У природі електричне поле і магнітне відомі як дві складові електромагнітного поля. Обидві ці складові існують в природі як у природному стані, так і є результатом діяльності людини. Різниця між ними полягає в тому, що в більшості своїй природні поля постійні, тобто вони не змінюють полярність. На відміну від цього поля штучного походження змінні, так як вони генеруються змінним струмом.
У міжнародній практиці напруженість електричного поля позначається символом Е і вимірюється в вольтах на метр (В / м). Напруженість магнітного поля Н вимірюється в амперах на метр (А / м) або в величинах магнітної індукції В в теслах (Тл) або гаусах (гс).
Поняття про магнітосфері.
Величезний вплив на природу і людину робить магнітосфера - сама зовнішня і протяжна оболонка Землі. Це область навколоземного простору, фізичні властивості якої визначаються магнітним полем Землі і його взаємодією з потоками заряджених частинок.
Будова магнітосфери Землі приведено на рис. 1.
Мал. 1. Будова магнітосфери Землі
Земля постійно знаходиться в потоці корпускулярного випромінювання Сонця, так званого сонячного вітру, який утворюється завдяки безперервному розширенню (витіканню) плазми сонячної корони і складається з заряджених частинок (протонів, ядер та іонів гелію, а також більш важких позитивних іонів і електронів). Сонячна плазма несе із собою магнітне поле, напруженість якого в середньому дорівнює 4,8х10 -3 А / м (6х10 -5 е).
При зіткненні потоку сонячної плазми з перешкодою - магнітним полем Землі - утворюється поширювана назустріч потоку ударна хвиля (рис. 1), фронт якої з боку Сонця в середньому локалізований на відстані 13-14 радіусів Землі (83-89 тис. Км) від її центру . За фронтом ударної хвилі слід перехідна область товщиною -20 тис. Км, де магнітне поле сонячної плазми стає неупорядкованим, а рух її часток - хаотичним. Перехідна область примикає безпосередньо до магнітосфері Землі, межа якої - магнітопауза - проходить там, де динамічний тиск сонячного вітру врівноважується тиском магнітного поля Землі. Вона розташована з боку Сонця на відстані 12 земних радіусів (70-80 тис. Км) від центру Землі, її товщина -100 км. Напруженість магнітного поля Землі у магнітопаузи становить
8х10 -2 А / м (10 -3 е), тобто значно вище напруженості поля сонячної плазми на рівні орбіти Землі.
Потоки частинок сонячної плазми обтікають магнітосферу і різко спотворюють на значних відстанях від Землі структуру її магнітного поля.
Приблизно до відстані трьох земних радіусів (-20 тис. Км) від центру Землі магнітне поле ще досить близько до поля магнітного диполя (напруженість поля убуває з висотою
1 / R 3). Регулярність поля тут порушують лише магнітні аномалії (вплив аномалій позначається до висот
0,5 R над поверхнею Землі).
На відстанях, що перевищують
20 тис. Км, магнітне поле слабшає повільніше, ніж поле диполя, а його силові лінії з сонячної сторони кілька притиснуті до Землі. Лінії геомагнітного поля, що виходять з полярних областей Землі, відхиляються сонячним вітром на нічну сторону Землі. Там вони утворюють хвіст, або шлейф, магнітосфери протяжністю понад 5 млн км.
Зміни магнітного поля Землі.
Магнітне поле Землі схильне віковим змінам, які, мабуть, пов'язані з причинами, що лежать в надрах Землі. Однак існують зміни магнітного поля, що мають періодичний характер. Ці зміни обумовлені зовнішніми причинами і пов'язані з діяльністю Сонця.
Все геомагнітні коливання умовно поділяють на два класи: регулярні і нерегулярні.
Регулярні коливання характеризуються стійкістю і отримали позначення Р C. Цей клас коливань в свою чергу ділиться на п'ять підкласів.
Нерегулярні коливання Р I діляться на два підкласу. Для денних годин характерний стійкий тип коливань Р C. для нічних - нерегулярний тип Р I
Стійкі нерегулярні коливання, як вважають, пов'язані з сонячними, місячними і зоряними цілодобово. Так, плавну зміну магнітного поля в межах від декількох до десятків гам (1 гамма = 10 -5 гс = 1 нТл) пояснюють динамо-ефектом, що виникає при русі іонізованого речовини поперек силових ліній поля. Такого роду рухи можуть бути як приливної характеру (викликані силою тяжіння Місяця і Землі), так і обумовлені атмосферною циркуляцією, яка виникає при нагріванні атмосфери Сонцем.
Цікавим типом регулярних короткоперіодичних коливань є коливання типу «перлин», які пояснюються взаємодією заряджених частинок, що випускаються Сонцем, з електромагнітним полем в плазмі. Період повторення коливань типу «перлин» становить 1-4 хв. Амплітуда коливань -10-100 гам.
«Перлини» з періодом коливання 1> 2-3 з з'являються найчастіше на невеликих територіях, в той час як з періодом коливання 1 <2 с - глобально.
До нерегулярних коливань відносяться сплески коливань в нічний час, що отримали назву «цугов» (режим P I). Період таких коливань може змінюватися в інтервалі від 1 до 150 с.
У навколоземному космічному просторі і на поверхні Землі коливання геомагнітного поля відбуваються в широкому діапазоні частот (10 -5 -10 2 Гц) і амплітуд (10 -3 -10 -7 е). У спокійний час в низьких і середніх широтах спостерігаються періодичні сонячно-добові і місячно-добові магнітні варіації з амплітудами 30-70 гам і 1-5 гам відповідно.
Магнітні збурення, що охоплюють всю Землю і що продовжуються від одного до декількох днів, називаються світовими магнітними бурями, під час яких амплітуда окремих складових може перевершити 1000 гам.
Магнітні бурі, як правило, протікають в три фази. В першу фазу, яка триває кілька годин, відбувається зростання горизонтальної складової компоненти поля Н до декількох десятків і навіть сотень гам. Через приблизно годину починається спадання величини горизонтальної складової до напруженості на 100 гам нижче нормальної. Це друга фаза, яка триває приблизно 12 год.
Наступна, заключна фаза, під час якої напруженість досягає норми, триває кілька днів. Це, перш за все, відноситься до магнітних бурь, які спостерігалися поблизу полярних сяйв.
За інтенсивністю магнітні бурі умовно поділяють на дуже великі (понад 200-500 гам), великі (100-200 гам) і малі (50 гам).
Слабкі магнітні бурі мають 27-денну періодичність. Це дає підставу вважати, що на Сонці існують магнітоактивного області (М області); період появи їх дорівнює часу обороту Сонця навколо своєї осі (27 земних діб).
Магнітна буря - один із проявів сильних збурень магнітосфери, що виникають при зміні параметрів сонячного вітру, особливо швидкості його часток, і нормальної складової міжпланетного магнітного поля відносно площини екліптики.
Характер зміни напряжонності магнітного поля Землі в період виникнення магнітних бур
Мал. 2. Характер зміни напруженості магнітного поля Землі в період виникнення магнітних бур
Характер зміни напруженості магнітного поля Землі в період виникнення магнітних бур наведено на рис. 2.
Вплив геомагнітних полів на навколишнє середовище.
Вченими багатьох країн доведено, що геомагнітні поля впливають на навколишнє середовище і здоров'я людей.
По перше. при магнітних бурях спостерігається безпосереднє вторгнення в магнітосферу часток сонячного вітру, відбувається нагрівання і посилення іонізації верхніх шарів атмосфери, прискорення заряджених частинок, збільшення яскравості полярних сяйв, виникнення електромагнітних шумів, порушення радіозв'язку на коротких хвилях і т.д.
Геомагнітні варіації служать одним з джерел відомостей про верхні шари атмосфери. Магнітні збурення, пов'язані, наприклад, з магнітною бурею, настають на кілька годин раніше, ніж під її впливом відбуваються зміни в іоносфері, що порушують радіозв'язок.
Це дозволяє робити магнітні прогнози, необхідні для забезпечення безперебійного радіозв'язку (прогнози радіопогоди).
Сильні обурення магнітосфери супроводжуються появою у верхній атмосфері Землі полярних сяйв, іоносферних збурень, рентгенівського і низькочастотних випромінювань. Тому геомагнітні дані служать і для прогнозу радіаційної обстановки в навколоземному просторі при космічних польотах.
По-друге. геомагнітне поле (ГМП) впливає на живі організми, рослинний світ і на людину.
Достовірно встановлено, що фактор ризику для людей, схильних до серцево-судинних захворювань, відчуває варіації, пов'язані зі зміною сонячної активності.
Згідно відомої статистикою, фактор ризику мінімальний в роки мінімуму сонячної активності і досягає максимуму в періоди підйому і спаду сонячної активності.
Найбільш сильні магнітні бурі і магнітосферні обурення припадають на період зростання і спаду сонячної активності.
Проведені вітчизняними вченими дослідження показали, що під час магнітних бур у людей, які страждають, наприклад, гіпертонією, висока ймовірність розвитку криза. У ці ж періоди зростає ризик розвитку інфарктів міокарда (ІМ), а перебіг хвороби набагато важче, ніж у пацієнтів, у яких ІМ розвинувся у відносно спокійній геофізичної обстановки. Значною мірою магнітні бурі сприяють розвитку порушень мозкового кровообігу, збільшують наслідки захворювання. Смертність при серцево-судинної патології в перші 24 години після розвитку магнітної бурі досягає максимуму, що пояснюється своєрідною стресовій реакцією хворого організму на зміну магнітної обстановки, пов'язаної зі зміною сонячної активності.
Геомагнітне поле є важливим фактором, що впливає на такі фундаментальні властивості еволюційного розвитку всіх без винятку живих організмів, як спадковість і мінливість, відповідальні за рівень і хід мутагенезу в природі. Отже, ГМП - визначальний фактор в прояві самих основних властивостей живих організмів, і істотну роль в цьому відіграють молекули води.
Разом з тим слід зазначити, що сам глибинний механізм такої широкої і універсальної зв'язку живих організмів з ГМП поки точно невідомий.
Роль біомагнітних полів. Говорячи про зв'язок ГМП з гомеостазом біологічних об'єктів, слід враховувати власне магнітне поле живого організму, хоча про нього відомо дуже небагато. Мабуть, воно складається зі складного взаємодії власних магнітних полів на всіх рівнях організації живої матерії, починаючи з субатомного.
Величина перманентного магнітного поля серця становить від 1х10 -7 до1х10 -8 гс, а голови - близько 10 -9 гс. Вважається, що зазначені магнітні поля є похідними від іонних електричних струмів в головному мозку і відповідно в м'язових групах серця.
Сигнал магнітного поля серця і голови людини ідентифікований як істинний В-вектор, вироблений іонними струмами всередині відповідних частин тіла.
Для голови людини таким визначальним струмом є альфа-ритм, якому властиві електричні коливання в інтервалі від 8 до 12 Гц.
Встановлено і вплив на живі організми магнітних полів широкого діапазону частот від 7-12 Гц до 0,029-0,031 Гц.
Перший інтервал відповідає частоті електричної активності альфа-ритму, а другий - надповільним коливань потенціалів головного мозку. Зв'язок живих організмів з локальними і глобальними природними елект річеская і магнітними полями підлягає вивченню нової дисципліною - електромагнітної екологією.
Штучні магнітні та електричні поля і їх вплив на природу і людину.
Магнітні й електромагнітні поля, тобто електромагнітне випромінювання, присутні скрізь. Однак напруженість їх різноманітна і залежить від джерела випромінювання. Постійні магнітні поля створюються за допомогою постійних магнітів і електромагнітів, що живляться від джерел постійного струму.
Змінні магнітні поля створюються спеціальними генераторами та іншими електротехнічними і радіоелектронними пристроями.
Наприклад, поля низької частоти 50-60 Гц генеруються мережами і споживачами змінного струму. У деяких країнах джерелами електромагнітного випромінювання низької частоти є силові мережі залізниць з частотою 16 і 2/3 Гц.
Крім змінних полів, створюваних мережами харчування, електричні пристрої генерують інші частоти в залежності від їх функцій. Джерелами електромагнітних випромінювань є зв'язок і радіомовлення (телебачення, мобільні радіосистеми, телекомунікації, радіомережі, системи зв'язку пожежних служб і поліції, військові системи зв'язку, радіолюбительські передавачі, супутникові системи зв'язку, радари ППО і т.п.). Джерелами сильного магнітного поля є промислове та наукове обладнання, що використовується, наприклад, при вторинної плавці алюмінію, електрохімічної і електроерозійної обробці металів; мікрохвильові і плавильні печі, електричні системи, прискорювачі часток, зварювальні агрегати та ін. Джерелами сильного магнітного поля в медицині є обладнання, яке використовується при плазмовому нагріванні, томографії, гіпетерміі і діатермії, в електрохірургії і т.п.
Вплив магнітного поля на живі організми.
Магнітні поля надають всебічне вплив наоківие організми. Механізм цього впливу дуже різноманітний і залежить від багатьох факторів, що може використовуватися в різних практичних цілях.
Магнітні поля є різновидом фізичної матерії, що здійснює зв'язок і взаємодія між електрично зарядженими частинками.
Відомо, що тканини організму діамагнітни, тобто під впливом магнітного поля НЕ намагнічуються, проте багатьом складовим елементам тканин (наприклад, воді, формених елементів крові) можуть в магнітному полі повідомлятися магнітні властивості.
Фізична сутність дії магнітного поля на організм людини полягає в тому, що воно впливає на рухомі в тілі електрично заряджені частинки, впливаючи, таким чином, на фізико-хімічні та біохімічні процеси. Основою біологічної дії МП вважають наведення ЕРС в струмі крові і лімфи.
Згідно із законом магнітної індукції в цих середовищах, як в хороших рухомих провідниках, виникають слабкі струми, які змінюють перебіг обмінних процесів. Крім того, припускають, що магнітні поля впливають на рідкокристалічні структури води, білків, поліпептидів і інших з'єднань.
Квант енергії магнітних полів впливає на електричні та магнітні взаємозв'язку клітинних і внутрішньоклітинних структур, змінюючи метаболічні процеси в клітині і проникність клітинних мембран.
Тепловий вплив, викликане поглинанням ВЧ випромінювання.
Глибина проникнення ВЧ випромінювання в організм людини залежить від таких факторів, як розмір тіла і склад води в організмі людини. Особливо критична частота від 50 до 500 МГц. При підвищенні частоти знижується глибина проникнення. Цей ефект добре відомий і широко застосовується в медицині.
При наявності неконтрольованого випромінювання небезпека полягає в тому, що механізми регулювання температури не реагують на пов'язані з цим ефекти підігріву. Наші температурні датчики розташовані в шкірі, де склад води нижче. Ці датчики не здатні засікти підігрів в тілі, і тому потові гланди (залози) не включаються в роботу. Отже, температура тіла піднімається локально або глобально. Ця небезпека визнана всіма і тому запропоновані обмеження.
Нетеплові ефекти ВЧ випромінювання.
При модульованому ВЧ випромінюванні виникають нетеплові ефекти на клітинному рівні. Це призводить до ослаблення імунної системи, порушення балансу гормонів і навіть чинить психологічний вплив. Виявлено, наприклад, біологічна дія змінних електромагнітних полів в діапазоні 0,2-100 кГц через зміну клітинної проникності біологічних мембран.
Вплив електромагнітного випромінювання на життєво важливі об'єкти.
В останні роки став відомий термін «електромагнітний тероризм», що виник через те, що в світі, в тому числі і в Росії, з'явилися «фахівці», що створюють і використовують пристрої, що генерують електромагнітне випромінювання в широкому діапазоні частот і потужностей, тобто створюють організовану перешкоду. Таке організоване електромагнітне випромінювання робить сильний «паразитне» вплив на навігаційну апаратуру аеропортів; засоби спеціального зв'язку міліції, швидкої допомоги, пожежних служб; обчислювальні комплекси важливого призначення і т.д.
У зв'язку з цим виникає необхідність створення і впровадження спеціальної високочутливої апаратури для виявлення джерел магнітного і електромагнітного випромінювання з метою локалізації їх діяльності. На відміну від смогу, який ми бачимо і відчуваємо, людина не може безпосередньо відчувати електромагнітні поля. Тому необхідно озброїти населення відповідною апаратурою і портативними приладами, в тому числі і індивідуального користування.