Влияние полярного сияния на здоровье

Дата создания: 2013/11/30

Автор: Михайленко Кирилл

Причины возникновения полярных сияний.

Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого, располагается вблизи северного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые линии магнитного полюса Земли (так называемые геомагнитные линии) выходят из области северного магнитного полюса Земли, охватывают нашу планету и входят в неё в области южного магнитного полюса Земли.

Форма магнитных силовых линий не является симметричной относительно Земли. Это связано с так называемым солнечным ветром — потоком высокоэнергичных электронов и протонов, постоянно излучаемых Солнцем, резко увеличивающимся по интенсивности во время вспышек на Солнце. Налетая на магнитную оболочку Земли, потоки заряженных частиц приводят к сжатию магнитных силовых линий со стороны Солнца и их оттягиванию в противоположном направлении, образуя у Земли магнитный хвост.

Чтобы понять, почему сияния наблюдаются чаще всего именно в полярных областях Земли, надо вспомнить, как движутся заряженные частицы в магнитном поле. Следует рассмотреть возможные варианты:

• Заряженная частица движется вдоль магнитного поля. В этом случае поле никак не влияет на её движение. В высоких широтах Земли силовые линии магнитного поля почти вертикальны, что создаёт благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу Земли.
• Заряженная частица движется поперёк магнитного поля. При этом на частицу действует сила Лоренца, которая закручивает её вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами рассматриваемые частицы будут просто вращаться вокруг силовых линий. Столкновения могут приводить к перескоку частиц с одних круговых орбит на другие. Но скорость такого движения существенно меньше, чем скорость направленного движения потока частиц при отсутствии магнитного поля. В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу, они должны прорваться поперёк силовых линий Земли, а это для них практически невозможно.
• Частица движется под определённым углом к направлению магнитного поля. Такое движение можно разложить на две составляющие: поперёк магнитного поля и одновременно вдоль него. Оба эти случая рассмотрены выше. Из сказанного следует, что траектория частицы в этом случае будет спиралью, накручивающейся на силовую линию магнитного поля. Шаг спирали зависит от величины продольной скорости, а радиус — от поперечной скорости. Таким образом, заряженная частица, попадая в магнитное поле Земли, может достигнуть её атмосферы только в полярных областях.
• Частица движется в неоднородном магнитном поле, то есть магнитное поле изменяется в пространстве. Если частица движется по спирали вокруг силовой линии магнитного поля, которое увеличивается по мере продвижения частицы вперёд (то есть силовые линии сгущаются), то с ростом напряжённости поля частица замедляет своё движение вдоль силовой линии и, в конце концов, отразится и будет двигаться в обратном направлении. Силовые линии магнитного поля Земли сходятся около её поверхности в высоких широтах. Поэтому заряженные частицы, вращаясь вокруг этих линий и подходя к местам их сгущений, отражаются и движутся в другое полушарие. Там повторяется аналогичное отражение, и частицы оказываются в первом полушарии. Это повторяется до тех пор, пока частица не потеряет энергию при соударении с нейтральными частицами в плотной атмосфере вблизи поверхности Земли. Силовые линии магнитного поля Земли меняются не только в радиальном направлении, но они к тому же и изогнуты. Это также влияет на движение заряженных частиц. В результате электроны и протоны начинают дрейфовать в противоположных направлениях (на восток или запад). Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где достигают плотных слоёв атмосферы и производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии. Действительно, в солнечном ветре протоны обладают энергией 100–200 эВ (1 эВ = 1,6•10 –19 Дж), а электроны — энергией 10–20 кэВ. Пороги ионизации составляют 13,6 эВ для атомов водорода и кислорода и 14,5 эВ для атома азота. Пороги возбуждения этих частиц ещё меньше. Возбуждённые атомы испускают энергию в виде света. Ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути заряженной частицы, когда её энергия уже невелика. Нейтральные частицы распределены в атмосфере по барометрическому закону (естественно, частиц больше на низких высотах), что также увеличивает скорость ионизации вблизи поверхности Земли. С этим и связаны резкая нижняя и размытая верхняя границы полярных сияний. Традиционно считалось, что такая аналогия ограничивается только элементарными актами ионизации и возбуждения атомов энергичными частицами, которые происходят и в газовом разряде, и в полярных сияниях. Хорошо известно, что в газовом разряде ионизующие электроны нагреваются во внешнем электрическом поле. В случае с полярными сияниями раньше считалось, что ионизующие заряженные частицы — это сверхгорячие электроны и протоны солнечного ветра, которые охлаждаются в столкновениях с атомами и молекулами атмосферы. Однако современные исследования показали, что в последнем случае ситуация более сложная. Заряженные частицы солнечного ветра (по крайней мере, электроны) могут осуществлять ионизацию другим образом. Дело в том, что ионосферная плазма, в которую вторгается высокоэнергичный пучок заряженных частиц, неустойчива. В такой системе за счёт энергии пучка раскачиваются колебания, сопровождаемые переменным электрическим полем. Электроны ионосферы по прямой аналогии с лабораторным газовым разрядом нагреваются в этом электрическом поле до энергий, при которых начинается ионизация в столкновениях с атомами и молекулами. Получающийся таким образом разряд носит название пучково-плазменного разряда и не только известен специалистам по газовому разряду, но и используется в некоторых технических приложениях. Таким образом, аналогия между полярными сияниями и газовым разрядом оказалась более глубокой, чем предполагалось вначале.

А в феврале 2008 года с помощью спутников NASA удалось подробно зафиксировать соответствующие колебания магнитного поля. Внезапный выброс солнечной энергии и соответствующее искривление линий магнитного поля вызывают полярное сияние. Проанализировав данные, полученные со спутников, международной группе исследователей удалось, наконец, пролить свет на причины этого явления. По мнению руководителя проекта Вассилиса Ангелопулоса, штормы зарождаются на “ночной” стороне Земли. Всё начинается с разрушения (пересоединения) силовых линий магнитного поля в результате внезапного и резкого увеличения давления солнечного ветра. Магнитное поле выступает в данном случае в качестве эластичного жгута, который, изогнувшись, растянувшись и выпрямившись обратно, выбрасывает в нашу сторону часть захваченных высокоэнергетических частиц. В принципе, о явлении пересоединения было известно уже давно, однако, по словам доктора Ангелопулоса, его впервые удалось напрямую увязать с полярными сияниями. То есть данные с ” Фемиды” помогли установить, что именно пересоединение лежит в основе суббуревых явлений.

Закономерности полярных сияний

Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что зелёное и красное свечение испускается возбуждёнными атомами кислорода, а инфракрасное и фиолетовое — ионизованными молекулами азота. Слабое излучение испускается также атомами водорода, которые образуются в верхних слоях атмосферы из протонов солнечного ветра при захвате электронов от нейтральных частиц атмосферы. Захватив электрон, такой протон превращается в возбуждённый атом водорода, который и излучает красный свет.

Полярные сияния – это световая гамма изменяющейся интенсивности с быстрыми движениями, наблюдаемая в высокоширотных районах Земли. Цвет сияния зависит от того, с каким химическим веществом происходит реакция. Так на высотах от 300 до 500 км, где воздух разрежен, преобладает кислород. И, следовательно, цвет сияния может быть зеленым, или в некоторых случаях красноватым. Чаще сияния зеленого цвета происходят на средних высотах (от 150 до 300км). Ниже уже преобладает азот. Результат взаимодействия частиц солнечного ветра с азотом – сияния ярко красного цвета. Так в зависимости от того, где и как расположена концентрация азота или кислорода в атмосфере, зависит и окраска полярного сияния. Бывают смеси цветов, когда в структуре наблюдаются оттенки красного и зеленого, при этом разбросанные по всей площади сияния. Интересно, что энергичные протоны, вторгаясь в верхнюю атмосферу и вызывая протонные сияния, часть своего пути движутся как нейтральные атомы водорода. В этом случае они свободны от действия магнитного поля Земли и, имея большие (протонные) скорости, могут проникать в области, недоступные заряженным частицам. Вследствие этого области, где наблюдаются протонные полярные сияния, отличаются большой протяжённостью. Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.

Наиболее часто полярные сияния имеют вид лент или пятен, напоминающих облака. Более интенсивное сияние приобретает форму лент, которые при уменьшении интенсивности превращаются в пятна. Ленты могут также исчезать, не разбиваясь на пятна. Суточная вариация частоты появления полярных сияний в зоне полярных сияний имеет максимум в геомагнитную полночь и минимум в геомагнитный полдень.

Частота и интенсивность полярных сияний достаточно чётко следуют солнечному циклу: в максимуме солнечной активности редкий день обходится без сияний, а в минимуме они могут отсутствовать месяцами. Наличие или отсутствие полярных сияний, таким образом, служит неплохим показателем активности Солнца. И это позволяет проследить солнечные циклы в прошлом, за пределами того исторического периода, когда проводились систематические наблюдения солнечных пятен.

Последовательность форм сияний и их движений находиться в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере – магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Одно из таких зрелищ можно было наблюдать относительно недавно – в конце октября 2004 года. В это время нашу планету атаковала самая мощная с 2001 года магнитная буря. Причиной тому послужило газовое облако, появившееся в результате сильнейшей вспышки на солнце. Достигнув Земли, облако вызвало сильную, хотя и не продолжительную магнитную бурю. При этом солнечная активность была настолько мощной, что северное сияние было видно во многих частях земного шара. Даже жителям средней полосы России удалось полюбоваться этим «небесным представлением». Так в Великом Новгороде на небе наблюдалось радужное сияние, которое потом обернулось белой дымкой причудливой формы.

Эти пики активности полярных сияний повторяются через относительно правильные промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27 дней и около11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, поскольку пики их активности совпадают, т.е. полярные сияния обычно возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые называются «возмущениями» и «магнитными бурями». Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах.

Искусственные полярные сияния.

Проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют некоторые важные общие характеристики. Поэтому любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое. Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния – создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты.

Этот эксперимент, получивший название "Аракс", начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряженные точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. Эксперименты описанного типа не просто позволяют понять причины и механизм возникновения полярного сияния. Они дают уникальную возможность изучать структуру магнитного поля Земли, процессы в ее ионосфере и влияние этих процессов на погоду вблизи земной поверхности и на здоровье человека. Влияние полярных сияний на организм человека.

Чем на самом деле опасны “беспорядки” в геомагнитном поле? В начале XX века российский ученый Александр Чижевский впервые высказал идею о влиянии солнечной активности на живые существа и социальные процессы. В 1915 г. А.Л.Чижевский начал изучение влияния солнечной активности на нервную систему. Он заметил, что больные, страдающие, болезнями нервной и сердечно-сосудистой системы испытывали приступы наиболее сильных болей в одно и то же время, независимо от того, в каких условиях они жили. Затем эти боль одновременно прекращались на некоторый промежуток времени. Четкую картину синхронизации показала также статистика внезапных смертей: колебания общей смертности отчетливо коррелируют с кривой циклической активности Солнца. В частности, пики смертности совпадали с годами максимальной солнечной активности. В 1929 году А.Л.Чижевский выявил, что на изменение условий в космосе, прежде всего, реагирует нервная система человека. Позднее это было подтверждено статистически, на базе анализа 200 случаев смерти от заболеваний мозга, нервной системы и других подобных заболеваний. Ученый показал, что при внезапном изменении условий на Солнце "наиболее быстро погибают больные, страдающие тяжелыми расстройствами нервной системы и ее центрального аппарата – мозга. Несколько позже умирают лица от болезней сердечно-сосудистой системы. Затем идут смерти от тяжелых заболеваний других внутренних органов". На основании этих многолетних исследования Л.А.Чижевским был сделан очень важный практический вывод: "Если защитить человека от данных изменений в критические дни болезней, то, может быть, человек будет жить еще долгие годы". Несомненно, что эти идеи актуальны и в настоящее время, и они получили дальнейшее развитие, уже подкрепленные детальным изучением влияния магнитных и электрических полей на животных и человека. Выяснилось, что эта проблема особенно актуальна в условиях крайнего Севера, особенно при изучении адаптации организма к этим условиям. Позднее проблема зависимости эпидемий от космических факторов исследовалась многими учеными. На большом экспериментальном материале и данных медицинской статистики была доказана несомненная связь между состоянием здоровья практически здоровых людей и космическими факторами, Также была установлена зависимость возникновения и течения различных заболеваний от процессов в космосе, которые, в свою очередь, определяются условиями на Солнце и в магнитосфере Земли. Зная процесс появления полярного сияния, в геомагнитном поле от “встряски” возникают радиоволны низкой частоты — 1, 5, 10 Герц. Они и действуют на нас. Скорее всего, дело в резонансе: биоритмы человека — биение сердца, нервные импульсы — “работают” тоже в диапазоне нескольких Герц. Электромагнитные волны способны изменить вязкость крови. Кровь стала гуще — значит, она медленнее течет по сосудам, особенно тоненьким сосудикам головного мозга. Клетки хуже снабжаются кислородом — отсюда головные боли, мигрени, быстрая и беспричинная усталость, вялость, сонливость. Нарушается регуляция тонуса сосудов, непредсказуемо “скачет” давление. Поэтому к магнитным бурям чувствительнее всего люди с болезнями сердечно–сосудистой системы. Самое опасное оружие бури — электромагнитный импульс в диапазоне частот сердечного ритма. Он может привести к внезапной смерти. Даже у здоровых людей сбивается сердечный ритм, растет артериальное давление. На Крайнем Севере на организм человека действуют космические факторы, поскольку магнитное поле Земли в этих широтах защищает от них Землю значительно хуже, чем в средних и низких широтах. На здоровье человека оказывают влияние те космические факторы, которые порождают и сами магнитные бури, а это - потоки заряженных частиц, идущих от Солнца. А еще точнее – это потоки электронов. А действие электронов на организм человека подобно действию радиации, а поэтому и последствия его совпадают с последствиями радиации – это появление свободных радикалов в организме и ощелачивание крови. Теперь, когда мы знаем, что причиной разрушения здоровья на Крайнем Севере является значительное ощелачивание крови у проживающих там людей, стоит сравнить, как развивается, например, гипертоническая болезнь в средних и высоких широтах. В качестве примера возьмем медицинские данные по двум городам – Мурманску и Норильску, которые расположены почти у самой 70-ой параллели, т. е. там, где наблюдается максимальное облучение людей электронами, идущими от Солнца. Нижеизлагаемые факты я также привожу по книге Ю. Мизуна и В. Хаснулина.

При изучении артериального давления у 2406 школьников Норильска в возрасте 8-19 лет оказалось, что уровень как систолического, так и диастолического давления у них выше, чем у школьников Москвы того же возраста. Тенденцию к повышению артериального давления с удлинением полярного стажа установили многие исследователи.

И еще одна маленькая деталь по поводу влияния солнечных вспышек на здоровье людей не на Крайнем Севере, а в средней полосе. И влияние это передается не посредством какой-то части электронов, упавших в средней полосе, а иным путем. Оказывается, мощное рентгеновское излучение, возникающее в момент вспышки на Солнце, может конденсировать водяные пары, содержащиеся в земной атмосфере. А при конденсации водяных паров понижается атмосферное давление, а вместе с ним понижается и парциальное давление кислорода. А мы уже знаем как больные люди, а это, как правило, люди со щелочной кровью, особо чувствительны к изменению парциального давления кислорода, или же, как мы обычно говорим, чувствительны к изменению погоды. Такие люди будут чувствовать и солнечные вспышки, и опять-таки через парциальное давление кислорода, а точнее, по снабжению своего организма кислородом. Но и такие люди могут защититься от негативного влияния на них солнечных вспышек обычным подкислением крови. Проанализировав изученные материалы, можно сделать следующие выводы:

• Исследования последних десятилетий, включая изучение явления с искусственных спутников Земли и ракет и создание искусственных сияний, существенно обогатили человеческие знания о полярных сияниях. Ясно, что не просто загадка полярных сияний разгадана, но и накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве.
• Солнечные и магнитные бури (и связанные с ними полярные сияния) могут вызывать рост числа различных заболеваний, в том числе заболеваний сердечно-сосудистой системы человека. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей.
• Зная влияния магнитных бурь на человека необходимо уменьшать, а еще лучше - научиться предупреждать негативную реакцию на погоду. Можно вывести некоторые рекомендации по предупреждению негативного влияния полярных сияний на человека:
  • Среди множества средств повысить устойчивость организма к магнитным бурям лучшими являются холодные купания и бег. Бегать надо хотя бы 20 минут в день.
  • Полезны также усиленные дозы витаминов, особенно «С» (лимон, зеленый лук, шиповник, зелень).
  • Гипотоники и гипертоники, люди с хроническими болезнями сердца должны держать под рукой привычные лекарства.
  • Тем, кто реагирует на геомагнитные неурядицы нервозностью, тревогой, бессонницей, помогут простые успокоительные средства — валерьянка, настойка пиона.
  • Старайтесь не есть жирного и сладкого.

Сегодня, когда человек знает механизм действия активного Солнца на здоровье человека, следует говорить не о защите человека в критические дни, чтобы таким образом продлить ему жизнь, а о постоянном укреплении его здоровья путем поддержания у него оптимальной реакции крови. В 2008 году начинается новый солнечный цикл. Спокойная жизнь нашей планеты завершается. Впереди – магнитные бури. С каждым годом их будет все больше.