в клетках. Наиболее чувствительным звеном этой системы является тиол-дисульфидный обмен, контролирующий количество тиоловых групп, которые активно реагируют со свободными радикалами. Подтверждением данных о влиянии магнитных полей на свободнорадикальные процессы могут служить работы, посвященные изучению влияние данного фактора на химические реакции с участием тиоловых соединений (Павлова Р.Н. и соавт., 1978).

Обнаружены изменения водно-солевого баланса в разных тканях животных, находящихся в магнитном поле, в частности выявляется повышение гидратации тканей под влиянием магнитных полей, которое зависит от времени экспозиции и типа биологической ткани. Наиболее чувствительными и реактивными являются нервная ткань и миокард.

Неспецифичность системного ответа организма. В настоящее время убедительно доказано, что в ответ на единичное или длительное воздействие магнитных полей, близких по своим частотным характеристикам к природным, у животных развивается неспецифическая адаптационная реакция (Темурьянц Н.А. и соавт.,1982, 1988. Гаркави Л.Х. и соавт., 1990),. При этом указанная адаптационная реакция характеризуется повышением уровня неспецифической резистентности, которая проявляется в возрастании функциональной активности лимфоцитов и повышением активности антисвертывающей системы крови. Поведенческая адаптация проявляется в усилении процессов торможения в центральной нервной системе и повышении физиологического резерва симпатоадреналовой системы. В данных исследованиях обнаружен интересный феномен «антистрессорного» действия слабого магнитного поля частотой 8 Гц, когда у нормальных животных данный фактор вызывал адаптивную активацию системы неспецифической резистентности организма, тогда как у стрессированных животных воздействие слабым магнитным полем приводило к нормализации функциональных показателей деятельности иммунной и симпатоадреналовой систем. На основании результатов исследований реакции организма человека и животных на действие низкочастотных магнитных полей предложена классификация адаптационных реакций, которая в настоящее время широко используется в физиологических исследованиях (Гаркави Л.Х. и соавт., 1990). Согласно этой классификации существует три основных типа неспецифических адаптационных реакций, которые развиваются на действие слабых, средних и сильных по интенсивности факторов – реакция активации, реакция тренировки и стресс-реакция (по Селье). В ответ на действие слабых переменных магнитных полей развивается, как правило, неспецифическая адаптационная реакция активации. При длительном и более сильном воздействии может развиваться реакция тренировки. При этом классическую стресс-реакцию по Селье на действие магнитных полей получить практически не удается.

Индивидуальная чувствительность и реактивность организма. В современной электромагнитной биологии остро стоит проблема индивидуальной чувствительности и гиперчувствительности к электромагнитным полям, которая пока что в основном изучается на феноменологическом уровне. В отдельных исследованиях показано, что чувствительность животных к магнитным полям коррелирует с повышенной активностью свертывающей системы, повышенным влечением к употреблению алкоголя и повышенной активностью опиоидной системы (Никольская К.А. и соавт., 2000).
Однако комплексных экспериментальных исследований, посвященных данному вопросу, крайне мало. Наиболее детально проблему индивидуальной чувствительности и реактивности животных на действие магнитных полей крайне низких частот экспериментально исследовали в Таврическом национальном университете исследовательская группа под руководством
Н. А. Темурьянц (Темурьянц Н.А. и соавт., 1992;
Мартынюк В.С. и соавт., 2001). Индивидуально-типологические особенности животных определяли с помощью теста «открытого поля». По результатам тестирования животные были разделены по разным группам в соответствии с их поведением в «открытом поле»: низко, средне и высокоактивные. Как известно, поведение в «открытом поле» коррелирует с такими показателями, как уровень стресс-гормонов в крови, устойчивость организма к действию стресс-факторов разной природы, к фармакологическим препаратам и ксенобиотикам. Авторами было обнаружено, что у животных с разным типом поведения в «открытом поле» в ответ на действие МП частотой 8 Гц наблюдаются разные изменения со стороны функциональной активности нейтрофилов и лимфоцитов, а также симпато-адреналовой системы. У низкоактивных животных наблюдалась более сильная активация симпатоадреналовой системы и повышение возбудимости, тогда как у высокоактивных проявлялись признаки снижения возбудимости центральной нервной системы. Исследование метаболического состояния разных структур головного мозга животных в условиях воздействия магнитным полем также подтвердило зависимость реакции организма от его индивидуально-типологических характеристик (Мартынюк В.С. и соавт., 2001). Интересной особенностью реакции организма животных на действие слабых магнитных полей является ее зависимость от исходного состояния того или иного органа или функциональной системы. Если для органа или функциональной системы исходно характерен высокий уровень активности, то в ответ на действие слабого магнитного поля, как правило, происходит снижение активности и наоборот. В результате такой реакции исследователи достаточно часто наблюдают эффект нивелирования различий между экспериментальными индивидуально-типологическими группами. В этой связи уместно отметить тот факт, что экранирование животных от воздействия фоновых электромагнитных полей приводит к обратному эффекту, т.е к усилению их индивидуальных различий (Пальчикова Н.А. и соавт., 2003).

На основании имеющегося массива данных уже сейчас ясно, что эмоциональная сфера животных с низкой активностью в «открытом поле» более чувствительна к действию слабых магнитных полей, чем у более активных животных. Таким образом, можно считать экспериментально доказанным тот факт, что в популяции организмов всегда существуют своего рода «организмы-сенситивы», демонстрирующие повышенную чувствительность и реактивность к действию слабых электромагнитных факторов. Данная проблема имеет очень важное теоретическое и практическое значение, но все еще остается плохо изученной.

Влияние на эмбриогенез. В магнитобиологических исследованиях периодически обращают внимание на влияние электромагнитных полей на эмбриональное развитие, так как можно ожидать, что любые незначительные изменения в развитии функциональных систем организма могут проявиться после его рождения. Подобные исследования актуальны, однако крайне трудны в постановке экспериментов, что, видимо, объясняет немногочисленность исследований в этом направлении. В отдельных исследованиях показано, что экспозиция куриных эмбрионов в магнитном поле повышает вероятность гибели эмбрионов. При этом эффективность негативного влияния магнитного поля более высокая, если воздействие осуществляется в критические фазы эмбрионального развития (Leal J. et el, 1986). Негативное влияние магнитных полей, по всей видимости, начинается с некоторых пороговых значений (Juutilainen J. et el, 1987), а влияние магнитных полей более низких (подпороговых) амплитуд остается неизученным. Ряд исследований показывает, что на стадии гаструлы эмбрионы наиболее чувствительны к действию слабых магнитных полей (Leal J. et el, 1986). Одной из главных мишеней влияния переменных магнитных полей рассматривают сложную систему электрических токов в эндогенном электрическом поле эмбриона, которая играет важную роль в реализации программы развития организма (McCaig C.D. et el, 1991).

Влияние на биологические ритмы. Как известно, динамика биологических систем характеризуется широким спектром периодов - от микро- и внутрисуточных до многолетних биоритмов. Согласование спектра биологических процессов с периодами гео-гелиодинамики позволяет предположить наличие явления синхронизации биологических ритмов внешними датчиками времени. Wever R.A. (1971) одним из первых показал синхронизирующее влияние слабых переменных электромагнитных полей на суточную ритмику организма человека, находящегося в экспериментальных условиях изоляции от воздействия природных факторов внешней среды. В биоритмологических исследованиях, проведенных в Таврическом национальном университете исследовательской группой Н.А. Темурьянц, магнитное поле частотой 8 Гц индукцией 5 мкТл при ежедневном трехчасовом воздействии в течение 45 суток на животных приводило к сдвигу фазу инфрадианных (многосуточных) периодов разнообразных физиологических процессов. Данные факты связывают с изменениями временной организации в инфрадианном диапазоне биоритмов системных регуляторных процессов на уровне центральной и вегетативной нервной системы.

В многочисленных исследованиях показано нарушение суточного ритма секреции эпифизом гормона мелатонина. Но при десинхронозе, вызванном удалением эпифиза, периодическое воздействие магнитным полем оказывает стабилизирующее действие на временную организацию физиологических процессов (Темурьянц Н.А. и соавт., 1999), что свидетельствуют о наличии альтернативных механизмов влияние магнитных полей, не требующих участия эпифиза.

Воздействие магнитных полей крайне низких частот не только изменяет параметры биоритмов, но и нивелирует исходные различия в параметрах временной организации физиологических процессов у животных с разными индивидуально-типологичскими особенностями. Это является доказательством того, что периодически воздействующее слабое магнитное поле является синхронизирующим фактором, в ответ на действие которого у животных формируется соответствующий биоритмологический паттерн, который по своим параметрам становится близким у всех животных, не зависимо от первоначальных различий. Одним из наглядных примеров такого воздействия является выраженный синхронизирующий эффект магнитного поля частотой 8 Гц для ультрадианных (внутрисуточных) ритмов. На рисунке 7.2. представлена динамика продуктов перекисного окисления липидов и концентрации тиоловых групп в головном мозге мышей в контрольных условиях и при однократном воздействии слабым магнитным поле частотой 8 Гц (Мартынюк В.С., 1992). Хорошо видно, что синхронизирующий эффект сохраняется некоторое время после прекращения магнитнополевого воздействия.

Рис. 7.2. Синхронизирующее действие магнитного поля частотой 8 Гц 30 мкТл на ультрадианную ритмику концентрации вторичных продуктов перекисного окисления липидов (сплошная линия, левая шкала) и толовых групп (пунктирная линия, правая шкала) в головном мозге животных. А – контрольная группа животных, Б – в условиях воздействия магнитным полем. По горизонтальной шкале – местное время суток, по вертикальным шкалам – количество исследуемых соединений в наномолях на миллиграмм исследуемой ткани; МП – экспозиция животных в магнитном поле. (Мартынюк В.С., 1992, Украина).

Влияние на клеточном и молекулярном уровне. Клетка является основным элементом в строении тканей и органов, содержит набор специфических структур (органелл) - митохондрии, рибосомы, лизосомы, эндоплазматическую сеть и др., которые выполняют важные специфические функции: биоэнергетическую, белоксинтезирующую, защитную, секреторную и др.. Эти органеллы весьма чутко реагируют на различные функциональные колебания активности клетки и изменения внешней среды, подвергаются обновлению (физиологическая регенерация), а при неблагоприятных условиях в них развиваются неспецифические адаптационные изменения, а в крайних случаях - дистрофические и некротические процессы. Все это свидетельствует о том, что клеточный и субклеточный уровень исследований способен существенно расширить наше понимание структурно-адаптационных реакций на молекулярно-клеточном уровне.

Исследования показывают, что слабые переменные магнитные поля изменяют скорость созревания и дифференциации развивающихся нейронов (Lisi A. et el, 2005). Магнитно-полевое воздействие достоверно влияет на транскрипцию разнообразных генов (Goodman R. et el, 1983), при этом эффекты на этом уровне зависят от частоты магнитного поля (Goodman R. et el, 1989). Обработка клеточных культур низкочастотным магнитным полем приводит к появлению в цитоплазме и ядре клеток белков теплового шока, что свидетельствует об активации неспецифических механизмов клеточной защиты (Tokalov S.V. et el, 2004). Наблюдаемые эффекты активации синтеза белков теплового шока зависят от амплитуды воздействующего магнитного поля, повышение амплитуды которого с 0,8 мкТл до 800 мкТл эквивалентно эффекту разогрева исследуемых клеточных культур с 20^оС до 45^оС (Blank M. et el, 1995). Дальнейшие исследования показали, что к воздействию низкочастотных магнитных полей чувствительны отдельные участки ДНК, обогащенные nСТСТn-последовательностями. Эти последовательности входят в состав промоторных (регуляторных) участков генов разных белков, в том числе и белков теплового шока (Lin H. et el, 2001).

Обнаружено влияние слабых магнитных полей крайне низких частот на устойчивость хроматина к действию ферментов, расщепляющих ДНК (Новиков В.В. и сотр., 1997). Эти изменения связаны со снижением активности белков-ингибиторов (Новиков В.В. и сотр., 1997). В свою очередь это свидетельствует о магнито-индуцированных конформационных изменениях в структуре белка-ингибитора, приводящих к потере его функциональной активности. Структурные изменения ДНК-белкового комплекса обнаружены и у прокариот (Alipov Y.D. et el, 1996). При этом максимальные эффекты регистрировали на частотах, близких к частотам ионосферного волновода, - 8.9, 15.5 и 29.4 Гц у мутантных форм, и на частотах 8.3 и 27 Гц у бактерий с диким фенотипом. Аналогичные исследования на эукариотических клетках показали максимальные эффекты магнитных полей на частотах 9 и 16 Гц (Alipov Y.D. et el, 1996). Эти данные свидетельствуют о том, что биологическая эффективность магнитных полей крайне низких частот на генетическом уровне в определенной степени зависит от особенностей нуклеотидной последовательности и характера взаимодействия белков с ДНК.

Слабые магнитные поля крайне низких частот способны влиять на концентрацию некоторых регуляторных молекул и ионов, выполняющих роль внутриклеточных сигналов (Lednev V.V. et el, 1999), а также на продукцию свободнорадикальных форм кислорода (Simko M., et el, 2001).

Результаты многих экспериментальных исследований, проведенных в разное время, показывают, что одной из мишеней действия магнитных полей могут быть кальций-зависимые пути внутриклеточной регуляции (Liboff A.R. et el, 1987; Леднев В.В. и соавт., 1996), посредством которых осуществляется передача в клетку сигналов разной природы. Малые изменения концентрации ионов кальция (Са²⁺) в цитоплазме могут вызывать достаточно сильные функциональные изменения в клетке, поэтому с влиянием электромагнитных полей на Са²⁺-зависимые пути внутриклеточной сигнализации многие исследователи связывают разнообразные эффекты данного фактора на клеточном уровне.

Важным моментом влияния слабых магнитных полей является изменение активности ряда биологически активных веществ и фармакологических препаратов. Так, например, снижается онкостатическое действие мелатонина и тамоксифена на раковые клетки (Ishido M. et el., 2001; Harland J. et el., 1999), не проявляет свое биологическое действие хромогликат натрия, который используется для купирования приступов бронхиальной астмы (Мартынюк В.С. и соавт., 2001). Перечень таких эффектов в настоящее время постоянно расширяется.

Известно, что на мембранном уровне организации биологических объектов реализуется целый ряд специфических биологических явлений, таких, как, транспорт ионов и метаболитов, генерация и проведение электрических импульсов и т.д., которые лежат в основе информационно-энергетических потоков между клетками и средой. Поэтому влияние на структуру и функцию биологических мембран является одним из стержневых вопросов проблемы биологического действия электромагнитных полей. Показана принципиальная возможность изменения сопряженности окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи, интегрированной в мембрану (Холодов Ю.А. и соавт., 1979). Вероятно, такие изменения могут быть связаны с изменениями гидрофобности поверхности, проницаемости и других физико-химических свойств клеточных мембран, в том числе на уровне проявления поверхностно-активных свойств природных липидов (Martynyuk V.S. et el , 2004).

Важное место в понимании первичных механизмов действия магнитных полей крайне низких частот на живые организмы занимают вопросы, связанные с его непосредственным влиянием на структурно-функциональные свойства биомакромолекул. В модельных исследованиях показано, что электромагнитные поля в диапазоне частот 1 – 3000 Гц изменяют активность ряда мембранных ферментов, выполняющих разные задачи в клетке (Blank M. et el, 1997,1998; Фесенко Е.Е., Новиков В.В., 1997 ). Эти эффекты связаны с изменением пространственной структуры белков (Новиков В.В. и соавт., 1999), но такие структурные изменения, по всей видимости, лучше проявляются при неспецифической нагрузке белков низкомолекулярными гидрофобными лигандами (Martynyuk V.S. et el, 2006), что убедительно свидетельствует о непосредственном влиянии слабых магнитных полей на структурно-функциональные свойства белков.

Результаты многих магнитобиологических исследований свидетельствуют о зависимости биологических эффектов от частотных, амплитудных и экспозиционных характеристик электромагнитного воздействия. В электромагнитной биологии давно известен «загадочный» феномен частотных и амплитудных «окон», в которых имеют место выраженные биологические эффекты. В других диапазонах ответ биологической системы может отсутствовать. К сожалению, наличие таких частотно-амплитудных «окон» не всегда подтверждается в независимых исследованиях, что часто связано с разными условиями экспериментов. Тем не менее, в последние десятилетия выяснена природа некоторых таких частотно-амплитудных зависимостей. Adey и сотр. одни из первых обнаружили в диапазоне крайне низких частот выраженную частотную зависимость выхода ионов кальция (Са²⁺) из тканей цыпленка (Adey W.R., 1981), и это послужило мощным толчком к дальнейшему исследованию роли биологически значимых ионов в первичных механизмах биологического действия низкочастотных электромагнитных полей. В настоящее время благодаря работам Леднева В.В. (1996), Бинги В.Н. (2002) и ряда других исследователей указанная частотная зависимость получила ряд альтернативных теоретических объяснений. В основе предлагаемых моделей лежит явление взаимодействия заряженных ионов с постоянной и переменной компонентами магнитного поля. Согласно теоретическим представлениям для конкретного значения постоянного магнитного поля существуют определенные комбинации частот и амплитуд переменной компоненты, когда наступает явление резонанса. В таких условиях резонанса сильно изменяются параметры взаимодействия ионов, например, с белками, которые в свою очередь изменяют свою активность и запускают (или, наоборот, тормозят) в клетке каскадные метаболические реакции, которые таким образом на многие порядки усиливают исходно крайне слабый по энергии сигнал.

К сожалению, в силу специфики данной книги, посвященной общим вопросам солнечно-биосферных связей, у авторов нет возможности для более подробного изложения современных представлений о первичных механизмах действия слабых электромагнитных полей. Поэтому тем, кто имеет желание и соответствующую подготовку, необходимую для прочтения специально литературы, мы рекомендуем ознакомиться с соответствующими публикациями, представленными в списке литературы, самостоятельно. В данных публикациях обсуждается широкий спектр механизмов, которые могут реализовываться в живых объектах – индукционные явления, ионный параметрический и стохастический резонанс, ионная интерференция, биогенный магнетит и ряд других. Однако еще на одном аспекте мы все же остановимся.

Вода как сенсор слабых электромагнитных воздействий. Как известно, основным веществом живых организмов является вода, содержание которой в разных биологических тканях составляет от 60 до 99 %. Вода – это не только и не столько растворитель, в котором протекают все биохимические превращения. Вода является непосредственным участником метаболических и энергетических процессов. Она является главным структурообразующим фактором на бимолекулярном уровне. Поэтому среди теоретических моделей влияния магнитных полей на биологические системы «водные» теории занимают отдельное место. Особая роль воды в реализации магнитобиологических эффектов обусловлена тем, что она образует с биологическими макромолекулами единую систему, где свойства компонентов неразрывно связаны друг с другом. Это, в свою очередь, оказывает влияние на разнообразные биологические процессы, протекающие в водной среде. При этом уникальность роли воды проявляется в том, что она непосредственно влияет на формирование и стабилизацию нативной структуры и функционирование макромолекул биополимеров, клеточных мембран и более сложных надмолекулярных образований. Так, еще Дж. Пиккарди в середине прошлого века в ходе многолетних исследований пришел к выводу о том, что в основе биологических эффектов низкочастотных электромагнитных полей лежит их взаимодействие с водой и водными системами. По мнению этого исследователя, это вызвано динамическим метастабильным состоянием, характерным для большинства растворённых в воде макромолекулярных систем.

В настоящее время большинство гипотез основывается именно на представлениях о динамической структуре воды, меняющейся определенным образом в пространстве и во времени при воздействии на нее разных физических факторов. Согласно данным представлениям именно водная квазикристаллическая метастабильная фаза является первичным акцептором магнитно-полевого воздействия. Изменения свойств воды неминуемо должны сказываться на структуре и функции белков и биологических мембран, для которых вода является той самой внешней средой, которая определяет их структурную организацию и функциональную динамику. Вероятно, по этой причине изменяются оптические свойства белков (Новиков В.В. и соавт., 1999, Martynyuk V.S. et el., 2006 ) и проявление поверхностно-активных свойств природных фософолипидов (Martynyuk V.S. et el, 2004), изменяется растворимость в воде веществ и их адсорбция (Классен В.Н., 1982; Мартынюк В.С. и соавт., 1999 ). Учитывая чувствительность воды и водных растворов к действию разнообразных природных факторов киевский исследователь Василик П.В. (1985) высказал предположение о том, что в основе механизмов формирования биологических ритмов могут лежать элементарные физико-химические процессы в водной фазе, активность которых модулируется природными электромагнитными факторами, связанными с космической погодой. В качестве доказательства своей правоты исследователь приводит данные по совпадению основных характеристик спектров вариаций свойств воды и водных растворов и биологических процессов. Результаты исследований по динамике электропроводности воды (Агеев И.М. и соавт., 2001) и других физико-химических показателей воды и водных растворов (Ormenyi I. et el, 1990), а также результаты сопоставления динамики физических параметров водных растворов электролитов и показателей функциональной активности головного мозга (Макарова И., 2000) могут служить подтверждением правоты таких представлений. На наш взгляд гипотеза о том, что вода в живых системах является одним из главных акцепторов электромагнитного воздействия, является достаточно интересной и требует всесторонней скрупулезной проверки. Тем не менее, авторы вынуждены констатировать, что по этому вопросу уже многие десятилетия ведутся острые дискуссии, в которых представлен весь спектр мнений – от полного отрицания реальности влияния слабых электромагнитных полей на свойства воды, до безоговорочного принятия всех фактов, в том числе и явно противоречащих здравому смыслу. Последнее обстоятельство не способствует серьезному восприятию данной проблемы научной общественностью и тормозит развитие исследований, результаты которых могут быть крайне неожиданными и очень важными для понимания фундаментальных основ живой природы.

Таким образом, современный массив экспериментальных данных позволяет сделать следующие обобщения относительно биологической активности слабых электромагнитных полей крайне низких частот. Эффекты воздействия низкочастотных магнитных полей обнаруживаются на всех уровнях организации живых организмов. При этом наиболее чувствительными физиологическими системами к данному фактору являются нервная, нейроэндокринная, иммунная, диффузная эндокринная (APUD-система) и сердечнососудистая системы.

Главные особенности влияния низкочастотных магнитных полей, как неповреждающего фактора, на уровне целостного организма заключаются в следующем. Во-первых, изменения физиологических и метаболических показателей, в подавляющем большинстве случаев, происходят в рамках физиологической нормы реакции на обычные слабые или умеренные раздражители. Эти изменения нелинейно зависят от частотно-амплитудных и пространственно-временных экспозиционных характеристик электромагнитных полей. Во-вторых, комплекс функциональных изменений, вызванных действием слабых электромагнитных полей, свидетельствует об активации систем неспецифической адаптации организма, это приводит к повышению его устойчивости к действию других факторов. В-третьих, воздействие низкочастотных электромагнитных полей носит выраженный синхронизирующий характер в широком диапазоне периодов биологических ритмов, что, по-видимому, является главным моментом в системных механизмах «анистрессорного» действия данного фактора. В-четвертых, общий характер адаптивного ответа организма на действие низкочастотных электромагнитных полей зависит от исходного функционального состояния организма и его индивидуально-типологических (конституциональных) особенностей.

Читатель, видимо, уже догадался, что, основываясь на приведенных выше закономерностях, невозможно дать однозначный ответ на вопрос о том, являются ли слабые природные низкочастотные электромагнитные воздействия полезным или вредным экологическим фактором. Все зависит от конкретных условий, а именно от физиологического состояния биообъекта (норма или патология), конституции организма, времени воздействия, частотно-амплитудных характеристик электромагнитного поля и т.д. Вероятно, правильным ответом на поставленный вопрос будет следующий: природные электромагнитные поля являются обязательным экологическим фактором, который постоянно влияет на живые организмы, поддерживая их адаптационный потенциал и оказывая синхронизирующее воздействие. В условиях патологии слабые электромагнитные поля становятся фактором, который может либо оказывать стабилизирующее (антистрессорное) действие, либо выступать как сенсибилизатор патологического процесса. Даже такое упрощенное представление позволяет понять, почему в популяции организмов часто наблюдают разную реакцию на изменение космической погоды.

В заключение данного раздела необходимо заметить, что вариации природного электромагнитного фона не ограничиваются только диапазоном низких частот. Космическая погода также достаточно сильно влияет на интенсивность электромагнитных излучений в радиочастотном диапазоне (см. раздел 1.4). Это влияние усиливается в связи техногенной электромагнитной накачкой ионосферного волновода в радиочастотном диапазоне, при этом электромагнитные излучения в радиочастотном диапазоне модулируется по амплитуде частотами ионосферного волновода (Жбанков Г.А. и соавт., 1997; Заботин Н.А. и соавт., 1999). Еще совсем недавно считалось, что поток радиоизлучения Солнца и его вариации настолько малы, что не могут оказывать никакого воздействия на живые организмы. Однако в последние десятилетия надежно показана сверхчувствительность живых организмов к воздействию электромагнитных волн миллиметрового диапазона нетепловой интенсивности (менее 10 мВт•см^-2), при этом имеют место выраженные резонансные эффекты (Бецкий О.В. и соавт., 2004). Ряд исследователей отмечает, что минимальные пороговые значения интенсивности электромагнитных волн миллиметрового диапазона, при которых регистрируется какая-либо реакция живого организма, лежат в пределах 10^-19–10^-20 Вт•см^-2•Гц^-1 (Ситько С.П. и соавт., 1994). Такие невероятно низкие пороговые уровни не всегда обнаруживаются в независимых исследованиях и по этому поводу идут ожесточенные споры. Но, несмотря на то, что в этом деле много остается неясного, большинство исследователей разделяют мнение о том, что открытие высокой биологической активности электромагнитных излучений крайне высоких частот позволяет по-новому осмыслить некоторые биофизические принципы организации и регулирования биологических процессов, а также разрабатывать принципиально новые медицинские технологии лечения заболеваний разной этиологии.

В специальных исследованиях обнаружено радиоизлучение Солнца в миллиметровом диапазоне крайне мало и оно представлено сплошным спектром, его интенсивность по порядку величин близка к пороговым уровням реакции живых систем и естественным образом зависит солнечной активности. Миллиметровые волны сильно экранируются атмосферой и их интенсивность существенно зависит от влажности. Поэтому данный электромагнитный диапазон, вероятно, не следует рассматривать в качестве главного фактора-посредника влияния космической погоды на биосферные процессы. Более того, на вопрос, обладает ли такое природное широкополосное миллиметровое излучение биологической активностью, достоверного ответа пока нет. Есть только теоретические предположения о том, что такое влияние тоже в принципе возможно (Яшин А.А., 2007). Справедливости ради следует отметить, что подобные вопросы и предположения справедливы и для других радиочастотных диапазонов природного электромагнитного фона. Ведь биологическая активность сверхвысокочастотных излучений для отдельных частот в сантиметровом и дециметровом диапазонах, которые по своей интенсивности относят к нетепловым, но, которые, тем не менее, на много порядков превышают уровни природных, тоже экспериментально установлена. Авторы выражают надежду, что в ближайшем будущем исследователи получат ответы на эти вопросы.

Биологическая активность инфразвука

В начале этого разделы мы уже отмечали, что помимо электромагнитных вариаций в качестве возможных посредников солнечной активности рассматривают и ряд других факторов, среди которых есть и инфразвук. Читателю, вероятно, стоит напомнить, что инфразвуком называют упругие акустические колебания, неслышимые человеческим ухом, с частотой ниже 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвука неопределенна, но многие исследователи за нижний частотный порог принимают колебания порядка 10^-3 Гц, колебания с более низкими частотами рассматривают как атмосферные гравитационные волны. Инфразвук вездесущ, он содержится в шуме атмосферы, леса, моря, водопада, а с развитием техносферы он является одним из важных экологических факторов техногенного происхождения. Вариации атмосферного давления в определенной степени тоже можно рассматривать как инфразвуковые колебания. Атмосферное давление - это давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы. На земной поверхности атмосферное давление изменяется от места к месту и во времени. Особенно важны изменения атмосферного давления, связанные с возникновением, развитием и разрушением медленно движущихся областей высокого давления и относительно быстро перемещающихся огромных вихрей, в которых господствует пониженное давление.

Источником инфразвуковых колебаний в природе являются различные геофизические процессы, в том числе и связанные с космической погодой (см. раздел 2.4.), турбулентные ветровые потоки в атмосфере, приземный ветер, грозовые разряды (гром) и другие явления. Сейсмические процессы в земной коре также являются мощными источниками инфразвуковых вибраций. Сейчас надежно установлено, что сейсмические колебания в определенной степени синхронизируются вариациями космической погоды (Негода А.А., Сорока С.А., 2001). Все сильные геомагнитные бури (Кр>8) сопровождаются инфразвуковыми сигналами, максимальная амплитуда которых может достигать 1 Па, а частоты инфразвуковых колебаний сосредоточены в диапазоне 0.05 – 0.01 Гц.

Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах вследствие чего инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Инфразвуковые волны возникают и над поверхностью моря при сильном ветре в результате вихреобразования за гребнями волн. Для инфразвука характерно малое поглощение, поэтому он распространяется на большие расстояния, а поскольку скорость его распространения значительно превышает скорость перемещения области шторма, то инфразвуковые колебания могут служить для живых организмов сигналом о приближающемся шторме или атмосферном фронте. Некоторые животные проявляют высокую чувствительность по отношению к инфразвуковым воздействиям. Так, например, широко известен факт, что по краю «колокола» у медуз расположены кроме примитивных глаз еще и органы равновесия, которые «слышат» инфразвуки с
частотой 8 - 13 Гц. Это является одним из объяснений того, что шторм бушует еще за сотни километров от берега, а разные морские обитатели уже «слышат» его и заблаговременно уходят на глубину.

В урбанизированной среде источниками инфразвука могут быть практически все инженерно-технические устройства - компрессоры, двигатели, движущийся транспорт, промышленные кондиционеры, вентиляторы, электротехническая аппаратура и т.д. Поэтому в инфразвуковом диапазоне акустических колебаний экологическая обстановка сильно напоминает ситуацию для электромагнитного диапазона, когда природные вариации электромагнитного фона «утопают» в электромагнитных полях техногенного происхождения.

Исследования биологического действия инфразвука показали, что человеческий организм к нему высокочувствителен. Воздействие его происходит не только через слуховой анализатор, но и через механорецепторы кожи. Возникающие под воздействием инфразвука, нервные импульсы нарушают согласованную работу различных отделов нервной системы, что может проявляться головокружением, болями в животе, тошнотой, затрудненным дыханием, чувством страха, при более интенсивном и продолжительном воздействии - кашлем, удушьем, нарушением психики. Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности у человека вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения. Инфразвук средней интенсивности может быть причиной расстройства пищеварения, сердечно-сосудистой, дыхательной систем. Воздействие инфразвука сопровождается весьма разнообразными нарушениями психики с самыми неожиданными последствиями – у человека может возникать целый спектр ощущений - «таинственный трепет», «дрожь в суставах», «странное ощущение в животе», «участившееся сердцебиение», «ужасное беспокойство», «внезапное воспоминание об утрате», «ощущение призраков» и т.п.

Инфразвук высокой интенсивности (более 120 дБ), из-за резонансного совпадения частот колебаний внутренних органов и инфразвука, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен даже смертельный исход из-за остановки сердца или крайне сильных нарушений работы других органов и систем организма. При инфразвуковом воздействии важным моментом является зависимость биологического эффекта от частоты. Такую зависимость связывают с явлением резонанса. Например, легкие человека работают с частотой 0,3-0,5 Гц, сердце бьется чуть чаще, с частотой около 1 Гц, резонансная частота сердца – 5-7 Гц. Резонансные частоты активности мозга, желудка, печени лежат в диапазоне 4-9 Гц. Колебания электрической активности мозга зависят от вида деятельности в данный момент. Например, дельта-ритм спящего человека – 0,3-4 Гц,
а альфа-ритм бодрствующего человека – 9-13 Гц.

Следует отметить, что все, о чем говорилось выше, касается очень сильных инфразвуковых колебаний, которые, как правило, имеют техногенное происхождение. Однако на живые организмы постоянно действует крайне слабый инфразвук природного происхождения, интенсивность которого на три-шесть и более порядков меньше. Следует отметить, что исследования биологической активности инфразвука таких интенсивностей практически не проводятся. К сожалению, авторы должны отметить, что по проблеме инфразвукового воздействия в последнее время возникло много околонаучных спекуляций, особенно по части психофизиологических реакций человека на данный фактор. Это в первую очередь связано с малым количеством объективной информации в научных и научно-популярных изданиях по данному вопросу. На этом фоне приятным исключением являются исследования, проводимые в Институт физики Национальной академии наук Украины, которые вносят некоторую ясность в данный вопрос. Исследовательская группа под руководством Дидык Л.А. показала, что слабые (порядка 50-70 Па) сверхнизкочастотные флуктуации атмосферного давления, которые можно рассматривать как инфразвук крайне низких частот, способны влиять на умственную деятельность человека и на характеристики его сердечной деятельности (Delyukov A. A., Didyk L., 1999; Didyk L. et el., 2007).
В большинстве случаев, колебания атмосферного давления вызывали увеличение полной величины вариабельности сердечного ритма, что говорит о снижении напряжения регуляторных систем организма и общем успокоении. Происходило усиление терморегуляторных и вазомоторных процессов. В спектре вариабельности сердечного ритма возникала полоса, которая свидетельствовала о навязывании частоты флуктуаций давления процессам регуляции сердечной деятельности. Индексы симпатической и парасимпатической регуляции оказались очень чувствительными к такому физическому воздействию. Одновременно с этим направленность физиологических изменений зависела от исходного состояния субъекта, что характерно и для биологических эффектов электромагнитных полей (см. раздел 7.1).

Особый интерес представляют результаты исследования частотной зависимости инфразвукового воздействия (рис. 7.3). Хорошо видно, что величина и направление физиологических изменений зависит от частоты флуктуаций атмосферного давления, которую контролировали в эксперименте.

В настоящее время имеется ряд теоретических представлений о том, каким же образом слабый инфразвук воздействует на живые организмы. Вне сомнения, инфразвуковые колебания воспринимаются механорецепторами слухового анализатора человека, о чем свидетельствуют исследования все той же киевской группы (Didyk L. et el., 2007). Подобный механизм восприятия, который предполагает участие специализированных механорецепторов, реализуется и у других живых организмов.

Рис. 7.3 Относительные изменения психофизиологических показателей при разных частотах флуктуаций атмосферного давления. По горизонтальной оси – период флуктуаций, по вертикальной оси - относительные изменения в процентах, С – контрольные эксперименты, в которых вариации атмосферного давления были на фоновом уровне; Q – квазихаотические колебания. Звездочками обозначено достоверное влияние исследуемого фактора. (Delyukov A. A., Didyk L., 1999, Украина).

Однако, вероятно, возможны и другие механизмы передачи акустического сигнала в живой организм. В частности, считается, что механизм электроакустической генерации инфразвука может быть связан с различием подвижностей масс катионов и анионов в водной среде под действием внешнего электромагнитного поля. Суммарный эффект их движения оказывается нескомпенсированным, что вызывает движение ионов и растворителя (т.е. воды) как единого целого. Таким образом, реализуется акустоэлектрический механизм преобразования электромагнитных сигналов в инфразвуковые колебания. Справедливо и обратное, т.е. воздействие инфразвуковых колебаний вызывает смещение неравномерно распределенных в пространстве зарядов (что особенно характерно для живых организмов), что влечет за собой генерацию электромагнитных колебаний в диапазоне крайне низких частот. Как показывают расчеты, такой механизм может реализоваться границах раздела воздух-электролит на площадях порядка 10³ км² и более (Ляхов Г.А., Суязов Н.В. , 1998). Ясно, что такие условия могут быть соблюдены только на морских просторах. Поэтому вопрос о том, можно ли объяснить первичные механизмы воздействия инфразвуковых колебаний на отдельно взятый живой организм на основе известных акустоэлектрических явлений остается открытым.

В заключение необходимо отметить, что проблема биологической активности крайне слабого инфразвука является чрезвычайно важной и интересной с теоретической и практических точек зрения, однако из-за отсутствия специально поставленных экспериментов вопрос о роли инфразвука, как посредника влияния космической погоды по-прежнему остается открытым и, вероятно, в этой междисциплинарной области знаний нас ждут интересные научные открытия.

Биологическая активность сверхнизких доз ионизирующей радиации

Одним из экологических факторов, который в определенной степени связан с космической погодой, является природный радиоактивный фон. В данном случае нам интересны вариации радиоактивного фона, которые связаны с солнечными и галактическими космическими лучами, а также с выходом радиоактивного радона из горных пород. На долю этого радиоактивного элемента приходится примерно 50% от суммарной дозы естественного радиационного фона, получаемого человеком, при этом 90% энергии распада приходится на альфа-распад, остальные 10% - на бета- и гамма-распад. Несмотря на то, что средний пробег космических лучей составляет одну десятую толщины атмосферы и вероятность достижения ими поверхности Земли крайне низкая, они порождают вторичное излучение, которое может достигать поверхности Земли и оказывать воздействие на живые организмы. Известно, что в зависимости от географического района и высоты над уровнем моря амплитуда временных вариаций природного радиационного фона может достигать десятков процентов от среднефонового уровня. Могут ли такие крайне слабые фоновые уровни и их вариации оказывать влияние на протекание биологических процессов? Еще совсем недавно можно было бы услышать однозначный ответ о том, что такие флуктуации не могут оказывать никакого заметного влияния на живые организмы в силу низкого уровня природного фона и слабости его вариаций. Но так ли это?

Общеизвестно известно, что ионизирующая радиация являются повреждающим фактором, который губительно влияет на живые организмы. Однако в настоящее время многими исследователями надежно установлено, что малые дозы ионизирующей радиации могут благотворно (!) влиять на протекание биологических процессов, а природный радиационный фон – важный экологический фактор, необходимый для нормальной жизнедеятельности организмов. Таким образом, на первый взгляд мы имеем некоторое противоречие. С одной стороны хорошо известны опасности, связанные с облучением большими дозами. Это и преждевременная смерть людей, и лучевая болезнь, и другие тяжелые заболевания, а также поражения наследственности, уже коснувшиеся многих миллионов людей. С другой стороны – благотворное воздействие сверхмалых доз. В этой связи в 80-е годы в биологию было введено специальное понятие – «радиационный гормезис», которое означает, что если большие дозы радиации оказывают неблагоприятные эффекты на живые организмы - угнетают деление клеток, рост и развитие, то малые дозы стимулируют практически все физиологические процессы, а отсутствие воздействия ионизирующей радиации оказывает угнетающее действие на биологические процессы. Сторонники идеи радиационного гормезиса не без оснований считают, что ионизирующая радиация является естественным, постоянно действующим на организм фактором, без которого нормальное существование невозможно. как невозможна жизнь без гравитации, магнитного поля или кислорода. Один из активных сторонников радиационного гормезиса известный радиобиолог А.М.Кузин предложил гипотезу, объясняющую различные эффекты больших и малых доз облучения. Большие дозы облучения влияют на радиочувствительные ткани, в то время как малые дозы изменяют регуляторные функции радиоустойчивых тканей. Большие дозы вызывают в клетках патологические эффекты, поскольку кванты энергии разрушают ДНК и этот процесс усиливается биологически активными веществами клетки. Малые дозы модулируют свойства мембран и стимулируют работу разнообразных клеточных структур, не затрагивая генетический аппарат. Следует отметить, что исследования в этой области естествознания крайне трудны, мало понятны реальные биологические механизмы такого воздействия. Однако с уверенностью можно констатировать, что существование такого парадоксального явления как радиационный гормезис подтверждено в разных лабораториях и на различных объектах.

Каким же образом крайне слабый поток ионизирующей радиации может оказывать стимулирующее воздействие? Для ответа на данный вопрос необходимо кратко рассмотреть механизм действия данного фактора на живые объекты. В настоящее время разделяют два пути влияния: прямой и непрямой. Под прямым воздействием подразумевают непосредственное взаимодействие ионизирующего излучением с биологическими молекулами (мишенями – белками, нуклеиновыми кислотами, липидами), в результате которого происходит повреждение биологических структур. При крайне малых дозах облучения такое взаимодействие бывает достаточно редко, поэтому более существенный вклад вносят механизмы непрямого действия. Под непрямым действием подразумевают повреждение биологических молекул свободнорадикальными продуктами – молекулами, которые имеют неспаренный электрон и которые по этой причине характеризуются крайне высокой химической активностью. Учитывая тот факт, что вода является основным веществом живых систем (в некоторых клетках вода составляет до 90% и более), радиолиз воды является наиболее биологически значимым процессом. При радиолизе воды молекула ионизируется, теряя электрон: Н₂О à Н₂О⁺ + е^–. Диссоциация ионизированной молекулы приводит к образованию двух радикалов: Н₂О⁺ + е^–à Н• и ОН•, время жизни которых составляет 10^-5 с. За это время они рекомбинируют друг с другом или реагируют с биологическими молекулами. Параллельно с этим, свободные электроны могут взаимодействовать с другими молекулами воды с образованием гидратированного электрона (Н₂Ое^–), который в присутствии кислорода обеспечивает образование других свободнорадикальных продуктов, относящихся к группе активных форм кислорода.

Считается, что небольшие количества образующихся свободных радикалов стимулируют антиоксидантную и репарационные системы клеток и таким образом повышают адаптационный потенциал как отдельных клеток, так и организма в целом, оказывая, тем самым, стимулирующее действие. Такое объяснение вполне укладывается в рамки современных представлений о неспецифических адаптационных процессах как в отдельных клетках, так и на уровне целого организма. Но тогда почему угнетается жизнедеятельность организмов при снижении радиационного фона ниже природных уровней? Ведь согласно вышеприведенных теоретических представлений о биологических механизмах малых доз ионизирующей радиации такого не должно происходить. Тем не менее, результаты специально поставленных экспериментов (Кузин А.М., 1995) свидетельствуют об обратном – уровни радиационного излучения ниже природных являются неблагоприятными для живых систем! Получается, что живые системы нуждаются в постоянном образовании свободных радикалов! А если это так, то какой в этом биологический смысл? Общепринятой точки зрения на этот счет пока не существует, но на наш взгляд наиболее разумное объяснение предлагает российский исследователь Воейков В.В. (Воейков В.Л., 2003). Согласно его представлениям процессы с участием свободных кислородных радикалов в жидкой среде живых организмов непрерывно генерируют в системе электрон-возбужденные состояния. Такие электрон-возбужденные состояния возникают вследствие рекомбинации радикалов. Эта энергия высокой плотности диссипирует в жидкой среде не хаотично, а упорядочено во времени и пространстве, и не монотонно, и несмотря на то, что ее общее количество мало по сравнению с другими источниками химической или метаболической энергии, она играет фундаментальную биоэнергетическую и регуляторную роль (Воейков В.Л., 2003). Основываясь на этих идеях, напрашивается логический вывод о том, что природный радиационный фон является всего рода постоянно действующим и крайне важным фактором, осуществляющим своеобразную «энергетическую накачку» жидкой (водной) среды, необходимую для нормальной работы молекулярных машин - белков. Более того, становится понятной физическая природа радиационного гормезиса: снижение уровня радиационного воздействия на живые системы ниже некоего оптимального приводит к остановке работы молекулярных машин - белков, а высокие уровни ионизирующей радиации – разрушают конструкцию белков и других молекулярных структур клетки.

Таким образом, приведенные выше факты позволяют рассматривать вариации природного радиоактивного фона, контролируемые космической погодой, как один из важных потенциальных посредников в солнечно-биосферных связях, который осуществляет необходимый всем живым существам своеобразный стимулирующий «радиационный массаж» в ритме Солнца. Но это только гипотеза, которая требует серьезной теоретической и экспериментальной проверки.

Биологическая активность сверхмалых доз – путь к новой биологической парадигме?

Из предыдущих глав и разделов читатель, вероятно, хорошо уяснил, что экологические факторы, контролируемые космической погодой, являются крайне слабыми по своим энергетическим характеристикам. Поэтому всегда возникает сомнение в том, могут ли вообще такие слабые воздействия воспринимать живые организмы, а если да, то каким образом такие воздействия воспринимаются организмом. Ведь для некоторых физических факторов, контролируемых космической погодой, таких как низкочастотные электромагнитные поля или ионизирующая радиация вообще не существует специфических рецепторных систем. Какова природа сложных зависимостей биологических эффектов от частоты и амплитуды воздействий? Вероятно, получить дополнительные ответы на подобные вопросы поможет всестороннее изучение недавно открытого феномена биологической активности сверхмалых доз.

Общеизвестно, что величина биологической реакции на действие химического или физического фактора зависит от дозы, т.е силы воздействия. Для химических факторов сила воздействия как правило определяется концентрацией действующего вещества, а для физических факторов – величиной поглощенной энергии. С уменьшением дозы измеряемый биологический эффект снижается и при некотором ее значении экспериментально не обнаруживается. На этом биологически важном принципе простроены практически все известные модели воздействия разнообразных химических и физических факторов на живые организмы. На основе таких моделей «доза-эффект» рассчитывают предельно допустимые уровни концентрации веществ (ПДК) и предельно допустимые уровни энергетического воздействия (ПДУ) на живые организмы, в первую очередь на человека. В настоящее время установленные ПДК и ПДУ являются крайне важными экологическими характеристиками в системе безопасности жизнедеятельности человека. Если уровень воздействия по всей абсолютной величине ниже предельно допустимых значений, то считается, что рассматриваемое воздействие крайне мало и не оказывает заметного влияния на организм человека. Естественно, каждый вид живых организмов по своему чувствителен (или наоборот устойчив) к тому или иному физическому или химическому фактору, поэтому для каждого из видов можно экспериментально установить свои «персональные» пределы чувствительности. Эти пределы от вида к виду могут порой различаться на несколько порядков. Тем не менее, все подобные исследования основываются на теоретических представлениях о монотонной и непрерывной зависимости «доза-эффект». Теоретические модели, построенные на таких представлениях, подтверждаются экспериментально и позволяют во многих случаях достаточно хорошо качественно и количественно прогнозировать биологические эффекты. Поэтому можно с уверенностью говорить, что одной из основ современной экспериментальной биологии, экологии и медицины является выше указанная парадигма «доза-эффект».

Как известно, путь к познанию законов Мироздания усеян неожиданными и загадочными явлениями, всестороннее изучение которых приводит к кардинальному пересмотру ранее существующих доминирующих представлений - парадигм. Это справедливо и для парадигмы «доза-эффект». В 1983 г. сотрудники Института биохимической физики вместе с коллегами из Института психологии, изучая влияние антиоксидантов на электрическую активность изолированного нейрона виноградной улитки, получили весьма неожиданный результат. Первоначальная доза препарата (10^-3М) была не только активной для нейрона, но и довольно токсичной, поэтому пришлось перейти на менее концентрированный раствор. Доза на четыре порядка ниже первоначальной оказалась не только менее токсичной, но и более эффективной. Дальнейшее уменьшение концентрации привело к росту эффекта, он достигал максимума (при 10^-15М), затем снижался до уровня (при 10^{-17 М),}практически совпадающего с контрольными результатами (Бурлакова Е.Б. и соавт., 1985, 1986, 1999). Аналогичные закономерности впоследствии были зарегистрированы в экспериментах с другими веществами на разнообразных клеточных и животных моделях. Результаты многолетних исследований показывали, что уровень биологической организации, на котором проявляется действие сверхмалых доз (СМД) биологически активных веществ, также весьма разнообразен – от макромолекул, клеток, органов и тканей до животных, растительных организмов и даже популяций. Однако такой СМД-эффект наблюдался не для любого биологически активного вещества и не для любого биологического объекта.

Что же понимать под сверхмалыми дозами? В настоящее время пока не существует общепринятого определения сверхмалых доз, впрочем, как и полного всеобщего признания данного феномена. Уж слишком много тут неясностей, неожиданностей и методических тонкостей. Тем не менее, при всех имеющихся различиях в определении границы, разделяющей сверхмалые дозы от обычно применяемых, общая точка зрения состоит в том, что сверхмалыми дозами следует считать такие дозы, биологическая эффективность которых не может быть объяснена в рамках существующих парадигм, а ее объяснение требует разработки принципиально новых концепций. Для химических веществ сверхмалыми дозами предлагается считать концентрации ниже 10^-12-10^{-13 М.}Для сверхмалых доз физических факторов не найдено единого определения границ, которые, вне сомнения являются разными для каждого физического воздействия. Так, например, для ионизирующей радиации Научный комитет по атомной энергии ООН рекомендует называть «малыми» дозы менее 200 мГр (20-рентген), а малыми мощностями – 1.5 мГр/мин. Однако отдельные исследователи считают сверхмалыми дозами такие воздействия, когда при снижении дозы радиационного воздействия меняется знак ответа живых организмов, т.е. переход от угнетения жизнедеятельности биологического объекта к стимулированию. Что касается границы сверхмалых доз электромагнитных полей, то в данном случае можно условно принять такой уровень энергетического воздействия, когда тепловые эффекты (т.е. разогрев тканей) не происходит. В литературе такое воздействие часто называют «информационным».

Сверхмалые дозы биологически активных веществ и физические факторы низкой интенсивности обнаруживают много общего, что касаются как формальных признаков (дозовые зависимости), так и показателей биологической активности. Природа этого феномена может быть связана с общностью первичных механизмов действия. К числу характерных для СМД-эффектов свойств следует отнести:

– немонотонную, полимодальную зависимость «доза–эффект». В большинстве случаев максимумы активности наблюдаются в определенных интервалах доз, разделенных между собой так называемой - «мертвой зоной»;

– изменение чувствительности (как правило, увеличение) биообъекта к действию разнообразных агентов как эндогенных, так и экзогенных (последние могут быть как той же, что в случае воздействия СМД, так и иной природы);

– проявление кинетических парадоксов, а именно возможность уловить СМД-эффект биологически активных веществ, когда в клетке или в организме имеется то же вещество в дозах на несколько порядков выше, а также влияние на рецептор вещества в дозах на порядки более низких, чем константы диссоциации комплекса лиганд-рецептор;

– зависимость «знака» эффекта от начальных характеристик объекта;

– «расслоение» свойств биологически активного вещества по мере уменьшения его концентраций, при котором еще сохраняется активность, но исчезают побочные эффекты;

– для физических факторов усиление эффекта с понижением их интенсивности в определённых интервалов мощности и доз.

Таким образом, если обобщить накопленный в последние десятилетия экспериментальный материал, то основной вывод таков: зависимости «доза – биологический эффект» подлежат уточнению. Если раньше полагали, что эти зависимости имеют вид, показанный на рис. 7.4. А; то на самом деле зависимости могут выглядеть так, как показано на рис. 7.4 Б. Здесь имеются особенности, которые принято определять как «насыщение», «привыкание», «окна чувствительности», «изменение знака эффекта» и т.д.

Рис. 7.4. Современные модели зависимости «доза-эффект» без учета (А) и с учетом (Б) СМД-эффектов (Golovin Yu. L., 2004).

Для физических факторов такие зависимости могут иметь еще более сложную форму, потому что для них приходится дополнительно учитывать их амплитудно-частотные и поляризационные характеристики, которые играют важную роль в первичных механизмах действия на живые организмы.

Подводя итог, необходимо обратить внимание на то, что, в настоящее время биологическая эффективность сверхслабых воздействий экспериментально доказана и поэтому совершенно нет оснований отрицать биологическую значимость слабых экологических факторов, контролируемых космической погодой. Первичные механизмы воздействия могут быть разными, однако уже сейчас ясно, что эффекты сверхмалых доз, в том числе полимодальные, могут быть объяснены на основании развиваемых представлений о существовании в клетках разноуровневых высокоэффективных кооперативных систем первичного восприятия, проведения и усиления сигнала с обратной положительной и отрицательной связью в одной или нескольких каскадных реакциях (Гуревич К.Г., 2001). Биофизика сверхмалых доз становится новым научным направлением, которое существенно изменит наши представления об организации и регуляции биологических процессов и их взаимосвязи с внешней средой.

Z-фактор Чижевского?

Исследования солнечно-биосферных связей является одним из ярких примеров сложной междисциплинарной проблемы, поэтому не удивительно, что многочисленные и бесспорные факты корреляций биологических и физико-химических процессов на Земле с космической погодой порой трудно объяснить с позиций тех или иных научных концепций. В свое время для объяснения подобных феноменов А.Л. Чижевский предложил использовать так называемый Z-фактор. Это некое неизвестное излучение Солнца, которое оказывает глобальное влияние на биосферу и социум. Такая гипотеза была вполне разумной, если вспомнить, что научные взгляды А.Л. Чижевского формировались в начале 20-го столетия, когда новые открытия в области физики неоднократно приводили к пересмотру сложившихся представлений об устройстве Мироздания. Однако и в настоящее время в ряде случаев Z-фактор по-прежнему используют для объяснения солнечно-биосферных связей. На рисунке 7.1 авторы также оставили место для неизвестных гипотетических экологических факторов, которые контролируются солнечной активностью. Правомерен ли такой подход в наше время? Все ли виды излучения, испускаемые Солнцем или другими космическими объектами сейчас известны?

Утвердительно ответь на данный вопрос можно только в рамках общепринятых теоретических моделей. Однако, модель – это всегда упрощенное представление реальных неисчерпаемо более сложных явлений. Поэтому бесспорным является право исследователей постулировать существование неизвестного солнечного или космического излучения (фактора), оказывающего фундаментальное влияние на живые и неживые объекты. Тем не менее, подобными вещами не следует злоупотреблять!

В настоящее время на роль неизвестных видов излучений, претендующих на роль Z-фактора, предлагают реликтовые нейтрино, «микролептонный газ», «торсионные поля», «темную энергию» и т.п., вплоть до особых «тонкоматериальных» сущностей «параллельных» миров. Все умозрительные построения такого рода, увы!, - не продвигают нас ни на шаг в понимании проблемы гелиобиологических связей. Внимательное ознакомление с подобными гипотезами показывает, что эти построения имеют низкую эвристическую ценность. Подобные концепции, к сожалению, не способствуют пониманию гелиобиологических связей! При этом приносится в жертву очень важный научный принцип – не вводить без крайней надобности новых сущностей. В действительности стоит задуматься над вопросом о том, а стоит ли вводить новые загадочные факторы, когда еще мало известно о биологических и физико-химических механизмах влияния факторов, которые давно хорошо известны - слабые электромагнитные и акустические поля, сверхмалые дозы ионизирующей и неионизирующей радиации. А не является ли тем самым загадочным Z-фактором, влияющим на живые организмы, обычная комбинация природных электромагнитных полей, ионизирующей радиации, акустических воздействий и других факторов? Учитывая высокую чувствительность живых организмов к данным факторам и выраженную нелинейность реакций на каждый из них в отдельности, можно вполне ожидать огромное разнообразие биологических феноменов в ответ на такие комбинированные воздействия. Действительно, в мониторинговых наблюдениях периодически обнаруживаются неожиданные корреляции биологических процессов с солнечной активностью, которые пока не могут быть объяснены в рамках современных научных парадигм. Однако в данном случае главным является то, что предположения о комбинированном действии факторов могут быть теоретически и экспериментально верифицированы. Следует отметить, что в настоящее время исследования слабых комбинированных воздействий на живые системы настолько малочисленны, что пока рано делать какие-либо серьезные обобщения. Есть уверенность, что развитие данного направления исследований откроет новые горизонты в понимании фундаментальных биологических явлений, в том числе и солнечно-биосферных связей.

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 5)

2009-07-14T18:07:00.010+03:00

1.6. Индексы космической погоды

Громадное число всякого рода наблюдений и измерений, проводимых в физике Солнца и геофизике, - это гигантские массивы накопленных данных, которые трудно обозримы и относятся, как правило, только к последним 5-6 циклам активности. При рассмотрении больших интервалов времени и для сравнения разнородных наблюдений удобно пользоваться некоторыми упрощенными оценками тех или иных процессов. Таковы различные гелиогеофизические индексы. Именно эти индексы и являются индексами космической погоды. Среди индексов солнечной активности наиболее употребительны числа Вольфа, о которых уже говорилось. Очень часто в качестве обобщенной меры уровня солнечной активности используется поток солнечного радиоизлучения на

Рис. 1.22. Среднесуточные индексы Ар (январь-декабрь 1999).

Рис. 1.23. Планетарные 3-х часовые индексы геомагнитной активности Кр в 27-дневном календаре Бартельса, 1999 год. Слева – номера солнечных оборотов – 2259, 2260…

Линейка сверху – 27 дней кэрингтоновского периода. Календарные даты помещены под графиком Кр-индекса (8 чисел в сутки, шкала внизу слева). (Копия страницы Бюллетеня "Solar-Geophysical Data", февраль 2000 г.).

определенной длине волны, например на длине волны 10 см (соответствующие регулярно публикуемые данные относятся к излучению всего диска). При использовании этих показателей важно помнить, что с увеличением длины волны их источник из хромосферы (длина волны 10 см) перемещается в корону. Разработано много различных индексов магнитной активности. Наиболее употребительные – Кр и Ар вычисляются специальной международной службой каждые три часа (или для суточного интервала) для средних широт. Они являются мерой изменчивости геомагнитного поля (а не напряженности!). Индекс «р» означает «планетарный» т. е. измеряется глобальный размах вариаций геомагнитного поля. Для индекса Кр разработана особая логарифмическая шкала. Индекс Ар измеряет диапазон изменчивости индукции геомагнитного поля в единицах нанотесла. Значение Ар порядка нескольких единиц соответствует спокойным условиям, нуль – исключительно спокойным. Во время очень сильных магнитных бурь Ар-индекс может достигать значений порядка двух-трех сотен (рис. 1.22). Индекс Кр изменяется от нуля до 9. Индексы Ар и Кр связаны как число и логарифм.

На рисунке 1.23 показаны изменения Кр-индекса каждые три часа в особом «календаре Бартельса» – по солнечным кэрингтоновским оборотам. Числа слева – номер оборота и календарная дата первого дня данной строки. Трехчасовые интервалы индексов отсчитываются по мировому (гринвичскому) времени от 00 часов 00 минут (начала каждых суток). Корда солнечные обороты последовательно располагаются друг за другом, становится хорошо заметной тенденция к повторяемости индексов. Эта тенденция, хорошо видная на рис. 1.24, имеет простой физический смысл.

Дело в том, что, как оказалось, величина Кр-индекса пропорциональна скорости солнечного ветра. Поэтому повторяющиеся широкие максимумы на рис. 1.23 – это высокоскоростные струи солнечного ветра. Как уже говорилось, такие струи ответственны за периодическое появление магнитных бурь с постепенным началом. Бури с внезапным началом, связанные с хромосферными вспышками, не обнаруживают ясной 27-дневной периодичности. Ар, Кр-индексы отражают флуктуации тока в токовых системах средних широт. Для изучения магнитной активности в других регионах вычисляют особые индексы. Таков, например, АЕ-индекс, который строится каждые пять минут по сети высокоширотных (полярных) магнитометрических ситуаций. АЕ-индекс представляет собой тоже меру флуктуаций (разброса) геомагнитного поля, но для токовой системы полярной шапки.

Особым индексом является знак полярности межпланетного магнитного поля, определяемый каждые сутки. В невозмущенных условиях он может быть либо отрицательным (силовые линии вне магнитосферы направлены к Солнцу), либо положительным (силовые линии направлены от Солнца). В некоторые дни знак межпланетного магнитного поля может беспорядочно изменяться несколько раз (смешанная полярность, иногда считают, что полярность в такой день нулевая). Устойчивая смена знака, когда на протяжении нескольких суток знак остается неизменным, затем изменяется и таким остается следующие 4-7 суток, соответствует прохождению Земли через границу сектора межпланетного магнитного поля (об этих секторах см. выше). Надежные знаки межпланетного магнитного поля известны за последние полвека, некоторые индексы магнитной активности образуют ряды длительностью 1,5 столетия.

Понятно, что различные индексы космической погоды связаны между собой. Однако эта связь для различных масштабов времени может оказаться довольно сложной. Сразу после прохождения границы сектора межпланетного магнитного поля индекс Ар (и, естественно, Кр) выше, нежели перед сменой знака. Магнитные бури с постепенным началом характерны для эпохи спада 11-летнего цикла активности по числам Вольфа. Магнитные бури с внезапным началом (т. е резкое возрастание индексов Ар и Кр) следуют только после хромосферной вспышки достаточно большой мощности. Мера этой мощности – балл вспышки. Балл измеряется площадью сечения в красной линии водорода и яркостью этого свечения. Если площадь сечения не превышает 250 миллионных долей полусферы, а яркость является умеренной, то вспышке приписывается балл 1n. Очень яркое свечение на площади 1200 миллионных долей полусферы соответствует баллу 3В. Кроме того, масштабы вспышки измеряются одновременно мощностью всплеска рентгеновского излучения в полосе 0.1-0.8 нм.

Индекс С соответствует слабому всплеску с потоком энергии >10^-6 Вт/м², индекс М – потоку 10^-5 Вт/м², самым мощным эффектам соответствует индекс Х. Но даже вспышке Х53В (рентгеновское излучение 5·10^-4 Вт/м², оптический балл 3В) магнитная буря может не сопутствовать: соответствующее облако плазмы может не попасть на Землю из-за того, что мощная вспышка была расположена близко к краю солнечного диска и облако в этом случае пролетит мимо, не задев Землю с ее магнитосферой.

Сказанное позволяет отметить важное различие между индексами солнечной активности, которые строятся на основании наблюдений всего солнечного диска, и чисто геофизическими индексами магнитной активности и знака межпланетного магнитного поля: первые являются показателями состояния всего солнечного полушария, обращенного к Земле (радиоизлучение на длине волны 10 см – это суммарное излучение всех активных областей); вторые – отражают вариации состояния солнечного ветра и межпланетного магнитного поля в относительно узкой зональной области, соответствующие некоторой полоске гелиошироты на Солнце для определенного диапазона гелиодолгот, относящихся к малой части диска. Именно по этой причине между солнечными индексами и индексами магнитной активности нет полного соответствия: умеренная солнечная активность в данный интервал времени может сопровождаться повышенной магнитной активностью и наоборот. Ситуация меняется во времени одновременно и независимо по нескольким причинам. В частности, важно, что плоскость орбиты Земли (эклиптика) и плоскость гелиоэкватора не совпадают. Ежегодно в марте Земля оказывается ниже экватора на 7°, через полгода, в сентябре, земную магнитосферу солнечный ветер северного полушария (Земля проецируется на гелиошироту +7°). Можно напомнить, что в конце 11-летнего цикла активные области смещаются к гелиоэкватору (рис. 1.9). Кроме того, как уже отмечалось, на Солнце часто возникает северо-южная асимметрия между полушариями, имеющая свои закономерности изменения во времени. В общем, получается, что есть два класса индексов космической погоды:

– индексы солнечной активности; они отражают глобальный уровень активности на всем наблюдаемом солнечном полушарии; солнечный сигнал в среду обитания переносится коротковолновым солнечным излучением очень быстро;

– индексы магнитной активности; они являются геофизическими измерениями; перенос вариаций в среду обитания осуществляется через солнечный ветер; такие вариации относятся не ко всему солнечному диску, а некоторой узкой зоне гелиоширот, разной в разное время. Сигнал солнечной природы поступает к нашей планете с запаздыванием на 4-5 суток.

Эти два класса индексов соответствуют двум различным каналам воздействия солнечной активности на среду обитания и живые организмы. В первом случае «приемником» солнечных сигналов является главным образом ионосфера-озоносфера, отчасти, нижняя атмосфера. Во втором случае сигнал через солнечный ветер поступает сначала в магнитосферу.

Наконец, очень важно помнить, что на организмы в среде обитания действуют не сами по себе изменения индексов. Не солнечные пятна или солнечное радиоизлучение, а флуктуации геомагнитного поля непосредственно влияют на процессы жизнедеятельности. Биологические явления контролируются экологическими условиями среды обитания. Эти экологические параметры зависят от рассмотренных здесь индексов космической погоды: изменяется фон радиоволн, варьируют интенсивность инфразвука, электрическое поле атмосферы, уровень радиоактивности и т. д.

См. продолжение...

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 4)

2009-07-14T16:40:00.017+03:00

1.5. Защитные оболочки Земли: магнитосфера, ионосфера, озоносфера

Громадные изменения в солнечном ветре, в коротковолновом излучении солнечного диска, обусловленные солнечной активностью, не обнаруживаются в среде обитания. Поверхность Земли защищена от капризов космической погоды защитными оболочками. В экологической значимости космических факторов невозможно разобраться, не располагая сведениями об устройстве этих оболочек. Самая внешняя из них – магнитосфера. Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) является препятствием для замагниченного солнечного ветра. Поэтому плазма солнечного ветра обтекает Землю, создавая вокруг Земли особую полость, в которой и заключено геомагнитное поле. Общая картина обтекания показана на рис. 1.16. На обращенной к Солнцу стороне граница этой полости – магнитосфера располагается на расстоянии около 10 радиусов Земли. Это некоторое среднее значение. Когда динамический напор солнечного ветра возрастает, граница приближается к земле, в противоположной ситуации – отдаляется. Сама граница обнаруживает некоторую структуру. Непосредственно перед этой границей в солнечном ветре всегда присутствует газодинамический разрыв – ударная волна. Здесь вновь уместна аналогия с движением сверхзвукового самолета в разреженной атмосфере. С ночной стороны магнитосфера вытянута подобно хвосту кометы. Он простирается далеко за орбиту Луны – почти на миллион километров.

Магнитосфера Земли имеет весьма сложное устройство, которое в рамках нашего изложения детально рассматривать нет необходимости. Для понимания дальнейшего важно только знать, что все области магнитосферы являются средой протекания многообразных плазменных процессов, среди которых важную роль играют различные механизмы ускорения частиц, в результате чего в магнитосфере есть обширные области, заполненные «местными» космическими лучами («пояса радиации»). Кроме того, магнитосфера является системой, склонной к возбуждению большого числа всевозможных колебаний и, следовательно является источником радиоволн. Если наблюдать магнитосферу «снаружи» из космоса», то она оказывается сильно переменным источником радиоизлучения на низких и крайне низких частотах. Определенная доля этого радиоизлучения «просачивается» к поверхности Земли, в среду обитания. Режим генерации этих радиоволн, работа естественных магнитосферных «радиостанций» сильно зависит от солнечной активности. Как именно изменения в солнечном ветре превращаются в экологические изменения на поверхности планеты – это чрезвычайно сложный вопрос и он не может быть здесь подробно рассмотрен. Можно лишь отметить, что это сложный многоступенчатый процесс. Очень важную роль в нем играют вариации скорости ветра и его плотность. Каждый «порыв» солнечного ветра может быть зафиксирован в среде обитания по изменению магнитосферных показателей.

Установлено также, что в передаче изменений космической погоды на поверхности Земли большое значение имеют изменения в межпланетном магнитном поле. Особенно велика роль вертикальной составляющей этого поля (по отношению к плоскости земной орбиты – эклиптике). Магнитосферные возмущения неизбежно развиваются, когда эта вертикальная составляющая направлена к югу. Физический смысл этого предпочтения понятен: на дневной стороне магнитосферы силовые линии геомагнитного поля по отношению к межпланетному магнитному полю направлены в противоположную сторону. Как уже отмечалось, сближение силовых линий магнитного поля, направленных в противоположную сторону (антипараллельно), в плазменных процессах всегда чревато неустойчивостью и активизацией динамических явлений. В значительной мере по этим же причинам в среде обитания хорошо заметны прохождения близ Земли границ секторов межпланетного магнитного поля: магнитосфера испытывает некоторую «перестройку» при переходе из сектора одной полярности в сектор с силовыми линиями магнитного поля противоположной направленности. Наиболее сильные магнитосферные возмущения связаны с приходом к Земле плазменного облака, выброшенного в межпланетное пространство при развитии достаточно сильной хромосферной вспышки. Комплекс явлений, которые при этом развиваются, называют «магнитной бурей». Такое название закрепилось за подобным возмущением по той причине, что в наземных измерениях оно было впервые обнаружено по вариациям напряженности геомагнитного поля. В магнитосфере, а также в другой защитной оболочке – ионосфере (о ней речь пойдет ниже) – все время текут электрические токи. Они подробно изучены. В плоскости экватора на расстоянии примерно в 4 земных радиуса существует кольцевой ток, который течет в западном направлении. В полярных областях располагаются петли полярных электроструй. Когда Земля оказывается во вспышечном облаке, режим обтекания, изображенный на рис. 1.16 сильно меняется. Так как ток во всех токовых системах усиливается, то и магнитное поле этих токов также усиливается. Регистрируемое в это время на магнитных станциях суммарное магнитное поле – статическое геомагнитное поле плюс переменное магнитное поле токов – заметно меняется. О характере этих изменений можно судить по рис. 1.17 и 1.18.

Рис. 1.16. Обтекание солнечным ветром геомагнитного поля порождает особую полость – магнитосферу. Горизонтальная шкала на рисунке – радиусы Земли. Направление движения солнечного ветра показано стрелками.

Рис. 1.17. Прямые измерения магнитосферных токов и полей в магнитосфере во время магнитной бури 10 мая 2002 г. Верхний график – изменения потоков электронов разных энергий (шкала логарифмическая). Средний график – изменение магнитной индукции. Нижний график – изменения индекса Кр.

Рис. 1.18. Запись геомагнитной бури на ст. Ла Аквила 13 марта 1989 г. H,Z – горизонтальная и вертикальная компоненты поля; D – склонение.

На первом из них представлены изменения потоков ионов и электронов в магнитосфере на протяжении трех суток согласно спутниковым измерениям (следует обратить внимание на то, что шкалы слева – это логарифмы интенсивности потока частиц). Нижние два графика представляют, соответственно, изменения напряженности геомагнитного поля на орбитальной высоте спутника и значения индекса Кр магнитной активности (об этом индексе – см. ниже). На рис. 1.18 представлены кривые изменения горизонтальной составляющей геомагнитного поля на одной из наземных магнитометрических станций во время типичной вспышки магнитной бури. Как видно из рисунка, на начальном этапе развития бури геомагнитное поле немного возрастает, но затем значительно уменьшается (этот этап развития бури называют главной фазой). На записи геомагнитного поля рис. 1.18 не отражена одна важная особенность вариаций – наличие большого числа быстрых изменений напряженности. Именно эти быстрые вариации заставляют беспорядочно колебаться во время бури стрелку компаса.

На фоне скромных геомагнитных вариаций (во время главной фазы бури напряженность геомагнитного поля уменьшается на доли процента) происходят и другие явления, куда более грандиозные. На географических широтах выше 67° развивается одно из самых красивых явлений природы – полярное сияние (рис. 1.19).

Свечение атмосферы на высотах порядка 100 км вызывается ускоренными частицами, которые «сбрасываются» из магнитосферы вниз, к земной поверхности. Развитие полярного сияния сопровождается сильным «грохотом», который мы не слышим, но который может оказывать на организм заметное воздействие. Каждая магнитная буря достаточной мощности – это еще и буря в неслышимом диапазоне акустического спектра – инфразвуке, который распространяется в среде обитания в масштабах полушария, воздействуя на все живое в течение многих часов. Еще больших масштабов достигает в это время буря в электромагнитных полях, заполняющих обычно среду обитания при малых значениях интенсивности. На некоторых низких и сверхнизких частотах амплитуда колебаний магнитной составляющей может возрастать в сотни раз! Большие бури сопровождаются изменениями в некоторых других экологических параметрах: в некоторых местностях увеличивается выход из грунта радиоактивного газа радона; при этом несколько возрастает радиоактивность атмосферы, но интенсивность галактических космических лучей уменьшается; увеличиваются колебания атмосферного давления с периодами в десятки минут и часы; изменяется напряженность электрического поля атмосферы. Магнитные бури по многим своим показателям отличаются друг от друга. Но в этом их многообразии легко выделить два типа. Вспышечные магнитные бури (следуют спустя примерно двое суток после вспышки или внезапного исчезновения волокна) характеризуются «внезапным началом» – скачкообразным возрастанием напряженности поля на горизонтальной составляющей магнитограммы. У бурь с постоянным началом эта деталь на записях отсутствует. Этот тип бурь соответствует попаданию планеты в высокоскоростную струю солнечного ветра.
Такие струи могут существовать относительно долго, несколько солнечных оборотов. Поэтому бури с постепенным началом образуют нередко последовательности с характерным периодом повторяемости в 27 суток. Месторасположение начала струи на солнечном диске может быть найдено из оптических наблюдений короны: на этом месте располагается область пониженной температуры – «коронарная дыра».

Рис. 1.19. Свечение атмосферы на высоких широтах (полярное сияние) в результате сброса заряженных частиц с радиационных поясов.

Следующая важная защитная оболочка нашей планеты – ионосфера. Это часть верхней атмосферы планеты, в которой атмосферные газы ионизованы, вследствие того, что внешние электроны «оторваны» от ядер атомов азота и кислорода. Ионизацию вызывает коротковолновое солнечное излучение - ультрафиолетовое и рентгеновское излучение (на рис. 1.13
– этот диапазон излучения находится слева от оптического «окна прозрачности»). Ионизованные
слои атмосферы располагаются на высотах 50–250 км.

Важнейший показатель ионосферы – концентрация свободных электронов. Для каждой определенной области ионосферы этот показатель зависит от высоты, зенитного расстояния Солнца и уровня солнечной активности (например, чисел Вольфа, относительного числа солнечных пятен). Наличие свободных электронов означает, что на указанных высотах имеется электрически высокопроводящйи слой. Поскольку проводящей поверхностью является также и поверхность Земли, то биосфера находится в некоторой сферической полости. Наружная стенка этой полости защищает все живое от электромагнитного излучения очень низкой частоты солнечного и магнитосферного происхождения. В рассматриваемой полости оказывается «запертым» излучение, генерируемое в атмосфере грозовыми разрядами. Их на планете происходит ежесекундно около сотни. Импульсное радиоизлучение молний распространяется в полости «ионосфера – поверхность Земли» как в волноводе, с очень малым затуханием. Волновод одновременно является и резонатором. Его основной «тон» соответствует частоте 8 колебаний в секунду (8 Гц) (резонанс Шумана, назван в честь первооткрывателя) (рис. 1.20). Такова частота радиоволны, длина волны которой укладывается по экватору ровно один раз (40 тыс. км.). Наконец, следует еще упомянуть и о том, что стенки полости этого волновода–резонатора электрически заряжены: они образуют сферический конденсатор. Нижняя «пластина» конденсатора (поверхность Земли) заряжена отрицательно относительно верхней (ионосфера).

Рис. 1.20. Спектр резонансных частот ионосферного волновода в диапазоне крайне низкий частот (резонансы Шумана) Видна основная полоса 8 Гц и соответствующие гармоники 14, 20 и 26 Гц.

Рис. 1.21. Колебания амплитуды на основной частоте шумановского резонанса 8 Гц (верхняя линия) и геомагнитной возмущенности (нижняя линия). По горизонтальной оси отложены дни наблюдений. Левая вертикальная ось – амплитуда магнитной составляющей в нанотеслах, правая – значения индекса Кр. Хорошо виден суточный период колебаний амплитуды и длительное возбуждение ионосферного волновода после геомагнитной бури.

В ионосфере происходит множество динамических процессов, тесно связанных с солнечной активностью. Благодаря этому показатели запертого в ионосферном волноводе радиоизлучения оказываются зависящими от проявлений солнечной активности. Но изменения этого фона радиоволн, как выяснилось, имеют экологическое значение. О характере этих изменений можно судить по ионосферным эффектам все той же мощной хромосферной вспышки. Как было сказано выше, ее развитие сопровождается всплеском ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Концентрация свободных электронов в ионосфере сразу же возрастает на всем освещенном полушарии. Как следствие, увеличивается электрическая проводимость, особенно это заметно для регионов, где в это время полдень. Так как увеличивается ток в ионосферных токовых системах, то в геомагнитном поле фиксируется легко узнаваемое бухтообразное возмущение, сопровождаемое значительным увеличением амплитуды электромагнитного фона на шумановских резонансах (рис. 1.21).

С увеличением проводимости внешней стенки ионосферного волновода изменяется режим распространения радиоволн (о чем хорошо знают радиолюбители), в результате чего резко возрастает интенсивность радиоволн атмосферного происхождения на частотах около 20 килогерц. На высоких и умеренных географических широтах регистрируется возрастание напряженности электрического поля атмосферы (такие усиления геоэлектрического поля можно заметить только в ясную погоду). Если бы организмы могли фиксировать все эти изменения как некоторый единый образ (систему «электромагнитных примет»), они могли бы предвидеть наступление магнитной бури с внезапным началом: все описанные здесь эффекты сопровождают развитие самой вспышки с запаздыванием 8 минут, а вспышечное возмущение, передаваемое через солнечный ветер, придет на Землю спустя сутки – двое. Конечно, свои системы «электромагнитных примет» имеют и многие другие проявления солнечной активности – изменения космической погоды, включая магнитные бури, секторную структуру межпланетной среды и даже солнечное затмение.

Наконец, еще одна защитная оболочка нашей биосферы, о которой следует коротко рассказать, носит название озоносфера. Озоносфера - это слой, содержащий некоторую концентрацию трехатомного кислорода – озона. Он располагается на высотах стратосферы (выше 20 км) и предохраняет все живое от крайне активной ультрафиолетовой радиации Солнца. Концентрация озона в конкретном пункте и в конкретный момент времени определяется балансом множества противоборствующих процессов: интенсивность солнечного ультрафиолетового излучения, перенос (ветры в стратосфере), температура, присутствие примесей некоторых веществ и т. д. В тропической зоне (+30°относительно экватора) озоносфера сравнительно «тонкая» (толщина, приведенная к нормальным давлению и температуре, всего 0,26 см) и устойчивая. На более высоких широтах она становится более мощной и сильно варьирует – может изменяться на протяжении нескольких суток на 20-30%. Такие изменения имеют важные экологические последствия. Дело в том, что на краю основной полосы поглощения озоном ультрафиолетового излучения (260 нм) даже небольшие изменения толщины озоносферы приводят к изменениям потока радиации близ земной поверхности (конечно, в безоблачную погоду). Установлено, что изменения толщины «озонного экрана» на средних широтах на 1% приводит к примерно такому же изменению интенсивности ультрафиолетового излучения в полосе 290-320 нм. Но именно в этой области располагаются полосы поглощения биологических молекул, белков и ДНК. Поэтому увеличение радиации в указанном диапазоне длин волн имеет серьезные экологические последствия:

– возрастание риска заболеваемости раком кожи: для населения США подсчитано, что однопроцентное уменьшение толщины озоносферы приводит к появлению примерно 1000 случаев злокачественной меланомы;

– изменение интенсивности фотосинтеза, концентрации в растительных организмах активных биологических веществ (включая витамины);

– увеличение числа мутаций (необратимых изменений в наследственном веществе) у бактерий;

– активация «спящих» вирусов внутри клетки.

В динамике озоносферы присутствует один из основных циклов солнечной активности – 11-летний. Для некоторых озонометрических станций средних широт, где накоплены данные измерений за длительное время, амплитуда вариаций толщины озоносферы в течение этого цикла может достигать нескольких процентов.

См. продолжение...

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 3)

2009-07-14T16:29:00.007+03:00

1.4. Волновое излучение Солнца и его изменения. Что попадает в среду обитания?

Замагниченный солнечный ветер, солнечные космические лучи – важная, но не единственная составляющая космической погоды. Как будет ясно из дальнейшего изложения, некоторые экологические показатели среды обитания существенно зависят от вариаций волнового солнечного излучения. Зависимость потока излучения от его длины волны – спектр – показана на рис. 1.13. Так она выглядит за пределами земной атмосферы. Основная доля излучаемой Солнцем энергии приходится на видимую часть спектра. Это «обычный» свет
(на рис. 1.13 заштриховано). Именно эта часть света вносит основной вклад в нашу земную энергетику. Солнечное «энергоснабжение» нашей планеты, которое в среднем составляет 1368 Вт/м², характеризуется высокой стабильностью. Внеатмосферные измерения, выполненные за последние два десятилетия, показали, что вариации солнечной активности за 11-летний цикл изменяют приведенную величину («солнечную постоянную») не более чем на 0,2%. Свет проникает на поверхность Земли в ясную погоду практически без поглощения (этот диапазон длин волн иногда называют «оптическим окном» прозрачности атмосферы). Если двигаться теперь по горизонтальной оси рис. 1.13 в сторону коротких длин волн, где представлено ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и гамма-излучение, то этих участках спектра поток излучения сильно изменяется при переходе от максимума солнечной активности к минимуму, причем с уменьшением длины волны масштабы изменений сильно возрастают. Например, когда развивается большая хромосферная вспышка, то коротковолновое излучение усиливается дополнительно во многие десятки раз, в это время Солнце становится источником и гамма излучения. Эти громадные изменения интенсивности в среде обитания непосредственно не регистрируются, так как в коротковолновом диапазоне атмосфера непрозрачна и все излучение поглощается.
В результате этого в наземные телескопы невозможно наблюдать динамические процессы в горячей короне, поскольку все детали там можно видеть в основном в рентгеновском диапазоне. Грандиозные коронарные выбросы вещества в межпланетное пространство были обнаружены только после того, как рентгеновские телескопы были вынесены за пределы атмосферы.

Рис. 1.13. Спектральная плотность солнечного излучения за пределами земной атмосферы. 1, 2 – максимум и минимум солнечной активности, 3 – вспышка балла 3n. Заштриховано – область спектра, воспринимаемая глазом.

Если двигаться вдоль горизонтальной оси рис. 1.13 в сторону увеличения длины волны, то мы сначала попадаем в диапазон теплового (инфракрасного) излучения, дальше идут сначала миллиметровые, затем – сантиметровые, метровые и т. д. радиоволны. Интенсивность при этом быстро падает. Спектр излучения в радиодиапазоне показан отдельно на рис 1.14. Он является продолжением рис. 1.13 со стороны волн большой длины, самое большое значение потока на рис. 1.14 примерно в миллион раз меньше потока видимого излучения. Для спокойного Солнца интенсивность сантиметрового излучения определяется хромосферой, метрового – короной.

Рис. 1.14. Спектральная плотность солнечного радиоизлучения (продолжение предыдущего рисунка вправо). 1 – минимальная солнечная активность; 2 – шумовая буря; 3 – радиовсплеск, сопровождающий мощную хромосферную вспышку; 4 – максимальная солнечная активность.

Известны два основных типа возмущений в радиодиапазоне, связанные с солнечной активностью: во-первых, это уже не раз упоминавшаяся хромосферная вспышка; всплески радиоизлучения в данном случае могут длиться многие часы, поток может возрасти в тысячу раз (кривая 3 на рис. 1.14); во-вторых, это так называемые шумовые бури; их источником являются некоторые активные области с пятнами большой площади (спектр показан кривой 2 на рис. 1.14). В сантиметровом-метровом диапазонах солнечное радиоизлучение свободно проникает в среду обитания (радиоастрономическое «окно прозрачности»). Можно сразу же заметить, что это излучение и его вариации имеют низкую экологическую значимость, так как фон радиоволн в среде обитания определяется сейчас радиоизлучением технического происхождения – многочисленными теле- и радиостанциями, радиолокационными установками, излучением различных промышленных установок, бытовыми приборами. Высокий уровень помех, впрочем, не мешает наблюдать Солнце на различных длинах волн всего этого диапазона. Современная радиоприемная аппаратура позволяет строить радиоизображения Солнца, на которых видно множество деталей. Очень большие изменения солнечного радиоизлучения происходят на сверхдлинных волнах (в радиоастрономии более употребительны обратные величины – частоты; речь идет о частотах ниже 1 мегагерца, т. е. меньше одного миллиона колебаний в секунду).Однако радиоволны такой большой длины поглощаются в самых верхних слоях атмосферы. Об этих излучениях вообще не было известно до начала радиоастрономических измерений в космосе (выше земной атмосферы).

Указанные выше электромагнитные возмущения в околоземном пространстве характеризуются своим временным ходом (рис. 1.15). Практически сразу, т.е. через 8 минут, после вспышки регистрируется повышение потока ионизирующего, ультрафиолетового и радиоизлучения, которые оказывают воздействие на ионосферу. В это время на поверхности Земли могут регистрироваться вариации электромагнитного фона ионосферного происхождения. Через несколько часов в результате взаимодействия выброшенной плазмы (солнечного ветра) с межпланетным магнитным полем генерируются электромагнитные волны метрового диапазона. Чуть позже окрестностей Земли достигают солнечные космические лучи (протоны и электроны, которые в магнитных полях активных областей Солнца разгоняются до высоких энергий). Взаимодействие же космических галактических лучей с выброшенной солнечной плазмой приводит к снижению их потока (форбуш-эффект), которое в околоземном пространстве регистрируется через несколько суток, т.е. после того, как солнечный ветер достигает Земли. Завершающим этапом в этой цепи событий является взаимодействие сгустка солнечной плазмы с магнитосферой земли, следствием чего является развитие геомагнитных возмущений и бурь.

Рис. 1.15. Последовательность послевспышечных событий в околоземном пространстве.
По горизонтальной оси – время от начала вспышки на Солнце, по вертикальной оси – амплитуда изменений в относительных единицах.

См. продолжение...

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 2)

2009-07-14T16:17:00.011+03:00

1.3. Межпланетная среда – область, где формируется космическая погода

Самые внешние горячие слои солнечной короны находятся в состоянии непрерывного расширения. Постепенно, по мере удаления от Солнца, скорость расширения увеличивается, достигая своего «обычного» среднего значения 400 км/сек. на расстоянии около нескольких десятков солнечных радиусов. Это грандиозное явление получило название солнечного ветра. Солнечный ветер «дует» постоянно, во все стороны. Им заполнена вся межпланетная среда, и им «обдуваются» все планеты солнечной системы. Химически солнечный ветер состоит из водорода с примесью гелия. Атомы обеих элементов ионизированы, так что этот сильно нагретый газ находится в плазменном состоянии. Физически – это движущаяся сплошная среда, в которой могут распространяться звуковые волны, возможны газодинамические разрывы (в том числе ударные волны). Важная составляющая межпланетной плазмы – магнитное поле, «вытягиваемое» ветром из короны. Если некоторый объем водородной плазмы покидает Солнце, то, двигаясь по радиусу со скоростью 400 км/сек, он преодолеет расстояние до Земли (150 млн. км, астрономическая единица) за 4,5 суток. Солнце за это время успевает повернуться на 60 град. В итоге, если смотреть со стороны северного полюса Солнца на плоскость земной орбиты, получается спиральный узор, показанный на рис. 1.10. (следует учесть, что силовая линия магнитного поля не теряет связь с Солнцем!). Важная особенность этого межпланетного магнитного поля (ММП) – наличие в нем секторной структуры. В определенных интервалах гелиодолгот силовые линии поля направлены либо от Солнца (северная полярность, «+»),
либо – к Солнцу (южная полярность, знак «–»). Секторная структура ММП – отражение соответствующей структуры общего магнитного поля Солнца (измеряемого оптическими методами) и она довольно устойчива. Секторная структура ММП может оставаться без изменений месяцами (концентрированные магнитные поля активных областей и пятен ветер «вытянуть» в межпланетную среду не может!).

Всякого рода изменения солнечного ветра, обусловленные солнечной активностью, являются одной из важнейших составляющих космической погоды. Эти изменения весьма значительны (рис. 1.11). В качестве доказательства можно привести следующие примеры:

– межпланетное магнитное поле (полный вектор) имеет в среднем индукцию около 7 нанотесла, но иногда может превышать 50 или падать до 0,7 (те же ед.);

– скорость составляет, как уже говорилось, для низких гелиоширот около 400 км/сек, но были зафиксированы значения 156 км/сек и 1020 км/сек (рис. 1.11);

– плотность плазмы в среднем около 9 частиц в см³, но бывает и 0,1 и 140 (те же единицы, рис. 1.11);

– температура плазмы может различаться в 200 раз!

Все эти вариации, так или иначе, связаны с отдельными проявлениями солнечной актив-ности. В некоторых случаях эта связь легко устанавливается при прямом сравнении оптических (или радио – см. ниже) наблюдений и одновременных изменений в ветре. Подобные вариации солнечного ветра могут быть вызваны хромосферными вспышками. Быстрое энерговы-деление в процессе развития вспышки проис-ходит в нижней короне – хромосфере в области, где тесно сближаются силовые линии магнитного поля противоположного направления. Физическую картину этого явления можно уяснить из рис. 1.12. Здесь изображена схема протекающих во вспышке процессов на этапе, когда основная часть энергии магнитного поля уже выделилась. Произошло нагревание плазмы в хромосфере (область, ограниченная силовыми линиями поля пятен противоположной полярности).

Рис. 1.10. Магнитное поле Солнца. Вид со стороны полюса Солнца на плоскость земной орбиты. Спирали – силовые линии межпланетного магнитного поля, они изображены близ границы смены знака. Большие стрелки – полярность поля в пределах сектора (от Солнца – северная полярность, к Солнцу – южная).

Рис. 1.11. Вариации плотности (1) и скорости (2) солнечного ветра (прямые космические измерения, вертикальные линии проведены через 7 суток)

Рис. 1.12. Схема (1) и сделанный со спутника снимок (2) выброса солнечной плазмы в межпланетное пространство во время развития мощной хромосферной вспышки (на внеатмосферной фотографии солнечный диск закрыт специальной маской в телескопе).

Именно эта область светится в красной спектральной линии водорода, она же является источником ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Некоторый сгусток плазмы оказывается в ситуации, показанной в правом верхнем углу рис. 1.12. «Растянутые» силовые линии коронального магнитного поля действуют на этот плазменный сгусток как тетива лука: он выбрасывается в межпланетное пространство со скоростью значительно большей, чем скорость «спокойного» солнечного ветра. Далее, двигаясь по невозмущенному ветру, это облако постепенно расширяется, перед ним формируется ударная волна. Все это делается очень похожим на картину движения сверхзвукового самолета в разреженной земной атмосфере. Во всей области, занятой движущимся облаком, такие параметры солнечного ветра, как плотность, межпланетное поле с его секторами, температура плазмы, сильно меняются. Менее чем двое суток требуется плазменному облаку, чтобы преодолеть расстояние до земной орбиты. Понятно, что выброс вещества при развитии вспышки достигает заметных масштабов только тогда, когда вспышка оказывается достаточно мощной. Мощность вспышки измеряется площадью, охваченной свечением в упомянутой спектральной линии водорода, и интенсивностью всплеска рентгеновского излучения (см. ниже). Соответственно, такой вспышке присваивается балл 2 и выше. Такие мощные вспышки в данной активной области происходят относительно редко. Слабые вспышки происходят часто, но их развитие обычно не сопровождается заметными возмущениями солнечного ветра. Появление на диске вспышки балла 3 и выше обычно сопровождается генерацией солнечных космических лучей. Как и обычно существующий фон галактических космических лучей, этот вид излучения представляет собой протоны (ионизованные ядра атомов водорода), обладающие скоростями, близкими к скорости света. Такие частицы обладают кинетическими энергиями, на много порядков большими, чем тепловые энергии протонов солнечного ветра. Появление солнечных космических лучей означает, что при развитии вспышек в активной области короткое время работает естественный аналог ускорителя элементарных частиц. Для частиц космических лучей межпланетная среда, заполненная «замагниченным» солнечным ветром, является средой «мутной» (т. е. рассеивающей). Поэтому солнечные космические лучи приходят на орбиту Землю с запаздыванием через часы, а не через 8 минут как волновое электромагнитное излучение. Самый распространенный, самый «обычный» вид вариаций в солнечном ветре связан с вращением Солнца. С циклом, близким к кэррингтоновскому 27-дневному периоду, в ветре закономерно изменяются плотность и скорость. Такие вариации происходят «в такт» с секторной структурой межпланетного магнитного поля. В первые двое-трое суток после секторной границы скорость ветра выше, далее она снижается и т. д.

См. продолжение...

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА (продолжение 1)

2009-07-14T15:47:00.010+03:00

1.2. Процессы на поверхности Солнца – солнечная активность

Процессы и явления на поверхности Солнца доступны прямым наблюдениям и обстоятельно изучены. Поскольку именно они определяют космическую погоду, то потому и заслуживают здесь более подробного рассмотрения.

Вид солнечного диска в телескопе сильно зависит от того, какой световой фильтр применяется при наблюдениях. Самые первые наблюдатели Солнца в телескоп использовали простые ослабители света, что уже было достаточно им, что бы открыть солнечные пятна. Потом это породило долгие споры о приоритете, в которых принимал участие и Г. Галилей. В настоящее время известно, что пятна – это трубки силовых линий магнитного поля, а мы наблюдаем их сечение, когда они «всплывают» на поверхность из конвективной зоны. Температура внутри такого жгута силовых линий ниже, чем окружающего газа, поэтому по контрасту они кажутся черными (рис. 1.2). Однако силовые линии магнитного поля являются «ловушками» для частиц плазмы, которые, попадая в них, «накручиваются» на силовые линии магнитного поля и разогреваются, тем самым, образуя своеобразные плазменные арки (рис. 1.3.).

Рис. 1.2. Солнечное пятно - жгуты силовых линий магнитного поля, вдоль которых по спирали вырывается наружу солнечная плазма. Рядом с пятном - ячейки конвекции. Диаметр пятен сравним с диаметром Земли.

Рис. 1.3. Выбрасываемая солнечная плазма ориентируется по силовым линиям магнитного поля солнечных пятен (снимок NASA).

Пятна обычно наблюдаются группами, они, как правило, окружены областями повышенной яркости причудливой формы – факелами. Группы пятен с факелами – активные области (это название будет использоваться в дальнейшем) – образования короткоживущие. Они появляются в виде едва различимых пятнышек, затем развиваются в течение нескольких дней (иногда – недель), достигая подчас больших размеров (видны на закате невооруженным взглядом), потом постепенно дробятся, исчезают. Солнце наблюдается международной сетью обсерваторий почти непрерывно, поэтому практически каждый день отмечается, сколько активных областей одновременно присутствует на диске, насколько велика площадь пятен и т. п. Форма и расположение солнечных пятен на солнечном диске в период максимума солнечной активности показаны на рис. 1.4.

Однако в астрономии обычно динамику активных областей Солнца фиксируют путем построения специальных индексов. Самый распространённый из них – «относительное число солнечных пятен» (синоним – «числа Вольфа»). Международная служба вычисляет числа Вольфа ежедневно, публикуются также среднемесячные и среднегодовые значения. На рис. 1.5 показано как изменялись среднемесячные значения чисел Вольфа за последние полтора века.

Если посмотреть на общую картину изменений, то бросается в глаза ярко выраженная цикличность: есть годы, когда индекс составляет всего несколько единиц, в другие годы его значения могут превышать 200. Ряд чисел Вольфа за большой интервал времени тщательно анализировался. Важнейшие закономерности обнаруженных при этом вариаций таковы:

– основной период, хорошо заметный на рис. 1.5, равен 11 годам; в разные эпохи он может заметно отличаться от этой величины;

– имеются другие (незаметные на глаз) периоды и циклы, например, около двух лет, около 60 лет;

– иногда в колебательной системе происходят странные «сбои»: числа Вольфа резко уменьшаются на несколько 11-летних циклов; такой эпизод, когда пятна почти не были видны пять 11-летних циклов подряд, случился в 1650-1700 гг (минимум Маундера).

Рис 1.4. Пятна на солнечном диске в период высокой солнечной активности.

Много больше всевозможных деталей видно на солнечном диске, когда в наблюдениях используются фильтры, пропускающие какую-нибудь одну спектральную линию. Например, в красной линии водорода с длиной волны 656 нанометров в активной области кроме пятен и областей повышенной яркости видны еще темные вытянутые образования – волокна. Упомянутая спектральная линия образуется на высоте в несколько тысяч километров над видимой в «обычном» свете поверхностью Солнца (фотосферой). Поэтому с таким светофильтром можно изучать явления, происходящие в нижних слоях солнечной атмосферы. Эту область называют хромосферой. В хромосферных наблюдениях с различными фильтрами обнаруживается, что в активных областях происходят не только постепенные изменения, связанные с их эволюцией, но и всевозможные быстропротекающие явления. Например, за время порядка десяти минут может «исчезнуть» волокно. Примерно в такие же промежутки времени происходят непрерывные изменения в пространственной структуре в районах повышенной яркости. Время от времени в таких районах возникают участки интенсивного свечения, которые могут за несколько минут охватить значительную часть активной области. Вид такой хромосферной вспышки в оптических наблюдениях, – явления, которое играет весьма важную роль в изменениях «космической погоды», представлен (рис. 1.6.).

Рис. 1.5. Ход наиболее известного индекса солнечной активности – чисел Вольфа в 19-20 вв.

Рис. 1.6. Наблюдение Солнце в красной линии водорода (длина волны 656 нм). Яркие участки – свечение хромосферной вспышки.

Самый верхний слой солнечной атмосферы называют короной. Ее также можно наблюдать в некоторых спектральных линиях, но в непрерывном свете она лучше всего видна во время полных солнечных затмений (рис. 1.7). Ее вид сильно меняется в зависимости от того, на какую фазу солнечного цикла приходится затмение. В эпоху максимума чисел Вольфа корона имеет вид чуть асимметричного овала, для эпох минимума характерно наличие структур в виде лучей, простирающихся в космическое пространство на несколько солнечных радиусов. Активные области в короне выглядят как участки интенсивного свечения. Они особенно хорошо выделяются в наблюдениях, проводимых на экстремально коротких длинах волн, в рентгеновском диапазоне спектра (рис. 1.8). В этих наблюдениях не видно фотосферных солнечных пятен: корона нагрета до очень высокой температуры (прядка миллиона градусов) и вклад фотосферы в рентгеновское излучение ничтожно мал. Темные области на рентгеновских изображениях солнца называют корональными дырами. Они оказывают заметное влияние на космическую погоду, о чем будет рассказано дальше.

Рис. 1.7. Самые внешние слои атмосферы Солнца – корона, которая хорошо видна, когда солнечный диск закрыт в телескопе специальной маской.

Рис. 1.8. Вид Солнца в рентгеновском излучении; светятся активные области, пятен не видно.

Из хромосферных и корональных наблюдений уже давно был сделан вывод, что во всех процессах солнечной активности фундаментальную роль играют магнитные поля. Относительно большую напряженность солнечные магнитные поля имеют в пятнах: в большом пятне магнитное поле в тысячи раз больше, чем магнитное поле в нашей среде обитания (геомагнитное поле). Современная наблюдательная технология позволяет получить карты солнечных магнитных полей по всему диску. Анализ огромного массива наблюдений по солнечному магнетизму позволил установить следующие основные закономерности:

– в простейшем варианте пятна можно представить себе как погруженный в фотосферу подковообразный магнит: мы всегда видим два магнитных полюса;

– магнит располагается вдоль параллелей, так что с учетом направления солнечного осевого вращения одно пятно будет ведущим, а второе – ведомым. Оказывается, что в разных полушариях полярности ведущих пятен противоположны, и каждый 11-летний цикл эти полярности меняют знак. Рис. 1.9 поясняет схему этих изменений.

Рис. 1.9. Смена полярности магнитных полей солнечных пятен в циклах солнечной активности. S – южная полярность, N – северная полярность. В начале 11-летнего цикла пятна появляются на более высоких широтах, а его к концу постепенно смещаются к солнечному экватору.

Латинские буквы S и N в соответствии с общепринятыми обозначениями относятся к южной и северной полярностям магнитного поля. В первом случае силовые лини поля направлены к Солнечной поверхности, во втором – от поверхности в межпланетное пространство. По вертикали на рис.

См. продолжение...

МЫ ЖИВЕМ В АТМОСФЕРЕ СОЛНЦА

2009-07-14T15:19:00.015+03:00

1.1. Стандартная солнечная модель

Солнце – самая близкая к нам звезда: квант света – фотон, покинув Солнце, достигает орбиты Земли за 8 минут. Свет от другой ближайшей к нам звезды Проксима Центавра затрачивает на подобное путешествие более 4 лет. На поверхности этой другой ближайшей звезды не удается что-либо разглядеть даже в самые мощные телескопы. Вот почему изучение Солнца важно и интересно не только само по себе: наблюдая Солнце, мы многое узнаем о звездах вообще. Но и исследованные миры звезд очень помогают разобраться в солнечной физике: ведь другие звезды мы наблюдаем на разных стадиях эволюции, в юном и преклонном возрасте, при несколько ином химическом составе, массе, радиусе.

Все, что сейчас известно о строении Солнца, его химическом составе, процессах, протекающих в его недрах, суммировано в так называемой «стандартной солнечной модели». Эта модель построена на колоссальном, тщательно проанализированном материале наблюдений Солнца и большого числа звезд. Исходя из этой модели, многие величины, характеризующие солнечные явления, могут быть вычислены с большой точностью. Согласно этой модели Солнце представляет собой газовый шар, состоящий из водорода с небольшой примесью гелия (и совсем малой примесью более тяжелых элементов). Температура возрастает от поверхности (6000° С) вглубь, достигая близ центра 14 млн. град.; соответственно возрастает и плотность; электроны оторваны от ядер водорода, так что вещество находится в плазменном состоянии. При температуре и плотности, которые достигаются близ центра, ядра водорода достаточно часто сближаются на расстояния, при которых оказываются возможными ядерные реакции. При этом из четырех ядер водовода образуется ядро гелия и выделяется энергия, обеспечивающая светимость Солнца. Одновременно с возникновением ядра гелия образуется еще и нейтрино – частица, практически не взаимодействующая с веществом. Поэтому нейтрино свободно покидает зону протекания ядерных реакций и само Солнце и поэтому может быть зарегистрировано на поверхности Земли.

Солнце принадлежит к типу медленно эволюционирующих устойчивых звезд. Оно не может взорваться. Солнечные термоядерные реакции идут уже около 5 миллиардов лет и будут продолжаться с той же скоростью еще миллиарды лет.

Зона ядерных реакций, где выделяется энергия, занимает небольшую часть объема Солнца. Это сфера всего 0.1 его радиуса. Остальные зоны Солнца проводят (переносят) эту энергии наружу. В основной массе Солнца этот перенос осуществляется фотонами.
Но за 0.3 радиуса от поверхности включается еще один механизм переноса – конвекция: нагретый газ поднимается к поверхности, охлаждается и опускается вниз за новой порцией тепла. Соответственно в строении Солнца выделяют зону лучистого равновесия и конвективную зону. Из-за того, что конвекция реализуется на вращающемся шаре, общая картина циркуляции вещества в конвективной зоне очень сложная. Разобраться в ней полностью не удалось до сих пор. Чрезвычайно важным является то, что циркулирующим веществом при этом является плазма, состоящая из заряженных частиц, поэтому ее движение – это не что иное, как электрический ток. А протекание тока неизбежно сопровождается появлением магнитного поля.

Магнитные поля играют очень важную роль в процессах, происходящих на поверхности Солнца. Но они оказывают влияние и на динамику конвективной зоны. Отсюда понятно, почему специалисты по физике Солнца уделяют изучению солнечного магнетизма так много внимания.

Циркуляция солнечного вещества в конвективной зоне, когда часть кинетической энергии превращается в энергию магнитных полей, а эти поля влияют на картину течений, порождает самовозбуждающиеся колебания. Такой тип колебаний называют автоколебаниями.
Они возникают спонтанно в системах самой разной природы, и мы будем говорить о них на страницах этой книги неоднократно. Широко известен период 11,07 года, однако основным периодом колебаний конвективной зоны является период 22,14 года. Он соответствует полному циклу изменения магнитного поля Солнца, когда в течение одного 11-летнего периода северный магнитный полюс совпадает с северным гелиографическим, а на протяжении следующего 11-летнего цикла на северном гелиографическом полюсе господствует южный магнитный полюс. Имеются косвенные данные, свидетельствующие о существовании таких колебаний многие десятки миллионов лет назад. Вполне вероятно, что они возникали в эпоху формирования самой солнечной системы. Вообще говоря, рассматриваемые колебания носят сложный характер. Имеются и другие периоды, накладывающиеся друг на друга и взаимодействующие друг с другом (более подробно об этом будет рассказано дальше). Наконец, следует упомянуть и о том, что на Солнце существуют колебания, охватывающие все Солнце, а не только его конвективную зону.
О них также пойдет речь ниже. Самое главное, о чем здесь было рассказано, отражено на схеме строения Солнца (рис.).

См. продолжение...