1
advertisement
1 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………….4 ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА………………6 1.1. Первые сведения о магните……………………………………….......6 1.2. Магнитный компас…………………………………………………….8 1.3. Вклад Гильберта в развитие теории магнетизма…………………...10 1.4. Магнитные полюса Земли…………………………………………....11 1.5. Интересные факты……………………………………………………12 1.6. Жидкие магниты………………………………………………………14 Выводы к главе 1……………………………………………………...15 ГЛАВА 2 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ И ЕГО СВОЙСТВА………………….16 2.1. Гипотезы возникновения магнитного поля Земли…………………...16 2.2. Создание магнитных обсерваторий…………………………………...21 Выводы к главе 2……………………………………………………….22 ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА…………………………………………………………………23 3.1. Влияние магнітного поля Земли на живые организмы……………….23 3.2. Классификация магнитных полей……………………………………...25 3 3.3. Магнитные бури…………………………………………………………28 3.4. Солнце и космическая погода…………………………………………..30 3.5. Магнитные бури, погода и здоровье……………………………………32 3.6. Уменьшение влияния магнитных бурь…………………………………35 3.7. Организация эксперимента и результаты исследования………………38 …Выводы к главе 3…………………………………………………………...40 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………...41 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………….43 4 ВВЕДЕНИЕ Человек – часть вселенной и продукт ее развития. Среди небесных тел наиболее важными для его жизни являются Земля и Солнце. Звезды и Луна, всегда видимые глазом при безоблачном небе, также не могли не занять достойное место в его сознании. Естественно задать вопрос: какую же роль играют магнитные поля этих небесных объектов в жизни человека? Школьного курса физики вполне достаточно, чтобы дать ответ: влияние магнитного поля Земли очень мало по сравнению с действием сил земного притяжения и давлением атмосферы. Но все ли решает сила? Человек не замечает огромного давления атмосферы на свои плечи, однако его незначительные изменения могут вызвать весьма болезненные последствия. Так каково влияние магнитных полей небесных тел на человека? Именно на этот вопрос я попытаюсь ответить в ходе своей работы. Объект исследования – магнитное поле Земли. Предмет исследования – организм человека. Цель исследования – изучить причины возникновения магнитного поля Земли и научно обосновать его действие на живые организмы, выяснить его влияние на человека. Актуальность темы - в настоящее время в этой области физической науки проводится много практических исследований; данная тема имеет большое практическое значение, ее изучение расширяет кругозор. Магнитное взаимодействие играет важную роль в процессах, протекающих во Вселенной. Влияние космических факторов (вариаций солнечной и геофизической активности) на состояние технических средств и сложных технологических систем магнитосферы и ионосферы нашей планеты. В рамках науки о Земле изучение магнитного поля направлено на решение двух фундаментальных проблем. Во-первых, это проблема генерации крупномасштабных полей в природе, в том числе магнитного поля Земли. Вовторых, это основная проблема физики Земли – ее внутреннее строение и 5 процессы в её недрах, приводящих к генерации магнитного поля. Вот только два примера, подтверждающие сказанное. Известно, что магнитное поле звезды порождает звездный ветер, аналогичный солнечному, который, уменьшая массу и момент инерции звезды, изменяет ход ее развития. Известно также, что магнитосфера Земли защищает нас от гибельного воздействия космических лучей. Если бы ее не было, эволюция живых существ на нашей планете, видимо, пошла бы иным путем, а может быть, жизнь на Земле не возникла бы вовсе. Изучение магнитного поля Земли имеет чрезвычайно важное научное и практическое значение. Данная работа состоит из трех глав, в которых рассмотреные вопросы сводятся к изучению элементов земного магнетизма, внутреннего строения магнитосферы Земли, а также их влияния на человека и природу в целом. 6 ГЛАВА 1 ИСТОРИЯ ОТКРІТИЯ ЗЕМНОГО МАГНЕТИЗМА 1.1 Первые сведения о магните Первое историческое упоминание о магните оставил нам Плиний. Он рассказал, как некий пастух с острова Крит, сандалии которого были подкованы железом, обратил внимание, что к его обуви пристают какие-то мелкие черные камешки, в изобилии валявшиеся на склонах горы Идо. Пастуха звали Магнис, отсюда природные магниты получили свое название. А может, все было и не так. Римский поэт Лукреций Кар считал, что магнит обязан своим названием местности, где его нашли. Эта местность в Малой Азии называлась Магнезия.Китайцы, ничего не знавшие ни о Магнезии, ни о греческих пастухах в железных сандалиях, называли эти черные камешки «чу-ши», что можно перевести как «любящий камень». Ход мыслей был прост: раз тянется -значит, любит. (Кстати говоря, людское мышление бывает забавно параллельным: на французском языке магнит называется «эман» -- «любящий».) Китайцы первыми придумали, как можно практически использовать магниты. Они не изобрели компас, как многие думают, они изобрели игрушку -- югоуказатель. Небольшие фигурки с вытянутой рукой, постоянко указывающей на юг, ставились ими не только на корабли, но и на конные повозки. Это было четыре тысячи лет тому назад. Европейской цивилизации, компас был просто необходим. И он был изобретен в Италии неким Джойя примерно 700 лет назад. Тогда уже научились натирать природными магнитами стальные иглы, которые стали первыми искусственными магнитами и которые использовали в качестве стрелок. Джойя снабдил магнитную стрелку кругом с делениями. Прибор получил название «компассаре», что означает «измерять шагами». То что стрелка компаса нигде не показывает на Полярную звезду, было известно еще Колумбу. Об этом 7 свидетельствует письмо, написанное им королю и королеве Испании:«...Когда я отплыл из Испании в Западные Индии, я обнаружил, что, после того как я проплыл сто лиг на запад от Азорских островов..., стрелка компаса, дотоле показывавшая на северо-восток, вдруг повернулась на целую четверть, к северозападу, и уже более не меняла своего направления...». 8 1.2. Магнитный компас Столь странное поведение компасной стрелки вызвало панику среди матросов Колумба: они полагали, что компас должен всегда указывать на Полярную звезду. Колумб и сам думал точно так же; однако ему удалось убедить своих моряков, что неправильно вел себя не компас, а Полярная звезда. Благодаря этому обману Колумб смог предотвратить мятеж матросов, требовавших возвращения назад. Так магниты вошли в широкое применение. Если стержневой магнит, намагниченную иголку или кусок магнитного железняка укрепить так, чтобы они могли свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, то, как хорошо известно, их концы будут показывать на север и юг. Подобный инструмент называется компасом. Тот конец иголки, который указывает на север, был назван северным полюсом (его обозначение N или С), противоположный конец — южным полюсом (обозначается S или Ю). Почему компас показывает направление с севера на юг? Тот факт, что разноименные магнитные полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить, почему стрелка компаса показывает определенное направление. Так как северный конец стрелки указывает на север, то, видимо, где-то в этом направлении должен находиться противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении южного полюса. Но если эти полюсы действительно существуют, то где же они находятся? В течение долгого времени считалось, что источником магнитного притяжения для компаса является Полярная звезда. Однако если бы это было так, то направление стрелки компаса должно было бы меняться по крайней мере на 1 градус через каждые 12 часов, вследствие видимого кругового движения 9 Полярной звезды на небосводе. Наблюдения же не показывают поворота стрелки компаса в течение суток, так что это объяснение ошибочно. 10 1.3. Вклад Гильберта в развитие теории магнетизма Английский ученый Уильям Гильберт (1540 - 1603) был одним из первых, кто предположил, что магнитом является сама Земля. Для проверки свого предположения Гильберт построил большой глобус из магнитного железа, который назвал «маленькой Землей», и поместил его магнитные полюса в места географических полюсов. Затем он поднес к этому глобусу компас и нашел, что во всех точках глобуса, за исключением его полюсов, стрелка компаса показывает направление с севера на юг. Гильберт жил в Англии; он думал, что такое положение стрелка компаса сохраняет и во всех других точках земной поверхности. Для дальнейшего сравнения магнетизма своего глобуса и Земли Гильберт использовал иглу наклонения, которая укреплялась так, что могла свободно поворачиваться в вертикальной плоскости вокруг горизонтальной оси. Возле магнитных полюсов глобуса эта стрелка устанавливалась вертикально. На половине же расстояния между магнитными полюсами - на магнитном экваторе - стрелка устанавливалась горизонтально, паралельно поверхности Земли. Угол, который такая игла образует с горизонтальной плоскостью, называется углом наклонения, или просто наклонением. На магнитном экваторе глобуса Гильберта наклонение было равно нулю, на полюсах составляло 90 градусов, а между экватором и каждым из полюсов оно постепенно менялось от нуля до 90 градусов. 11 1.4. Магнитные полюса Земли После открытия Америки, уже в XIX веке, исследователи земного магнетизма установили, что на севере Гудзонова залива, в точке, находящейся приблизительно на 73° северной широты и 96° западной долготы, северный полюс иглы для грубых определений наклонения оказался направлен точно вниз, указывая, что северный магнитный полюс Земли находится непосредственно в этой точке. Южный магнитный полюс Земли находится в Антарктиде на 72° южной широты и 155° восточной долготы. Через точки, расположенные на половине расстояния между магнитными полюсами, проходит магнитный экватор. Оба магнитных полюса связывает линия, опоясывающая глобус и называемая линей нулевого склонения, в точках которой концы стрелки компаса показывают на север и юг. Часть этой линии проходит в общем направлении с севера на юг через Канаду, США, пересекает западную границу штата Мичиган и выходит в Атлантический океан, на берегу штата Джорджиа. К востоку от этой линии компас показывает на северо-запад; к западу от нее стрелка компаса устанавливается в северо-восточном направлении. Угол, на который стрелка компаса отклоняется от направления на географический или истинный север и юг, называется магнитным склонением компаса, или вариацией. Если склонение происходит к западу от севера, оно называется западным склонением, если же к востоку от севера – то восточным склонением. Благодаря совместным усилиям ученых многих стран были тщательно определены и постоянно проверяются магнитные склонения и наклонения, а также интенсивность земного магнетизма. Современные карты показывают склонения во всех частях земного шара. Линии, проведенные через точки с одинаковыми значениями магнитного склонения, называются изогоническими (равноугольными) линиями. Карты, на которых нанесены такие линии, необходимы для морской и воздушной навигаций по компасу. 12 1.5 Интересные факты Сэр Исаак Ньютон носил «магический» перстень, в котором вместо драгоценного камня был оправлен золотом природный магнит необычайной силы. Неудивительно даже для ученого: с магнитом связано множество легенд и преданий. Считалось, что магнит может отпирать замки, извлекать золото из-под земли. Говорили, что где-то в море-океане есть магнитные скалы, которые вытаскивают гвозди из проплывающих мимо кораблей. С помощью магнитов пытались построить вечный двигатель. Английская королева Елизавета попросила своего придворного медика Уильяма Гильберта поехать в Россию и вылечить царя Ивана Грозного от какойто неизвестной болезни. Прибыв в Россию лекарь стал изучать лечебные свойства магнитов. И стал большим специалистом в этой области, хотя царя так и не вылечил. Кстати, после Ньютона, нарисовавшего четкую механистическую картину мироздания, оставались только две пустяковые вещицы, которые в эту картину не укладывались, -- притягивающиеся к железке магниты и электрические явления (например, притягивание бумажек к натертой эбонитовой палочке). Впервые на связь между магнетизмом и электричеством указал Эрстед. На лекции в Копенгагенском университете случайно возле действующей электрической установки оказался компас. При включении тока стрелка компаса поворачивалась к проводнику. Это заметил один студент. Случилось это 15 февраля 1820 года. Эрстед уже через неделю опубликовал работу об этом. Через пять лет английский любитель науки по фамилии Стёрджен вставил стальной стержень в катушку с протекающим по ней током. Так был изобретен первый электромагнит. Электромагнит Стёрджена поднимал груз в 18 раз больше собственного веса. Ученик Стёрджена Джоуль сделал магнит, поднимающий в 200 раз больше собственного веса. Американец Эдисон разработал проект по 13 превращению в электромагнит целой скалы из магнитной руды. Эдисон планировал обмотать скалу проводом и пустить по проводу ток от местной электростанции. Проект так и не был осуществлен. 14 1.6. Жидкие магниты Идея: размолоть железо в такой мелкий порошок, который бы не осаждался в жидкости -- воде, керосине, масле... Тогда получилась бы магнитная жидкость. Осуществить это удалось только в 60-х годах. После целой недели размалывания в шаровой мельнице добились такого тонкого помола порошка феррита, что, будучи засыпанным в смесь керосина и олеиновой кислоты, он уже не осаждался. Это был первый жидкий магнит -- тяжелая черно-бурая жидкость. Если к сосуду с такой жидкостью поднести магнит, она в буквальном смысле лезет на стенку или вздувается бугром. Разлитую на полу, ее можно собрать магнитом. Правда, лучше для этого брать электромагнит. Его выключил - и жидкость стекла в подставленную емкость. А вот постоянным магнитом жидкомагнитную субстанцию лучше не собирать. Магнитную жидкость на основе масла используют в качестве вечной смазки для намагниченных подшипников. Вместо сальников можно использовать жидкомагнитное уплотнение, чуть намагнитив вал в месте его выхода из корпуса лодки. Можно построить герметичный насос для перекачки агрессивных или ядовитих жидкостей. На море образовалась нефтяная пленка, ее можно собрать распылив небольшое количество магнитной жидкости, которая растворится в нефти, а затем нефть собрать мощными электромагнитами. 15 Выводы к главе 1 Не смотря на то, что история земного магнетизма насчитывает болем двадцати веков, человечество еще не знает ответы на многие вопросы,в том числе, и на один из самых главных в этой области науки – возникновение магнитного поля Земли. К счастью, каждый прожитый день дарит нам новые открытия, возможность применения накопленого жизненного опыта и знаний в других областях и сферах жизнедеятельности. И, казалось бы, чем больше человечество познает, тем больше у него вопросов появляется. Магнитное поле Земли привлекает не только ученых-физиков, магнитным явлениям уделяют внимание и писатели, особенно работающие в жанре научной фантастики. В их произведениях вы можно встретить магнитные пушки, башмаки, «прилипающие» к металлической обшивке космического корабля и позволяющие без труда передвигаться в невесомости, другие магнитные диковинки. В известной комедии «Сирано де Бержерак» Эдмон Ростан устами своего героя предложил такой шутливый способ путешествия к Луне: Лечь на железный лист и сильными рывками Магнит подбрасывать, он лист железный с вами Подтянет кверху. Вы опять. Так до Луны и упражняйтесь! Магнетизм и связанные с ним явления интересовали А. Конан-Дойля («Письма доктора Монро»), А.И. Куприна (рассказ «Тост», действие которого происходит в 2906 году), Д. Свифта («Путешествия Гулливера») и многих других писателей. 16 ГЛАВА 2 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ И ЕГО СВОЙСТВА 2.1. Гипотезы возникновения магнитного поля Земли В 1838 г. немецкий учёный Карл Фридрих Гаусс путём строгих математических расчётов показал, что постоянное магнитное поле Земли очень мало зависит от околоземного пространства, а источник магнетизма заключён внутри земного шара, т.е. возникновение магнитного поля Земли связано с протеканием токов в жидком металлическом ядре. Подсчитано, что зона, в которой действует механизм «магнитное динамо» находится на расстоянии 0,25...0,3 радиуса Земли. Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока 17 растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений. Динамо-эффект – самовозбуждение и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой плазмы. Его механизм подобен генерации электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение собственных магнитных полей Солнца Земли и планет, а также их локальные поля, например, поля пятен и активных областей.Следует заметить, что гипотезы, объясняющие механизм возникновения магнитного поля планет, довольно противоречивы и до настоящего времени экспериментально не подтверждены. Достоверно установлено, что магнитное поле Земли чутко реагирует на солнечную активность. В то же время вспышка на Солнце не может оказать заметного влияния на ядро Земли. С другой стороны, если связывать возникновение магнитного поля планет с токовыми слоями в жидком ядре, то можно сделать заключение, что планеты солнечной системы, имеющие одинаковое направление вращения, должны иметь одинаковое направление магнитных полей. Так Юпитер, вращающийся вокруг своей оси в ту же сторону что и Земля, имеет магнитное поле направленное противоположно земному. 18 Предлагается новая гипотеза о механизме возникновения магнитного поля Земли и установка для экспериментальной проверки. Рис. 1. Схема взаимодействия Солнце-Земля: (–) – поток заряженных частиц; Ic – ток Солнца; Iз – круговой ток Земли; Мв – момент вращения Земли; ω – угловая скорость Земли; Фз – магниный поток, создаваемый полем Земли; Фс – магнитный поток, создаваемый током солнечного ветра. На рис. 1 изображена схема Солнце-Земля. Земля (З) вращается вокруг своей оси N-S с угловой скоростью ω. Земля имеет магнитное поле, северный полюс 19 которого находится на южном географическом полюсе. Чтобы получить магнитное поле такого направления, вокруг земного шара, в плоскости перпендикулярной оси вращения Земли, должен существовать устойчивый токовый слой с током IЗ. Назовем его током Земли. Следовательно, над поверхностью Земли должен существовать проводящий слой, по которому должен замыкаться ток IЗ. Такой слой существует – это ионосфера. Рассмотрим каким образом может возникнуть направленный ток IЗ в ионосфере. Солнце, в результате ядерных реакций протекающих в нем, излучает в окружающее пространство огромное количество заряженных частиц больших энергий (энергия частиц солнечного ветра ≈1027...1029 эрг/с) – так называемый солнечный ветер. По составу солнечный ветер содержит, главным образом, протоны, электроны, немного ядер гелия, ионов кислорода, кремния, серы, железа [1]. Частицы образующие солнечный ветер, обладающие массой и зарядом, увлекаются верхними слоями атмосферы в сторону вращения Земли. Таким образом, вокруг Земли образуется направленный поток электронов, движущихся в сторону вращения Земли. Электрон – это заряженная частица, а направленное движение заряженных частиц есть не что иное, как электрический ток. За направление тока принято направление противоположное движению электронов, которое совпадает с направлением тока IЗ. Таким образом, существует ток IЗ, вызванный направленным круговым движением частиц солнечного ветра, увлекаемых круговым движением Земли. В результате наличия тока IЗ возбуждается магнитное поле Земли ФЗ. 20 21 2.2. Создание магнитных обсерваторий В 1952 г. в бывшем СССР был спущен на воду новый немагнитный корабль — шхуна «Заря». Корпус её был изготовлен из сосны и дуба, а все крепления — из немагнитных сплавов (латуни и бронзы). Шхуну оснастили научным оборудованием, позволяющим непрерывно и с высокой точностью регистрировать основные элементы земного магнетизма. По инициативе немецкого естествоиспытателя Александра фон Гумбольдта в XIX в. в разных странах были созданы магнитные обсерватории для постоянной регистрации изменений элементов земного магнетизма. Постоянные записи любой магнитной обсерватории показывают, что земное магнитное поле изменяется со временем. Отмечаются небольшие ежедневные циклические изменения — суточные вариации. Вариации склонения составляют угол в несколько минут, вариации напряжённости земного магнитного поля — около 10−4 Гс (напряжённость магнитного поля измеряется в гауссах — единицах, которые получили название по имени великого немецкого математика Гаусса и обозначаются Гс). Магнит небольшого размера обычно создаёт магнитное поле напряжённостью в несколько десятков гауссов. Земное поле весьма слабое — около 0,3 Гс вблизи экватора и около 0,7 Гс в полярных районах. Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии). За последние 30 млн. лет среднее время между инверсиями составляло 150000 лет. 22 Выводы к главе 2 Магнетизм – всеобъемлющее, глобальное свойство природы, но, к сожалению, мы многого о нем не знаем. Нам неизвестно, например, есть ли монополь – частица с одним магнитным полюсом, наподобие положительных или отрицательных электрических частиц. Законы электродинамики не запрещают существование магнитного монополя, но он пока не обнаружен. До сих пор нет законченной теории земного и солнечного магнетизма, ряда других магнитных явлений в космическом масштабе. Не завершены исследования сверхпроводимости, которую тоже можно отнести к магнетизму. Овладев его тайнами, мы не только решим многие задачи, стоящие перед создателями современной техники, но и поймем, как рождаются и умирают миры в окружающем нас пространстве Вселенной. 23 ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА 3.1. Влияние магнитного поля Земли на живые организмы Интерес к воздействию магнитных полей на человека возник сразу же после открытия этого явления. Как уже упоминалось выше, древние приписывали магниту много чудесных свойств. Считалось, что истолченный в порошок «магнитный камень» хорош как слабительное средство, излечивает от водянки и безумия, останавливает любое кровотечение и выделения из носа, ушей и даже рассасывает раковые опухоли, а принимаемый в определенных дозах гарантирует бессмертие. Правда, рекомендации часто бывали противоречивы. Например, одни лекари считали, что магнит – сильный яд, другие же предлагали его использовать как противоядие. Между прочим, некоторые современные японские фирмы, выпускающие магнитные браслеты, рекламируют их по примеру древних, приписывая своим изделиям массу изумительных качеств: от способности сохранять красоту до излечивания гипертонии, бронхиальной астмы и невралгии. Как показала проверка, проведенная различными лечебными учреждениями, при ношении магнитных браслетов субъективно самочувствие больного улучшается (скорее всего, срабатывает психотерапевтический эффект), тогда как объективные показатели практически не меняются, скажем, кровяное давление остается на том же уровне. Вместе с тем отрицать влияние магнитных полей на живой организм нельзя. Эксперименты на мышах показали, что внешнее магнитное поле задерживает их развитие, замедляет рост клеток, изменяет состав крови. Сильное неоднородное магнитное поле – десять килоэрстед и больше даже способно убить молодые особи. (Аналогичные результаты получены и в опытах с другими животными.) 24 Так как магнитное поле оказывает воздействие на все живое, разработаны допустимые его уровни. Для человека разные исследователи считают безопасным магнитное поле напряженностью 300...700 эрстед. Магнитное поле влияет и на растения. Результаты некоторых опытов показали, что всхожесть и рост семян зависят от того, как первоначально они были ориентированы относительно магнитного поля Земли. Изменение внешнего магнитного поля может или ускорять или угнетать развитие растений. (Это, повидимому, можно использовать в практических целях.) Почему магнитное поле воздействует на человека? На этот счет есть несколько гипотез. Одна из них считает, что магнитное поле влияет на протекание в организме некоторых тонких биохимических реакций. И хотя влияние магнитного поля на химические процессы в последнее время тщательно исследуется, физика этого процесса пока не совсем ясна. Предже необходимо разобраться с классификацией магнитных полей. 25 3.2. Классификация магнитных полей На рисунке показаны магнитные поля, встречающиеся в природе и технике. Чтобы можно было изобразить все это многообразие на одном рисунке, 26 применена логарифмическая шкала – два соседних деления отличаются друг от друга по величине в 10 раз. Единица измерения шкалы носит имя известного шведского физика X.К. Эрстеда. Напряженность магнитного поля в эрстедах указывается в системе СГС (сантиметр, грамм, секунда), в Международной системе единиц (СИ) она измеряется в амперах на метр (А/м). Эти две единицы связаны между собой соотношением: 1 эрстед = 79,5775 А/м, то есть для того, чтобы получить значение напряженности магнитного ноля в системе СИ, надо величину, указанную на рисунке, разделить примерно на 80. Слабые магнитные поля, например, вариации геомагнитного поля, измеряют в гаммах – одной стотысячной доле эрстеда (1 γ = 10–5 эрстед). Рассматривая рисунок, вы увидите, что самые сильные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звездами и пульсарами. В лабораториях удается достичь магнитной напряженности в сотни тысяч раз более слабой, да и то на очень короткое время, измеряемое долями секунды. Если можно было бы воспроизвести в лабораторных условиях поля, сравнимые с теми, которые создаются нейтронными звездами, то мы стали бы свидетелями удивительных явлений. Например, железо, имеющее плотность 7,87 г/см3, под действием такого поля превратилось бы в вещество с плотностью 2700 г/см3. Кубик с ребром 10 см из такого вещества, аккуратно положенный на стол, тут же проломил бы его крышку. На рисунке указаны средние значения магнитных полей. Например, напряженность поля Земли меняется от 0,24 эрстед (в Бразилии) до 0,68 эрстед (в Антарктиде). Поэтому считается, что геомагнитное поле равно 0,5 эрстеда. (Бывают и аномалии, скажем, Курская магнитная, где напряженность равна 2 эрстеда.) Также в определенных пределах лежат магнитные поля практически всех известных нам объектов и явлений. 27 28 3.3. Магнитные бури Еще в средние века мореплаватели обратили внимание, что бывают дни, когда стрелка компаса вдруг начинает беспорядочно колебаться в продолжение нескольких часов или нескольких суток, делая компас совершенно непригодным для навигационных расчетов. Это явление моряки и окрестили магнитной бурей. Магнитное поле Земли - фактор воздействия среды обитания на человека и живых существ. Действия геомагнетизма на здоровье человека может быть благоприятным и неблагоприятным в зависимости от силы воздействия. У истоков изучения этого явления стоял выдающийся биолог А. Л. Чижевский (1897-1964), основоположник науки гелиобиологии. Учёный утверждал, что происходящие на Земле природные «буйства» (землетрясения, извержение вулканов и др.) и многие социальные события (эпидемии, войны, голодные моры) в значительной степени зависят от 11-летнего цикла солнечной активности и солнечных бурь, вызывающих на Земле бури магнитные. Магнитное поле Земли служит защитой от солнечного ветра, но часть заряженных частиц способна проникать внутрь магнитосферы. Это происходит в основном в высоких широтах, ближе к полюсам. В беседах с К.Э. Циолковским он доказывал, что магнитные бури влияют на состояние нервное системы, которая является их своеобразным «приёмником». И нервы, и головной мозг – очень чувствительные «приёмники» и реагируют с большой быстротой. Нет никого, кто был бы свободен от воздействия геомагнитного поля. Открытия учёного опередили науку почти на столетие. 29 Отмечено, что ухудшение самочувствия больных может происходить сразу после солнечной вспышки и через сутки - с началом магнитной бури на Земле. Это объясняется тем, что спустя примерно 8 минут от начала солнечной вспышки рентгеновское, электромагнитное излучение достигают атмосферы Земли и вызывают процессы, которые влияют на функционирование организма, а примерно через сутки доходят корпускулярные потоки электронов, протонов, ядер гелия - несущие наибольшую энергию и начинается магнитосферная буря. Теория магнитных бурь была развита С.Чапменом, В.Ферраро, Х.Альфвеном, С.Зингером, А.Десслером, Е.Паркером и другими. 30 3.4.Солнце и космическая погода Солнце, как основной источник энергии и возмущений, распространяющихся к Земле сквозь межпланетную среду, гелиосфера, формируемая истекающими из Солнца потоками солнечной плазмы с вмороженным в них межпланетным магнитным полем, и окружающая Землю околоземная космическая оболочка, ограниченная магнитным полем Земли, являются составными частями сложной и чрезвычайно динамичной системы Солнце-Земля. Мы живем внутри этой системы и все многообразие процессов, протекающих внутри этой системы, влияет на нас самым непосредственным образом. Солнце является источником солнечного ветра, который представляет собой поток очень горячего ионизованного газа, непрерывно истекающего от Солнца в сторону Земли (и далее в межпланетное пространство) со скоростью более чем 500 км в секунду, то есть почти 2 миллиона километров в час. Поток этот мог бы представлять смертельную опасность для жизни на нашей планете, если бы мог достичь поверхности Земли. К счастью, наша планета - одна из немногих, которые обладают собственным сильным магнитным полем (магнитосферой). Поле это является непреодолимым препятствием для быстрых заряженных частиц, составляющих основу солнечного ветра, и останавливает их на большой высоте. В полярных областях, где линии магнитного поля направлены в сторону Земли, ускоренные на Солнце частицы получают возможность проникнуть намного ближе к поверхности. Благодаря этому мы можем наблюдать там одно из красивейших природных явлений - полярные сияния. Тем не менее, хотя солнечный ветер и не может проникнуть непосредственно к Земле, он при 31 взаимодействии с земной магнитосферой возмущает и раскачивает ее. Это явление - возмущение земной магнитосферы при взаимодействии с солнечным ветром - получило название магнитных бурь, которые, как известно, могут оказывать влияние на здоровье и самочувствие людей. Помимо солнечного ветра, существенную опасность представляют вспышки на Солнце, во время которых излучаются значительные потоки ультрафиолетового и рентгеновского излучения, направленного в том числе и в сторону Земли. И хотя это излучение почти полностью поглощается газами земной атмосферы, оно представляет опасность для всего, что находится над поверхностью Земли, то есть может повредить спутники и угрожать здоровью космонавтов. И если мы заглянем в будущее, когда перед человечеством возникнет задача освоения Луны, Марса и возможно других планет Солнечной системы, не защищенных ни атмосферой, ни магнитным полем, то увидим, что реализация этой задачи невозможна без учета всех описанных эффектов космической погоды и без умения их предсказывать и от них защищаться. Предсказать магнитную бурю реально за сутки. Иногда, при особо сильной вспышке, за 12 часов. Это минимум. А максимум -- магнитную бурю можно спрогнозировать за 27 суток. За 27 дней Солнце оборачивается вокруг своей оси, вновь поворачиваясь к Земле тем же бочком, той же точкой, в которой произошло взрывное возмущение, выбросившее к Земле поток частиц. Если возмущение еще не затихло, Землю опять облучит мощным потоком солнечного ветра 32 3.5. Магнитные бури, погода и здоровье Выполненное учеными исследование подтвердило отрицательное влияние магнитных бурь на состояние здоровья пациентов, страдающих сердечнососудистыми заболеваниями. Они ухудшают состояние людей с патологией сердечно-сосудистой системы. Исследование, о котором идет речь, было выполнено специалистами Российского Университета дружбы народов и Института космических исследований при поддержке американского агентства NASA. С помощью электронной микроскопии оценивалась зависимость состояния кардиомиоцитов кроликов от нестабильности магнитного поля Земли. Оказалось, что во время магнитных бурь увеличивается вязкость крови, развивается состояние гиперкоагуляции, повышаются местная концентрация адреналина и выраженность тканевого отека. Кроме того, было установлено, что из 89 тысяч случаев инфаркта миокарда, зарегистрированных в московских больницах за трехлетний период, 13% были связаны с магнитными бурями. Ученые даже предложили оборудовать машины скорой помощи специальными приборами, реагирующими на возмущение магнитного поля Земли. Как правило, магнитные бури отмечаются 2-3 раза в месяц, несколько чаще — в странах, удаленных от экватора. У здоровых людей во время магнитных бурь самочувствие не меняется. Ударная волна солнечного ветра через сутки после вспышки на Солнце достигает орбиты Земли и начинается магнитная буря. Тяжелобольные явно реагируют с первых часов после вспышки на Солнце, остальные - с момента начала бури на Земле. Общее для всех - изменение биоритмов в эти часы. Из всех заболеваний наиболее зависимы от воздействия магнитосферных бурь - сердечно-сосудистые (ишемическая болезнь сердца, повышенное или пониженное артериальное давление) Во время магнитной бури возможно нарушение биоритмов организма, увеличение числа несчастных случаев и 33 травматизма что объясняется изменениями в деятельности центральной нервной системы (увеличивается время реакции на внешние раздражители) Установлено, что во время магнитной бури образуются агрегаты кровеносных телец (у здоровых людей в меньшей степени), то есть кровь густеет. Из-за такого сгущения крови ухудшается кислородный обмен, и первые, кто реагирует на нехватку кислорода — это мозг и нервные окончания. Число случаев инфаркта миокарда увеличивается на следующий день после вспышки (примерно в 2 раза больше по сравнению с магнитоспокойными днями). В этот же день начинается магнитосферная буря, вызванная вспышкой. У абсолютно здоровых - активируется иммунная система, может быть увеличение работоспособности, улучшение настроения. Дети во время магнитной бури иногда ощущают дискомфорт, который они не могут объяснить. Иногда может подниматься температура. После окончания экстремальной ситуации самочувствие приходит в норму. В Московской медицинской академии им. Сеченова обнаружили, что магнитные бури у кардиологических больных подавляют выработку меланина - гормона, который «работает» антиоксидантом, укрепляет иммунитет и отвечает за суточные биоритмы. Недостаток меланина может привести к серьезным поломкам в организме. Примечание: геомагнитный штиль, продолжающийся подряд несколько дней или больше, действует на организм городского жителя, по многим параметрам, как и буря - угнетающе, вызывая депрессию и ослабление иммунитета. Лёгкий "дребезг" магнитного поля в пределах Кр = 0 - 3 помогает легче переносить перепады атмосферного давления и других метеофакторов. Большинство людей никак не связаны со спокойной геомагнитной обстановкой, но на магнитные бури реагируют сходно и массово от 50 до 75% населения земного шара. Момент начала стрессовой реакции может сдвигаться относительно начала бури на разные сроки для различных бурь для конкретного 34 человека. Обращает на себя внимание, что многие люди начинают реагировать не на сами магнитные бури, а за 1-2 дня до них, тое есть в момент вспышек на самом Солнце. Сергей Черноус, ученый из Полярного геофизического института Кольского научного центра РАН, выяснил, что так или иначе на магнитные бури реагируют 60 процентов людей! И ведь его «подопытными» были закаленные полярники, авиаторы Северного флота! Чаще всего у них «хандрили» сердечный ритм и вегетативная нервная система. 35 3.6. Уменьшение влияния магнитных бурь на организм человека Газетные информации о предстоящих неблагоприятных по геофизическим факторам днях популярны у читателей не случайно. Сопоставив данные за последние 20 лет, ученые проследили, как число вызовов «скорой помощи» зависит от погодных факторов. Выяснилось: в дни магнитных бурь к врачам «скорой» по поводу сердечно-сосудистых патологий люди обращаются втрое чаще! При этом число инфарктов в такие дни увеличивается на 47%, инсультов – на 7,5%, а приступов стенокардии – в полтора раза. И еще, женщины, по статистике, подвержены метеозависимости значительно чаще мужчин. В качестве примера взят прогноз геомагнитной возмущенности за 8 и 9 марта текущего года. На информере – диаграмма Kp-индекса геомагнитной возмущенности и магнитные бури (если Kp=5 или выше - вертикальные линии). Уровень, с 36 которого вероятны заметные влияния на здоровье метеочувствительных людей (Kp=7) отмечен горизонтальной линией. Принята следущая градация величин Kp-индекса: Kp = 0-1 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa спoкoйнaя (штиль); Kp = 1-2 – геoмaгнитнaя oбстaнoвкa oт спoкoйнoй дo слaбoвoзмущеннoй; Kp = 3-4 – oт слaбoвoзмущеннoй дo вoзмущеннoй; Kp = 5-6 – магнитная буря; Kp = 7-8 – большая магнитная буря; возможны аварии, ухудшение самочувствия у метеозависимых людей Kp = 9 – максимально возможная величина Исходя из данной информации,видно, что в 18 часов 9 марта происходила, так называемая, магнитная буря. Более подробный анализ геомагнитной возмущенности будет рассмотрен в следующем разделе. Приведу ряд профилактических мер, которые когут помочь уменшить влияние магнитных бурь: Лечить не метеочувствительность, а её причину - болезнь. Дополнительные средства - нелекарственная терапия, лечение травами. Для стабилизации биоритмов - режим дня (работы, отдыха, приёма пищи). Лечебное действие имеют, так же, интересная работа и активный отдых Учитывать прогноз геомагнитной обстановки на ближайшую неделю, календарь ближайших неблагоприятных для здоровья дней (магнитных бурь). Сезонная профилактика в периоды года с резкими сменами погоды (лечебная физкультура, закаливающие процедуры, медикаментозная профилактика). 37 Не бояться. Страх перед «плохой» погодой может только ухудшить самочувствие. Молодой и здоровый организм легко приспосабливается и хорошо переносит бури. О долгосрочных прогнозах неблагоприятных дней. Учёными был проведён эксперимент. Две группы абсолютно здоровых молодых людей вели дневник, ежедневно фиксируя свое самочувствие. Причём, одна группа знала о "неблагоприятных" днях (по прогнозам доктора Хаснулина из Новосибирска), а другая нет. Большинство из второй группы чувствовали себя здоровыми. У предупрежденных, именно в указанные дни ухудшалось самочувствие. То есть, возникал эффект внушения. Конечно, аномальные дни бывают, но абсолютный, стопроцентный прогноз, даже на месяц вперёд, не то что на год - современная серьёзная наука не даёт. Поэтому, важна информация о фактической геомагнитной обстановке В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ, С ГЕОМАГНИТНЫХ ОБСЕРВАТОРИЙ и магнитовариационных станций - НА СЕГОДНЯ-ЗАВТРА. Такой подход является более эффективным, без провоцирования массовых психозов при долгих ожиданиях предсказанных неблагоприятных дней 3.7 Организация эксперимента и результаты исследования 38 Для проведения эксперимента была организована группа добровольцев: В. течение короткого времени ими выполнялось 20 приседаний. До и после физических упражнений у участников эксперемента замерялись пульс и артериальное давление. Эти упражнения выполнялись ежедненвно в одно и то же время суток, при этом добровольцы не изменяли свой образ жизни. Эксперимент проводился в период с 21 по 28 сентября. Испытуемые не знали, что 25-26 сентября был всплеск геомагнитной возмущенности. Я сравнила результаты тестирования во время геомагнитного возмущения с результатами в нейтральные дни. Только у одного участника эксппримента, считающего себя здоровым, были отклонения от нормы. Все остальные участники, страдающие тем или иным заболеванием сердечно-сосудистой системы, показали ожидаемые результаты, т.е отклонение от нормы, чем можно подтвердить их метеозависимость.Единственное расхождение результатов у этой группы участниковзаключается в том, что разные люди реагируют на магнитные бури в различное время: одни плохо себя чувствуют за два-три дня до ее начала, другие - во время шторма, третьи - через сутки - двое после. Понаблюдайте за своим состоянием, сверяясь с прогнозом геомагнитной обстановки, - чтобы понять, когда недомогание настигает именно вас. 39 Также был взят журнал с записями обращений к школьному медработнику (ЯУВК «Школа-лицей №9»).в период с 11 сентября по 16 сентября 2009 года. дата 11.09 число с жалобами на обратившихся головную боль 10 чел. 3 человека с жалобами на головокружение __________________- 14.09 17 чел. 8 человек 2 человека 15.09 12 чел. 8 человек 16.09 9 чел. 8 человек 2 человека, 1с носов. кровотечением 3 человека Исходя из графика геомагнитных возмущений за этот же период видно, что количество людей, обратившихся за помощью к медработнику розросло пропорционально росту геомагнтных возмущений. Такие несложные наблюдения показывают, что влияние магнитных бур на жизнедеятельность организма человека существует и указывает на указывает на целесообразность дополнения системы медицинского контроля за учащимися. Думаю, что эти данные когут представлять интерес для специалистов кардиологов в плане прогнозирования возможности развития аритмий у подверженных риску людей. Выводы к главе 3 40 Люди реагируют на магнитные бури по-разному. По мне нию некоторых специалистов, организм впадает в стресс, мобилизует все силы для борьбы. Так что метеозависимость - один из способов борьбы за выживание! В настоящей работе впервые показано наличие специфического влияния геомагнитных возмущений на систему вегетативной регуляции кровообращения. Можно сделать вывод о том, что магнитные бури, как во время их непосредственного воздействия, так и в период последействия (ближайшие 24 ч) вызывают существенные изменения вегетативной регуляции сердечного ритма. Результаты исследований показывают, что наблюдаемые изменения вполне соответствуют ранее высказанной гипотезе о том, что одной из "мишеней" при воздействии геомагнитного поля Земли на организм человека является система регуляции сосудистого тонуса. Изменения системы являются вторичными и могут рассматриваться как неспецифические. Вместе с тем, так называемые специфические и неспецифические изменения являются единой взаимосвязанной реакцией механизмов регуляции кровообращения на воздействие внешнего стрессорного фактора - магнитной бури. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41 В направлении «Магнетизм Земли и планет» проводятся исследования во всех направлениях, начиная с разработки магнитометрической аппаратуры, проведения измерений магнитного поля путем наземных, аэростатных и спутниковых съёмок, наблюдений вариаций поля в магнитных обсерваториях, а также измерения магнитных полей солнечной системы с помощью космических зондов. Полученные таким образом данные служат основой для изучения пространственно-временных характеристик магнитного поля Земли и планет, а также для изучения процессов в ядре Земли и генерации поля в рамках теории гидромагнитного динамо. Взаимодействие магнитного поля Земли с солнечным является ещё одной фундаментальной проблемой, а именно проблемой солнечноземной физики. Подразделения направления магнетизма Земли и планет проводят исследования магнитосферы и ионосферы нашей планеты. В начале XX века российский ученый Александр Чижевский (1897 - 1964) впервые высказал идею о влиянии солнечной активности на живых существ и социальные процессы. К метеочувствительным людям относятся в основном те, у кого имеются проблемы с сердечно-сосудистой системой или страдающие нервно циркуляторной (вегетативной ) дистонией. В периоды изменения атмосферного давленя может изменяться сосудистый тонус - возникать спазмы сосудов при повышении даввления или наоборот, расширение сосудов и падение артериального давления - при низком атмосферном давлении. Сосудистый тонус определяет снабжение кислородом органов, и при низком давлении можно чувствовать себя, как на высокой горе - будет не хватать кислорода. Следовательно необходимо принимать меры, способствующие нормализации сосудистого тонуса . В заключении, чтобы не быть односторонней, замечу, что у сторонников теории влияния магнитных бурь на человека есть и противники, которые 42 придерживаются идеи, что гравитационные возмущения, связанные с изменением взаимного расположения Земли, Луны и планет солнечной системы, не идут ни в какое сравнение с теми возмущениями, которым люди подвергаются в обычной жизни (тряска, ускорения и торможения в общественном транспорт, резкий спуск и подъем и т. д.). СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 43 1. Авдюшин С. И. , Данилов А. Д. Рассказ о космической погоде, СанктПетербург, Гидрометеоиздат, 1993. 2. Баевский Р.М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М.: Медицина. 1979. 295 с. 3. Брагинский С. И., Об основах теории гидромагнитного динамо Земли, «Геомагнетизм и аэрономия»,1967, 4. Карасик В. Р., Физика и техника сильных магнитных полей, М., 1964 5. Кнопфель Г., Сверхсильные импульсные магнитные поля, перевод с английского, М., 1972 6. Кольм Г., Фриман А., Сильные магнитные поля, «Успехи физических наук», 1966, т. 88, в. 4, с. 703 7. Копанев В.И., Шакула А.В. Влияние гипогеомагнитного поля на биологические объекты. Л.: Наука. 1985. 72 с. 8. Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 6 изд., М., 1973(Теоретическая физика, т. 2) 9. Монтгомери Б., Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов, перевод с английского, М., 1971 10. Парселл Э., Электричество и магнетизм, перевод с английского, М., 1971 (Берклеевский курс физики, т. 2) 11. Тамм И. Е., Основы теории электричества, 8 изд., М., 1966 12. Хабарова Ольга Валерьевна"Биомедицинские технологии и радиоэлектроника". 2002, №2, с. 25-39 13. Чижевский А.П. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль. 1976. 367 с. 44 14. Яновский Б. М., Земной магнетизм, т. 1—2, Л., 1963—64 15. http://forecast.izmiran.ru/ 16. www.tesis.lebedev.ru
