Природные и т ехногенные физические поля
Экологическая геофизика (экогеофизика) - это раздел экологической геологии, предназначенный для решения прикладных задач экологии, связанных с природными и техногенно-природными изменениями состояния биосферы. Главная ее цель - исследование масштабов и параметров воздействия физических полей на среду обитания человека, выявление физических условий, благоприятных для жизни людей и других живых организмов. Предметом исследования экологической геофизики являются природные (естественные) и техногенные (искусственные) физические поля, их изменения и воздействия на биоту.
Возможность и необходимость широкого практического внедрения геофизических методов исследований в экологическую геологию обусловлены следующими особенностями:
- высокими чувствительностью, точностью и воспроизводимостью измерений широкого спектра естественных и искусственно создаваемых физических полей (геомагнитное, гравитационное, тепловое, радиационные, электромагнитные, волновые, сейсмические) в геологическом пространстве;
- возможностью записи параметров любого физического поля в варианте непрерывного профилирования и дистанционного зондирования;
- относительной простотой реализации мониторинга любых показателей разнообразных природных и техногенных процессов за счет использования новейших образцов цифровой геофизической аппаратуры, характеризующейся высоким уровнем автоматизации измерений параметров физических полей;
- достаточной разработанностью методологических принципов геофизических исследований при решении геологических и экологических задач;
- готовой информационной средой, в качестве которой можно использовать распределенные базы данных и общее программное обеспечение;
- высокими экономичностью и производительностью геофизических исследований, определяющими их экспрессность.
Земля как небесное тело постоянно подвержена сильному влиянию изменяющихся физических полей, в частности, гравитационного взаимодействия перемещающихся в космическом пространстве небесных тел, солнечного ветра, космического излучения и др. Следствия
Рис. 13. Схема взаимодействий в окружающей среде под действием природных и техногенных источников (Адушкин, 2012)
комплексного воздействия энергетических космических полей на состояние и развитие планеты Земля весьма разнообразны (рис. 13): они непрерывны или периодичны во времени и характеризуются колоссальными масштабами проявления. Это конвекция мантийного вещества в теле планеты, движение литосферных плит земной коры, проявление сейсмической и вулканической активности в разных районах земного шара, апериодические изменения климата, приливно-отливные перемещения водных масс в океанах, вариации доз радиоактивного и ультрафиолетового облучения поверхности Земли, последствия вспышек сверхновых звезд или других одноактных случайных катастрофических космических явлений и многое другое. Наиболее интенсивно энергетический обмен между Землей и космическим пространством идет через узлы глубинных разломов, часть из которых играет роль энергоактивных («горячих») точек планеты.
Жизнь на Земле возникла в условиях абсолютного преобладающего влияния естественных полей (гравитационного, геомагнитного, сейсмоакустического, температурного и др.), к непрерывному воздействию которых живые организмы хорошо приспособились за длительное (даже в геологическом понимании) время своего существования. Поэтому прямое и сильное воздействие природных физических на биосферу Земли и экологические условия существования человеческой цивилизации неоспоримо. Техногенное загрязнение представляет собой присутствие в атмосфере, литосфере и гидросфере физических полей, создаваемых человеком в процессе реализации антропогенной и техногенной деятельности (см рис. 13). Благодаря влиянию человечества, в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к сдвигу энергетического баланса в сторону искусственных полей, к насыщению окружающей среды электромагнитными полями в широком частотном диапазоне, упругими полями наведенной микро- и макросейсмичности, тепловыми и другими искусственно создаваемыми физическими полями. Поэтому живым организмам приходится приспосабливаться к новым условиям, что не всегда согласуется с адаптационными возможностями биоты, в том числе человека.
Техногенное физическое загрязнение наиболее характерно для крупных городов и промышленных районов. В пределах подобных территорий, благодаря большому количеству производимой, преобразуемой и потребляемой энергии, возникает и устойчиво существует повышенный фон техногенных физических полей. Не будучи в состоянии воспринять полностью поступающую в избытке энергию техногенных физических полей, окружающая среда часть энергии «расходует» на изменение своих свойств, на подготовку, активизацию и поддержание экзогенных геологических процессов, которые становятся, таким образом, в значительной мере техногенными. Избыточная энергия техногенных физических полей может также оказывать повреждающее и разрушающее воздействие на инженерные сооружения и коммуникации.
Таким образом, техногенное физическое загрязнение можно определить как суммарный энергетический потенциал искусственно создаваемых физических полей, значительно превосходящий по величине потенции естественных геофизических полей и оказывающий в силу этого негативное воздействие на окружающую среду, инженерные сооружения, живые организмы и человека.
Основными видами техногенного физического загрязнения окружающей среды являются: 1) шумовое (акустическое); 2) вибрационное (механические колебания); 3) тепловое; 4) электрическое; 5) электромагнитное; 6) радиационное.
Шумовое загрязнение среды относится к категории чисто экологических факторов прямого воздействия, поскольку оказывает непосредственное влияние на живые организмы. Основным и повсеместным источником шума является наземный, подземный, воздушный и водный транспорт, промышленные предприятия, строительные машины, механизмы и др. Воздействие шума на человека можно выделить в три основных блока: 1) физиологическое воздействие - расстройство центральной нервной системы, неврозы, заболевание сердечно-сосудистой системы, гипертония, заболевание желудочно-кишечного тракта (язва и др.); 2) эмоциональное воздействие - раздражение и иногда угнетение организма; 3) информационное воздействие - мешает восприятию необходимой информации.
Вибрационное воздействие на геологическое пространство создается многочисленными и разнообразными источниками, наиболее значимыми из которых являются движущиеся транспортные средства, оборудование промышленных предприятий, строительные машины и механизмы, техническое оборудование зданий и инженерных сооружении. Поле вибрации можно квалифицировать как экологический фактор двойного действия прямого (например, при работе с ручными перфораторами, на транспорте) или косвенного, когда вибрация воспринимается через передающую среду (например, фундаменты зданий и сооружений, расположенных недалеко от железнодорожных путей, линий метрополитена, промышленных предприятий и стройплощадок). Воздействие полей вибрации непосредственно на горные массивы может приводить к изменению рельефа поверхности, снижению механической прочности пород или, наоборот, к их уплотнению и улучшению прочностных характеристик. Длительное вибрационное воздействие способно вызывать или активизировать экзогенные геологические процессы, такие, например, как оползни и обвалы на крутых склонах, карст и др.
Тепловое загрязнение, вызываемое техногенным изменением температурного режима верхних слоев литосферы, в настоящее время представляет собой серьезную экологическую проблему. Источниками теплового загрязнения могут служить горячие цеха и подземные газоходы металлургических предприятий, теплотрассы, сборные коллекторы, туннели коммуникационные и метрополитена, обогреваемые подземные сооружения, а также сбросы горячих технологических вод в реки, озера и др. Тепловое воздействие городских агломераций увеличивает температуру воздуха на 2-5°С. С другой стороны, в качестве охладителей пород могут рассматриваться установки, используемые для промораживания слабосвязанных грунтов и плывунов при строительстве, подземные хранилища сжиженного газа и др. Концентрация большого числа источников тепловой энергии в верхних частях литосферы, например, под большими городами (мегаполисами), создает предпосылки формирования на глубинах 10-50 м так называемых тепловых куполов — прогретых до 6-10°С объемов пород. В регионах с сезонно-промерзающими грунтами прогрев горных пород не оказывает существенного влияния на их прочностные свойства. В регионах, где распространены многолетнемерзлые породы, температура которых обычно составляет -0,6 - -4,2°С, даже небольшие флуктуации температуры (2-3°С) в верхних частях литосферы могут приводить к заметным изменениям прочностных и деформационных свойств грунтов, ухудшению их несущей способности. Температурное воздействие на породы способствует проявлению некоторых экзогенных геологических процессов (термопросадка, термокарст, деградация многолетней мерзлоты, наледеобразование, морозное пучение) и может квалифицироваться как экзогенно-техногенный фактор.
Электрическое загрязнение включает воздействие блуждающих токов и атмосферное электричество. Загрязнение блуждающими токами создается разными источниками, например, электрифицированными железными дорогами, различными энергоустановками. Оно способствует электрохимической коррозии заземленных металлических и бетонных конструкций, приводит к более быстрому выходу из строя подземных коммуникаций, в том числе различных трубопроводов. Атмосферное статическое электричество связано с ионизацией воздуха, является важным природным и экологическим фактором. В естественных условиях ионизация воздуха происходит под действием газовых (радон, гелий и др.) излучений Земли, космического и ультрафиолетового солнечного излучения. Экспериментально установлено, что легкие отрицательные аэроионы (в основном это ионы кислорода) благоприятно влияют па жизнедеятельность органического мира, тогда как положительные аэроионы в большинстве случаев оказывают негативное, угнетающее воздействие на биоту. Загрязнение воздуха пылью, дымом, а также увеличение влажности воздуха уменьшают подвижность отрицательных аэроионов при сохранении подвижности положительных, например, в городах. 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.
Электромагнитное загрязнение создается источниками тока промышленной частоты (50 и 400 Гц), а также неионизирующими излучениями (радиорелейными, радиоволновыми и телевизионными в диапазоне 0,100 МГц - 300 ГГц), опасными с экологической точки зрения. В полосе шириной 60-90 м под высоковольтными линиями и в пределах прямой видимости радио- и телепередающих антенн, радиолокаторов возможно опасное электромагнитное облучение. Количество источников электромагнитных полей постоянно растет, в отдельных регионах уровень созданных техногенной деятельностью человека полей в сотни раз превышает средний уровень естественных полей. Электромагнитное облучение оказывает как прямое воздействие на живые организмы, так и косвенное - посредством индуцированных токов, текущих через живые ткани. Реальная опасность облучения электромагнитным полем для людей и биоты еще недостаточно изучена. Известно негативное влияние на нервную и эндокринную системы, а также на обменные процессы человеческого организма, поэтому актуальным становится вопрос об электромагнитной совместимости технических и биологических объектов.
Радиационное загрязнение представляет собой довольно опасный с экологических позиций фактор прямого воздействия па живые организмы. Источниками естественного радиационного поля являются космические лучи и ионизирующее излучение природных радиоактивных веществ, содержащихся в почве, горных породах, воде. К естественному радиационному фону добавляется техногенное ионизирующее излучение, поступающее в окружающую среду от новообразованных (создаваемых в процессе реализации промышленных технологий) радионуклидов, используемых строительных материалов с повышенной радиоактивностью, а также от складируемых отходов атомного производства.
Техногенное физическое воздействие, степень вызываемого им физического загрязнения, а также создавшуюся экологическую обстановку и условия жизнедеятельности людей можно оценивать посредством условного деления всего диапазона изменения условий на четыре категории: слабое, умеренное, сильное и опасное воздействие; низкая, средняя, высокая и очень высокая степень загрязнения; экологическая норма, экологический риск, экологический кризис и экологическое бедствие; комфортные, дискомфортные, очень дискомфортные и опасные условия для жизнедеятельности людей.
К первой категории можно отнести такое воздействие, при котором не возникают ситуации, выходящие за рамки естественных вариаций состояния окружающей среды и условий существования живых организмов, включая человека. Ко второй категории относятся воздействия такого уровня, при котором могут возникать заметные изменения окружающей среды и условий существования живых организмов, не требующие, однако, специальных мероприятий для устранения последствий этих изменений. Третья категория предполагает воздействие такого уровня, при котором возникающие в окружающей среде и условиях существования живых организмов изменения требуют специальных мероприятий, направленных на предотвращение негативных последствий воздействия. Четвертая категория предполагает такой уровень воздействия, при котором возможны разрушительные и катастрофические изменения в окружающей среде, гибель представителей животного и растительного мира и в том числе патологические и генетические изменения в организме человека с самыми серьезными негативными последствиями. В качестве значений при разделении уровней воздействия или степени загрязнения окружающей среды на указанные четыре категории выбираются количественные показатели, регламентируемые действующими санитарными и техническими нормативными документами или определяемые опытным путем, которые отвечают определенному состоянию среды, совокупности условий существования живых организмов и, в первую очередь, людей.
К сожалению, некоторые из модификаций разведочной геофизики в ходе их практической реализации сами оказывают отрицательное влияние на природу. Необходимость предварительной рубки просек, визирок в лесных массивах, прокладывание маршрутов по пашне, езда по профилям на автотранспорте, особенно в условиях тундровых, мерзлотных ландшафтов, нарушает растительный и почвенный покров. Под влиянием электрического тока, пропускаемого через землю при проведении многих методов электроразведки, происходит преобразование структуры водонасыщенных пород, в частности, их агрегация и упрочение. После снятия внешнего электрического поля эти процессы продолжают развиваться самопроизвольно, вследствие чего увеличивается проницаемость глинистых пород. Особенно вредное воздействие на геологическую среду оказывает взрывная сейсморазведка, хотя справедливости ради следует заметить, что она активно вытесняется невзрывными сейсмическими методами. Использование взрыва для возбуждения упругих колебаний оказывает мощное динамическое воздействие на горные породы, проявляющееся в образовании воронок на дневной поверхности, обрушении забоев взрывных скважин, развитии сети трещин и увеличении проницаемости пород. Вокруг взрывной полосы формируется зона пластических деформаций, в объеме второй наблюдаются необратимые нарушения горного массива вплоть до вскрытия пласта водоупора, что, в свою очередь, вызывает переток подземных вод и углеводородов вплоть до образования техногенных залежей. Ядерно-геофизические методы, в которых используют радиоактивные изотопы, также несут опасность загрязнения литосферы, гидросферы и биосферы. К счастью, радиусы проникающего воздействия используемых радиоактивных излучений невелики и редко превышают десятки сантиметров.
4.3 Медицинская геофизика
Медицинская геофизика - раздел экологической геофизики, в рамках которого проводится исследование влияния естественных (природных) и искусственных (техногенных) физических полей на здоровье людей. Медицинская геофизика стала формироваться в XX веке, когда были обоснованы представления о воздействии физических полей на сложные биогеохимические процессы в организме человека, на выработку организмом биологически активных веществ, а в лечебных целях начали использоваться специально создаваемые управляемые физические поля. Изучение геопатогенной (вредной) и витагенной (полезной) роли физических полей, используемых для диагностики и терапии, является целью и основной задачей медицинской геофизики.
Угнетение зоны комфорта человека проявляется не только в социальном, но и в физическом, физико-химическом и медико-биологическом аспектах, доступных объективному контролю. В качестве индикаторов степени угнетения зоны комфортной среды обитания человека можно использовать разнообразные показатели: 1) физические: уровень радиационного фона, электромагнитных, вибрационных и других полей; 2) физико-химические: газовое и аэрозольное загрязнение воздушного бассейна; 3) биологические: антигенное заражение атмосферы различными аллергенами. Доказано, что рост числа аллергических заболеваний населения стимулируется микроволновым электромагнитным излучением в диапазоне 0,1-10 см, а также наличием в воздушной среде газообразных и твердых примесей тяжелых металлов, переходящих в окислы и сульфиды [12].
Характерна синхронная ритмичность естественных геофизических полей и биологических процессов у людей, т. е. изменения интенсивности (энергии или амплитуды) естественных физических полей и биологической активности происходят с определенной периодичностью в виде квазигармонических и квазиимпульсных изменений во времени. Имеются убедительные данные о том, что преобладающей формой существования природных геологических процессов и физических полей на Земле является спокойная, фоновая, штилевая, эволюционная форма, которую можно назвать нормальной. Лишь малая часть таких процессов (около 5 %) является аномальной, неспокойной, катастрофической, проявляющейся в виде геодинамических процессов (землетрясения, вулканизм, обвалы и др.), вариаций физических полей (солнечной активности, геомагнитного, магнитотеллурического, радиационного, электростатического, инфразвуковых колебаний в атмосфере, корпускулярных излучений и др.), погодно-климатических явлений и факторов (циклоны, антициклоны, изменения освещенности, приземной температуры и др.).
За миллионы лет существования биосферы эволюция «приспособила» биоту к нормальной штилевой ритмичности, когда изменения физических процессов и полей происходят в узких пределах, регулярно, длительное время. Поэтому в организмах выработались автоколебательные процессы того же частотного спектра, что и природные. Практически у животных и человека наблюдается система взаимосвязанных многолетних, годовых, сезонных, месячных, солнечно- и лунно-суточных, часовых, минутных, секундных и меньших по времени биоритмов (биовибраций). Они соответствуют ритмичным физиологическим процессам на уровне организма, отдельных органов и клеток. Ритмы (вибрации) являются механизмом целесообразной приспособляемости и информационной управляемости организмов, а их нарушения приводят к болезням.
Таким образом, произошла синхронизация внутренних биоритмических автоколебательных процессов (вибраций) в клетках, телах, организмах с природными физическими полями, их энергией, а может быть, и передаваемой информацией. В период катастроф, магнитных и ионосферных бурь, штормов и других резких изменений физических полей нормальные природные ритмы нарушаются, и происходит десинхронизация внешних (природных) и внутренних (биологических) ритмов. У здоровых людей внутренние биоритмы управляются иммунной и другими системами организма таким образом, чтобы сохранить внутреннюю ритмичность до восстановления нормальной природной ритмики, т. е. имеется запас прочности автоколебательных систем. У детей, пожилых и больных людей при десихронозе ослабляется иммунная система. Установлено, что нарушения синхронизации биоритмов могут быть восстановлены путем воздействия на людей низкочастотными магнитными и электрическими полями определенных амплитуд и спектров, т. е. за счет «навязывания» заболевающему организму таких же биоритмов, как у здоровых людей.
В разных регионах Земли средняя интенсивность (амплитуда) полей определяется совокупностью нормальной и аномальной природных составляющих, которые зависят от физических параметров (для гравитационных, геомагнитных, магнитотеллурических полей) или общих геологических и геодинамических условий (для электромагнитных, сейсмоакустических, радиационных, тепловых полей). На них накладываются поля, обусловленные антропогенной и техногенной деятельностью. Например, современный человек может попадать в физические поля разных уровней интенсивности и различные климатические условия при пользовании авиатранспортом. Перемещаясь из одного суточного времени в другое, из одного сезона года в другой, из одного среднего уровня геофизических и техногенных полей в другой, человек часто сталкивается с десинхронозом.
Накопленный опыт изучения источников физического воздействия разных полей на людей в зависимости от длительности и интенсивности воздействия позволил подойти к разработке санитарных норм или предельно допустимых доз (ПДД) воздействия физических полей, превышение которых может вызвать различные заболевания. ПДД рассчитываются для проживания или работы в условиях повышенных уровней полей. Так, для радонового загрязнения помещений или воздействия радиоактивных изотопов на предприятиях или в геодинамических активных зонах ПДД равно 0,1 Бэр/год. Санитарные нормы для электромагнитных полей всевозможных радиопередатчиков с частотой от 0,06 до 300 МГц по напряженности электрического поля не должны превышать соответственно 50-5 В/м, а от шумового воздействия - 50 дБ. Вариации геомагнитного, гравитационного и теплового полей вредны, если они превышают соответственно 1 нТл, 0,25 мГл, 10°С (в интервале ±30°С) в час.
Магнитное поле Земли (геомагнитное поле) влияет на организмы животных и человека вследствие наличия магнетита органического происхождения в различных частях тела. В живых организмах могут возникать магнитные поля и за счет ионных биотоков. В целом напряженность магнитных полей организмов на 2-5 порядков меньше, чем геомагнитного поля. Тем не менее, взаимодействия между ними существуют. Геомагнитные вариации являются самыми интенсивными среди изменений естественных физических полей. В годы максимумов солнечной активности возрастает число и интенсивность магнитных бурь, особенно весной и осенью, увеличивается плотность потоков инфракрасного, видимого и ультрафиолетового излучения Солнца, повышается уровень радиационного фона и интенсивность потоков корпускулярного излучения, увеличивается вертикальная составляющая естественного электростатического поля атмосферы, возрастают вариации напряженности геомагнитного и электрических полей ионосферы, а также индуцированного ими магнитотеллурического поля в Земле, увеличиваются потоки радона, гелия и других газов в районах разломов и геоактивных зонах, возникают опасные инфранизкочастотные (0,03 Гц) упругие колебания и др. Подобные аномальные по интенсивности и частоте изменения практически всех физических полей сказываются на состоянии биосферы и здоровье людей.
Геофизический мониторинг в медицине, т. е. организация специальной службы для прогнозирования уровня солнечной активности, слежения за патогенными вариациями других геофизических нолей, является важным направлением медицинской геофизики. В настоящее время созданы специальные приборы и разработаны методики наблюдений для осуществления в клинических условиях медико-ориентированного мониторинга естественных и техногенных физических полей, а также для выявления превышающих санитарные нормы физических аномалий на локальных территориях, конкретных объектах, в жилых и производственных помещениях.