что такое геофизическое поле

Экология

Геофизические поля

Постоянное воздействие на людей оказывают геофизические поля, однако человек зачастую даже не подозревает об этом. Вот почему решать возникающие экологические проблемы невозможно, не оценивая их роль.

Геофизические поля бывают естественными и искусственными. К первым относятся гравитационное, магнитное, электрическое, температурное, сейсмическое и радиационное. Они определяются процессами, протекающими в околоземном пространстве, либо строением нашей планеты, свойствами и состоянием ее вещества. Совокупное действие в течение геологической истории Земли всех перечисленных естественных полей определило ее современный облик и состояние, сделало пригодной для обитания многообразных организмов, включая homo sapiens.

Можно считать, что жизнь на планете появилась и развивалась в условиях преимущественного влияния гравитационного, геомагнитного и температурного полей, этих своего рода трех китов, на которых устойчиво зиждется биосфера. Таким образом, они, как, впрочем, и остальные естественные поля по отношению к экосистемам являются гомотропным (постоянно сопутствующим) фактором. Вот почему их умеренные циклические или периодические изменения, наблюдаемые с древнейших времен и по сей день, не следует рассматривать как фактор трансформации экологической обстановки, таящей угрозу существованию человека как биологического вида. Менять ситуацию стало возможным с середины XX в. благодаря наличию мощных средств воздействия на окружающую среду, в том числе техногенными физическими полями (искусственными).

Техногенные физические поля в сочетании с естественными сформировали новые для биосферы энергетические условия. В наибольшей степени эти перемены коснулись территорий интенсивного хозяйственного освоения. В отдельных экосистемах возник дисбаланс, причем зачастую на критическом уровне. В них происходит насыщение электромагнитными и другими искусственно создаваемыми физическими полями, изменяются микросейсмы, локального и даже регионального уровня, возникает так называемая наведенная сейсмичность, повышается радиационный фон и т. д. В результате всем без исключения организмам приходится приспосабливаться к непривычным для них условиям, которые не всегда соотносятся с их адаптивными реакциями и могут привести к нарушению устойчивости в животном и растительном мире.

Следует подчеркнуть: сильное или продолжительное техногенное электромагнитное поле негативно влияет на биосферу, а у людей может вызвать серьезные осложнения в функционировании нервной, сердечно-сосудистой, репродуктивной и других жизненно важных систем. Заметную роль играет и электростатическое поле, источником которого являются аэроионы. Они оказывают физиологическое воздействие на организмы на всех стадиях их развития. Экспериментально доказано, что отрицательные аэроионы (в основном, это ионы кислорода воздуха) благоприятствуют усилению жизнедеятельности человека, тогда как положительные в большинстве случаев оказывают негативное воздействие, а при значительной концентрации способны нанести ему определенный вред. Вместе с тем при длительном вдыхании воздуха, лишенного аэроионов обеих полярностей, возникают серьезные заболевания.

И все же самым опасным на сегодняшний день источником загрязнения окружающей среды является техногенное радиационное поле. Оно создается используемыми в научных, промышленных, медицинских и других целях источниками, содержащими природные или искусственно созданные радионуклиды, а также радионуклидами, присутствующими в строительных материалах, бытовом газе.

В изменении геоэкологической обстановки и мирный атом играет не последнюю роль. Ярким примером служит ситуация, сложившаяся в Уральском регионе. За последние 40 лет в его пределах произведено 38 промышленных атомных взрывов, работают 8 ядерных реакторов. Здесь же существуют несколько центров по переработке радиоактивных материалов, а также мест хранения радиоактивных отходов. Только в производственном объединении «Маяк» общая их активность равна примерно 1 млрд. Ки (для сравнения: Чернобыльский выброс в 1986 г. составлял около 60 млн. Ки). Мало того, Уральский регион хранит следы ядерных испытаний, проводившихся Советским Союзом на Новоземельском полигоне вплоть до 1990 г., а также аварии на «Маяке», произошедшей в 1957 г., в результате которой в атмосферу попало около 20 млн. Ки радиоактивных нуклидов. А ведь геолого-геофизические особенности региона таковы, что и без этих техногенных выбросов фоновые дозы облучения здесь почти вдвое больше средних по России.

Следует иметь в виду, что при работе атомной электростанции мощностью 1 ГВт в течение года образуется около 100 тыс. т радиоактивных отходов. Сейчас в 26 странах мира эксплуатируются примерно 500 энергетических ядерных реакторов, суммарная мощность которых составляет около 300-340 ГВт. Нетрудно подсчитать, какое количество опасных веществ накапливается.

Заметный вклад в ухудшение экологической обстановки вносит и техногенное сейсмическое поле (наведенная сейсмичность). Речь идет о землетрясениях небольшой мощности, вызванных заполнением обширных водохранилищ, крупномасштабной откачкой из подземных горизонтов воды или нефти и газа, подземными ядерными испытаниями.

Лабораторные эксперименты и натурные наблюдения показывают: живые организмы, в том числе и человек, острее всего реагируют на «быстрое» (т. е. превышающее скорость адаптации данного организма) изменение физического поля. В этом случае вполне вероятны неблагоприятные эффекты, могущие серьезным образом расстроить функциональный аппарат живых организмов. Примером такого состояния служит реакция метеозависимых больных на магнитные бури, резкую смену атмосферного давления.

Кандидат геолого-минералогических наук А.Д. ЖИГАЛИН, Институт геоэкологии РАН

Источник

Природные и техногенные физические поля

Лекция 7

Геофизические поля представляют собой особую форму материи, обеспечивающую связь в Земле макрообъемов массивов горных пород в единые системы геологических тел, осуществляющую передачу действия одних геологических тел на другие, удерживающую гидросферу и атмосферу, поддерживающую процессы энергопереноса, необходимые для существования жизни на Земле.

Согласно определению, имеющемуся в «Геологическом словаре», геофизическим полем или физическим полем Земли называется множество значений физических величин (параметров), количественно характеризующих естественное или созданное в Земле искусственное физическое поле (или отдельные его элементы) в пределах определенной области или территории Земли.

1. К естественным физическим полям Земли относятся: гравитационное (поле силы тяжести), геомагнитное, температурное, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих механических колебаний) и радиационное (поле ионизирующих излучений).

Через физические поля осуществляется взаимодействие Земли как планеты с Солнцем и со всем остальным макрокосмическим пространством. В пределах Земли и ее ближайших окрестностей природные физические поля принято называть геофизическими, что подчеркивает их непосредственную связь, генетическую и структурную, с нашей планетой. Особо следует подчеркнуть прямую связь полей, которые мы называем геофизическими, именно с литосферой, с другими глубинными «сферами» земного шара и лишь опосредованную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обусловлены особенностями строения литосферы и Земли в целом (например, гравитационное и геомагнитное поля) либо характером геодинамических, физических и химических процессов (например, сейсмическое, радиоактивное, температурное, электромагнитное поля).

2. Искусственные неуправляемые поля (техногенные физические поля) обусловлены работой механизмов и машин, энергетических установок, транспортных средств, средств связи и других источников антропогенной деятельности.

Все названные естественные (природные) и искусственные (техногенные) геофизические поля являются неуправляемыми, т.е. они существуют помимо воли исследователей, использующих их для решения тех или иных задач по изучению оболочек Земли, в том числе и с экологическими целями.

3. Специально же для геофизических исследований Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерных, технических и экологических задач широко используются управляемые поля, которые создаются искусственно с помощью разных источников: возбудителей упругих волн (взрывных или невзрывных), батарей и генераторов постоянного или переменного тока, источников гамма-излучения и нейтронов и др. (Хмелевской, 1997, 1999).

Жизнь на Земле появилась и развивалась в условиях преимущественного влияния гравитационного, геомагнитного, радиационного и температурного полей.

Гравитационное поле, если и менялось на протяжении истории существования биосферы, то, видимо, плавно, эволюционно. Это позволяет предполагать, что в каждый достаточно большой геологический отрезок времени биосфера существовала при относительно стабильном гравитационном поле.

Геомагнитное поле подвергалось более радикальным скачкообразным изменениям. Об этом свидетельствует дрейф геомагнитных полюсов и смена магнитной полярности (инверсии геомагнитного поля) с временным интервалом от 0,5 до 10 млн лет, что подтверждают данные палеомагнитных исследований.

Измерение тех или иных параметров естественных и искусственных физических полей стало технической основой геофизических исследований Земли.

Техногенное физическое загрязнение вызывается опосредованным через искусственно создаваемые физические поля воздействием человека на окружающую среду. Техногенные физические поля, представляют собой своего рода » отходы » реализуемых технологий, побочные продукты функционирования промышленных и энергетических установок, горнопроходческих комплексов, используемых при разработке месторождений полезных ископаемых, средств наземного, подземного и воздушного транспорта, коммуникационных и электропередающих линий, строительных машин и механизмов, а также агрегатов и механизмов, обеспечивающих нормальные условия в жилых и производственных помещениях, бытовой техники.

Из всех видов техногенного физического загрязнения окружающей среды наиболее существенными с позиций оценки экологических последствий и наиболее часто встречающимися являются шумовое (акустическое), вибрационное (вынужденные механические колебания), тепловое, электрическое (блуждающие токи и атмосферное электричество), электромагнитное, а также радиационное, создаваемые полями соответствующей природы (табл. 1.).

Таблица 1.

1. Шумовое, или акустическое, техногенное физическое загрязнение окружающей средыотносится к категории чисто экологических факторов (прямого экологического воздействия), поскольку оказывает непосредственное и исключительное воздействие на живые организмы.

2. Вибрационное (вынужденные механические колебания) техногенное физическое загрязнение окружающей среды

Источниками теплового загрязнения могут служить горячие цеха и подземные газоходы металлургических предприятий, теплотрассы, сборные коллекторы, коммуникационные туннели и туннели метрополитена, обогреваемые подземные сооружения, а также сбросы горячих технологических вод в реки и открытые водоемы. С другой стороны, в качестве охладителей грунтовой толщи могут рассматриваться установки, используемые для промораживания слабых и плывунных грунтов при строительстве, подземные хранилища сжиженного газа. Оказываемое этими источниками тепловое воздействие может быть охарактеризовано данными, приводимыми в табл. 1.

В регионах с сезонно промерзающими грунтами прогрев скальных и дисперсных песчано-глинистых пород до температуры от 16-20 до 150-160 С обычно не оказывает существенного влияния на их прочностные свойства, вызывая лишь повышение фильтрующей способности и уменьшение пластичности и влагоемкости. Вместе с тем даже при умеренном нагревании пород увеличивается их агрессивность по отношению к бетону, железобетону и металлу элементов конструкций, возрастает опасность химической и биохимической грунтовой коррозии.

Искусственное промораживание грунтов при строительстве в сложных гидрогеологических условиях приводит к формированию временных криолитозон (массивов мерзлых пород) шириной до нескольких метров или десятков метров. По мере оттаивания после остановки процесса искусственного охлаждения грунтовый массив постепенно восстанавливает свои качественные характеристики. Однако в период удержания грунта в промороженном состоянии возможны нарушения сложившегося до начала заморозки режима водонасыщения, массо- и теплообмена. Не исключены также негативные реакции на холод со стороны растительного мира и мира микробных сообществ.

Тепловое воздействие и воздействие холодом на грунтовую толщу способствует проявлению таких экзогенных геологических процессов, как термопросадки, термокарст, солифлюкция и деградация многолетней мерзлоты (при тепловом воздействии), а также образование наледей, морозное пучение (при воздействии холодом). В данном случае тепловое воздействие может квалифицироваться как экзогенный (и техногенный) геологический фактор.

Реальные техногенные вариации температурных полей непосредственного влияния на человеческий организм не оказывают, и в этом смысле роль теплового загрязнения как экологического фактора относительно невелика.

Экологические эффекты техногенного теплового загрязнения проявляются прежде всего в особенностях взаимодействия прогретого (или промороженного) грунта с растениями и микробными сообществами, для которых грунтовая толща является средой обитания. В этом выражается прямое экологическое действие фактора теплового загрязнения.

В то же время негативные проявления экзогенных геологических процессов, вызываемых техногенными изменениями температурного режима, могут ухудшать условия жизни и работы людей и даже таить в себе опасность в случаях, например, возможного коррозионного повреждения тепло- и газопроводов, канализации и т.п., и в этом выражается роль теплового загрязнения в качестве экологического фактора опосредованного воздействия.

4.Электрическое (блуждающие токи и атмосферное электричество) техногенное физическое загрязнение окружающей среды проявляется:

· в формировании электрического поля блуждающих токов

· в перенасыщении приземного слоя атмосферы ионами (аэроионами) разной полярности и в первую очередь положительными ионами тяжелых элементов

Источниками электрического загрязнения служат промышленные предприятия, электрифицированные железные дороги, станции катодной противокоррозионной защиты. Характеристики техногенного электрического загрязнения приведены в табл. 1.

Воздействие блуждающих токов на различные материалы (как правило, металлы, железобетон и бетон) можно оценить по скорости электрокоррозии металла и по среднегодовым потерям несущей способности металлических и железобетонных конструкций, соотнесенных с напряженностью поля блуждающих токов.

Напряженность электрического поля блуждающих токов, создаваемого различными источниками, варьирует в пределах от 10 до 1600 мВ/м, что зависит от источника, строения и состояния грунтовой толщи. При изменении напряженности поля блуждающих токов от 0,8 до 3,6 мВ/м скорость коррозии металла возрастает с 0,2 до 2,0 мм в год, а потери несущей способности металлических и железобетонных конструкций увеличиваются с 10 до 15% и с 5 до 8% соответственно.

Электрическое загрязнение в виде поля блуждающих токов является опосредованно действующим экологическим фактором, поскольку прямого воздействия на живые организмы и на человека не оказывает. Оно способно вызывать негативные изменения коррозионной обстановки, что, в свою очередь, увеличивает степень вероятности повреждения с выходом из строя подземных коммуникаций (водопроводов, газопроводов, теплотрасс, канализации и т.п.).

Преобладание в воздухе ионов того или иного знака и их количественное соотношение имеет большое значение для органической жизни. Соотношение количества положительных и отрицательных аэроионов измеряется коэффициентом униполярности , где – число ионов разной полярности.

Чем больше величина коэффициента униполярности, т.е. чем значительнее преобладание положительных аэроионов над отрицательными, тем менее благоприятными оказываются условия для существования живых организмов, что в первую очередь относится к человеку.

Экспериментально установлено, что отрицательные аэроионы (в основном это ионы кислорода) благоприятно влияют на жизнедеятельность органического мира, тогда как положительные аэроионы в большинстве случаев оказывают негативное воздействие на биоту, а в больших концентрациях способны приносить вред. В нормальных условиях коэффициент униполярности 1,20. Превышение этой величины свидетельствует о неблагоприятности экологического состояния приземного слоя атмосферы.

Загрязнение воздуха пылью, копотью, дымом, а также увеличение влажности воздуха уменьшают подвижность отрицательных аэроионов при сохранении подвижности положительных аэроионов. Наблюдения показывают, что в городском воздухе, особенно это заметно в пределах промышленных зон, концентрация тяжелых положительных аэроионов значительно выше, чем в пригородных лесных массивах и на территориях парков и зон отдыха в пределах городской черты. Таким образом, избыточное количество положительных аэроионов в воздухе, в большинстве случаев техногенного происхождения, может квалифицироваться как техногенное электрическое загрязнение среды и рассматриваться в качестве экологического фактора прямого действия.

5. Электромагнитное техногенное физическое загрязнение окружающей среды представляет собой весьма биологически активный экологический фактор прямого воздействия.

Источниками электромагнитных полей промышленной частоты могут служить так называемые передаточные шины (общие токовые проводники) высоковольтных электрических трансформаторных подстанций, токонесущие провода воздушных линий электропередачи (ЛЭП), тяговые электромоторы и энергетические установки.

Экологическое (физиологическое) воздействие электромагнитных полей на биоту и, в частности, на организм человека обуславливается индуцированными токами, текущими через живые ткани, и индуктивным взаимодействием внешних полей с собственными электромагнитными полями, генерируемыми живыми организмами. Уровень воздействия определяется напряженностью поля, продолжительностью воздействия и состоянием подвергающегося воздействию организма. Параметры, характеризующие электромагнитное загрязнение, приведены в табл.1.

Электромагнитное загрязнение и обусловленное им систематическое и продолжительное воздействие интенсивных электромагнитных полей на человеческий организм может приводить к негативным последствиям. Здоровый организм способен успешно сопротивляться внешнему воздействию энергии электромагнитных полей. Однако в тех случаях, когда организм ослаблен, сопротивляемость его воздействию электромагнитных полей заметно падает. Даже если в организме при этом и не происходит патологических изменений, при длительном воздействии электромагнитного излучения у отдельных людей могут появляться признаки повышенной утомляемости, чувства апатии или, наоборот, повышенного беспокойства, другие отклонения от нормального состояния.

Реальная опасность электромагнитного облучения полем, создаваемым высоковольтными ЛЭП или энергетическими установками, существует в непосредственной близости от них, например, в пределах полосы шириной 60-90 м под линией электропередачи или в кабине электровоза.

Радио- и телепередающие антенны и другие излучатели электромагнитного поля в радиоволновом диапазоне способны оказывать воздействие на живые организмы в пределах прямой видимости на расстоянии до нескольких десятков километров, что зависит от мощности и остроты диаграммы направленности передающего устройства.

6. Радиационное техногенное физическое загрязнение окружающей среды привлекает к себе наибольший интерес, поскольку представляет собой весьма опасный (в чем убеждает опыт нынешнего столетия) с экологических позиций фактор прямого воздействия на живые организмы.

Источниками естественного радиационного поля являются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах и воде.

К естественному радиационному фону добавляется создающее загрязнение техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (создаваемых в процессе реализации промышленных технологий) радионуклидов, используемых строительных материалов, а также от складируемых отходов атомного производства и т.п.

Космическое излучение в связи с малой мощностью дозы (до 30 мР/год; 1 мРенген = 0,01 Зв) как экологический фактор играет второстепенную роль. Корпускулярное ионизирующее излучение ( -излучение и -излучение) земного, естественного и искусственного происхождения имеет ограниченный радиус действия (от нескольких сантиметров до нескольких метров) и по этой причине также играет незначительную роль в формировании радиоактивного загрязнения окружающей среды.

Существенным с экологических позиций фактором радиационного воздействия на все виды животного и растительного мира является ионизирующее электромагнитное -излучение, распространяющееся на большое расстояние и обладающее высокой проникающей способностью. Действие -излучения зависит от интенсивности источника излучения и от расстояния до него. Вблизи земной поверхности мощность дозы естественного ионизирующего излучения варьирует от 0,003 до 0,025 мР/ч. В условиях промышленно-городских агломераций этот фон может несколько увеличиваться за счет излучения строительных материалов (бутового и облицовочного камня, гранитного щебня и т.п.), используемого бытового газа и водопроводной воды. Однако суммарная, естественная и техногенная, мощность дозы излучения, как правило, не превышает в обычных условиях (если не происходит аварийных выбросов или утечек радиоактивных материалов) санитарных норм (см. табл.1).

В то же время следует отметить, что при значительной интенсивности ионизирующее излучение оказывает на живые организмы вредное, а иногда и губительное воздействие. Превышение уровня излучения над фоновым и даже просто повышение естественного фона могут приводить к генетическим изменениям в живых организмах. Так, при мощности дозы в 0,09-0,21 Р/ч происходит замедление роста растений и уменьшается видовое разнообразие животного мира. При увеличении мощности дозы до 0,42-1,67 Р/ч растительность угнетается, легко поражается насекомыми и возбудителями болезней. Человеческий организм отличается особой чувствительностью к радиационному воздействию. Доза излучения в 400 Р приводит к тяжелой форме лучевой болезни, симптомы которой начинают проявляться уже при дозах облучения 25-100 Р. Даже при малых дозах хроническое воздействие радиоактивного загрязнения может приводить к негативным последствиям, которые обнаруживаются по прошествии большого количества времени. Для человека безопасной считается мощность дозы облучения 0,008-0,024 мР/ч (или 70-210 мР/год).

Источник