Андреев М.В. Конспект лекций по курсу Основы экологии - файл n8.doc

Андреев М.В. Конспект лекций по курсу Основы экологии
скачать (1352.4 kb.)
Доступные файлы (8):
n1.doc198kb.25.12.2002 22:35скачать
n2.doc238kb.25.12.2002 22:41скачать
n3.doc336kb.25.12.2002 22:32скачать
n4.doc242kb.25.12.2002 22:32скачать
n5.doc3619kb.25.12.2002 22:32скачать
n6.doc103kb.08.01.2003 02:19скачать
n7.doc201kb.25.12.2002 22:32скачать
n8.doc2220kb.08.01.2003 00:16скачать

n8.doc




  1. Электромагнитные поля И ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ

    1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ КАК ОДИН ИЗ АБИОТИЧЕСКИХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ


Большинство абиотических физических факторов внешней среды, во взаимодействии с которыми эволюционировала живая природа, имеют электромагнитную природу. Установлено, что на протяжении обозримого геологического периода в биосфере существуют электромагнитные поля (ЭМП) и излучения практически всего известного частотного диапазона – от медленных периодических изменений магнитного и электрического полей Земли до гамма-лучей. Можно предполагать, что любой участок природного электромагнитного спектра сыграл ту или иную роль в эволюции живых организмов, а это так или иначе отразилось на процессах их жизнедеятельности.

Любое возможное влияние ЭМП на биологические объекты, как и на подобные им по электрофизическим свойствам неживые объекты, должно быть обусловлено теми или иными энергетическими взаимодействиями ЭМП с веществом, то есть преобразованием электромагнитной энергии в другие формы, при котором возникающий эффект зависит от величины действующей энергии ЭМП.

Наряду с энергетическими взаимодействиями в биологических процессах существенную роль играют информационные взаимодействия. Такие взаимодействия характеризуются преобразованием информации, ее передачей, копированием, хранением. Биологические эффекты, обусловленные этими взаимодействиями, зависят уже не от величины энергии, а от величины передаваемой системе информации. Сигнал, несущий информацию, вызывает только перераспределение энергии в самой системе, управляет происходящими в ней процессами; при этом его собственная энергия может быть незначительна и неадекватна вызываемым изменениям в системе.

Живая природа в процессе эволюции использовала для получения информации об изменениях во внешней среде именно ЭМП. Ведь это самый надежный переносчик информации среди других геофизических факторов: при помощи ЭМП информация может передаваться через любые расстояния в любые среды обитания живых организмов в любое время. Установлено, что периодические изменения естественных ЭМП внешней среды оказывают регулирующее влияние на функционирование живой природы – на ритмы основных физиологических процессов, на способность животных ориентироваться в пространстве, на процессы размножения в популяциях и т.д.

Установлено, что максимальной чувствительностью к ЭМП обладают целостные организмы, меньшей – изолированные органы и клетки и еще меньшей – растворы макромолекул. Существенные различия наблюдаются в реакции на ЭМП у одной и той же биологической системы в зависимости от того, в каких условиях проводится на нее воздействие – когда она находится в целостном организме или в изолированном состоянии.

Все это указывает на то, что системы, особенно чувствительные к ЭМП, сформировались в процессе эволюции в основном на макроскопическом уровне, по крайней мере начиная от упорядоченных макромолекулярных ансамблей. Возникновение повышенной чувствительности к ЭМП только у достаточно сложно организованно биологических систем можно рассматривать как одно из проявлений специфической особенности живой природы – ее «организации».
    1. ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В СРЕДАХ ОБИТАНИЯ ОРГАНИЗМОВ

      1. Электрическое поле Земли


В атмосфере Земли существует электрическое поле Еа, направленное вертикально к земной поверхности так, что эта поверхность заряжена отрицательно, а верхние слои атмосферы – положительно. Напряженность этого поля зависит от географической широты: она максимальна в средних широтах, а к экватору и полюсам убывает. Принято считать, что в среднем по Земному шару Еа = 130 В/м. С увеличением расстояния от поверхности Земли Еа убывает по экспоненте, составляя около 5 В/м на высоте примерно 9 км.

Величина Еа испытывает периодические годовые и суточные изменения. Годовые изменения имеют сходный характер по всему Земному шару с максимумом в декабре – феврале и минимумом в мае – июле. На суточное изменение большое влияние оказывает грозовая деятельность.
      1. Магнитное поле Земли


Земля представляет собой естественный магнит и магнитное поле Земли имеет свои полюса, не совпадающие с географическими. Величина горизонтальной составляющей Н максимальна у магнитного экватора (0.3 – 0.4 э) и убывает к полюсам до сотых долей эрстеда; вертикальная составляющая Z уменьшается от 0.6 – 0.7 э у полюсов, почти до нуля у экватора. В областях магнитных аномалий значения Z могут быть выше, до 1 – 1.5 э.

Элементы земного магнетизма испытывают временные вариации – изменение магнитной активности. Это изменение измеряют в единицах  = 10-5 э и оценивают либо по К-индексам (единица соответствует  50), либо u-мерой по формуле

,

где  – среднее значение изменения Н в единицах ,  – геомагнитная широта,  – угол между геомагнитным и географическим меридианом, D – угол склонения.

Эти вариации получили название магнитных возмущений или магнитных бурь. При синфазных (одновременно по всей Земле) и локальных магнитных бурях наиболее сильно возрастает напряженность горизонтальной составляющей геомагнитного поля – до нескольких тысяч ; при синфазных бурях имеется лишь незначительное изменение амплитуды от места к месту, а при локальных – наблюдаются и фазовые изменения. Перманентные вариации – до сотен  – наблюдаются непрерывно в течение дня, независимо от общей величины магнитной активности.

Все эти виды магнитной активности являются результатом солнечной активности, связанной как с увеличением числа солнечных пятен, так и со вспышками на Солнце. Поэтому вариации магнитной активности носят соответствующий периодический характер: имеются 11-летние циклы с максимумами в моменты максимумов солнечных пятен; имеется годовая периодичность с максимумами в дни равноденствия и минимумами в дни солнцестояния; имеется периодичность магнитных бурь в 27 дней, связанная с периодом вращения Солнца. С вращением Солнца связана и суточная периодичность магнитной активности. Имеется также группа короткопериодных магнитных возмущений с периодами от сотых долей секунд до минут и с амплитудами, не превышающими несколько единиц . Таким образом, общий частотный спектр периодических изменений геомагнитного поля занимает интервал от 10-5 до сотен герц.

Магнитное поле есть одной из необходимых условий существования жизнь на нашей планете. Все живые существа Земли миллионы лет эволюционировали именно в условиях магнитного поля и без него существовать не могут. Канадский ученый Я. Крейн исследовал живые организмы, которые находилось в специальной камере с меньшей, чем земная, напряженностью магнитного поля. После 72-часового пребывания в таких условиях резко (в 15 раз) уменьшалась способность бактерий к размножению, снижалась нейро-моторная активность птиц, у мышей поднимался обмен веществ. В случае более длительного пребывания в условиях ослабленного магнитного поля в тканях возникали необратимые изменения и развивалось бесплодие.

Геофизики (палеомагнитологи) установили, что на протяжении геологической истории нашей планеты магнитное поле неоднократно снижало свою напряженность и даже изменяло знак (то есть северный и южный магнитные полюса менялись местами). Таких эпох изменения знака магнитного поля, или инверсий, ныне установлено несколько десятков, они отразились в магнитных свойствах горных пород. У эпохи непосредственного изменения знака магнитного поля, это поле исчезало, чтобы потом снова появиться, нарастая к норме, но уже с противоположным знаком. Сколько времени продолжительная эпоха без магнитного поля, палеонтологи сказать сегодня не могут, но думают, что несколько тысяч лет. Например, нынешняя магнитная эпоха условно названа эпохой прямой полярности. Она длится уже близко 700 тыс. лет. Тем не менее напряженность поля медленно, но неуклонно снижается. Если этот процесс будет развиваться и в дальнейшем, то приблизительно через 2 тыс. лет напряженность магнитного поля Земли упадет к нулю, а потом, через определенное время «безмагнитной эпохи», начнет нарастать, но будет иметь противоположный знак.

Если опыты Крейна считать адекватными, то «безмагнитная эпоха» может восприниматься живыми организмами как катастрофа. Многие из них вымрут или изменят свои свойства. Тем не менее существует еще и другая опасность. Дело в том, что магнитное поле Земли есть щитом, защищает жизнь на Земле от потока солнечных и космических частиц (электронов, протонов, ядер некоторых элементов). Двигаясь с огромными скоростями, такие частицы являются сильным ионизирующим фактором, который, как известно, влияет на живую ткань, и, в частности, на генетический аппарат организмов.

С помощью первых спутников, запущенных на космические орбиты, были выявленные радиационные пояса вокруг нашей планеты. Установлено, что земное магнитное поле отклоняет траектории космических ионизирующих частиц и «закручивает» их вокруг планеты.

Итак, в эпохи, когда Земля не имеет магнитного поля, у нее исчезает защитный антирадиационный щит. Значительное (в несколько раз) увеличение радиационного фона может значительно влиять на биосферу: одни группы организмов должны вымирать, среди других может резко возрастать количество мутаций и т.п. А если принять во внимание солнечные вспышки, то есть колоссальные за мощностью взрывы на Солнце, которые извергают чрезвычайно, сильные потоки космических лучей, то следует сделать вывод, что эпохи исчезания магнитного поля Земли, есть эпохами катастрофического влияния на биосферу со стороны Космоса.
      1. Атмосферики


Атмосфериками называют ЭМП, создаваемые атмосферными разрядами, в частности молниями. Их частотный диапазон от сотен герц до десятков мегагерц, при этом интенсивность достигает максимума вблизи 10 кГц и убывает по мере возрастания частоты. В районах, близких к местам грозовых разрядов, напряженность электрической составляющей ЭМП атмосфериков – порядка десятков, сотен и даже тысяч В/м на частотах, близких к 10 кГц.

Интенсивность грозовой деятельности изменяется с суточной периодичностью. Минимум грозовой деятельности отмечается в утренние часы, а общее ее повышение к – ночи. В холодное время максимум – среди ночи, а в летнее – в 15-18 часов.

Имеется и сезонная периодичность грозовой деятельности. В средних широтах наибольшее число гроз приходится на летнее время (июнь – июль), а наименьшее – на зимнее. Наконец, грозовая деятельность связана с солнечной активностью: во время вспышек на Солнце атмосферики значительно усиливаются.
      1. Радиоизлучения Солнца и галактик


Установлено, что частотный диапазон радиоизлучения Солнца и галактик довольно широк – от 10 МГц до 10 ГГц. Поток радиоизлучений от Солнца на частоте 100 МГц составляет порядка 10-15 Вт/м2/МГц («всплеск» в период «возмущенного» Солнца может достигать 10-13 – 10-12 Вт/м2/МГц), а радиоизлучение от галактик – 10-16 Вт/м2/МГц.

Интенсивность этих радиоизлучений изменяется с суточной периодичностью, что связано с вращением Земли относительно источников излучений. Максимальная интенсивность наблюдается в утренние часы, минимальная – в ночные.

Радиоизлучения изменяются по интенсивности с периодичностью 27-28 дней, связанной с вращением Солнца, и с 11-летней периодичностью солнечной активности.
      1. ЭМП промышленных источников


С развитием электроэнергетики, радио- и телевизионной техники появилось большое число разнообразных антропогенных источников ЭМП.

В диапазоне от низких до ультравысоких частот ЭМП в окрестности промышленных генераторов следует рассматривать как поля индукции, а не как поток излучения радиоволн. Поля индукции быстро ослабляются по мере удаления от источника и на расстоянии в несколько длин волн напряженности ЭМП составляют уже незначительную долю от их начальных величин.

ЭМП промышленной частоты (50 Гц) возникают у линий электропередач, трансформаторов и т.п. В непосредственной близости от них напряженность ЭМП может быть весьма значительной. Например, вблизи высоковольтных открытых распределительных устройств на 400 и 500 кВ напряженность ЭМП может достигать нескольких тысяч В/м.

Высокочастотные ЭМП – от килогерц до сотен мегагерц – наиболее интенсивны вблизи промышленных генераторов для высокочастотной закалки металлов, сушки древесины и кирпичей, в рабочих помещениях радио- и телестанций, где напряженность Е достигает значений сотен и тысяч В/м. Сверхвысокочастотные ЭМП – от сотен мегагерц до десятков гигагерц – возникают вблизи радиолокационных станций, установок спутниковой связи и телевидения, СВЧ-печей и оцениваются уже по плотности потока мощности, который достигает нескольких мВт/см2.
      1. «Радиофон»


За счет излучений многочисленных радио- и телестанций вокруг Земного шара создается своеобразный «радиофон».

Вблизи радио- и телестанций интенсивность «радиофона» может быть довольно значительной – порядка десятых долей В/м. В удаленных районах интенсивность «радиофона» значительно ниже и основной вклад в него вносят коротковолновые станции. Так как все станции излучают некогерентно, «радиофон» представляет собой результат суммирования излучений.

Общее представление об уровне интенсивности «радиофона» может дать сравнение его с уровнем атмосферных помех. Считают, что уровень радиосигналов в 10ч100 раз выше уровня помех, так как это должно обеспечивать уверенный прием радиосигналов.
      1. Компьютерное электромагнитное загрязнение


Работающий компьютер является источником электромагнитного поля в чрезвычайно широком диапазоне частот – от 0 (электростатическое поле) до ~1019 Гц (рентгеновское излучение), причем только видимое излучение (свет) является желаемым. Остальные разновидности ЭМП, генерируемые компьютером, можно отнести к паразитным.

Высокое постоянное напряжение (15-35 кВ), подводимое на анод кинескопа в видеомониторах, сконструированных на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), является источником электростатического поля, которое также может создаваться вследствие концентрации электрических зарядов на непроводящих (например, пластмассовых) частях корпусов компьютерного оборудования. Источниками переменного ЭМП гигиенически значимых уровней служат в основном блоки питания (в том числе импульсные), элементы системы кадровой и строчной разверток и синхронизации видеомонитора, агрегаты бесперебойного питания. Принято считать, что они генерируют ЭМП в полосе от 5 Гц до 400 кГц.

Электронные компоненты компьютера (материнская плата, видеоадаптер и т.п.) создают поле низкой интенсивности в диапазоне частот до 1-3 ГГц.

Дополнительный, а зачастую наибольший, вклад в формирование электромагнитной обстановки на рабочем месте вносят системы электроснабжения и электропотребители (электроприборы) находящиеся в помещении. Именно воздействие данных составляющих поля может приводить к возникновению такого эффекта как "дрожание" изображения монитора.

    1. ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ВЕЩЕСТВО И ТКАНИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ


Ткани живых организмов по электрическим свойствам можно разделить на три группы, в соответствии с содержанием в них воды: на суспензию клеток и белковых молекул жидкой консистенции (кровь, лимфа), аналогичную суспензию, находящуюся в уплотненном состоянии (мышцы, кожа, печень, и т.п.) и ткани с малым содержанием воды (жир, кости).

Клетки, коллоидные частицы, молекулы белка и другие микрочастицы, будучи взвешены в растворе электролита, приобретают дипольный момент. Электрические заряды в тканях представлены также дипольными молекулами воды и ионами электролитов.
      1. Свойства тканей в постоянных полях


В постоянном электрическом поле ткани в той или иной степени поляризуются – заряженные частицы перемещаются вдоль силовых линий, дипольные молекулы ориентируются в этом же направлении. Если постоянное напряжение приложено непосредственно к ткани, то в ней возникает электрический ток, связанный с ионной проводимостью.

Каждая клетка окружена мембраной, обладающей поверхностной емкостью в пределах 0.1ч0.3 мкФ/см2 и поверхностным сопротивлением до 10 кОмсм2. Межклеточная и внутриклеточная среды имеют сопротивления порядка 100ч300 Омсм2 и диэлектрическую проницаемость около 80.

При постоянном напряжении мембрана ведет себя как изолятор и ток может протекать только во внеклеточной среде. Возможно явление электрофореза – переноса электрически заряженных частиц (клеток, макромолекул).
      1. Дисперсия свойств тканей в переменных полях


Имеются три частотных диапазона, в которых наблюдается изменение ’ и ’ (или = 1/ или ’’) тканей в зависимости от частоты: -дисперсия при низких частотах, -дисперсия при радиочастотах и -дисперсия при сверхвысоких частотах.

На низких частотах (в случае -дисперсии) клеточные мембраны успевают зарядиться за один период ионами вне и внутри клетки. Следовательно, полный заряд велик и емкость ткани значительна, что эквивалентно высокой диэлектрической проницаемости ткани. Низкочастотные токи идут только во внеклеточной среде, что обуславливает низкую удельную проводимость тканей. С ростом частоты уменьшается емкостное сопротивление мембраны клетки и возрастает участие внутриклеточной среды в общей проводимости ткани. По мере возрастания частоты (-дисперсия) ’ уменьшается до тех пор, пока период не становится столь малым, что мембраны не успевают заряжаться (для крови это происходит на 100 МГц).

Характер -дисперсии при частотах выше 1 ГГц удовлетворительно объясняется полярными свойствами молекулы воды. Кривые дисперсии достаточно хорошо согласуются с уравнениями Дебая



если в выражение для ввести член, учитывающий ионную проводимость:



где – время релаксации для молекулы воды (порядка 10-11с), а - ионная проводимость, не зависимая от частоты.

Параметры чисто жировых тканей практически не зависят от частоты в диапазоне выше 100 МГц, тогда как у тканей, состоящих из жировых клеток, окруженных электролитической средой, наблюдается дисперсия. Для костных тканей дисперсия удовлетворяет уравнениям Дебая при времени релаксации 0.710-11 с и с поправкой на ионную проводимость.
      1. Поглощение энергии ЭМП в тканях и преобразование ее в тепловую


Преобразование энергии ЭМП в тепловую одна из возможных причин любых биологических эффектов, вызываемых ЭМП от низких частот до СВЧ. На этой основе были разработаны и получили широкое распространение методы применения ЭМП высоких, ультравысоких и сверхвысоких частот для лечения различных заболеваний.

В НЧ и ВЧ диапазонах преобразование энергии ЭМП в тепловую связано в основном с потерями проводимости, возникающими за счет выделения в тканях джоулева тепла индуцированными в них ионными токами.

Электромагнитные поля И ПРИРОДНЫЕ СИСТЕМЫ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации