Магнитные бури

Когда по улицам мчатся машины неотложной помощи, чтобы помочь людям с сердечным приступом, и, к сожалению, порой не успевая помочь, то полезно помнить, что в этих несчастьях виноваты не только «неотложки». Когда работники ГИБДД «сбиваются с ног», пытаясь хоть как-то наладить обстановку на улицах города при непрерывно поступающих сообщениях о дорожно-транспортных происшествиях (ДТП), то тоже полезно помнить, что в этих ДТП виноваты не только водители и ГИБДД. Когда, как будто по чьему-то злому умыслу, начинаются «глюки» у компьютеров, а некоторые из них вообще выходят из строя, то опять же полезно помнить, что в этом виноваты не только «взломанные» программные продукты. Когда в очередной раз мы слышим о террористических актах, то воспринимаем их просто как чью-то злую волю, что опять же не совсем верно. В последние годы учёные всё чаще и чаще говорят о роли магнитных бурь в жизни отдельных людей и общества в целом.

О магнитных бурях сейчас уже сообщают по радио и телевидению. «Сердечникам» предлагают принять лишнюю таблетку во избежание неприятных осложнений. Но не более того. Никто не выделяет лишние «неотложки», не вызывает на работу добавочные бригады врачей, не расставляет по улицам усиленные посты ГИБДД. А было бы намного лучше, если бы муниципальные службы реагировали на сообщения о магнитных бурях подобным образом.

И не только муниципальные службы. Ведь если Гидрометслужба даёт «штормовое предупреждение», то на него реагируют как муниципальные организации различного уровня, так и аэропорты, и морские порты и т.д. А ведь магнитные бури ничуть не легче по последствиям. Просто они не видны так, как штормы, где ветер, морские волны, ливни и прочие неприятности. Эти бури – возмущения магнитного поля Земли (геомагнитного поля, ГМП), а видны они обычному глазу лишь в виде полярных сияний.

Последствия воздействий магнитных бурь выявляются чаще всего статистическими методами. Для оценки интенсивности бурь обычно используют так называемые K-индексы. Кроме того, поскольку магнитные бури на Земле обычно формируются в результате процессов на Солнце, то часто используются характеристики солнечной активности – относительное число солнечных пятен W и суммарная площадь этих пятен S (подробнее см. ниже).

В таблице представлены коэффициенты корреляции между различными видами сердечно-сосудистых катастроф и гелиогеофизическими факторами, вычисленные по Иркутску за период 1956–1964 гг. [1]. Аналогичные данные были получены при анализе сердечно-сосудистых катастроф в г. Киеве в 1966 г. (1585 случаев). Обобщённый коэффициент корреляции с возмущениями ГМП составил 0,89±0,09 при уровне значимости 0,02 [2].

Здесь следует пояснить, что коэффициент корреляции – это широко распространённая характеристика связи между процессами. Он может меняться от –1 до +1. Уровень значимости характеризует степень доверия к полученным результатам. В частности, доверие к данным по Киеву достигает 98%. Добавка «±» означает оценённую погрешность определения коэффициента корреляции.

Таким образом, получается, что доминирующее влияние на сердечно-сосудистые катастрофы оказывают возмущения ГМП, характеризуемые локальным K-индексом. Лишь при приступах стенокардии проявляется повышенная связь с числом солнечных пятен W (об этих характеристиках см. ниже).

В качестве ещё одного примера исследовавшихся связей между возмущениями ГМП и социально значимыми эффектами следует привести работу [3]. Исследователями из Национального института геофизических исследований (Индия) проводился статистический анализ транспортных аварий на дорогах в их связи с K-индексами. В качестве объектов исследования были выбраны города Хайдарабад и Секундерабад с населением в нескольно миллионов человек. Изучались аварии за период 1965–1969 гг., причём только те, которые официально были зарегистрированы отделом транспортной полиции. Установлена достоверная связь между указанными явлениями – коэффициент корреляции составил +0,74 при уровне значимости 0,05. Общий анализ данных показал, что 83% магнитоспокойных дней (сумма K-индексов 15 ) свободны от ДТП, в то время как для 81% магнитовозмущённых дней (сумма K-индексов 25 ) характерны транспортные аварии и катастрофы.

В целом, по результатам исследований, выполненных в разных странах и городах (Р.Рейтер, Мюнхен; К.Вернер, Гамбург; И.Эрмени, Венгрия; В.П.Десятов, СССР; Масамура, Япония), можно сделать вывод, что в магнитоактивные дни количество ДТП резко возрастает. При этом резко возрастает и детский травматизм.

Казалось бы, ну и что? Это всё наука, мол, а для конкретного человека, может быть, важнее холодно или тепло на улице, что надо надеть самому, и что надеть ребёнку. А все эти магнитные бури, говорят, плохо влияют лишь на больных людей, например, уже перенёсших инфаркт, мы же с ребёнком вполне здоровы. Это заблуждение. Магнитные бури действуют на всех.

Как возникают магнитные бури

Как уже отмечалось выше, магнитные бури на Земле возникают из-за повышения активности некоторых зон на Солнце. Чтобы всё это пояснить, необходимо сказать: мы живём в атмосфере Солнца. Кстати, именно так называется первая глава замечательной книги [4], написанной широко известными специалистами в области поиска связей «космос–биосфера».

Изменения активности Солнца выявляются при наблюдениях в оптическом диапазоне по так называемым пятнам. Эти пятна обычно располагаются группами. По современным представлениям, они являются трубками силовых линий магнитного поля, которые в сечении и выглядят пятнами. Они как бы всплывают из глубинных слоев Солнца в результате конвекции. Температура пятен ниже, чем температура окружающих областей, поэтому они выглядят тёмными.

У каждой магнитной трубки, естественно, должно быть два полюса – северный и южный. Современные технологии позволяют экспериментально установить их расположение. В популярном изложении получается, что трубка выходит на поверхность торцами некоторого «подковообразного магнита» с соответствующими полюсами. «Магниты» располагаются вдоль параллелей на диске Солнца, причём их полярности в северном и южном полушариях Солнца противоположны, рис. 1 [4].

Рис. 1. Распределение магнитных полюсов в «трубках» солнечных пятен [4]

Здесь привычными буквами N и S обозначены «полюсы» магнитов. И это ещё не всё. До сих пор остаётся загадкой смена расположения через наиболее значимый и известный цикл изменений солнечной активности – 11 лет. Так, в начале ХХ в. в северном полушарии Солнца «ведущим» был N-полюс, а в южном, наоборот, S-полюс. Примерно в 1913 г. расположение поменялось, такие «переполюсовки» происходят каждые 11 лет. К этому следует добавить, что у Солнца северный и южный магнитные полюсы тоже периодически меняются.

Кроме пятен важное значение для Земли имеют протуберанцы – выбросы в окружающее пространство солнечного вещества (плазмы). Вещество может возвращаться обратно – это наблюдается как повисшая над Солнцем «дуга». Либо его скорость достаточно велика, чтобы оторваться от Солнца и начать распространяться, пересекая и орбиту Земли (рис. 2). При распространении сильно падает плотность и, естественно, исчезает свечение.

Солнечная активность определяется чаще всего через числа Вольфа W. Для ряда задач интересны также суммарная площадь солнечных пятен, радиоизлучение Солнца в различных диапазонах и т.д. Изменения солнечной активности влекут за собой изменения характеристик так называемого солнечного ветра. Здесь следует снова напомнить, что мы живем в атмосфере Солнца, а значит, этот ветер, конечно же, действует на атмосферу Земли. Солнечный ветер – это поток высокоэнергетических частиц, его плотность – от 0,1 до 140 частиц в кубическом сантиметре. Большинство частиц обладают электрическим зарядом, это преимущественно протоны.

Велика ли плотность солнечного ветра? Смотря для чего. Для космических систем, мчащихся со скоростью около 8 км/с, это большая плотность. Тем более, если учитывать плотность земной атмосферы на высоте полёта этих систем. А для нас с вами, конечно, мало – дышать нечем. Да и кислорода нет. К каким же бедствиям приводят штормы в этом солнечном ветре?

Отступление от темы. Бедствия на МКС

Тем, кто постоянно слушал «Новости», например, по ОРТ, возможно, запомнились неожиданные сообщения. «Во время сильной магнитной бури международная космическая станция (МКС) упала на несколько километров». Ого, подумает дотошный слушатель, а завтра, что ли, она вообще на Землю упадёт? Этакая многотонная конструкция?

Да уж, не без этого. Дело в том, что плотность солнечного ветра в периоды магнитных бурь резко возрастает. Скорость космического аппарата очень уж велика, а, как известно из школьной физики, сопротивление движению пропорционально плотности среды и квадрату скорости движения тела. То есть причина не в самих магнитных бурях. А именно в солнечном ветре. Попробуем разобраться с взаимодействием солнечного ветра с земной атмосферой.

Солнечный ветер и магнитосфера Земли

Во-первых, что такое земная атмосфера? Привычное представление – это воздух, которым мы дышим. Это неверно. Земная атмосфера простирается очень далеко. Как минимум, вплоть до орбиты Луны. Просто плотность её очень сильно уменьшается с удалением от земной поверхности.

Поток заряженных частиц солнечного ветра приводит к изменениям в верхних оболочках атмосферы. Самой верхней из них является магнитосфера. Она имеет очень сложную форму (рис. 3).

Рис. 3. Схема взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли: 1 – магнитопауза; 2 – геомагнитный экватор; 3 – ударная волна; 4 – области захваченной радиации; 5 – нейтральный слой; 6 – зона полярных сияний; 7 – линии магнитного поля

Здесь изображены магнитные силовые линии: впереди как бы «подушка», на которую набегает солнечный ветер, а в противоположной стороне – шлейф. Сама Земля – маленький вращающийся шарик внутри.

Летящие в солнечном ветре заряженные частицы отклоняются силовыми линиями магнитосферы к полюсам. То есть выступающая вперед «подушка» как бы защищает большую часть территории Земли от бомбардировки этими частицами. Но абсолютного щита не получается. Энергия частиц в некоторых ситуациях настолько велика, что они пронизывают «подушку» насквозь и попадают в любое место. Тем не менее бльшая часть потока частиц направляется в приполярные области. Взаимодействие частиц с магнитосферой и с более низкими слоями, ионосферой и стратосферой, очень непростое. Если сильно упрощать, то, во-первых, взаимодействие с магнитным полем приводит к возмущениям характеристик этого поля, что, собственно, и считается магнитной бурей. Во-вторых, при повышенной энергии частиц верхние слои атмосферы (на высотах примерно 100 км) ионизуются, и возникают полярные сияния, некоторые – фантастичнее многих лазерных шоу.

На высоте 100 км расположена уже ионосфера. Таким образом, всё происходящее вблизи поверхности Земли определяется сложными электрофизическими процессами в магнитосфере и частично в ионосфере, т.е. довольно далеко. Однако эти процессы настолько мощные и объёмные, что их последствия в биосфере проявляются со всей определённостью в любом месте земного шара.

Действительно, в любом. Конечно, в тропиках магнитные бури проявляются слабее, чем в приполярных областях. Однако в приводившихся выше примерах анализа ДТП в Индии и Японии роль этих бурь выражена весьма сильно. Действительно, магнитосфера, преимущественно формирующая бури, настолько велика, что любые изменения в её структуре (в том числе – деформация передней подушки, см. рис. 3) сильно сказываются на жизнедеятельности тех сверхкрохотных существ (в том числе и нас с вами), которые составляют биосферу Земли.

Выделяют магнитные бури с внезапным началом и с постепенным началом. Первые возникают из-за того, что от Солнца отрывается плазменное облако, и Земля в него попадает. Второй вид бури формируется, когда Земля в своём движении по орбите входит в высокоскоростную струю солнечного ветра. В литературе отмечается некоторое различие реакций биологических объектов на эти виды бурь.

Кроме собственно магнитных бурь биологическое значение имеют характеристики межпланетного магнитного поля (ММП). На Земле регистрируются четыре сектора ММП (рис. 4).

Рис. 4. Схематичное изображение секторной структуры ММП. Направление силовых линий в секторах показано жирными стрелками. Тонкие стрелки – направление солнечного ветра

Это поле формируется Солнцем. В каждом секторе своя полярность, т.е. направление силовых линий. Изменения в регистрируемых характеристиках магнитного поля Земли очень малы при смене сектора ММП, однако во многих экспериментах однозначно устанавливается связь биологических или физико-химических процессов с прохождением границ секторов. Механизм этой связи остаётся необъяснённым, существуют лишь предположения, что смена направления силовых линий отвечает за образование вихревой структуры на границах [4].

Интенсивность возмущений ГМП определяется как прямыми измерениями индукции составляющих геомагнитного поля, так и с помощью различных индексов. Например, Институт земного магнетизма и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН) представляет результаты измерений в виде вариаций индукции (отклонений от среднего значения) по трём компонентам – H, D и Z (соответственно меридиональной, широтной и высотной, рис. 5).

Рис. 5. Возмущения ГМП (с сайта ИЗМИРАН)

Кроме того, вверху даны значения наиболее распространённого в геофизике K-индекса – так называемого локального K-индекса (K_max= 9). Он определяется непосредственно по данным обсерватории, выполняющей измерения, и характеризует происходящие геомагнитные возмущения в данной точке за каждые три часа по универсальному мировому времени (UT). Магнитные бури – это возмущения при K 4 амплитудой свыше 50 нТл. Видно, что магнитные бури наблюдались в начале представленного суточного периода (K = 5) и в конце (K = 4).

Кроме локальных индексов геофизики вычисляют общепланетарные индексы: K_p, A_p и др. С этими характеристиками лучше познакомиться в специальной литературе.

Естественно, что интересы Москвы и её окрестностей не исчерпывают забот всех россиян. С большим сожалением приходится констатировать, что большинство российских обсерваторий не представляют свои результаты в свободную базу данных интернет. Для северо-запада России можно получать лишь данные Финляндии и частично российской обсерватории Ловозеро. Данные собираются в финской обсерватории Соданкюля (SOD). Размещение магнитометрических станций в Финляндии представлено на рис. 6.

Рис. 6. Сеть магнитометрических станций, данные которых поступают в обсерваторию Соданкюля (Финляндия)

Информация от этих станций постоянно поступает в центр сбора данных SOD и размещается на сайте www.sgo.fi. Для примера такие данные представлены на рис. 7. Кривые похожи на результаты обсерватории ИЗМИРАН, лишь не указаны K-индексы.

Рис. 7. Характеристики геомагнитного поля, полученные в обсерватории Соданкюля (Финляндия). Магнитные бури – в начале и в конце записи

Продолжение темы. Ожидается магнитная буря

Как уже отмечалось выше, многие воспринимают сообщение об ожидаемой магнитной буре как нечто, не касающееся их лично. По принципу «Я вполне здоров, инфарктов у меня не было и пока не будет, занимаюсь спортом и пр.». А значит, сообщение адресовано совсем другим – пожилым, просто больным и т.д.

Но, как известно, абсолютно здоровых людей не бывает. Невосприимчивость к магнитным бурям тоже весьма относительное понятие. И дело даже не в прямом воздействии бурь на организм. Часто бывает косвенное воздействие: через психику окружающих людей («Мама воспринимает бури, раздражена, вот и поругались»). И что-либо подобное.

Особенно интересно воздействие через симбионтов. Например, нашим симбионтом являются энтеробактерии. Они «хорошие», без них мы не можем нормально жить. Но вот группой медиков под руководством К.А.Чернощёкова в Томском государственном военно-медицинском институте было установлено, что во время магнитных бурь энтеробактерии могут мутировать. Причём даже удалось обнаружить эффект «взрывных мутаций». При этих процессах образуются патогенные (т.е. очень вредные для нас) формы. Следствие – энтероколит (в бытовом варианте – понос).

В нашей экспериментальной лаборатории были проанализированы данные о поступлении больных в городскую инфекционную больницу Санкт-Петербурга. Фиксировались больные с диагнозом при выписке энтероколит, дизентерия. Ряды содержали ежедневные данные за два года. Приводить здесь результаты специальных видов анализа (спектральный, кросс-спектральный), видимо, нецелесообразно. Однако интересно посмотреть фрагмент, показывающий корреляцию количества поступления больных и характеристик геомагнитных возмущений (рис. 8). Не правда ли, впечатляет? Конечно, это очень удачный фрагмент. В другие периоды похожесть может быть хуже. Однако при статистическом анализе выявляется очень сильная связь между этими процессами.

Рис. 8. Корреляция кривой количества ежедневного поступления больных энтероколитом 1 и кривой суммарного суточного значения общепланетарного индекса магнитных возмущений K_р. (Для большей наглядности количество заболевших умножено на 10.)

Следует отметить, что в летние месяцы число больных сильно возрастает в связи с естественными обстоятельствами, названными нами эффектом немытого винограда, но с геомагнитными возмущениями связаны лишь вариации числа поступлений.

Основоположник гелиобиологии – А.Л.Чижевский. Загадка неизвестного физикам Z-фактора

Связи между биологическими процессами и ГМП (или солнечной активностью) впервые начал глубоко исследовать выдающийся советский учёный А.Л.Чижевский. Первая его монография на эти темы была издана в 1930 г. в Москве и называлась «Эпидемические катастрофы и периодическая деятельность Солнца». Правда, тираж был для советского времени очень небольшой – всего 300 экземпляров, – так что в настоящее время эта книга, скорее всего, библиографическая редкость. В работах А.Л.Чижевского (например [5, 6]) использовались преимущественно осреднённые данные, например, суммарные годовые или среднегодовые. Но всегда привлекался очень большой статистический материал.

При этом известен не разгаданный до сих пор эффект Вельховера–Чижевского. Казанский микробиолог С.Т.Вельховер, заинтересовавшись идеями А.Л.Чижевского, провёл колоссальное количество экспериментов с так называемыми коринебактериями. В обычном своём варианте это довольно безобидные бактерии, называемые дифтероидными, но иногда они трансформируются и вызывают очень тяжёлое, преимущественно детское, заболевание – дифтерию. А.Л.Чижевский очень тщательно изучал связь эпидемий дифтерии с солнечной активностью, и интерес С.Т.Вельховера к этим исследованиям был совсем не случайным.

Нет необходимости описывать весьма непростую методику экспериментов С.Т.Вельховера. Но получилось следующее. Коринебактерии как бы предчувствуют вспышки на Солнце. Причём эффект предчувствия может составлять до 1–1,5 сут. А.Л.Чижевский попытался объяснить такое предчувствие солнечных вспышек и ввёл понятие пока неизвестного в физике Z-фактора. Ведь эти бактерии воспринимают «нечто», выходящее из глубин Солнца – из так называемой конвективной зоны, – а это «нечто» не является никаким из известных видом электромагнитного излучения (наверху слишком уж всё ионизовано). Загадка Z-фактора остаётся неразгаданной до сих пор.

Проблема солнечно-земных связей тоже не может считаться решённой. Неизвестен конкретный механизм влияния. А.Л.Чижевский предполагал влияние солнечной активности опосредованным через возмущения ГПМ. Однако конкретные биологические объекты, в том числе бактерии, по имеющимся данным, не всегда воспринимают возмущения магнитного поля, а сопровождающие их электрические возмущения слишком малы (можно даже сказать – ничтожны), чтобы всерьёз говорить об электрическом влиянии. Но даже, если в контролируемых лабораторных условиях доказано воздействие на биообъекты слабых искусственных магнитных полей (таких экспериментов довольно много), то сам по себе механизм влияния «чисто» магнитных возмущений до сих пор остаётся загадкой.

В настоящее время последователи А.Л.Чижевского активно продолжают исследования солнечно-земных связей, причём выявляют всё более подробные. По этому направлению периодически проводятся международные конференции и конгрессы. В частности, сильных специалистов собирает международная конференция «Космос и биосфера», регулярно организуемая Крымским научным центром, важную организационную работу проводит секция гелиобиологии научного совета РАН по проблеме «Солнце–Земля» и т.д.

Прогнозы магнитных бурь

Связи, подобные описанным выше, обнаружены в очень большом количестве биологических процессов. Причём не только длиннопериодные, как у А.Л.Чижевского, но и короткопериодные (суточные). Обнаружено влияние возмущений ГМП на совершенно неожиданные процессы, например, на внутриутробное развитие детей (кандидатская диссертация Н.И.Хорсевой), на террористическую деятельность (некоторые последние работы и доклады на научных конференциях) и т.д. Очень любопытны попытки научного рассмотрения с позиций гелиобиологии многих астрологических положений и выводов. Обо всём этом трудно написать в небольшой статье.

Ряд современных данных по взаимосвязям медико-биологических, социальных и гелиогеофизических процессов приводится в атласе [7]. При спектральном анализе данных по динамике преступности в Москве проявляются практически все характерные гелиогеомагнитные периоды. Динамика авиакатастроф, аварий и катастроф на промышленных и технологических объектах, пожаров на складах готовой продукции и т.д. получается связанной с гелиогеофизическими факторами при коэффициентах корреляции до 0,76. Некоторые авторы разработок связывают техногенную аварийность с прямым влиянием ЭМ-полей на техносферу и считают целесообразной организацию ЭМ-мониторинга. В других работах рассматривается причина – воздействие геомагнитных возмущений на обслуживающий персонал.

В силу научно доказанных связей между биологическими и космогеофизическими процессами возникла насущная необходимость прогноза. Такие прогнозы сейчас составляются и сообщаются по каналам радио и телевидения. Трудно сказать, полезно ли это. Ведь мнительные люди, услышав, что ожидается буря, могут сразу же почувствовать себя плохо (ах, сердце!). На самом деле прогнозы ещё весьма несовершенны, и чем на больший срок они даются, тем менее надёжны.

Для примера на рис. 9 показаны варианты краткосрочного и долгосрочного прогнозов с сайта www.gismeteo.ru. Разобраться в этих прогнозах очень просто. Дни с разной геомагнитной обстановкой отмечены разным цветом (к сожалению, в газете они получились все почти одинаково серыми, но в интернет-версии будут цветными. – Ред.) – в приведённых примерах магнитных бурь не ожидалось.

Рис. 9. Краткосрочный (3-дневный, а) и долгосрочный (1,5-месячный, б) прогнозы магнитных бурь для г. Москвы с сайта www.gismeteo.ru. Таблица б даёт лишь приближённую оценку

Реальное совершенствование прогнозов чрезвычайно осложняется тем, что физический механизм солнечной активности остаётся до настоящего времени неизвестным. Существуют теоретические модели, например, связанные с периодическим перемещением Солнца относительно общего барицентра (гравитационного центра) Солнечной системы, с влиянием на такие перемещения положения планет Солнечной системы, особенно планет-гигантов. Также известны модели, где предполагается прямое влияние планет на приливные процессы в атмосфере Солнца. Однако все эти модели могут быть использованы лишь для долгосрочных прогнозов солнечной активности.

В то же время известны сверхкороткопериодные изменения активности Солнца, выявляемые в оптическом диапазоне (осцилляции и микроритмы), начинающиеся примерно со 120 мин. Их совокупность может вносить свою лепту в изменчивость солнечного ветра и соответственно в геомагнитные возмущения. Да и собственная технологическая деятельность человеческого общества создаёт электромагнитные возмущения, сравнимые либо даже превышающие уровень гелиомагнитных возмущений. Но о проблеме «электромагнитного загрязнения» в диапазоне гелиомагнитных возмущений здесь написать не получится – это слишком объёмная тема.

Литература

1. Седов К.Р., Королёва Н.Н. Солнечная активность и сердечно-сосудистые катастрофы. – Солнечные данные, 1966, № 11.

2. Колодченко В.П. Распределение заболеваемости инфарктом миокарда и геомагнитные возмущения. – Солнечные данные, 1969, № 6.

3. Bhaskara Rao D. S., Srivastava B., J. Influence of solar and geomagnetic disturbances on road traffic accidents. – Bull. Nat. Geophys. Res. Inst. (India), 1970, V. 8, № 1–2.

4. Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Космическая погода и наша жизнь. – Фрязино: Век-2, 2004.

5. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. – М.: Мысль, 1973.

6. Чижевский А.Л. Космический пульс жизни.– М.: Мысль, 1995.

7. Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Т. 2. Циклическая динамика в природе и обществе.– М.: Научный мир, 1998.