Файл: Дубров, А. П. Геомагнитное поле и жизнь (краткий очерк по геомагнитобиологии).pdf

Успехи физики привели к быстрому развитию магнито­ биологии, изучающей, в частности, биологическое действие искусственных магнитных полей. Большой вклад в магни­ тобиологию был внесен физиками и биологами, начавшими систематические исследования биологического действия ГМП и искусственных магнитных полей [319, 369, 371, 421, 422].

Важные работы провели гелиобиологи, убедительно по­ казав реальность биологического действия солнечной активности, связанного с изменением электромагнитного поля Земли1 [62, 211, 333, 334, 336, 345, 405].

В настоящее время в нашей стране исследованиями в области геомагнитобиологии руководят Научный совет по геомагнетизму АН СССР и Научный совет по комплекс­ ной проблеме «Кибернетика» АН СССР. В СССР широко развита сеть геофизических обсерваторий и научно-иссле­ довательских институтов, функционирует один из между­ народных центров геофизических данных, который соби­ рает мировые материалы по солнечной активности, ионо­ сфере, геомагнетизму.

Автор выражает свою глубокую признательность ака­

демику Е. Μ. Kpency, академику В. Н. Черниговскому, доктору физ.-мат. наук Μ. Μ. Иванову, кандидату мед. наук Б. А. Рывкину, доктору биол. наук Ю. А. Холодову, кандидату физ.-мат. наук А. И. Олю, кандидату геогр.

наук Л. А. Вительсу за полезные советы, консультации

и помощь в работе над книгой. Автор искренне благодарит профессора В. И. Афанасьеву, кандидатов физ.-мат. наук К. Г. Иванова, А. Д. Шевнина, В. И. Боброва, Т. П. Пуолокайнен, а также всех сотрудников сектора электромаг­

нитного поля Земли ИФЗ АН СССР за дружескую

помощь.

1 Говоря об опосредованном влиянии солнечной активности через магнитное поле Земли, не следует забывать о наличии пря­ мого воздействия волновой радиации и корпускул,— Здесь и далее

примечания Б. А. Рывкина (Б. P.).

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОГЕОМАГНИТНОМ ПОЛЕ

Существование магнитного поля Земли было известно еще в глубокой древности. Необычные свойства магнита способствовали появлению легенд и поверий о сверхъесте­ ственной силе его. В равной мере это относится к магнит­

ному полю Земли.

Передовые ученые своего времени пытались осмыслить истинные физические причины, порождающие магне­ тизм — это исключительное явление в природе. В 1600 г. английский ученый В. Гильберт в книге «О магните, маг­ нитных телах и о большом магните — Земле» высказал

предположение, что Земля представляет собой однородно намагниченный шар с двумя магнитными полюсами, при­ чина магнетизма которого скрыта внутри шара.

Однако уже в 1769 г. Μ. В. Ломоносов предположил в своем исследовании «Рассуждения о большей точности морского пути», что земной шар состоит из различно на­ магниченных тел и, следовательно, намагничен неодно­ родно.

Впервые аналитическое выражение для магнитного поля Земли было получено учеными И. Μ. Симоновым в 1835 г. и К. Гауссом в 1838 г.

Вслед за физиками свой взгляд на роль и значение

ГМП высказали биологи и врачи, естествоиспытатели, ко­ торые живо интересовались открытиями физики [109,

ПО]. Накоплено уже достаточно большое число данных, свидетельствующих о том, что ГМП весьма существенно воздействует на процессы, протекающие в верхней и ниж­ ней атмосфере, на земные ландшафтные зоны, оказывает

влияние на климат и атмосферную циркуляцию [81]. Но особое значение ГМП имеет для живых организмов,

населяющих Землю. Прежде чем рассматривать этот важ­ нейший вопрос, кратко познакомимся с самим ГМП, его происхождением, структурой, некоторыми особенностями проявления [173, 229, 359].

Это поможет лучше понять особенности циклических изменений в биосфере, их характер, сезонные и широтные

зависимости, а также связь биологических ритмов с вариа­ циями ГМП.

H

ЭЛЕМЕНТЫ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

Давно экспериментально установлено, что земной шар

обладает магнитным полем. Наибольшая напряженность

постоянного магнитного поля (модуль полного вектора)

на поверхности Земли достигает 0,7Э (эрстеда). Магнит­

чен в магните, расположенном на расстоянии примерно

400 км от центра Земли, то направление оси намагничения

этого магнита составит угол 11,5° с осью вращения Земли. Создавае­

ляющую У. Стрелка компаса в каждой точке Земли на­ правлена вдоль магнитного меридиана, т. е. вдоль услов­ ной плоскости земной поверхности, совпадающей с на­ правлением' ГМП.

Полный вектор магнитного поля Земли наряду с изме­ нением абсолютной величины претерпевает изменения в пространстве. Положение вектора в пространстве может быть характеризовано двумя угловыми величинами —

склонением и наклонением. Магнитное склонение D явля­ ется углом в горизонтальной плоскости, т. е. углом между географическим меридианом (линия север — юг) и маг­ нитным меридианом данного места на Земле. Магнитное наклонение I — угол между горизонтальной плоскостью

12

и направлением напряженности полного вектора ГМП

(рис. 1).

Полный вектор ГМП и его элементы связаны между собой следующими соотношениями:

Г = У D2 + Z tg∕= ɪ, tgD=4-,

7’=D sec/, ∕7=y^X2+ У2, X=DcosD, K=HsinD.

Полный вектор и его вертикальная и горизонтальная

сах и минутах. В течение магиитоспокойных и магнито­ возмущенных дней элементы магнитного поля претерпе­ вают различные изменения.

ПОСТОЯННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Геомагнитное поле различно по своей структуре и ди­

намическим свойствам.

C одной стороны, ГМП можно подразделить по степени

изменяемости, по характеру динамики на постоянное

(основное) и переменное поле. Постоянным называется такое магнитное поле, которое освобождено от всех типов вариаций с периодом до года. Правда, и в этом случае оно не остается строго постоянным, так как подвержено ве­ ковым колебаниям. Во всяком случае, период изменения постоянного магнитного поля Земли очень большой и со­

ставляет многие сотни лет.

Переменное магнитное поле Земли представляет собой

изменения поля с различными периодами внутри года (от долей секунды до месяцев).

C другой стороны, если рассматривать структуру или

причины, лежащие в основе возникновения ГМП, то ГМП можно подразделить на поле однородного намагничения, материковое поле, аномальное, внешнее и поле вариаций.

По классификации Б. Μ. Яновского [359], ГМП явля­ ется суммой нескольких полей: H0 — поля, создаваемого однородной намагниченностью земного шара; Hm — поля,

создаваемого неоднородностью глубоких слоев земного ша­ ра, материкового поля; Ha — поля, обусловленного различ­

ной намагниченностью верхних частей коры, аномального

13

поля; He —поля, источник которого находится вне Земли, внешнего поля; 67/ — поля вариаций, вызванного причина­

ми, лежащими вне Земли.

Итак, полное поле Hτ = H0 + Hm+He + Hii + δH. Аномальное поле, т. е. искаженное ГМП, считают со­

стоящим из полей трех видов. Материковые аномалии, пло­

щадь которых соизмерима с континентами. Причина мате­ риковых аномалий однозначно не установлена. Высказаны гипотезы о том, что большую роль в их возникновении играют мощные вихревые токи. Б. Μ. Яновский указы­ вает, что таких материковых аномалий насчитывается шесть, причем наиболее интенсивной является ВосточноАзиатская материковая аномалия.

К другому виду относятся региональные аномалии, за­ нимающие площадь в десятки или сотни квадратных

километров. Такие аномалии обусловлены тектоническими и структурными причинами. Не обязательно региональ­

ные аномалии отличаются высокой намагниченностью

(как, например, Курская магнитная аномалия), но всегда

констатируется отличие магнитных свойств пород данного

района от других. Наконец, третий вид аномалий — ло­ кальные; возникают там, где магнитные породы залегают непосредственно у поверхности Земли. Площадь локаль­ ных аномалий небольшая, обычно не превышает десять — двадцать квадратных километров.

Следует рассказать также о магнитных полюсах Земли. Принято считать, что там, где магнитная ось пересекает поверхность Земли, располагаются геомагнитные полюса.

Эти полюса не совпадают с географическими и отстоят от соответствующих географических полюсов — северный геомагнитный полюс на 800 км, а южный геомагнитный

полюс на 1000 км. Координаты современного северного

жен южный геомагнитный полюс, в южном полушарии — северный геомагнитный полюс, но в обиходной речи его называют по аналогии с географическим — южным, что неправильно.

Силовые линии земного магнитного поля выходят при­ близительно из центра Земли (поскольку магнитный ди­ поль расположен эксцентрично) через южное полушарие

14

и, огибая Землю, вновь направляются к центру, но через северное полушарие (рис. 2). На северном геомагнитном полюсе напряженность поля составляет 0,6Э, на южном 0,7Э, а на магнитном экваторе 0,35Э. Следует заметить,

что приводимые выше координаты геомагнитных полюсов относятся только к условно однородно намагниченному

шару идеальной формы. На самом же деле в силу различ­ ных причин структура геомагнитного поля значительно сложнее. Поэтому реальные, так называемые магнитные полюса, где магнитная стрелка занимает вертикальное

Как уже указывалось выше, магнитное поле, наблю­ дающееся на поверхности Земли состоит из постоянного и переменного полей. Величина переменного поля не пре­ вышает примерно двух процентов величины постоянного поля, но его биологическая значимость, как будет видно из дальнейшего, очень велика. Исследователи устано­

вили, что происхождение ГМП почти полностью связано

15

с внутренними причинами, обусловленными глубинными слоями Земли (ядро, оболочка, кора) и сложными индук­ ционными токами в них, а значительно меньшая часть

ГМП связана с внешними причинами, среди которых главную роль играют токи в ионосфере и магнитосфере.

Современные теоретические работы дают основание пола­ гать, что главной причиной ГМП являются вихревые электрические токи в жидком ядре Земли.

ПЕРЕМЕННОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ВАРИАЦИИ

Итак, как видно из сказанного выше, имеются внут­

ренние її внешние причины образования ГМП. Внутрен­ ние причины, связанные непосредственно с Землей (глав­ ным образом, токовые системы на границе ядро — оболоч­ ка и другие факторы), обусловливают медленные, вековые колебания постояного поля Земли. Внешние причины —

в первую очередь системы электрических токов в ионо­ сфере и окружающем Землю космическом пространстве — вызывают быстрые изменения ГМП и в значительной мере обусловливают ее переменную часть.

Изменения переменного ГМП (их называют вариации) бывают различного типа. В одних случаях они имеют

определенный и плавный ход (магнитоспокойные дни),

в. других — беспорядочный ход, при котором амплитуды, фазы, и периоды колебаний резко и непрерывно изменяют­

ся (магнитовозмущенные дни). Кратко рассмотрим вариа­ ции этих типов.

СПОКОЙНЫЕ И ВОЗМУЩЕННЫЕ ВАРИАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

К невозмущенным вариациям относятся: 1) солнечно­ суточные вариации (Sq), период которых равен солнечным

суткам, 2) лунно-суточные вариации (L), связанные с влиянием Луны, период которых равен лунным суткам, 3) годовые вариации. Особенность солнечно-суточных вариаций состоит в том, что они протекают по местному времени и зависят от магнитной активности в данный день, поэтому по ним определяют эту активность (и).

Амплитуды и фазы этих вариаций изменяются в течение

16