Экология. Рациональное природопользование и безопасность жизнедеятельности. Часть 1
По замыслу исследователей, два источника
микроволнового излучения устанавливаются на Земле на некото-
ром расстоянии друг от друга, посылаемые ими импульсы взаимо-
действуют в атмосфере. Энергия взаимодействия создает плазму, а
поворачивая излучатели каждый раз под разным углом, можно ох-
ватывать огромную область. Пока еще не разработана технологи-
ческая схема применения этого метода; возможно, эффективнее
устанавливать источники микроволнового излучения не на Земле,
а на искусственных спутниках и действительно штопать «озоно-
вую дыру».
Расчеты показали, что Солнце производит в одну секунду 5—
6 тонн озона, однако процесс его разрушения идет быстрее. Ока-
зывается, озон в стратосфере можно получать искусственно. Идея
(НПО «Энергия») заключается в оптической «раскачке» молекул
кислорода в полосе его поглощения лазерными импульсами на
высоте 20—25 км. При такой обработке значительно ослабляются
молекулярные связи, и дальше с помощью Солнца процесс выра-
ботки озона идет естественным путем. Этот метод привлекает сво-
ей многогранностью, поскольку, варьируя интенсивность и часто-
ту импульсов, можно одновременно разрушить вредные компо-
ненты, например окись хлора (СЮ). Это особенно важно, так как
С1О участвует в каталитических реакциях, разрушающих озон [см.
Уравнения A.7)]. Оптические (лазерные) исследования состава ат-
мосферы наиболее перспективны, поскольку позволяют не только
п°нять, но и прогнозировать происходящие в ней процессы, и не
°лько в плане озона, но и глобального загрязнения атмосферы.
23
§ 1.4. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Одним из основных факторов, постоянно действующих на че-
ловека и другие живые организмы, являются физические поля
околоземного пространства (электромагнитные излучения, стати-
ческие электрические и магнитные поля, ионизирующая радиа-
ция, акустические излучения, вибрация и др.). Все составляющие
естественного фона взаимосвязаны и взаимозависимы, поскольку
имеют общий источник.
Этим источником является Солнце, играющее определяющую
роль в поддержании жизни на Земле. Энергия Солнца возникает
вследствие термоядерной реакции, протекающей в его ядре. Воз-
можность протекания такой реакции обеспечивается чрезвычайно
высокими давлением (примерно 250 млрд атм) и температурой
-1,5 ¦ 108 К, возникающими вследствие собственной гравитации
из-за гигантской массы Солнца, примерно равной 2 • 1030 кг, что
составляет 99,87 % всей массы Солнечной системы. Плотность ве-
щества в его ядре достигает примерно 160 г/см3.
Энергия, выделяющаяся при термоядерном синтезе легких
ядер водорода в ядра гелия, идет на поддержание температуры в
ядре Солнца и на коротковолновое электромагнитное излучение.
Солнце теряет часть своей массы за счет излучения \\т- —
I с2
Квант энергии излучения можно рассматривать как частицу с ну-
левой массой покоя и скоростью распространения, равной скоро-
сти света. При массе атома ~ 10~24 г он теряет при излучении свето-
вого кванта ничтожную долю своей массы. Полная масса, теряе-
мая Солнцем в виде излучения за миллион лет, равна примерно
1,4 • 1025 г, что составляет ~ 10~5 % современной массы Солнца, то
есть солнечное излучение будет еще долго являться источником
энергии жизни.
Получаемая Землей энергия Солнца является фактором ста-
ционарности естественного теплового баланса нашей планеты.
Однако если солнечные вспышки не оказывают ощутимого влия-
ния на энергетический баланс Земли, то они могут существенно
влиять на многие биохимические и биофизические процессы.
Солнечно-земные связи настолько переплетены, что невозможно
разграничить условия существования и развития биосферы без
влияния солнечного излучения. В частности, Солнце является не
только источником электромагнитного излучения (ЭМИ), но и
других видов энергий, таких, как энергия органического топлива
24 . ¦¦¦.¦¦¦¦¦ \'. ¦¦. ¦ \'
Рис. 1.6. Схематическое строение магнитосферы в плоскости, проходящей
через магнитные полюсы Земли и линию Солнце — Земля:
1 — ядро Земли; 2 — магнитоактивный слой земной коры; 3 — ионосфера; 4— плазменный
слой; 5—кольцевой ток; 6— переходный слой; 7—полярная шапка; 8—плазмосфера;
у _ фронт ударной волны; 10 — переходный слой; 11 — граница магнитосферы (магнитопау-
за); 12 — солнечный ветер; 13 — хвост. Области токов заштрихованы
(уголь, нефть, торф, природный газ), механическая энергия ветра,
морского прибоя и др.; причем 95 % солнечного излучения прихо-
дится на спектральный диапазон 0,28—2,5 мкм, то есть на УФ-, ви-
димый и ИК-диапазоны.
В общем случае все виды ЭМИ имеют либо природный, либо
техногенный характер. В зависимости от биологических эффектов
необходимо подробнее рассматривать конкретный вид ЭМИ.
Среди природных источников ЭМИ отметим: поле Земли,
электромагнитные волны, генерируемые космическими источни-
ками, и биообъекты, причем вся совокупность процессов зависит
от солнечной активности.
Под солнечной активностью понимают явления, протекающие
на видимой поверхности Солнца (фотосферы) до уровня в не-
сколько тысяч километров (хромосферы). Далее распространяется
корона, которая неустойчива, постоянно расширяется, простира-
ясь в виде так называемого солнечного ветра далеко за пределы
земной орбиты.
Собственное магнитное поле Земли служит препятствием для
солнечного ветра, а результатом взаимного действия является воз-
никновение магнитосферы, показанной на рис. 1.6. Собственное
геомагнитное поле (ГМП) Земли создает для себя «экологическую
нищу»^ свойства которой определяют все последующие условия
жизнедеятельности на Земле.
Земная магнитосфера (с магнитосферным шлейфом и плазмо-
сФерой) под воздействием солнечного ветра становится источни-
ком ЭМИ низкой и инфранизкой частот (НЧ и ИНЧ).
25
Колебания ЙНЧ возникают при малейших микропульсациях,
коррелирующих с солнечной активностью. В целом возникающая
переменная ГМП создается наведенными электрическими токами
в магнитосфере и ионосфере в диапазоне частот 10~5—103 Гц. Со-
путствующая естественная напряженность электрического поля
Земли колеблется в пределах 101—104 В/м в зависимости от атмо-
сферных условий.
Регистрируемое ГМП Земли слагается из двух частей различ-
ной природы: очень медленно меняющейся (почти постоянной в
нашем понимании) во времени, источники которой располагают-
ся внутри Земли, и переменной, генерируемой электрическими
токами ионосферы и магнитосферы. Напряженность переменной
части ГМП составляет не более 2 % от части ГМП внутреннего
происхождения.
Наибольшие временные изменения ГМП соответствуют маг-
нитной буре. Существующие каталоги магнитных бурь несовер-
шенны, поскольку имеется очень много субъективных факторов,
которые в конкретных условиях учесть невозможно, и в результате
картина электромагнитной обстановки сильно искажается.
Обобщенные экспериментальные данные для ИНЧ-диапазона
на основе статистической обработки результатов даны в табл. 1.3.
Из всех типов вариаций наибольшие временные изменения ГМП
достигаются бухтообразными, иррегулярными и короткопериод-
ными вариациями. Периоды этих вариаций заключены в интерва-
ле от 0,2 с до 3 ч (частотный диапазон от 5 до 2,8 • 10~4 Гц). Именно
эти вариации всегда связаны с протеканием магнитной бури.
Таблица 1.3
Геомагнитные
Тип вариаций
Медленные
Вековые
Циклические
Периодические (спокойные)
Годовые
Лунносуточные
Солнечносуточные
Возмущенные
Апериодические
Главная фаза
вариации на
Обозначение
V
С
Y
L
А,
поверхности Земли
Период колебаний
Десятки и сот-
ни лет
Плет
1 год
24 ч 50 мин
24 ч
10-200 ч
3-10 ч
Амплитуда В, нТл
10-150
1-20
5-30
1-7
10-70
10-400
10-400
26
Продолжение табл. 1.3
Тип вариаций
Начало фазы восстановле-
ния
фаза восстановления
Солнечносуточные
Бухтообразные
Иррегулярные
Хороткопериодичные
Устойчивые
0
Иррегулярные
Обозначение
sa
В
I
Pel
Рс 2
Рс 3
Рс 4
Рс 5
Рс 6
Pi 1
Pi 2
Pi 3
Pi 4
Период колебаний
6-12 ч
1—7 сут
24 ч
0,5-3 ч
5—60 мин
0,2-5 с
5-10 с
10-45 с
45-150 с
150-600 с
>600 с
1—40 с
40-150 с
150-400 с
400-600 с
Амплитуда В, нТл
10-400
10-100
10-400
30-1000
10-3000
0,01-1
0,1-10
0,4-20
0,5-25
0,5-40
1-100
0,03-2
1-20
5-100
10-300
Однако изменения ГМП в диапазоне от 0,2 с до 3 ч происходят
и при относительно спокойных геомагнитных условиях, поэтому
более корректно изучать связь биологических процессов не с маг-
нитными бурями, а с отдельными частотными диапазонами ГМП.
микроволнового излучения устанавливаются на Земле на некото-
ром расстоянии друг от друга, посылаемые ими импульсы взаимо-
действуют в атмосфере. Энергия взаимодействия создает плазму, а
поворачивая излучатели каждый раз под разным углом, можно ох-
ватывать огромную область. Пока еще не разработана технологи-
ческая схема применения этого метода; возможно, эффективнее
устанавливать источники микроволнового излучения не на Земле,
а на искусственных спутниках и действительно штопать «озоно-
вую дыру».
Расчеты показали, что Солнце производит в одну секунду 5—
6 тонн озона, однако процесс его разрушения идет быстрее. Ока-
зывается, озон в стратосфере можно получать искусственно. Идея
(НПО «Энергия») заключается в оптической «раскачке» молекул
кислорода в полосе его поглощения лазерными импульсами на
высоте 20—25 км. При такой обработке значительно ослабляются
молекулярные связи, и дальше с помощью Солнца процесс выра-
ботки озона идет естественным путем. Этот метод привлекает сво-
ей многогранностью, поскольку, варьируя интенсивность и часто-
ту импульсов, можно одновременно разрушить вредные компо-
ненты, например окись хлора (СЮ). Это особенно важно, так как
С1О участвует в каталитических реакциях, разрушающих озон [см.
Уравнения A.7)]. Оптические (лазерные) исследования состава ат-
мосферы наиболее перспективны, поскольку позволяют не только
п°нять, но и прогнозировать происходящие в ней процессы, и не
°лько в плане озона, но и глобального загрязнения атмосферы.
23
§ 1.4. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТЬ
Одним из основных факторов, постоянно действующих на че-
ловека и другие живые организмы, являются физические поля
околоземного пространства (электромагнитные излучения, стати-
ческие электрические и магнитные поля, ионизирующая радиа-
ция, акустические излучения, вибрация и др.). Все составляющие
естественного фона взаимосвязаны и взаимозависимы, поскольку
имеют общий источник.
Этим источником является Солнце, играющее определяющую
роль в поддержании жизни на Земле. Энергия Солнца возникает
вследствие термоядерной реакции, протекающей в его ядре. Воз-
можность протекания такой реакции обеспечивается чрезвычайно
высокими давлением (примерно 250 млрд атм) и температурой
-1,5 ¦ 108 К, возникающими вследствие собственной гравитации
из-за гигантской массы Солнца, примерно равной 2 • 1030 кг, что
составляет 99,87 % всей массы Солнечной системы. Плотность ве-
щества в его ядре достигает примерно 160 г/см3.
Энергия, выделяющаяся при термоядерном синтезе легких
ядер водорода в ядра гелия, идет на поддержание температуры в
ядре Солнца и на коротковолновое электромагнитное излучение.
Солнце теряет часть своей массы за счет излучения \\т- —
I с2
Квант энергии излучения можно рассматривать как частицу с ну-
левой массой покоя и скоростью распространения, равной скоро-
сти света. При массе атома ~ 10~24 г он теряет при излучении свето-
вого кванта ничтожную долю своей массы. Полная масса, теряе-
мая Солнцем в виде излучения за миллион лет, равна примерно
1,4 • 1025 г, что составляет ~ 10~5 % современной массы Солнца, то
есть солнечное излучение будет еще долго являться источником
энергии жизни.
Получаемая Землей энергия Солнца является фактором ста-
ционарности естественного теплового баланса нашей планеты.
Однако если солнечные вспышки не оказывают ощутимого влия-
ния на энергетический баланс Земли, то они могут существенно
влиять на многие биохимические и биофизические процессы.
Солнечно-земные связи настолько переплетены, что невозможно
разграничить условия существования и развития биосферы без
влияния солнечного излучения. В частности, Солнце является не
только источником электромагнитного излучения (ЭМИ), но и
других видов энергий, таких, как энергия органического топлива
24 . ¦¦¦.¦¦¦¦¦ \'. ¦¦. ¦ \'
Рис. 1.6. Схематическое строение магнитосферы в плоскости, проходящей
через магнитные полюсы Земли и линию Солнце — Земля:
1 — ядро Земли; 2 — магнитоактивный слой земной коры; 3 — ионосфера; 4— плазменный
слой; 5—кольцевой ток; 6— переходный слой; 7—полярная шапка; 8—плазмосфера;
у _ фронт ударной волны; 10 — переходный слой; 11 — граница магнитосферы (магнитопау-
за); 12 — солнечный ветер; 13 — хвост. Области токов заштрихованы
(уголь, нефть, торф, природный газ), механическая энергия ветра,
морского прибоя и др.; причем 95 % солнечного излучения прихо-
дится на спектральный диапазон 0,28—2,5 мкм, то есть на УФ-, ви-
димый и ИК-диапазоны.
В общем случае все виды ЭМИ имеют либо природный, либо
техногенный характер. В зависимости от биологических эффектов
необходимо подробнее рассматривать конкретный вид ЭМИ.
Среди природных источников ЭМИ отметим: поле Земли,
электромагнитные волны, генерируемые космическими источни-
ками, и биообъекты, причем вся совокупность процессов зависит
от солнечной активности.
Под солнечной активностью понимают явления, протекающие
на видимой поверхности Солнца (фотосферы) до уровня в не-
сколько тысяч километров (хромосферы). Далее распространяется
корона, которая неустойчива, постоянно расширяется, простира-
ясь в виде так называемого солнечного ветра далеко за пределы
земной орбиты.
Собственное магнитное поле Земли служит препятствием для
солнечного ветра, а результатом взаимного действия является воз-
никновение магнитосферы, показанной на рис. 1.6. Собственное
геомагнитное поле (ГМП) Земли создает для себя «экологическую
нищу»^ свойства которой определяют все последующие условия
жизнедеятельности на Земле.
Земная магнитосфера (с магнитосферным шлейфом и плазмо-
сФерой) под воздействием солнечного ветра становится источни-
ком ЭМИ низкой и инфранизкой частот (НЧ и ИНЧ).
25
Колебания ЙНЧ возникают при малейших микропульсациях,
коррелирующих с солнечной активностью. В целом возникающая
переменная ГМП создается наведенными электрическими токами
в магнитосфере и ионосфере в диапазоне частот 10~5—103 Гц. Со-
путствующая естественная напряженность электрического поля
Земли колеблется в пределах 101—104 В/м в зависимости от атмо-
сферных условий.
Регистрируемое ГМП Земли слагается из двух частей различ-
ной природы: очень медленно меняющейся (почти постоянной в
нашем понимании) во времени, источники которой располагают-
ся внутри Земли, и переменной, генерируемой электрическими
токами ионосферы и магнитосферы. Напряженность переменной
части ГМП составляет не более 2 % от части ГМП внутреннего
происхождения.
Наибольшие временные изменения ГМП соответствуют маг-
нитной буре. Существующие каталоги магнитных бурь несовер-
шенны, поскольку имеется очень много субъективных факторов,
которые в конкретных условиях учесть невозможно, и в результате
картина электромагнитной обстановки сильно искажается.
Обобщенные экспериментальные данные для ИНЧ-диапазона
на основе статистической обработки результатов даны в табл. 1.3.
Из всех типов вариаций наибольшие временные изменения ГМП
достигаются бухтообразными, иррегулярными и короткопериод-
ными вариациями. Периоды этих вариаций заключены в интерва-
ле от 0,2 с до 3 ч (частотный диапазон от 5 до 2,8 • 10~4 Гц). Именно
эти вариации всегда связаны с протеканием магнитной бури.
Таблица 1.3
Геомагнитные
Тип вариаций
Медленные
Вековые
Циклические
Периодические (спокойные)
Годовые
Лунносуточные
Солнечносуточные
Возмущенные
Апериодические
Главная фаза
вариации на
Обозначение
V
С
Y
L
А,
поверхности Земли
Период колебаний
Десятки и сот-
ни лет
Плет
1 год
24 ч 50 мин
24 ч
10-200 ч
3-10 ч
Амплитуда В, нТл
10-150
1-20
5-30
1-7
10-70
10-400
10-400
26
Продолжение табл. 1.3
Тип вариаций
Начало фазы восстановле-
ния
фаза восстановления
Солнечносуточные
Бухтообразные
Иррегулярные
Хороткопериодичные
Устойчивые
0
Иррегулярные
Обозначение
sa
В
I
Pel
Рс 2
Рс 3
Рс 4
Рс 5
Рс 6
Pi 1
Pi 2
Pi 3
Pi 4
Период колебаний
6-12 ч
1—7 сут
24 ч
0,5-3 ч
5—60 мин
0,2-5 с
5-10 с
10-45 с
45-150 с
150-600 с
>600 с
1—40 с
40-150 с
150-400 с
400-600 с
Амплитуда В, нТл
10-400
10-100
10-400
30-1000
10-3000
0,01-1
0,1-10
0,4-20
0,5-25
0,5-40
1-100
0,03-2
1-20
5-100
10-300
Однако изменения ГМП в диапазоне от 0,2 с до 3 ч происходят
и при относительно спокойных геомагнитных условиях, поэтому
более корректно изучать связь биологических процессов не с маг-
нитными бурями, а с отдельными частотными диапазонами ГМП.
