ЗЕМНЫЕ ПРИЧИНЫ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНОЙ И КОСМИЧЕСКОИЙ ПОГОДЫ
Сейсмические процессы сопровождаются генерацией квазистатических электрических и магнитных полей, электромагнитного излучения, выходом газов (в том числе и радиоактивного радона), нагревом приземной атмосферы, генерацией инфразвука и низкочастотных волн плотности атмосферы, называемых внутренними гравитационными волнами. Взаимодействие подсистем и основные процессы при этом изображены на рис.3.
Энергетические характеристики полей сейсмического происхождения приведены в табл. 6. Видно, что эти поля обладают значительной энергетикой, они способны влиять на вариации атмосферной и космической погоды.
Вариации атмосферной и космической погоды возникают в результате мощных потоков водяных паров от Мирового океана (особенно в приэкваториальных широтах), их конденсации, выделения латентного (скрытого) тепла, зарождения и усиления мощных самоорганизованных структур — атмосферных вихрей (типа тайфуна, тропического циклона), генерации инфразвука, внутренних гравитационных волн, квазистатических электрических и магнитных полей и электромагнитного излучения. Основные процессы в подсистемах и их взаимодействие представлено на рис.4.
Параметры инфразвука, вызванного океаническим волнением, приведены в табл. 7. Оказывается, что значения частоты близки к одной из собственных частот сердца человека (см. далее табл. 11).
Значительные вариации атмосферной погоды и, в меньшей степени, вариации космической погоды вызываются извержениями вулканов.
Вулканическая активность сопровождается следующими эффектами:
— взрывоподобное выделение энергии, генерация акустикогравитационных волн, возникновение вариаций геомагнитного и геоэлектрического полей, изменение параметров глобальной электрической цепи;
— генерация сейсмических волн;
— выбросы аэрозолей (пылинок, чаще всего заряженных) в тропосферу и стратосферу;
— распространение акустико-гравитационных волн в верхнюю атмосферу, их поглощение, нагрев и турбулизация верхней атмосферы;
— изменение проводимости ионосферы и структуры электрических токов в системе Земля — атмосфера — ионосфера — магнитосфера.
— генерация крупномасштабной и мелкомасштабной плазменной турбулентности;
— возникновение плазменных эффектов в ионосфере и магнитосфере.
Большое значение имеют вторичные эффекты (вариации свечения атмосферы, высыпания частиц, аномалии в распространении радиоволн, генерация электромагнитных шумов и др.).
Особое место занимают триггерные эффекты (изменение прозрачности атмосферы, охлаждение земной поверхности, изменение параметров динамических процессов в атмосфере и др.). В этом случае энергия вторичных процессов значительно (на пять-шесть порядков) превышает энергию первичных процессов. В частности, может возникнуть эффект «вулканической зимы».
АНТРОПОГЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНОЙ И КОСМИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ
Существует целый ряд мощных источников антропогенного происхождения, способных влиять на вариации атмосферной погоды и даже на вариации космической погоды. К ним относятся:
— старты и полеты ракет;
— мощные промышленные взрывы;
— взрывные работы на горно-обогатительных комбинатах;
— военные действия; — крупные аварии на военных базах и складах;
— крупные аварии на энергоемких производствах, при транспортировке энергоносителей и т.п.
Приведем несколько примеров крупных аварий на военных базах, имевших место в последние годы в Украине. Для сравнения укажем, что все жители нашей страны потребляют мощность около 50 ГВт и энергию около 4 ПДж за сутки.
1. 10-11 октября 2003 г. Авария вблизи г. Артемовска. Общая масса боеприпасов — 3.17 килотонн (масса прореагировавших боеприпасов — 1.7 килотонн), энергосодержание — 15.2 тераджоулей (энергосодержание прореагировавших боеприпасов — 8.4 тераджоулей), энергия акустического излучения — порядка единиц тераджоулей, средняя мощность — порядка 100 мегаватт.
2. 6-15 мая 2004 г. Авария вблизи г. Мелитополя. Масса боеприпасов — 91 килотонн (масса прореагировавших боеприпасов — 18 килотонн), энергосодержание — 90 тераджоулей (энергосодержание прореагировавших боеприпасов — 20 тераджоулей), энергия акустического излучения — порядка 10 тераджоулей, средняя мощность — порядка 100 мегаватт.
3. 27-31 августа 2008 г. Авария вблизи г. Лозовая. Масса боеприпасов — около 100 килотонн, энергосодержание — около 100 тераджоулей, энергия акустического излучения — порядка 10 тераджоулей, средняя мощность — порядка 100 мегаватт.
В качестве примеров крупных аварий на энергоемких производствах и при транспортировке энергоносителей приведем следующие.
1. 2004 г. Авария на газопроводе Уренгой — Помары — Ужгород на участке между компрессорными станциями №36 и №37.
2. 7 мая 2007 г. Авария на газопроводе Уренгой — Помары — Ужгород вблизи с. Лука Таращанского района Киевской области.
3. 6 декабря 2007 г. Авария на газопроводе Уренгой — Помары — Ужгород на участке между компрессорными станциями №36 и №37. Масса прореагировавшего вещества — 2.6 килотонн, энерговыделение — 130 тераджоулей, максимальная мощность горения — около 1 тераватта, энергия акустического излучения — около 1 гигаджоуля, энергия сейсмической волны — около 1 мегаджоуля.
Одним из важнейших факторов влияния вытекания газа при авариях на газопроводах, а также подземных хранилищах газа является генерация мощного инфразвукового излучения в полосах частот, соответствующих основным ритмам мозга человека (табл. 8). Из табл. 8 видно, что в зависимости от площади отверстия, через которое происходит утечка газа, мощность акустического излучения изменяется от единиц киловатт до единиц гигаватт. Следует ожидать исключительно сильного влияния этого излучения на мозг и психику человека.
Эффекты региональных неядерных войн на примере военных действий в феврале-марте 2003 г. в Ираке детально проанализированы в работе автора.
Схема взаимодействия подсистем в результате антропогенного воздействия приведена на рис. 5. Видно, что энерговыделение на поверхности Земли и в приземной атмосфере может приводить к определенным процессам в верхней атмосфере, ионосфере и даже магнитосфере, а значит давать свой вклад в вариации атмосферной и космической погоды.
ВЛИЯНИЕ НА БИОСФЕРУ
Биосфера (человек, человечество) входят в качестве подсистемы в систему Солнце — МСМИА — Земля — биосфера, которая, как уже отмечалось, является открытой динамической и нелинейной. Этой системе свойственны сложность и способность к самоорганизации, в ней следует ожидать синергетического воздействия на подсистемы.
В свою очередь, человек представляет собой открытую динамическую нелинейную биофизическую и биохимическую систему. Вблизи метастабильных (малоустойчивых) состояний эта система очень чутко реагирует на внешние весьма слабые апериодические, квазипериодические и особенно хаотические возмущения. При этом в системе конкурируют квазидетерминированные и хаотические процессы.
К уровням организации живой материи, на которых осуществляется воздействие вариаций атмосферной и космической погоды, отнесем следующие:
— клеточный;
— органный;
— организменный;
— популяционно-видовой (социальный);
— синергетический.
Основными каналами воздействия вариаций атмосферной и космической погоды на биосферу (человека) являются: — возмущения электрического поля; — возмущения магнитного поля; — возмущения барического поля; — синергетическое воздействие. Основные параметры физических полей перечислены в табл. 9. Видно, что относительные возмущения могут быть значительными.
Кроме апериодических возмущений, на человека действуют периодические возмущения (пульсации). Их основные параметры приведены в табл. 10. Из сравнения табл. 9 и 10 видно, что амплитуда пульсаций значительно меньше величины апериодических возмущений. В то же время скорость изменения относительных изменений физических полей в 10…104 раз больше для пульсаций. По этой причине воздействие пульсаций на организм человека может быть намного сильнее. Особенно значительна роль тех пульсаций, частота которых близка к собственной частоте органов человека (табл. 11).
Установлено, что вариации атмосферной и космической погоды воздействуют прежде всего на сердечно-сосудистую систему человека и механизмы ее регуляции. Воздействие осуществляется на всех уровнях организации живой материи (человека). Каналы воздействия поняты не до конца. Существуют представления о том, что сердце — это не только механический насос, но и электромагнитный генератор. Он заставляет двигаться вместе с кровью волны плотности электрического заряда, которые связаны с распространением электромагнитных волн внутри биообъекта. Тогда наличие чувствительности биообъектов к внешним электромагнитным полям можно объяснить взаимодействием указанного внутреннего электромагнитного поля с этими полями.
Следует также иметь в виду, что в крови человека содержатся магнитные диполи (молекулы кислорода и ионы железа), чутко реагирующие на изменения магнитного поля. Сверхслабые магнитные поля влияют на ядра атомов, точнее на их спины, то есть собственные моменты количества движения элементарных частиц.
На вариации электрического поля реагируют ионы, содержащиеся в жидкостях человека. Хорошо известно, что человек примерно на 70% состоит из воды, в которой растворены различные соли. При определенных условиях соли диссоциируют (распадаются) на ионы.
Влияние на операторов и водителей. Важность влияния вариаций атмосферно-космической погоды на операторов сложных систем (АЭС, электростанций, мощных энергосистем и т. п.), космонавтов, летчиков, машинистов, водителей и др. трудно переоценить. От их скорости и точности реагирования на быстро изменяющуюся обстановку зависит жизнь очень многих людей.
Впервые влияние солнечных (точнее, геокосмических) бурь на частоту дорожно-транспортных происшествий (ДТП) проанализировал врач Р. Рейтер (Мюнхен, Германия) в начале 1950-х гг. Анализ 150 тыс. ДТП показал, что в дни бурь число аварий в г. Мюнхене резко возрастало. Он объяснил это снижением в 4 раза скорости реакции водителей.
Проведенные в 1958…1964 гг. аналогичные исследования в г. Томске (Россия) показали, что в дни бурь число ДТП возрастало в 4 раза по сравнению с магнитоспокойными днями.
Подобные исследования неоднократно проводились и позже в ряде стран. В ходе этих исследований установлено, что в периоды геокосмических бурь количество жертв ДТП увеличивалось на 10…20%. Только в Украине в ДТП ежегодно гибнет 10 тыс. человек, а в мире — до 1 млн человек. Из них около 10…20% жертв обусловлено влиянием геокосмических бурь.
Влияние на космонавтов. Космонавты, пожалуй, сильнее всего подвержены влиянию геокосмических бурь и вариаций космической погоды. Потому, что они практически беззащитны перед вредным влиянием космоса.
Детальные исследования влияния геокосмических (точнее, магнитных) бурь на состояние космонавтов проведено по инициативе гелиобиолога Т.К. Бреус (г. Москва, Россия). Ее группой установлено, что у космонавтов в период бурь возникают существенные сдвиги в вариабельности сердечного ритма, что отражает изменение автономной регуляции сердечной деятельности.
Исследования Т.К. Бреус и ее соавторов показали, что в начале длительного полета под действием бурь у космонавтов возникает неспецифическая стресс-реакция, увеличивается частота пульса, дестабилизируется дыхательная функция, увеличивается число аритмических сокращений сердца и т. п.
В конце полугодового пребывания на космическом корабле у космонавтов в период бурь наблюдалась дестабилизация состояния функционального напряжения.
Таким образом, геокосмические бури больше всего воздействуют на сердечно-сосудистую систему и механизмы ее регуляции, как космонавтов, так и жителей Земли. Естественно, что на космонавтов в полете дополнительно воздействуют вредные излучения, потоки частиц и поля.
ВЛИЯНИЕ НА ТЕХНОСФЕРУ
Влияние на энергосистемы. Вариации геомагнитного поля, сопровождающие изменения космической погоды, генерируют вторичные электрические токи в проводящей оболочке Земли — литосфере, а также в искусственных проводниках. К ним относятся линии электропередач, телекоммуникационные кабели, трубопроводы, рельсы железных дорог и т. п. Все эти проводники обладают двумя общими свойствами — большой длиной и низким сопротивлением. И хотя наводимая в проводниках удельная разность потенциалов относительно невелика (3…5 В/ км), из-за большой длины проводника (сотни тысяч километров) возникают большие перепады напряжения (1…10 кВ). При сопротивлении, например, в 100 Ом дополнительная сила тока в искусственном проводнике достигает значений около 10…100 А. Особенно чувствительны к перегрузкам трансформаторы, электрические подстанции и т. п.
Описанные эффекты наиболее сильно сказываются в высоких широтах, но существенны в средних и низких широтах. Например, максимальное значение удельной разности потенциалов было зарегистрировано в Норвегии в 1940 г., где оно достигло значения 50 В/км.
Появление дополнительных токов во время сильнейших геокосмических бурь и привело к авариям, которые были описаны выше.
Влияние на автоматику и телемеханику. Человек все больше функций доверяет автоматам, которые представляют собой, как правило, электронные приборы. Обычно электронные автоматы являются низковольтными и низкоамперными, т. е. рассчитаны на относительно низкие напряжения и токи. Резкие вариации космической погоды во время сильных геокосмических бурь приводят к выходу из строя таких автоматов.
>
Рядом авторов проведены статистические исследования влияния вариаций космической погоды на функционирование систем автоматики и телемеханики на железных дорогах, в том числе и в средних широтах. Например, на Восточно-Сибирской железной дороге (Россия) частота сбоев и отказов в работе автоматической блокировки в периоды геокосмических бурь в шесть раз выше, чем в спокойных условиях. А ведь такие сбои приводят к нарушению графика движения поездов, к многочасовым их опозданиям и даже к авариям на железных дорогах.
Влияние на авиационную технику. В настоящее время самолетами разных типов совершается около 35 млн вылетов в год. Число аварий самолетов составляет 70…100 в год. При этом около 12% аварий связано с отказами техники, 10% — с вариациями атмосферной погоды, точнее, с плохими метеоусловиями, 73% — с «человеческим» фактором, а 5% — неустановленными причинами.
Многие авторы пытались установить наличие статистической связи между авариями (авиационными происшествиями) и солнечной либо магнитной активностями. При этом получены противоречивые результаты. Одни авторы утверждают, что такая связь существует, другие свидетельствуют о ее отсутствии.
Вариации космической погоды двояко могут влиять на количество авиационных происшествий: приводить к сбоям и отказам электронных устройств самолета и к ошибкам летного состава и работников наземных служб, которые сводятся к так называемому «человеческому фактору».
>
Механизмы влияния вариаций атмосферно-космической погоды на человека рассмотрены выше. Это влияние существенно. Конечно, оно зависит от состояния здоровья летного состава и работников наземных служб, их личных качеств, темперамента, степени утомления и т. п.
Что касается механизмов влияния вариаций атмосферно-космической погоды на электронные устройства, автоматику и телемеханику, то они в целом подобны механизму, который описан выше на примере железных дорог.
Влияние на число аварий при стартах ракет. В период с 1957…2013 гг. с различных космодромов мира стартовало около 5200 ракет, из которых примерно 450 оказались аварийными. Аварии сопровождались потерей запускаемых космических аппаратов, гибелью космонавтов и обслуживающего персонала, а также большими финансовыми затратами и упущенными возможностями.
Российские геофизики проанализировали систематическую связь вариаций космической погоды с аварийными запусками ракет с космодрома Плесецк, который является самым северным космодромом в мире. Участки выведения космических аппаратов с этого космодрома проходят через высокие геомагнитные широты. Именно здесь влияние вариаций космической погоды должно сказываться сильнее всего. Из анализа исключались аварии, возникшие до старта ракет.
В последние 20 лет с космодрома Плесецк ежегодно стартует до 20 ракет, 1…3 запуска, т. е. 1.5…15% являются аварийными. Частота аварий на низкоширотном космодроме Байконур существенно ниже. Например, в период 2000…2006 гг. не было ни одного аварийного старта ракеты.
Статистический анализ показал, что частота аварий при стартах ракет с космодрома Плесецк в летнее время в два раза больше, чем в другие сезоны. Возможно, это связано с вариациями атмосферной погоды, точнее с изменением параметров атмосферного электричества (увеличением проводимости атмосферы, ростом напряженности атмосферного электрического поля и т.п.).
Статистическая связь частоты аварий стартов ракет с индексами геомагнитной активности не обнаружено. Это не означает, что вариации космической погоды не влияют на частоту аварийных пусков ракет. Канал воздействия, скорее всего, иной. Наиболее вероятным из них является влияние указанных вариаций на самочувствие обслуживающего старты ракет персонала (боевого расчета).
Влияние на функционирование искусственных спутников Земли (ИСЗ). Влияние вариаций космической погоды сильнее всего сказывается на ИСЗ, поскольку они находятся за пределами плотной земной атмосферы и геомагнитного поля, т. е. вынесены в открытый космос.
Воздействие указанных вариаций на работу спутниковых систем обнаружено более 40 лет тому назад в определенных конкретных случаях, когда сбои в функционировании космического аппарата совпадали по времени с сильнейшими солнечными и геокосмическими бурями.
Статистические исследования, проведенные в США и России, подтвердили, что существует устойчивая связь между сбоями в работе космических систем и вариациями космической погоды.
Исследования ряда российских геофизиков подтвердили, что геокосмические бури приводят к увеличению вероятности сбоев и неисправностей аппаратуры космического базирования. Для этого они проанализировали более 6000 отказов.
Оказалось, что к сбоям и отказам приводят усилившиеся вскоре после начала солнечных бурь потоки высокоэнергичных протонов и электронов с энергиями не менее 10 и 2 МэВ соответственно.
Частота сбоев также возрастает в периоды геокосмических бурь, которые вызываются ударами потоков плазмы солнечного происхождения по магнитосфере Земли.
Влияние на спутниковые системы навигации и позиционирования. В настоящее время наиболее эффективными космическими системами навигации и позиционирования являются GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия). Системы используют высоколетающие ИСЗ (высота около 20000 км) и опорные радиоволны с частотой около 1…1.5 ГГц. В спокойных условиях характеристики этих радиоволн практически не искажаются геокосмической средой и атмосферой. Погрешность определения координат при этом составляет 10…20 м.
Совсем другая ситуация возникает во время геокосмических бурь. В этом случае среднеширотная ионосфера приобретает свойства высокоширотной ионосферы, что сопровождается усилением интенсивности флуктуации концентрации плазмы, т. е. ее турбулизацией. Это вызывает глубокие замирания радиоволн различных диапазонов, снижение в 102 …104 раз отношения сигнал/шум, определяющего качество функционирования радиосистем, и усиление фазовых флуктуаций радиоволн.
Во время геокосмических бурь погрешность определения координат в высоких и средних широтах увеличивается в десять раз. В ряде случаев функционирование спутниковой системы позиционирования вообще нарушается на 10…60 мин.
СПОСОБЫ БОРЬБЫ
Перечислим способы борьбы с влиянием космической погоды на технологические изделия. Сразу надо сказать, что не существует кардинальных способов борьбы с пагубным влиянием геокосмических бурь и вариацией космической погоды на высокотехнологические изделия землян. Можно только ослабить это влияние.
Во-первых, следует разрабатывать более совершенные космические аппараты и приборы, способные противостоять усиливающимся потокам высокоэнергичных частиц солнечного происхождения, электромагнитным полям и излучениям.
Во-вторых, целесообразно применять резервирование приборов и средств.
В-третьих, необходимо разработать методы и способы прогноза геокосмических бурь и вариаций космической погоды. Это оказывается крайне полезным и для человека, оператора, водителя, машиниста, летчика, космонавта и даже домохозяйки.
ЧТО ЖЕ ГЛАВНОЕ?
Выбросы корональной массы Солнца, плазменных и магнитных облаков, воздействие ударных волн в солнечном ветре, потоки корпускул и всплески электромагнитного излучения — основные причины систематических вариаций космической погоды. Определенный вклад в эти вариации дают также усиливающиеcя метеорные потоки, падения крупных космических тел, флуктуации потоков галактических лучей. Ощутимый вклад в вариации космической погоды могут вносить высокоэнергетические процессы на Земле, под ее поверхностью, в приземной атмосфере, вариации атмосферной погоды и даже антропогенное воздействие на атмосферу и геокосмос.
Вариации атмосферной и космической погоды, часто связанные между собой, сопровождаются генерацией возмущений геомагнитного, геоэлектрического и акустического полей. При этом изменяется не только квазистационарная составляющая полей, но и генерируются квазипериодические волновые пакеты (пульсации) этих полей в широком диапазоне периодов (от 10–2 до 104 с) или частот (от 102 до 10–4Гц) и длительностью от одного до нескольких часов.
С точки зрения влияния на биосферу (человека), по-видимому, более важными являются не медленные изменения квазистационарных составляющих полей во времени, а их пульсации. Скорее всего, здоровый организм успевает подстраиваться под медленные изменения полей. Иное дело — больной организм.
Максимальные изменения индукции геомагнитного поля не превышают 500 нТл (нТл — нанотесла), а напряженности атмосферного электрического поля достигают 102 …105 В/м. При этом относительные значения соответственно близки к 10–2 и 10-3. При характерном времени изменения полей 103 …105 с имеем скорости изменений порядка 5*10-3…0.5 нТл/с, 10–3…102 В/мс для абсолютных величин, 10–7…10–5 с-1, 10–5…1 с–1 и относительных величин соответственно.
Для пульсаций с периодами 10–2…103 с значения скоростей изменения составляют 10–1…10 нТл/с, 103 …106 В/мс, 10–6…10–4 с–1 и 10–1…1 с–1. Первые из них относятся к абсолютным значениям, а вторые — к относительным.
Важно, что органы человека обладают собственными частотами. Поэтому воздействие пульсаций с частотами, близкими к собственным, является более эффективным (за счет резонанса), а значит и труднопереносимым для организма.
Это же относится к воздействию пульсаций акустических полей (давления воздуха). Для последних амплитуда составляет 0.01…10 Па (Па — паскаль), периоды равны 10–2…103 с, относительные изменения порядка 10–5…10–2 , скорость изменения около 10–5…103 Па/с, а скорость изменения относительной величины давления близка к 10–5…10–3 с–1.
ВЫВОДЫ
1. Для исследования, моделирования, прогнозирования вариаций атмосферной и космической погоды, выявления каналов и механизмов их воздействия на биосферу и техносферу необходим развитый автором системный подход.
Системная парадигма должна стать основой теории, методом и методологией изучения физической системы Солнце — МСМИА — Земля — биосфера. Система Солнце — МСМИА — Земля — биосфера является открытой динамической нелинейной системой, которой присущи нетривиальные недостаточно изученные свойства.
2. Установлено, что причинами вариаций атмосферной и космической погоды являются воздействия источников космического, земного и антропогенного происхождения. В ряде случаев их энергетика может быть соизмеримой. Возможно синергетическое воздействие этих источников.
3. Продемонстрировано, что систематически возникающие высокоэнергетические крупномасштабные процессы на нашей планете приводят к взаимодействию подсистем в системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера. Эти процессы играют определяющую роль в глобальном энерго- и массообмене. Они существенно влияют на биосферу, человека и общество.
4. Активные эксперименты (взрывы, старты ракет и т. п.) оказались удобными и эффективными средствами для изучения и моделирования взаимодействия подсистем, а также их воздействия на биосферу (и, следовательно, человека).
5. Крупномасштабные неядерные военные действия, а также аварии и катастрофы на энергоемких производствах и военных базах, являясь разновидностью активных экспериментов, приводят к комплексу эффектов не только на поверхности планеты и в приземной атмосфере, но и в остальных частях атмосферы, в ионосфере и в магнитосфере, т. е. дают вклад в вариации атмосферной и космической погоды, а значит, влияют на самочувствие и здоровье человека.
6. Автором построены основы моделей главных процессов в системе Солнце — МСМИА — Земля — биосфера.
7. Основными каналами воздействия вариаций атмосферной и космической погоды на человека (биосферу) являются достаточно быстрые вариации (пульсации) атмосферного электрического поля, атмосферного давления и геомагнитного поля с периодами от 10–2 до 103 с.
8. Эффективность воздействия на человека физическими полями увеличивается вблизи его собственных частот. Эти поля воздействуют, прежде всего, на сердечно-сосудистую систему человека и механизмы ее регуляции.
9. Для устойчивого существования высокотехнологичной цивилизации очень важна стабильность космического климата. Его стабильность будет способствовать выживанию и устойчивому развитию нашей цивилизации, овладевающей все более совершенными и сложными технологиями.
10. Еще более важной является предсказуемость вариаций атмосферной и космической погоды, их величин, продолжительностей, последствий и т. п. От этого, в значительной мере, зависит судьба каждого жителя Земли, страны и цивилизации в целом.
Статья была опубликована в июльском номере журнала "Наука и техника" за 2014 год
