2. Естественные и искусственные источники электромагнитных полей в средах обитания организмов

   1. Электрическое поле Земли

В атмосфере Земли существует электрическое поле Е_а, 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 Е_а = 130 В/м. С увеличением расстояния от поверхности Земли Е_а убывает по экспоненте, составляя около 5 В/м на высоте примерно 9 км.

Величина Е_а 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.

2. 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.