Медицинские информационные системы: многомерный анализ медицинских и экологических данных - читать онлайн

В настоящее время в научной литературе обращается внимание в основном на влияние вторичных метеотропных факторов, тогда как влияние космических излучений и ионосферных факторов описано недостаточно и с позиций одномерных статистик, что не позволяет описывать физиологические процессы в полном и достаточном объеме, поскольку такое описание должно учитывать совокупность множественных взаимоотношений элементов биосистемы. Согласно исследованиям многих авторов на биосферу действуют в основном короткопериодические колебания, сверхнизкочастотные электромагнитные поля, ионосферные инфразвуковые колебания, радиоактивность, положительные радиоионы, ультрафиолетовые и космические лучи (Владимирский Б. М., 1980; 1982; Кобрин М. М., 1982), метеофакторы (Мустель Э. Р., 1971; Витинский Ю. И. с соавт., 1976; Алексеев В. П., 1979а) с разнонаправленными биоэффектами.

Имеется большое количество сведений цикличности внешних воздействий на живую природу (Похмельных Л. А., 1992а; 1992б). Однако их механизмы полностью не раскрыты. Это свидетельствует о сложности и комбинировании воздействий на живые системы.

1.1. Космические лучи – водители ритмов

КЛ и вторичные частицы, образовавшиеся в атмосфере, имеют большую проникающую способность. Так, нейтроны и протоны КЛ способны влиять на метаболические молекулярные процессы, причем эволюция и мутагенные процессы связываются с ними (Дружинин И. П. с соавт., 1974). Перемена знака ММП ведет к изменениям электрических токов и полей магнитосферы Земли. Момент перемены знака МП Солнца является наиболее благоприятным условием для проникновения КЛ к земной поверхности.

Другие колебания КЛ и вторичных лучей имеют различную периодичность (сутки, 27-дневные и прочие), анизотропию и амлитуды, изменяющиеся от долей процента до 25 %. Амплитуды геомагнитного поля при этом тоже изменяются от десятых долей до 10 %. В настоящее время известна циклическая изменчивость внешних воздействий на Землю: во временном масштабе часов и суток – геомагнитные возмущения, вариации интенсивности КЛ (Чарахьян А. Н. с соавт., 1980; Уилкокс Дж. М., 1982), солнечных излучений в различных интервалах частот (Тимоти Г., 1980), в периоде солнечных циклов – вариации погодных условий на континентах (Митчел Дж. М. мл. с соавт., 1982), в масштабе сотен лет – вариации средних температур на континентах, коррелирующие с изменением амплитуд процесса пятнообразования на Солнце, в масштабе от сотен лет до десятков тысяч – изменение геомагнитного диполя (Creer K. M., 1977), в масштабе от тысяч до миллионов лет – нерегулярные многократные изменения полярности геомагнитного диполя (Кокс А. с соавт., 1968).

Основные соотношения электростатики экранирования поля материей и складывающиеся на ее основе связи во взаимоотношениях Космоса, Солнца, Земли существенно влияют на живую природу. В нашу эпоху земной шар находится в неравновесном состоянии, разряжается, теряя заряд через ток проводимости атмосферы. Скорость ослабления магнитного момента составляет 5–8 % каждые 100 лет (Яновский Б. М., 1953; Nagata T., 1965). Атмосферный ток составляет 2000–3300 А. В масштабе 1000 лет Земля в среднем находится в электростатическом равновесии с космической средой. Наша эпоха уникальна в смысле перехода через нуль магнитного момента Земли. В последующее время (сотни лет) ожидается восстановление равновесия с космической средой. Аналогичные условия наша планета претерпевала около 2000 лет назад.

Проблемы космических лучей (КЛ) важно изучать не только с астрофизических позиций, исследуя при этом сложность процессов их взаимодействия с веществом и движущимися магнитными космическими полями, но и для медико-биологических потребностей, принимая во внимание воздействие их на живую материю (Дорман Л. И., 1988).

В литературе приводятся сведения по звездной анизотропии и долговременным вариациям КЛ в широком интервале энергий от десятков МэВ до 10²⁰ эВ. Существует сложный процесс модуляции галактических КЛ в гелиосфере: конвекционный перенос, анизотропная диффузия, переполюсовки общего магнитного поля (МП) Солнца, дрейфовые эффекты, нелинейные взаимодействия КЛ с солнечным ветром, пересоединение силовых линий межзвездного МП с галактическим полем на границе гелиосферы. В КЛ присутствуют античастицы (позитроны, мезоны, гипероны), выделяющие при взаимодействии с веществом огромную энергию и электромагнитные излучения. Их классифицируют по составу и спектру. Существует определенная взаимосвязанность их состава, спектра и анизотропии. К КЛ внесолнечного происхождения относят протонно-ядерный компонент КЛ (протоны, α-частицы, ядра с атомарной массой большей массы гелия, антипротоны и антиядра), электронно-позитронный компонент КЛ, γ-кванты, группу частиц – монополи, кварки, фотино и другие (Дорман Л. И., 1988).

Существует классификация КЛ (5 интервалов) по энергиям в широких диапазонах от 0,01 МэВ/нуклон до 10²⁰ эВ. Границы между ними часто довольно условны. Они отличаются по химическому составу энергетического спектра и характеру временных вариаций. Относительная роль 5-го интервала состоит в том, что КЛ малой энергии модулируются хромосферными вспышками спокойного Солнца, магнитосферами Юпитера и Сатурна, переходным слоем между солнечным ветром и галактическим МП. Энергетический спектр, состав и звездная анизотропия КЛ взаимосвязаны. Плотность энергии галактических КЛ вблизи Земли подвержена вариациям от 0,78 эВ/см³ в период максимума до 0,98 эВ/см³ в период минимума активности Солнца, то есть при ослаблении деятельности Солнца увеличивается значение КЛ, и наоборот, при усилении солнечной активности энергия КЛ уменьшается (Дорман Л. И., 1978). Энергия КЛ значительно больше энергии солнечного ветра, но само количество КЛ намного меньше потока солнечного ветра. Спектр и диапазон КЛ поражает воображение – он простирается от 104 эВ/нуклон до 3 ∙ 10²⁰ эВ, то есть составляет 16 порядков.

Область умеренных энергий КЛ подвержена межпланетной модуляции. Важнейшие факторы, определяющие такую модуляцию галактических КЛ, следующие: скорость солнечного ветра, диффузия КЛ, характер изменения солнечного ветра и КЛ в течение 11-летнего цикла солнечной активности, размер и форма гелиосферы, общее МП Солнца, переполюсовки МП Солнца с 22-летним циклом и распространение КЛ в гелиосфере. Спектр КЛ в области высоких и сверхвысоких энергий определяется методами подземных и наземных наблюдений мюонов и γ-квантов, измерения на искусственных спутниках Земли, регистрации широких атмосферных ливней (ШАЛ). Регистрация ШАЛ основана на регистрации и изучении мезонно-ядерного и электромагнитного каскадов в атмосфере, производимых частицами КЛ с энергиями до и около 10²⁰ эВ. Изучают одновременно потоки электронов, мюонов и адронов. Амплитуды вариаций вторичных частиц ШАЛ на уровне моря достигают 20 % для π-мезонов и 30 % для нейтронов. Метеофакторы, такие как атмосферные температура и давление, влияют на количественные параметры потоков элементарных частиц в ШАЛ: колебание температуры в 1 градус влечет изменение π-мезонов на 0,1–0,2 %, а давления на 100 Па – нейтронов на 0,7 %. По литературным данным, средняя частота малых ШАЛ составляет 45 000 в час, то есть около 12,5 герц. По данным непрерывной регистрации частоты ШАЛ были найдены 1-я и 2-я гармоники суточной вариации КЛ высокой энергии, достигающие максимума соответственно через 8,8 ± 1,3 час и 2,2 ± 0,4 час (Мирошниченко Л. И., 1981). Резкие изменения метеоэлементов сопровождаются изменениями атмосферного электричества и проникающей способности π– и μ-мезонов, протонов и других частиц (Ассман Д., 1966; Мирошниченко Л. И., 1984).

В обзоре «Космические данные» Институтом земного магнетизма и распространения радиоволн Российской академии наук опубликованы данные о вариациях интенсивности нейтронной компоненты космических лучей, регистрируемой на сети станций России нейтронными супермониторами типа NM-64. Данные нейтронной компоненты представляются в виде таблиц среднесуточных значений. Все параметры приведены к постоянному барометрическому давлению. В работе использованы данные нейтронной компоненты для района г. Москвы на высоте 220 м над уровнем моря. В табличном материале настоящей работы обозначение КЛ₂₂₀ означает именно эту нейтронную компоненту космических исследований.

С января 1972 г. в обзорах «Космические данные» публиковались сведения об интенсивности КЛ в переходном максимуме в стратосфере. В работе использованы также результаты измерений интенсивности космических лучей в максимуме переходной кривой в стратосфере в районе г. Мурманска, населенном пункте, наиболее близком по широте и долготе к г. С.-Петербургу. Использовано два параметра N₁ – значение глобальной интенсивности космических лучей (ГИКЛ), измеренной в 1/(см².с) и N₁₂ – значение вертикальной составляющей интенсивности космических лучей (ВСИКЛ), измеренной в 1/(см².с. стер). Эти измерения проводятся при помощи радиозондов космических лучей РК-1 и РК-3 (Космические данные. …, 1977–1988). В табличном материале обозначение КЛ означает все 3 исследованных параметра: нейтронная компонента КЛ₂₂₀, ГИКЛ и ВСИКЛ.

1.2. Краткая характеристика деятельности Солнца

Астрономы отслеживают солнечные циклы начиная с 1755 г. Таким образом, наблюдениям за динамикой Солнца уже примерно 250 лет. Двадцать третий по счету 11-летний солнечный цикл достиг своего максимума в начале 2000-х годов. Так как обычно солнечная активность спадает медленнее, чем нарастает, вероятность возникновения сильных магнитных бурь и связанных с ними земных «фейерверков» высока в течение нескольких лет – примерно до 2005 года (Karl T., Thurber Ir. Солнечный ветер и магнитосфера земли. http://www.bezumnoe.ru/journal/MEMFIS/comments4518.html).

Считается, что за пятнообразовательный процесс на Солнце ответственны циркуляции солнечного вещества и дифференциальное вращение солнечных слоев, в особенности приливообразующая сила планет, а также перераспределение углового момента всей солнечной системы между планетами-гигантами и Солнцем и галактические магнитные поля. Возможно, что максимумы солнечной активности зависят от движения солнечной системы в Галактике, а также от электродвижущей силы Юпитера, имеющего наибольшую массу и МП. Галактические факторы через солнечную активность влияют на земные процессы (Дружинин И. П. с соавт., 1974; Прудников И. М. с соавт., 1996). Возвратные потоки Солнца имеют максимум на точках перегиба, ближе к точке минимума солнечной активности. Этот факт важен при сопоставлении геофизических явлений с солнечной активностью (Оль А. И., 1971).

В районе максимума 11-летнего цикла возникают сильные магнитные бури на Земле (Дубров А. П., 1974; Митчел Дж. М. мл. с соавт., 1982). Число Вольфа оценивает относительное суммарное цюрихское число видимых солнечных пятен, отражающее активность Солнца, сильно коррелирующих с площадью этих пятен (Андронова Т. И. с соавт., 1982). Расширяющаяся плазма частично захватывает магнитное поле Солнца, вытягивает его силовые линии и за счет вращения Солнца образует межпланетное магнитное поле в виде спирали Архимеда. Оно состоит из 2 – 4-х секторов. Его периодичность 27 дней, иногда 13–14 дней. Несмотря на небольшую величину этого поля – несколько гамм, от его направления зависит геоэффективность корпускулярного потока (Акасофу С. И., Чепмен С., 1974, 1975).

Солнечная активность и геофизические факторы оказывают колоссальное влияние на биосферу в силу своей масштабности. Флуктуации их имеют самую различную периодичность. Число солнечных пятен изменяется со средним периодом 11,2 года. Активные центры повторяются с периодом примерно 27 дней (Акасофу С. И., Чепмен С., 1974, 1975). Смена полярности общего МП Солнца происходит с периодом около 22 лет. Кроме того, существуют 3-, 5-, 7-, 8-, 90-летние циклы (Владимирский Б. М., 1971, 1977, 1980, 1982; Мартер М. Дж., Бруцек А., 1980; Мирошниченко Л. И., 1981).

Характер погоды сезонов значительно отличается от года к году и имеет связь с положением планет. Многолетние наблюдения показали, что соединение планет-гигантов в одном небольшом телесном угле приводит к смещению центра тяжести Солнца относительно неподвижного центра масс солнечной системы от 0,01 до 2,19 солнечного радиуса. Периоды соединения Юпитера и Сатурна происходят примерно через 20 лет. 10-летний полупериод способствует меридиональной циркуляции воздуха на Земле и экстремальным проявлениям погоды: холодной зиме, засушливому лету, ураганам, наводнениям. Поэтому «парады планет» не безобидны (Белязо В. А., 1990).

В настоящей работе использовалось два показателя солнечной активности (СА), публикуемые в сборнике «Космические данные. Месячный обзор» (1977–1988): относительное число солнечных пятен (ОЧСП), называемых иногда числами Вольфа, и плотность потока радиоизлучения на частоте 3000 МГц (ППСР3000) – на каждый день с 1977 по 1988 г. Таким образом, эти показатели отражают интенсивность СВЧ-излучений Солнца и общего показателя радиоизлучений – ОЧСП. В табличном материале и иллюстрациях обозначение СА означает солнечную активность, описываемую двумя параметрами: ППСР3000 и ОЧСП.

Таким образом, в работе использовались два показателя солнечной активности: количество солнечных пятен и излучение солнечного диска.

В 1848 году швейцарским астрономом Йоханом Рудольфом Вулфом были введены ежедневные измерения числа солнечных пятен. Его метод, который все еще используется сегодня, рассчитывает общее количество пятен, видимых на поверхности Солнца, и число групп, в которые они группируются, так как ни одна величина удовлетворительно не измеряет активность солнечных пятен.

Относительное число солнечных пятен является показателем активности всего солнечного диска. Это определяется каждый день независимо от предыдущих дней. Каждый изолированный кластер солнечных пятен называют группой пятен, и она может состоять из одного или большого количества разных пятен, размер которых колеблется от 10 или более квадратных степеней солнечной поверхности вниз к пределу решения (например, 1/25 квадратная степень). Относительное число солнечных пятен определяется как R = K (10g + s), где g – число групп пятен, s – общее количество различных пятен. Коэффициент пропорциональности K (как правило, меньше единицы) зависит от наблюдателя и предназначен для осуществления перехода к шкале Вольфа.

Массив данных, содержащий информацию о солнечных пятнах, имеет табличный формат (таблица 1.1):

Таблица 1.1

Ежедневные измерения комплексного излучения солнечного диска в 2800 МГц (длина волны 10,7 см) производятся Национальным исследовательским советом Канады с 1947 г. До 31 мая 1991 г. наблюдения проводились в Обсерватории Алгонкинского радио, около Оттавы. Далее программа была передана Доминион радио астрофизической обсерватории около Пентиктона в Британской Колумбии. С 1 июня 1991 года данные берутся из этого места.

Таблицы содержат сведения о потоках от всего солнечного диска в частоте 2800 МГц в единицах 10^-22 Вт/(м²МГц). Во избежание десятичных знаков каждый показатель был умножен на 10. В итоге получены три вида потока – наблюдаемый, скорректированный и абсолютный. Из них наблюдаемый – наименее точный, так как он содержат флуктуации до 7 %, которые возникают с изменением расстояния Солнце – Земля. Скорректированные потоки не имеют такого изменения; числа в этих таблицах, равные потоку энергии, полученному датчиком, рассчитаны для средних расстояний между Солнцем и Землей. Наконец, абсолютные потоки содержат меньше всего ошибок, здесь каждое скорректированное значение умножается на 0,90, чтобы компенсировать погрешность антенны и волн, отраженных от Земли.

Данные сведены в таблицу в двух формах: «наблюдаемый поток» (S), и «скорректированный поток» (Sa). Первый – фактические измеренные значения – зависит от изменения расстояния между Землей и Солнцем весь год, тогда как второй масштабируется в стандартном расстоянии. Значения наблюдаемого потока полезны в физике ионосферы и других земных последствий солнечной активности. Скорректированные потоки более точно описывают поведение Солнца.

1.2.1. Динамика гелиофизических факторов

Временная изменчивость солнечной активности, выраженная количеством солнечных пятен и плотностью потока радиоизлучения на частоте 2800 МГц, представлена на рис. 1.1. Ход двух кривых очень похож, он отображает 11-летний цикл, с начала 1996 года значения увеличиваются, достигнув максимума в середине исследуемого периода, затем постепенно начинают уменьшаться. Максимум числа солнечных пятен (170) приходится на середину 2000 года, а максимум плотности потока (2350) – на начало 2002-го.

Рис. 1.1. Многолетняя среднемесячная изменчивость солнечных пятен и плотности радиоизлучения на частоте 2800 МГц

1.2.2. Спектральный анализ гелиофизических параметров

Рис. 1.2 показывает десятичный логарифм спектральной плотности солнечных пятен. График содержит большое количество периодичностей повторения явлений: 13 лет, 12 месяцев, 7,43 месяца, 6, 4,3, 3,7 и 2,74 месяца. Эти периоды синхронны со стационарной летальностью больных Санкт-Петербурга, описанной в главе 10 настоящей книги.

Рис. 1.2. Десятичный логарифм спектральной плотности динамики солнечных пятен

1.3. Основные параметры ионосферы и сопряженные с ними факторы

Возрастание солнечной активности приводит ко многим эффектам, поэтому ионосферное распространение может испытывать различные кратковременные возмущения. Во время некоторых геомагнитных бурь, называемых ионосферными, может происходить разрушение ионосферы, что приводит к различным эффектам. Как правило, затрагивается распространение коротких волн через ионосферную область F (на высоте около 300 км). Эти возмущения нарушают электронную конфигурацию ионосферы и вызывают ухудшение или даже полное исчезновение прохождения радиоволн.

Геомагнитные возмущения, приводящие к возникновению авроры, могут фактически улучшить распространение на высокочастотных КВ-диапазонах. Наряду с видимой авророй может возникать и радиоаврора. Это своего рода флуоресценция ионосферного слоя Е, которая приводит к возникновению тенденции отражения радиосигналов на частотах примерно выше 20 МГц.

Существуют и ионосферные бури. Ионосферные бури вызываются различными процессами на Солнце, такими как солнечные вспышки, корональные дыры и корональные извержения масс. Бури длятся от нескольких часов до нескольких дней и иногда повторяются с периодом 27,5 дня, равным периоду собственного вращения Солнца.

Сила бури отмечается индексами А и К, которые указываются в радиовещательных сигналах геофизической тревоги Geoalert, передаваемых станциями WWV и WWVH, принадлежащими Национальному институту стандартов и технологий США (NIST) в г. Боулдер, шт. Колорадо. Радиостанция WWV располагается в окрестностях Форт-Коллинза (Ft. Collins), а радиостанция WWVH – в Кауаи, Гавайи. Обе станции осуществляют непрерывное вещание на частотах 2,5; 5; 10 и 15 МГц; кроме того, WWV вещает и на 20 МГц. Информация обновляется каждые три часа и передается станцией WWV на 18-й минуте каждого часа, а станцией WWVH – на 45-й минуте каждого часа. Ионосферные и магнитные возмущения могут сопровождаться видимой авророй.

Индекс К представляет собой результат трехчасовых магнитометрологических измерений интенсивности и направления геомагнитного поля и сравнения их с этими же характеристиками в геомагнитно «спокойных» условиях. Измерения индекса К осуществляются во многих местах земного шара и тщательно согласуются с геомагнитными характеристиками места, в котором проводятся измерения. Индексы К станции Боулдер (Boulder) измеряются по шкале от 0 до 9.

Индекс А дает усредненную меру геомагнитной активности, полученную из ряда физических измерений, долговременную картину геомагнитной активности. Он выводится из индексов К и принимает значения от 0 до 400.

Многие организации принимают участие в предсказаниях солнечных циклов и в мониторинге солнечной активности. Например, солнечная и гелиосферная обсерватория (SOHO) – это реализованный совместный проект Европейского космического агентства (ESA) и Национального управления по океану и атмосфере (NOAA). Эта космическая станция – наиболее претенциозный проект, позволяющий осуществлять непрерывное наблюдение за Солнцем. Реализация проекта позволяет лучше понять взаимодействие между Солнцем и Землей, включая солнечный ветер.

Солнечные, геомагнитные и ионосферные данные в Интернет. Огромное число данных о солнечной, геомагнитной и ионосферной активности и об условиях распространения волн можно найти во Всемирной паутине (World Wide Web). Большинство web-сайтов спонсируются хорошо известными академическими, педагогическими и правительственными организациями:

– Космический центр SEC (Space Environment Center) NOAA, являющийся частью Департамента торговли США, спонсирует обширный и поддерживаемый в хорошем состоянии сайт, который находится по адресу: http://www.sel.noaa.gov/sec.home.htmb.

– Национальный центр геофизических данных NGDC (National Geophysical DataCenter) NOAA распространяет бюллетень солнечных и геомагнитных индексов и предоставляет превосходный доступ к геофизическим данным и архивной информации на сайте http://www.ngdc.noaa.gov.

– Информационное агентство по солнечно-земным связям STD (Solar Terrestrial Dispatch), управляемое университетом г. Летбридж (провинция Альберта, Канада), предоставляет обильную информацию о состоянии Солнца и его влиянии на Землю: http://solar.uleth.ca/solar/main.html.

– служба IPS Radio and Space Service австралийского правительства имеет Австралийский центр прогнозирования состояния космоса (Australian Space Forecast Center), который гордится своей информационной базой on line по солнечно-земным связям, прогнозированию состояния космического пространства и условий распространения радиоволн: http://www.ips.gov.au.

– страничка Aurora спонсируется Мичиганским технологическим университетом. На ней имеются информация и изображения, относящиеся к Северному полушарию: http://www.geo.mtu.edu/weather/aurora.

– Web-сайт Kangaroo Tabor Software, спонсируемый Icim Tabor (KU5S), содержит некоторые программы и предназначен тем, кто интересуется прогнозированием текущего и будущего состояния Солнца и условий распространения радиоволн: Он включает такие инструменты, как Active Beacon Wizard++ и WinCAPWizard 2: http://www.taborsoft.com.

Важнейшими направлениями исследований являются эволюция биосферы, энерго– и массообмен, методология системных исследований в соответствии с международной геосферно-биосферной программой (Кондратьев К. Я., Покровский О. М., 1989; Кондратьев К. Я., 1990; 1992; 1993). К числу активно воздействующих на биосферу Земли можно отнести ее оболочки – ионосферу и атмосферу, в которых происходят преобразования внешних космических факторов с образованием комплекса вторичных эффектов: магнитных полей и токов, инфразвуков и акустических колебаний, потоков элементарных частиц (Васильев К. Н., 1969; Алексеева Л. М., 1977; Владимирский Б. М. с соавт., 1994).

К числу активно воздействующих на биосферу Земли можно отнести ее оболочки – ионосферу и атмосферу, в которых происходят преобразования внешних космических факторов с образованием комплекса вторичных эффектов: магнитных полей и токов, инфразвуков и акустических колебаний, потоков элементарных частиц (Голицин Г. С., 1961; Goe G. B., 1971; Beer T., 1972; Госсард Э. Э., Хук У. Х., 1978; Бирагов С. Б., 1979; Глушковский Б. И. с соавт., 1979; Потапов Б. П., 1979). Поглощение и преобразование излучений Солнца происходит в основном в ионосфере и нейтральной атмосфере Земли. Поверхности Земли достигают ультрафиолетовые лучи, видимый свет, инфракрасное излучение, участок радиоспектра (с длиной волны 1 мм – 30 м). Солнечное радиоизлучение в диапазоне 10–30 000 МГц свободно достигает поверхности Земли, так как в этом диапазоне существует радиочастотное окно прозрачности ионосферы (Владимирский Б. М., 1977; 1980).

Влияние ионосферы на биосферу изучено в настоящее время совершенно недостаточно. Здесь имеются лишь единичные работы. Например, для реакции Белоусова – Жаботинского получены самые высокие корреляции f₀F₂ – критической частоты ионосферного слоя F₂ и КЛ. Агглютинация бактерий сильно коррелирует с критической частотой f₀F₂ слоя F₂ ионосферы. Исследования показали, что здесь играют большую роль ГМП в диапазоне короткопериодических колебаний, полярность межпланетного МП (Опалинская А. М., Агулова Л. П., 1984). Имеется всегда комбинированное многофакторное воздействие различных естественных ЭМП на биосферу (Ерущенков А. И., 1977; Ерущенков А. И. с соавт., 1977а; 1977б; Ишкова Л. М. с соавт., 1989). Например, показана связь атмосферных процессов с параметрами ЭМП атмосферы (Чекин В. Я., 1962; 1963; Оль А. И., 1971), c содержанием аэроионов (Климат и здоровье…, 1988), инфразвуковыми колебаниями в атмосфере (Ерущенков А. И. с соавт., 1977а; 1977б; Махотин Л. Г., 1984).

Ионосфера – область верхней атмосферы, где количество ионов и электронов достаточно для того, чтобы существенно влить на распределение радиоволн. Ионосфера включает в себя озоносферу, не имеет резко выраженной верхней границы и постепенно переходит в гелиосферу, где основными компонентами являются нейтральный и ионизированный гелий, а затем в протоносферу, которая в основном состоит из ионизированного водорода. Границы этих областей четко не определены (Ришбет Г., Гарриот О. К., 1975).

Степень ионизации ионосферы, электронная концентрация зависит от энергии ионизирующего излучения Солнца, коэффициента поглощения газом излучений и исходной плотности атмосферного газа. Процесс ионизации ведет к появлению максимума на кривой зависимости электронной концентрации от высоты. Cостав атмосферы сложен, различные составляющие по-разному ионизируются различными участками солнечного спектра, и, значит, в ионосфере образуется несколько максимумов на кривой концентрации ионов, особенно в дневное время. Эти максимумы и отождествляют с положением отдельных «слоев», или «областей» ионосферы. В порядке возрастания эти слои называются D, E, F₁, F₂. Высота, толщина и степень ионизации ионосферных слоев существенно зависят от местного времени суток, сезона, уровня солнечной активности и координат (Галкин А. И. с соавт., 1971).

Движение заряженных частиц в ионосфере под действием электромагнитных сил в геомагнитном поле индуцирует ток в части ионосферы, которую называют «динамообластью» (до 140 км). Токи в ионосфере – источник наблюдаемых геомагнитных вариаций, а из области Е они индуцируют токи в области F. Область D (50–85 км) – самая нижняя область ионосферы, с низкой концентрацией электронов. Здесь наблюдаются высокая частота соударений и сильное затухание электромагнитных волн, изучается распространение сверхнизкочастотных колебаний типа атмосфериков (10 КГц) в волноводе «Земля – ионосфера». Максимум электронной концентрации в слое D находится вблизи 80 км, которая зависит от СА. Суммарная величина концентрации ионов для области D имеет 27-дневную периодичность, характеризующая вариации СА и хорошо коррелирует с вариациями ОЧСП (Ришбет Г., Гарриот О. К., 1975).

Область Е ионосферы (85 – 140 км) образуется под действием мягкого рентгеновского излучения Солнца, и в этой области основными ионами являются молекулярный кислород и окись азота. Электронная концентрация в области Е в полдень составляет около 10⁵ на см³ для периода минимума солнечной активности и примерно на 50 % больше в период максимума. Концентрация изменяется со временем суток, сезоном и широтой и зависит от уровня солнечной активности. Электронная концентрация в слое Е имеет максимум около полудня. Этот слой существует обычно днем, но часто остается остаточная ионизация – ночной слой Е. Внутри области Е в тонком слое (несколько км) на высоте около 100 км часто наблюдается повышенная по сравнению с вышележащими областями электронная концентрация. Это явление называется спорадическим слоем E (E_S). Сезонные вариации частоты появления E_S и его интенсивности малы, но сезонные флуктуации проявляются четко. Максимум частоты проявления E_S в средних широтах наблюдается летом в дневное время. Слой E_S, особенно в высоких широтах, тесно связан с вторжением в земную атмосферу потоков частиц высоких энергий, с полярными сияниями и геомагнитными нарушениями. Существуют данные, показывающие тесную связь E_S с ветровым режимом в Е-области ионосферы и турбулентностью (Галкин А. И. с соавт., 1971; Владимирский Б. М., 1982). В ионосфере существует целый спектр неоднородностей электронной плотности – от десятков метров до сотен километров (Казимировский Э. С., 1990).

Корпускулярный слой E – толстый слой E с критической частотой, значительно большей, чем частота нормального слоя Е. По традиции он называется ночным слоем Е, так как критическая частота нормального слоя Е в ночные часы бывает ниже наименьшей частоты регистрирующей аппаратуры. Часто бывает, что разница частот корпускулярного слоя и нормального Е больше, чем между f₀E и f₀E₂. В ночные часы, когда f₀E нормального слоя Е не превышает 300–500 Кгц, f₀E корпускулярного слоя E выше 1 Мгц и доходит до 5 Мгц. После появления корпускулярного слоя Е наблюдается E_S с запаздыванием (Руководство URSI…, 1977).

Область F₁ ионосферы является промежуточной между областями E и F₂, располагается на высотах 160–200 км. Максимум электронной концентрации при этом находится на высоте h ≈ 170–200 км. Слой F₁ появляется чаще всего летом, днем и в период минимума солнечной активности. В ночное время слой F₁ не появляется совсем. Электронная концентрация в максимуме слоя меняется с сезоном и географическим положением. Наблюдаются и сезонные вариации этой величины. На условия появления слоя F₁ влияет нестационарный характер процессов, протекающих в ионосфере и связанных с динамическими процессами в нейтральной среде (Галкин А. И. с соавт., 1971).

Область F₂ ионосферы – самая обширная и сложная область, лежащая выше 200 км. Основными ионами в этой области являются атомарный азот и кислород c сильным преобладанием кислорода (O⁺). Электронная концентрация в максимуме F₂ меняется сложным образом. В нем есть отклонения, которые принято называть «аномалиями слоя F₂». Хорошо известна суточная аномалия, когда концентрация электронов в максимуме слоя в полдень имеет четкий минимум. Суточная вариация максимальной концентрации электронов имеет либо один максимум, сильно сдвинутый относительно полудня, либо 2 максимума. Выделяют географическую аномалию, проявляющуюся в том, что вблизи магнитного экватора имеет место минимум полуденной концентрации в ее широтном ходе, в то время как вследствие вертикальности падения солнечной радиации должен бы наблюдаться максимум. Сезонная аномалия проявляется в том, что везде, особенно вблизи широты 50°, значение концентрации электронов в полдень особенно велико местной зимой. Существует так называемая декабрьская аномалия – в зоне широт 50° северной широты – 35° южной широты. Она аномально велика в ноябре, декабре, январе. Декабрьская аномалия усиливает сезонную аномалию в северном полушарии. Зимняя аномалия слоя F₂ наиболее выражена в период максимума солнечной активности (Казимировский Э. С., 1990; Смирнов Р. В., Кононович Э. В., 1994). Выявлена ключевая роль кольцевого тока в динамике земной магнитосферы, солнечно-земных и магнито-ионосферных связях. Во многих динамических магнитосферных процессах значительную роль наряду с протонами играют ионы гелия и кислорода. Источники ионов различны: частицы – в основном солнечного происхождения, а ионы кислорода – ионосферные (Ковтюк А. С. с соавт., 1995). Резкой границы между атмосферой и ионосферой нет, их слои перекрывают друг друга, а процессы, происходящие в них, взаимообусловлены (Полак Л. С., 1960; Погодин И. Е., 1994).

В ионосфере находятся высокоэнергетические частицы – электроны и протоны, направляемые силовыми линиями геомагнитного поля. Они гигантскими тысячекилометровыми струями вторгаются в атмосферу, вызывая полярные сияния. Ионосферные слои способны смещаться друг относительно друга с очень большими скоростями до нескольких сот метров в секунду, что сопровождается в силу сильной ионизации мощными электрическими токами и низкочастотными колебаниями в атмосфере. Возмущения в ионосфере могут генерировать инфразвук. Шумовые бури часто возникают в связи с возникновением солнечных пятен, которые функционируют в течение минут, часов или суток (Казимировский Э. С., 1990). Ионосферный волновод существует между поверхностью Земли и ионосферой и имеет собственные частоты с основной полосой 7–8 Гц, амплитуда колебаний в которой возрастает во время магнитных бурь в несколько раз (Плясова-Бакунина Г. А., Матвеева Э. Т., 1969).

Наиболее регулярно действующим источником ультранизко-частотного излучения около земной поверхности является молния. Молния распространяется по волноводу «Земля – ионосфера». Максимум энергии в этой части сигнала лежит в области частот 60 – 200 Гц (Галкин А. И. с соавт., 1971).

На процессы магнитосферы оказывают влияние и параметры межпланетного МП. Выявлена корреляция состояния ионосферы с межпланетным МП. Перемена его знака ведет к изменениям электрических токов и полей магнитосферы Земли. Солнечные вспышки вызывают дополнительные ионосферные токи с частотой около 0,04 – 5 Гц на 3 – 4-е сутки с последующим развитием магнитных бурь и 1000-кратными флуктуациями напряженности электрического поля на частоте в области 1 Гц, так же как и в случае изменений СА. Эти процессы всегда сопровождаются инфразвуковой бурей на частотах 0,01 – 0,05 Гц с максимумом эффектов в ночные и утренние часы (Мирошниченко Л. И., 1981). Эти обстоятельства и факторы могут иметь существенное биотропное действие.

В Руководстве URSI (1977) даются определения наиболее важных терминов. Предельной частотой слоя называют наивысшую частоту, на которой получается отражение от слоя при вертикальном зондировании. Экранирующей частотой слоя – самую низкую частоту, на которой слой начинает становиться прозрачным, отождествляется с появлением отражений от слоя, расположенного более высоко. Критической частотой слоя называется наивысшая частота, на которой слой не только отражает волну, но и пропускает ее. Минимальная действующая высота – высота, на которой след отражений от ионосферы на ионограмме горизонтален. Максимально применимая частота (МПЧ). На ее основе определяют действующую высоту максимальной электронной концентрации слоя. За стандартное расстояние принято расстояние в 3000 км. Например, М(3000)F₂ – обозначает коэффициент, на который надо умножить частоту слоя F₂ – f₀F₂, чтобы получить МПЧ(3000)F₂ – максимальную частоту, отражающуюся от слоя F₂ с расстояния 3000 км. Для удобства масштаб величин записывается увеличенным в 100 раз (Ионосфера…, 1982).

В число характеристик, рекомендуемых URSI для определения на ионосферных станциях, входят следующие ИП: f₀F₂, M(3000)F₂, f₀E_S, f_min. Существует международная договоренность по определению этих параметров (Руководство URSI …, 1977). f₀F₂ – критическая частота обыкновенной волны, отраженной от самого высокого отслоения в области F (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). f₀E_S – предельная частота обыкновенной волны, соответствующей наибольшей частоте, при которой наблюдается основной непрерывный след отражений от слоя E_S (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). f_min – наименьшая частота, при которой на ионограмме наблюдаются следы отражений от ионосферы (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). h'F – минимально действующая высота следа отражений обыкновенной волны от взятой в целом области F (представляется в км). Перечисленные ионосферные параметры на моменты проведения физиологических исследований были получены в Санкт-Петербургском филиале ИЗМИ РАН (пос. Войеково).

В реальной природе имеет место комбинированное воздействие природных факторов, которые не строго периодичны (Richner H., Greber W., 1978). Поэтому, вероятно, на организм оказывают влияние именно эти первичные, фундаментальные физические факторы. В нашей работе изучались 5 вышеуказанных ИП. Для демонстрации сопряженности их с глобальными показателями космоса на рис. 1.3 представлена сглаженная динамика ППСР3000 и ГИКЛ за 1977–1988 гг. (Космические данные …, 1977–1988) в моменты изучения крови у больных с психическими расстройствами без выраженной соматической патологии. Таким образом, изучая корреляционные связи параметров ионосферы в динамике с биологическими показателями можно судить по крайней мере о характере соотношений космических и солнечных излучений, находящихся в противофазе. В табличном материале обозначение ИП означает все 5 исследованных ионосферных параметров: f₀F₂, M(3000)F₂, f₀E_s, f_min, h'F.

Рис. 1.3. 12-летняя динамика (с 1977 по 1988 г.) двух ионосферных показателей: критической частоты f₀F₂ слоя F₂ и коэффициента М(3000)F₂ ионосферы, а также плотности потока солнечного радиоизлучения на частоте 3000 Мгц (ППСР3000) и глобальной интенсивности космических излучений (ГИКЛ) – в моменты исследования гематологических признаков циркулирующей крови. Наглядно представлены 11-летние тренды космических и ионосферных параметров наряду с квазипериодическими нерегулярными флуктуациями

В силу недостаточной изученности влияния ионосферы на биосферу существует необходимость обоснования выбранных ионосферных параметров для изучения корреляционных связей с медико-биологическими и психологическими показателями, исследованными в настоящей работе. Для этого приводятся основные закономерности поведения физических параметров, сопряженных с ионосферными процессами.

Так, в авроральной (возмущенной) ионосфере могут образовываться слабые крупномасштабные неоднородности (Гельберг М. Г., 1980). D. H. Rind (1978) приводит результаты исследования нижней термосферы по 10-летним непрерывным наблюдениям инфразвуковых естественных шумов, что говорит о постоянном их наличии в атмосфере и зависимости их появления от множества факторов, в том числе от нагревания стратосферы (Rind D. H., Donn W. L., 1978), внутренних гравитационных волн при грозовых разрядах в атмосфере (Григорьев Г. И., Докучаев В. П., 1981). Вариации ветров и инфразвуков могут быть результатом планетарных гравитационных волн, СА, геомагнитных эффектов. В атмосфере иногда возникают бронтиды – естественные шумы взрывного характера (Gold T., Soter S., 1979). Установлено наличие инфразвуковых колебаний в слое F₂ и слое F в целом ионосферы, которые связаны с сильными грозами (Raju D. G. et al., 1981; Rao B. M. et al., 1981). Кроме того, низкоширотный инфразвук связан с геомагнитной активностью (Srivastava B. J. et al., 1982) и может производить геомагнитные вариации во время землетрясений (Альперович Л. С. с соавт., 1978). Электронный поток ионосферы и полярных сияний тоже генерирует инфразуковые волны (Suzuki Y., 1979), которым приписывают акустико-гравитационно-резонансные механизмы развития в атмосфере под авроральной ионосферой (Алексеева Л. М., Гетлинг А. В., 1978) и даже вокруг всей земной сферы (Григорьев Г. И., Докучаев В. П., 1978; Безрученко Л. И., Залялютдинов А. Р., 1979). Скорость смещения области F ионосферы достигает 10–40 м/с, при этом вертикальное движение области F – параметр действующей высоты h'F приводит к ее деформационным изменениям и хаотическому движению ионосферы (Васьков А. М., Димант Я. С., 1989; Киселев В. Ф. с соавт., 1989).

Атмосферный газ имеет естественную вертикальную стратификацию, поэтому любое возмущение или движение, имеющее порядок высоты атмосферы вызывает в ней внутренние волны. Атмосфера рассматривается в качестве нелинейно-дисперсионного фильтра. Возмущения большой амплитуды имеют свойство быть слабо затухающими, а многомодовые малой амплитуды – сильно рассеиваются (Корнеев Н. А. с соавт., 1985; Мусатенко С. И., 1985).

Cуществуют определенные временные соотношения всплесков ГМП и ионосферы (Арошидзе Г. М., 1971; Курганов Р. А., Кацевман М. М., 1989), в частности слоя E_S (Гусев В. Д. с соавт., 1989). Флуктуации плотности ионосферной плазмы нестационарны (Лаугалис Р. В., Швирта Д. И., 1987). Во время аномальных возмущений отражающая поверхность слоя E_S имеет форму фокусирующей линзы. Механизм ее возникновения заключается в образовании горизонтального градиента вертикального сдвига этого слоя (изменения, в том числе действующей высоты h'F) (Насыров А. М., Стрекалов В. А., 1989; Овезгельдыев О. Г. с соавт., 1989а). Спорадический слой E_S в годы минимума СА существенно изменяется (Солуян С. И., Хохлов Р. В., 1975; Березин И. В. с соавт., 1989). При гирочастотном нагреве ионосферы существует эффект антикорреляции электромагнитных излучений, возбуждаемых на частотах выше и ниже частоты волны накачки с эффектом самофокусировки ионосферных неоднородностей (Бойко Г. Н., Фролов В. Л., 1989; Голян С. Ф. с соавт., 1989), в том числе при прохождении СВЧ-излучений Солнца (Балашов В. И. с соавт., 1989).

Особенности взаимодействия плазмы ионосферы и СВЧ-излучений в том, что частоты СВЧ значительно больше характерных частот плазмы ионосферы. Этот фактор определяет особенности нагрева, рассеяния и преобразования в продольные волны. Исследованы процессы прохождения СВЧ-излучений через характерные зоны D, E, включая E_S, F₁ и F₂ в средних широтах до высот слоя F₂, где плазменная частота уменьшается. Показано, что все упомянутые слои ионосферы имеют свои определенные характеристики взаимодействия с СВЧ-излучениями. Это означает, что до Земли доходят существенно модифицированные СВЧ-излучения Солнца (Баранец А. Н. с соавт., 1989; Белей В. С. с соавт., 1989; Бубнов В. А., Устинович В. Т., 1989; Кауфман Р. Н., 1989).

Флуктуации СА, межпланетного МП модулируют спектр КЛ, достигающий земной поверхности (Гончарова Е. Е. с соавт., 1989). Изменения акустических шумов атмосферы очень низкой частоты (< 1 Гц) – инфразвуковых колебаний естественного происхождения связаны с СА, особенно тесная связь инфразвуков при полярных сияниях. Поэтому они являются передатчиком СА на биосферу, поскольку акустические волны биологически активны на естественных частотах порядка 0,01 Гц с амплитудой в районе 10 дин/см². Такие воздействия имеют место при короткопериодичных колебаниях ГМП, сопровождающиеся атмосфериками на частотах 10⁴ Гц. В спектре естественных инфразвуков атмосферы они занимают полосу от 16 Гц (слышимые) до 0,003 Гц (ниже этой частоты преобладают внутренние гравитационные волны. Они всегда присутствуют в атмосфере на частотах ниже 1 Гц, слабо затухают, могут распространяться за тысячи километров от источника (землетрясения, штормы). Обычный акустический фон имеет амплитуду около 1 дин/см², что значительно меньше локальных флуктуаций при наличии ветра (Владимирский Б. М., 1974).

Данные о результатах анализа наблюдений о движениях газа на различных высотах атмосферы Земли говорят о существовании акустико-гравитационных волн в большом интервале высот – от поверхности Земли до верхней границы ионосферы, – сопровождающихся существенной вариацией электронной концентрации (до 2 порядков) (Григорьев Г. И., Докучаев В. П., 1978) с передачей флуктуаций ионосферного давления в толщу атмосферы (Алексеева Л. М., 1978). В авроральной ионосфере обнаружена генерация акустических волн (Raju D. G. et al., 1981).

Таким образом, выбранные в настоящей работе ионосферные параметры – критические частоты f₀E_S, f₀F₂, минимальная частота f_min, высота h'F слоя F, коэффициент M(3000)F₂ – тесно связаны с широким кругом ионосферных процессов и довольно полно описывают ее состояние при минимальном наборе количества параметров, описывающих состояние ионосферы.

Прикладные антропогенные проблемы модификации ионосферы. 11 сентября 2005 г. на пленарном заседании Государственной думы рассматривался проект постановления «О потенциальной опасности для человечества продолжения США широкомасштабных экспериментов по целенаправленному и мощному воздействию на околоземную среду радиоволнами высокой частоты».

Речь шла об испытаниях по американской программе HAARP (ХААРП) – High Frequency Active Auroral Research Program (программа активного высокочастотного исследования авроральной области), которые проводятся под непосредственным руководством Пентагона. В рамках этой программы создано принципиально новое оружие – геофизическое, или, как его еще называют, плазменное. Возможный спектр его применения, по мнению специалистов, чрезвычайно широк – от противоракетной обороны до наступательного оружия. Но самое главное, ученые, знакомые с проблематикой, убеждены: даже испытания (не говоря уже о боевом применении) этого оружия способны привести к катастрофическим природным катаклизмам. Впрочем, все по порядку.

В начале ХХ века гениальный физик Никола Тесла разработал методы передачи электрической энергии через естественную среду на любое расстояние. Тщательная доработка этого метода привела к теоретическому обоснованию так называемого «луча смерти», с помощью которого электроэнергию можно отправлять в любых количествах на любое расстояние. Иначе говоря, были созданы основы принципиально новой системы вооружения, транслирующей энергию в атмосферу или через земную поверхность с фокусировкой ее в нужном районе земного шара.

Непосредственно проект ХААРП функционирует с 1960 года. С этого времени в его рамках стали проводиться электромагнитные трансляции различной интенсивности и сопутствующие эксперименты в США (Колорадо), Пуэрто-Рико (Аресибо) и в Австралии (Армидейль).

Излучение американской установки HAARP на Аляске (США) превышает мощность естественного излучения Солнца в диапазоне 10 мегагерц на пять-шесть порядков, то есть в 100 000 – 1 000 000 раз. Виктор Баранец 12 февраля 2004 г. (http://kp.ru/daily/23215/26591/) взял интервью у Владимира Ашуганова, генерал-майора, доктора технических наук, начальника подразделения НИИ Минобороны РФ: «У меня такое впечатление, что некоторые авторитетные ученые России принижают истинное значение ХААРП и даже называют его фантастикой дилетантов. Так вот слушайте. Когда в мире (в том числе и в СССР) появились сверхмощные локаторы, то выяснилось, что они способны “разогревать” ионосферу на определенных площадях. Нам удалось установить прямую связь этих разогревов с магнитными бурями и другими явлениями (их немало). Американцы тоже не спали. И когда и мы, и они поняли, какие тут возможности открываются (оборонные аспекты я тоже имею в виду), тут и начался бум… Он до сих пор продолжается.

Своим сверхмощным излучением HAARP воздействует прежде всего на ионосферу Земли. Это такой слой околоземного пространства, который заполнен активными ионизированными атомами. Понятно, что излучение, воздействуя на атомы, дает дополнительную энергию и их электронные оболочки увеличиваются.

Применение плазменного оружия способно привести к следующим эффектам:

– полностью нарушится морская и воздушная навигация;

– прекратится радиосвязь и радиолокация;

– выйдет из строя бортовая электронная аппаратура космических аппаратов, ракет, самолетов и наземных боевых систем;

– возникнут масштабные аварии в электросетях, на атомных станциях, нефте– и газопроводах;

– перестанет нормально функционировать психика людей и животных;

– возникнут тайфуны, бури, смерчи, наводнения».

1.4. Характеристика геомагнитного поля

Геомагнитные возмущения и бури могут быть вызваны сильными всплесками солнечного ветра. Когда всплеск солнечного ветра (чаще всего связанный с солнечными вспышками и извержениями корональных масс) достигает Земли, наблюдаются изменения магнитосферы, а геомагнитное поле Земли сильно флуктуирует. Длительные периоды геомагнитной активности известны как геомагнитные бури (сильные возмущения магнитного поля Земли).

Во время таких мощных геомагнитных бурь токи в магнитосфере быстро изменяются в ответ на изменения солнечного ветра. Эти токи генерируют свои собственные магнитные поля, которые складываются с магнитным полем Земли и приводят к возникновению геомагнитно индуцированных всплесков токов в почве, газопроводах, силовых и телефонных линиях. Возможны различные биологические эффекты, в частности, очень важные для людей на Земле и космонавтов, находящихся на орбите (Karl T., Thurber Ir. Солнечный ветер и магнитосфера Земли. http://www.bezumnoe.ru/journal/MEMFIS/comments4518.html).

Кроме магнитных бурь в околоземном пространстве могут возникать короткопериодические колебания ГМП, представляющие собой колебания от десятых долей секунды до нескольких минут. Они имеют периодический или нестационарный характер с вариациями амплитуд до нескольких порядков, от сотых долей нанотесла (гамма) до десятков нанотеслов (Шеповальников В. Н., Сороко С. И., 1992; Абдурахманов А. Б. с соавт., 1994). Такие колебания ГМП индуцируют в верхних слоях атмосферы электрические токи. Основная причина их – волновые процессы ионосферы, движения частиц, электрических полей, взаимодействие межпланетных магнитных полей. В магнитосфере эти явления сопровождаются низкочастотными электромагнитными колебаниями со звуковыми, «свистящими» эффектами (Оль А. И., 1971; 1973; Махотин Л. Г., 1984). Таким образом, на биосферу действуют в основном короткопериодические, сверхнизкочастотные ЭМП, ионосферные инфразвуковые колебания, радиоактивность, положительные радиоионы, ультрафиолетовые излучения – с длиной волны около 290 нм (Владимирский Б. М., 1980; 1982; Кобрин М. М., 1982).

В реальной природе имеет место комбинированное воздействие природных факторов, которые не строго периодичны (Richner H., Greber W., 1978). Поэтому, вероятно, на организм оказывают влияние именно эти первичные, фундаментальные физические факторы. ГМП имеет очень значительные функции и является естественным преобразователем и модулятором энергии космических излучений, которые обладают большой биотропностью (Дружинин И. П. с соавт., 1974; Колодуб Ф. А., 1984).

Вариации магнитного и электрического полей Земли тесно связаны с токами ионосферы. На них влияют солнечно-лунные, лунно-суточные и годовые ритмы. Особенно вариабельна величина горизонтальной составляющей ГМП. Преобразователями энергии космических лучей являются земное магнитное поле и ионосфера и слои высокой проводимости – волновод с основной частотной полосой в 7–8 Гц между поверхностью Земли и ионосферой (Арошидзе Г. М., 1971; Арошидзе Г. М. с соавт., 1971; 1977; Глушковский Б. И. с соавт., 1979).

Вариации магнитного и ЭМ полей Земли могут достигать существенных значений. Их переменные составляющие связаны с токами ионосферы. Здесь есть солнечно-лунные, лунно-суточные и годовые колебания. Существуют также короткопериодические колебания с периодами от десятых долей секунд до десятков минут. К-индексы тоже отражают геомагнитные возмущения. Особенно вариабельна величина горизонтальной составляющей (до десятков гамм: 1 гамм = 10^–5 эрстед). Различают также 2 вида микропульсаций геомагнитного поля: устойчивые и иррегулярные (Владимирский Б. М., 1980; 1982; Кобрин М. М., 1982).

Наиболее вариабельна во время магнитных бурь горизонтальная составляющая ГМП, которая за короткий промежуток времени может изменяться на несколько десятков нанотеслов. Локальные возмущения зависят от географической широты и имеют уменьшающиеся значения по направлению от полюсов к экватору. ГМП модулирует граничный диапазон между микроволнами (менее 300 Мгц) и оптической частью световых волн (Антипов В. В. с соавт., 1980). Таким образом, в реальной жизни имеет место комбинированное воздействие природных факторов, которые не строго периодичны (Richner H., Greber W., 1978).

Описание состояния магнитного поля Земли в виде месячных обзоров является одной из оперативных форм представления данных геомагнитных обсерваторий. На основе месячных обзоров по сети обсерваторий составляются сводные таблицы К-индексов и данные о магнитных бурях, которые затем публикуются ИЗМИ РАН в сборнике «Космические данные. Месячный обзор» (1977–1988). В каждом выпуске приводятся сведения о суточных вариациях горизонтальной, вертикальной составляющих и склонении геомагнитного поля и К-индексах. В данной работе использованы табличные значения в гаммах горизонтальной и вертикальной составляющих и склонение (в десятых долях минуты). При статистических расчетах использовались среднесуточные табличные приращения параметров ГМП, в отличие от К-индексов, где изучались усредненные 3-часовые значения.

Под возмущенностью понимается отклонение среднечасового значения, выраженного в гаммах, от спокойного суточного хода. К-индекс представляет собой меру активности, возмущенности магнитного поля по горизонтальной составляющей Н. К-индекс отражает геомагнитную активность. К-индексы отражают локальную геомагнитную возмущенность, рассчитываются за 3 часа и тесно связаны с хромосферными вспышками (Дубров А. П., 1974). Одна из основных ее характеристик – синфазность, то есть свойство одновременного всемирного изменения, но могут быть и чисто локального характера. Сильные геомагнитные возмущения, продолжающиеся непрерывно более 6 часов, называют магнитными бурями. Выделяют 4 словесные градации магнитных бурь: очень большую, большую, умеренную, малую (Сизов Ю. П., 1977).

Для определения степени интенсивности магнитных бурь в таблице 1.2 приведены их амплитудные границы для г. Санкт-Петербурга и его окрестностей. Аналогичные показатели существуют и для обсерваторий мира, расположенных в других географических широтах: для северных широт – большие показатели амплитуд МП, для южных – меньшие. Амплитудные значения во время бури определяются последовательно для всех элементов D – склонения (ГМП_С), H – горизонтальной (ГМП_Г) и Z – вертикальной (ГМП_В) составляющих как разность между наибольшим и наименьшим значениями этих элементов и выражаются в гаммах. Солнечно-суточные вариации не учитываются. Максимумы и минимумы амплитуд по этим трем элементам достигаются в разное время. По локальным амплитудным значениям данной местности на основании таблицы 1.2 определяется характеристика бури по всем трем составляющим: горизонтальной, вертикальной и склонению. Средние показатели оцифрованных характеристик по трем составляющим ГМП являются совокупным описанием бури (Сизов Ю. П., 1977).

Таблица 1.2

Амплитудные границы магнитных бурь для г. Санкт-Петербурга

МП Земли обладает переменной частью, которая зависит от очень широкого спектра явлений, происходящих в околоземном и космическом пространстве. Переменное МП Земли разлагается на такие составляющие: S + L + DP + DR + DCF + DT, где S – регулярная часть от волнового излучения вариаций Солнца, ее источник – токи в Е-слое ионосферы, L – регулярная часть от лунноприливных явлений верхних слоев атмосферы Земли, DP – нерегулярная вариативная часть от солнечного ветра, генерирующего большие электрические токи в слое Е полярных зон ионосферы, DR – поле магнитосферного кольцевого тока, DCF – нерегулярная часть токов поверхности магнитосферы от взаимодействия с солнечным ветром, DT – нерегулярная часть токовых полей в хвосте магнитосферы.

Но эти составляющие не учитывают пульсаций и прочих предельно малых процессов. Поэтому магнитная буря и параметры ГМП D, H, Z отражают совокупные гелио-гео-космические и магнито-ионосферные взаимодействия. На принципе оценки разностей между возмущенным и спокойным ГМП в данной географической местности базируется метод определения геомагнитной активности, впервые описанный Бартельсом в 1939 году и названный 3-часовой 10-балльной системой К-индексов. Нижняя минимальная амплитуда соответствует К = 1 и является эквивалентом 3 гаммов напряженности МП (Сизов Ю. П., 1977).

Базой шкал К-индексов для планеты Земля определен масштаб обсерватории Нимегк (Германия) таким образом, что этот параметр должен быть сравним для любой географической широты. Максимум определен по соответствию предельно большой магнитной вариации и приравнивается к величине К-индекса, равной 9 баллам. Поэтому для г. Санкт-Петербурга соответствие амплитуд отклонений в целых числах гамм количеству баллов (К-индексов) выглядит согласно данным таблицы 1.3.

Таблица 1.3

Нижняя граница К-индексов и соответствующих амплитуд отклонений ГМП в гаммах для Санкт-Петербурга

В данной работе также использованы следующие индексы:

1) Ежемесячно означают Ap – Планетарную эквивалентную ежедневную амплитуду;

2) Ежемесячно означают ap, или Планетарную эквивалентную амплитуду для 00–03 периода времени;

3) Ежемесячно означают Cp, или Планетарная ежедневная характеристика числа – качественная оценка полного уровня магнитной деятельности в течение дня, определенного от суммы восьми ap амплитуд. Значения Ср разбиты на диапазоны, каждый из которых соответствует определенной величине С9 (0,0–0,1; 0,2–0,3; 0,4–0,5; 0,6–0,7; 0,8–0,9; 1,0–1,1; 1,2–1,4; 1,5–1,8; 1,9; 2,0–2,5)

4) Ежемесячно означают C9 – преобразование от 0 до 2,5 диапазона Cp индекса к одной цифре между 0 и 9.

Приписка p означает планетарный и определяет глобальный индекс магнитной деятельности. В настоящее время вклад в планетарные индексы вносят следующие 13 обсерваторий, которые лежат между 46 и 63 градусами северной широты и южной геомагнитной широты: Лервик (Великобритания), Эскдейлмьюир (Великобритания), Хартленд (Великобритания), Оттава (Канада), Фредериксбург (США), Meannook (Канада), Ситка (США), Эйруэлл (Новая Зеландия), Канберра (Австралия), Лово (Швеция), Брорфелд (Дания), Вингст (Германия), а также Нимекг (Германия).

Индекс колеблется от 0 до 400 и представляет собой значение коэффициента, преобразованного в линейный масштаб в гаммы (нанотеслы) – масштаб, который измеряет эквивалентную амплитуду нарушения станции, на которой K = 9, нижний предел 400 гамм.

На рис. 1.4 изображена динамика геомагнитных индексов АР_А и АР_03. Кривые идут практически параллельно, совпадают значения минимумов и максимумов. Максимальное значение индекса АР_А и индекса АР_03 наблюдается в начале 2004 года и составляет 35 нТл.

Рис. 1.4. Многолетняя среднемесячная изменчивость геомагнитных индексов АР_А и АР_03

Рис. 1.5. Многолетняя среднемесячная изменчивость геомагнитных индексов СР и С9

Временная изменчивость геомагнитных индексов СР и С9 представлена на рис. 1.5. Видно, что ход линий похож, максимумы и минимумы двух индексов наблюдаются в одни и те же периоды. Максимум приходится на начало 2003 года.

Далее, на рисунках 1.6–1.9, представлены временные спектры геомагнитных индексов, используемых в данной работе.

Рис. 1.6. Временной спектр геомагнитного индекса АР03

Рис. 1.7. Временной спектр динамики геомагнитного индекса АР_А

Рис. 1.8. Временной спектр динамики геомагнитного индекса С9

Рис. 1.9. Временной спектр динамики геомагнитного индекса СР

Периодичность повторения в 13 лет наблюдается у всех четырех индексов, но не имеет совпадений ни с одним видом летальностей пациентов стационаров Санкт-Петербурга, сведения о которых будут приведены в главе 10. Так же во всех спектрах геомагнитных индексов присутствует период в 6 месяцев, который совпадает с летальностью пациентов от инфекций, заболеваний легких и операционной и послеоперационной летальностью при операциях на грудной клетке (см. главу 10). Такие периодичности, как 22 и 19,5 месяца, наблюдаемые у спектров геомагнитных индексов АР03 и АР_А, имеют совпадения только со спектральной плотностью летальности в отделениях торакальной хирургии. Периодичность 8,7 месяца имеется у двух геомагнитных индексов из четырех, это индексы С9 и СР, и эта периодичность также совпадает только со смертностью больных в отделениях торакальной хирургии.

1.5. Характеристика метеофакторов

1.5.2. Данные для анализа влияния метеофакторов на смертность и летальность

Проанализированы основные метеорологические данные: атмосферное давление, парциальное давление водяного пара, температура воздуха, осадки, продолжительность солнечного сияния, архив которых находится в Государственном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт гидрометеорологической информации – Мировой центр данных» (ВНИИГМИ-МЦД). Адрес учреждения: Россия, 240035, г. Обнинск Калужской области, ул. Королева 6, ВНИИГМИ-МЦД. Этот институт входит в систему Мировых центров данных (МЦД), основанную в 1957 г. и действующую под эгидой Международного совета научных союзов (МСНС).

Использованы среднемесячные данные по станции 26063 (Санкт-Петербург) за период с 1996 по 2008 год (Электронный каталог ВНИИГМИ-МЦД (с 1991 г.) – http://meteo.ru/izdan/ukazatel.htm).

Массив создавался по данным, содержащимся на технических носителях Госфонда. В публикуемой версии массива ряды данных содержат информацию с начала наблюдений на станции по 2008 год (включительно).

Формат записи в файлах данных:

Таблица 1.4

Метеорологические параметры представлены в основных единицах измерения, а именно:

– атмосферное давление в гектопаскалях (гПа) с точностью 0,1 гПа, в том числе минимальное;

– парциальное давление водяного пара в гектопаскалях (гПа) с точностью 0,1 гПа;

– температура воздуха в градусах Цельсия (°С) с точностью 0,1 градуса, в том числе минимальная;

– осадки в миллиметрах с точностью 0,1 мм;

– продолжительность солнечного сияния в часах;

– максимальная скорость и направление ветра (м/сек);

– точка росы, в том числе максимальная.

Перечень станций составлен на основании Списка станций Росгидромета, включенных в Глобальную сеть наблюдений за климатом (утвержденного руководителем Росгидромета 25 марта 2004 г.) и Списка реперных метеорологических станций Росгидромета, подготовленного в Главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова (исп. зав. ОМРЭИ ГГО В. И. Кондратюк).

Задачей Центра является сбор и распространение метеорологических данных и информационной продукции по странам мира и в особенности по России. Информационная база Центра постоянно пополняется. В МЦД накапливается информация всех международных исследовательских программ, ведущихся под эгидой МСНС, направленных на изучение системы Земли.

МЦД, действующие на базе ГУ ВНИИГМИ-МЦД, входят в состав регионального кластера, созданного на основе группы российских Мировых центров данных и украинского Мирового центра данных по геоинформатике и устойчивому развитию, и участвуют в процессе перехода от Системы Мировых центров данных (WDC System) к Мировой системе данных (World Data System).

1.5.3. Динамика метеорологических факторов

Временная изменчивость метеорологических параметров, таких как продолжительность солнечного сияния, парциальное давление водяного пара, температура воздуха и осадки, изображена на рисунке 1.10. Значения месячной суммарной продолжительности солнечного сияния, среднемесячного парциального давления водяного пара и среднемесячной температуры воздуха меняются в зависимости от сезона, и только на суммарное количество осадков время года не оказывает влияния.

Самое высокое значение продолжительности солнечного сияния за летние периоды наблюдалось в июне 1999 года и составило 344 часа. Минимальное значение продолжительности солнечного сияния было зафиксировано в декабре 1999 года – 2 часа.

Максимальное значение парциального давления водяного пара за все летние периоды приходится на июль 2003 года, минимальное – на февраль 2007 года, эти значения соответственно составили 18,7 и 2,4 гПа.

Минимальное значение среднемесячной температуры воздуха, за весь период исследования –10,7 °C зафиксировано в феврале 1996 года и феврале 2006 года. Максимальное значение, которое составило 21,8 °C, наблюдалось в июле 2001 года.

На рис. 1.11. представлена временная изменчивость двух метеорологических параметров: атмосферного давления и осадков. Из рисунка видно, что при понижении атмосферного давления количество месячных сумм осадков возрастает и наоборот, если давление повышается – количество осадков уменьшается.

Рис. 1.10. Многолетняя среднемесячная изменчивость продолжительности солнечного сияния, парциального давления водяного пара, температуры воздуха и осадков

Рис. 1.11. Многолетняя временная изменчивость среднемесячного атмосферного давления и месячных сумм осадков

Максимальное значение атмосферного давления за весь период исследования (1030 гПа) наблюдалось в январе 1996 года, минимальное (988 гПа) – в январе 2007 года.

Максимумы значений месячных сумм осадков в основном приходятся на летние периоды, и только в сентябре 1997 года месячная сумма осадков также достигла высокого значения – 170,6 мм. Минимум – 7,7 мм – наблюдался в апреле 2004 года.

1.5.4. Спектральный анализ метеорологических факторов

На рис. 1.12 представлен спектральный анализ парциального давления водяного пара. График содержит информацию о двух периодичностях: годовой и полугодовой. Наблюдается совпадение периодов со спектральной плотностью летальности пациентов при некоторых заболеваниях, которые описаны в 10 главе.

Рис. 1.12. Временной спектр парциального давления водяного пара атмосферы

Рис. 1.13 описывает периодичность спектрального анализа атмосферного давления. Видно, что периодов по количеству больше и они наблюдаются чаще, чем при спектрах давления водяного пара: 39 месяцев, 19,5 месяца, 8,2; 5,38; 3,8; 2,84 и 2,1 месяца. Далее в главе 10 будет показано, что длительный период в 39 месяцев ни с одним из видов летальности от рассмотренных патологий не совпадает. Остальные же периоды совпадают с периодичностями спектров летальности многих заболеваний, но наибольшая синхронность по этому периоду получена при изучении летальности пациентов, которым были сделаны операции на грудной клетке.

Рис. 1.13. Временной спектр атмосферного давления

В спектральном анализе температуры воздуха наблюдается только одна периодичность – годовая, это изображено на рис. 1.14.

Рис. 1.14. Временной спектр температуры воздуха

Временной спектр продолжительности солнечного сияния, изображенный на рис. 1.15, так же, как и спектр температуры, содержит один период – 12 месяцев. Этот период совпадает с периодом спектрального анализа летальности при некоторых заболеванях (глава 10).

Рис. 1.15. Временной спектр продолжительности солнечного сияния

Рис. 1.16. демонстрирует спектральную плотность осадков. Спектр содержит следующие периодичности: 39 месяцев, 12 месяцев, 8,2, 6, 4, 3,39 и 2,29 месяца. Из всех периодов только один не имеет совпадений с периодами спектрального анализа смертностей от трех заболеваний – это период 39 месяцев, остальные периодичности со спектрами болезней имеют пересечения.

Рис. 1.16. Временной спектр осадков атмосферы

1.6. Характеристика приливного потенциала

Для всех тел Вселенной, перемещающейся по постоянной орбите, гравитационное ускорение, создаваемое другими телами (планетами, спутниками), из-за орбитального движения тела и за счет центробежного ускорения полностью компенсируется в их центрах масс. Из-за пространственной протяженности тела (например, Земля) гравитационное ускорение под влиянием других небесных тел (например, Луна, Солнце) незначительно позиционно-зависимо, тогда как центробежное ускорение остается постоянным как в пределах тела, и на поверхности тела. Различие между гравитационным ускорением и центробежным ускорением – небольшое приливное ускорение.

Вычисление функционала приливного потенциала (например, приливного ускорения, приливного наклона, приливного напряжения) на определенной станции и в определенный момент времени может быть выполнено с использованием одного из двух методов:

– используя эфемериды (координаты) астрономических тел (Луна, Солнце и планеты), функционалы приливного потенциала можно вычислить с очень высокой точностью для твердой безводной Земной модели. Этот метод используется для создания перечня приливных потенциалов и так называемого эталонного ряда, чтобы проверить каталоги приливного потенциала (например, Wenzel, 1996a). Но его практическое применение ограничено менее точными требованиями, так как при этом невозможно точно вычислить приливные эффекты для покрытой водой упругой земной поверхности;

– приливной потенциал может быть расширен в твердой сферической гармонике; спектральный анализ сферической гармоники приливного потенциала позволяет создать каталог приливных потенциалов (таблицу амплитуд, фаз и частот для некоторых приливных волн). В настоящее время доступны несколько каталогов приливных потенциалов с различной точностью и различным общим количеством приливных волн.

Для обработки гравитации используется программа ETGTAB версия 3.0, разработанная в 1996 году профессором Др. – Инг. Хабилем Гансом-Георгом Венцелем. Программа ETGTAB может использоваться для вычисления земных потоков с временным интервалом 1 час или 5 минут для одной определенной станции, чтобы определить земные ценности потока (приливной потенциал, ускорение, наклоны). Там могут использоваться три различных приливно-отливных потенциальных события (Дудсон 1921, Картрайт ТАЙЛЕР Эдден-1973, Тамура 1987), а также наблюдаемые периодические параметры. Программа написана в основном в ФОРТРАНЕ 90 (ANSI-стандарт), за исключением функций, которые используются, чтобы вычислить фактическое используемое время в пределах подпрограммы GEOEXT.

Рис. 1.17 показывает изменчивость приливного потенциала: среднее значение, медиану, стандартное отклонение, минимум и максимум. Линии представляют собой чередование минимумов и максимумов с периодом примерно полгода.

Рис. 1.17. Многолетняя среднемесячная изменчивость приливного потенциала

Среднее приливного потенциала изменяется от 0 до 900, минимумы значений среднего приливного потенциала наблюдаются в основном в середине года и варьируются от 0 до 200, а максимумы – в конце, их значения в районе 900. Кривая медианы приливного потенциала совпадает с кривой среднего значения, максимумы и минимумы приходятся на те же времена года.

Значения стандартного отклонения приливного потенциала изменяются в пределах от 50 до 500, амплитуда постепенно увеличивается, хотя и незначительно. Минимумы приходятся на конец года и варьируются от 50 до 100, соответственно, максимумы – на начало года, их значения меняются от 380 до 500.

Кривая максимального значения приливного потенциала имеет небольшую амплитуду и содержит значения от 650 до 1100. Минимумы приходятся на начало года и меняются от 650 до 790, максимумы наблюдаются в конце года и варьируются от 1050 до 1100.

Кривая минимального значения приливного потенциала меняется от –750 до 800, то есть амплитуда колебания большая, и она незначительно меняется (немного увеличивается). Минимумы колеблются от –750 до –350 и наблюдаются в летние периоды, максимумы содержат значения от 750 до 820 и приходятся на холодное время года.

На рис. 1.18 показана периодичность повторения приливного потенциала.

Рис. 1.18. Временной спектр динамики приливного потенциала

Вопрос о том, что такое гравитация и с какой скоростью распространяется гравитация, привлекает пристальное внимание физиков всего мира уже несколько столетий. Закон всемирного тяготения И. Ньютона по умолчанию принимает ее бесконечной. При этом сам Ньютон полагал, что, хотя эта скорость и очень велика, однако она конечна (оценка скорости распространения гравитации http://gravity.khakassia.ru/content/view/20/1/).

Факт распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в вакууме космоса до сих пор остается загадкой и служит основанием для возврата к понятию «эфир», которое существовало до ХХ века. Электромагнитная волна (свет) может распространяться только в физической среде, структура которой ограничивает скорость распространения света. Проблема гравитации остается центральной и не решенной проблемой наряду с задачей распространения света в пространстве. В общей теории гравитации использовано понятие «пространство – время» в качестве самостоятельной категории в устройстве мира (ключ к пониманию Вселенной (краткое резюме) http://www.laboratory.ru/articl/hypo/ax02r.htm).

Электромагнитные лучи, проходящие вблизи гравитирующего тела, испытывают рефракцию под влиянием поля тяготения этого тела (Эйнштейн А. Собрание научных трудов / M.: Наука. 1966. Т. 2. С. 436).

На единицу скорости изменения гравитационного радиуса при частоте 1011 Гц. Единицы доплеровского сдвига частоты, скорость изменения гравитационного радиуса порядка 0,01. Для объекта с гравитационным радиусом, равным 0,01 м, по доплеровскому сдвигу частоты возможно отслеживать достаточно большие изменения гравитационного радиуса.

Галактики, скопления галактик имеют большие значения гравитационного радиуса и дают большие величины времени запаздывания и доплеровского сдвига частоты. Во вселенских масштабах они играют существенную роль, поскольку создают ту картину звездного неба, которую мы видим. Механизм гамильтоновой механики универсален для изучения этой картины, поскольку позволяет по видимой яркости или интенсивности звезд оценивать параметры источника гравитационного поля, которым создается эта картина.

Космическое пространство заполнено космическим веществом – эфиром, который вращается вокруг каждого небесного тела с огромной скоростью (В. А. Ацуковский «Общая эфиродинамика». М., 1990 г.: Теория вихревой гравитации и сотворения вселенной http://ntpo.com/secrets_space/secrets_space/10.shtml).

Вихревая гравитация. Космическое пространство заполнено газообразным веществом – эфиром, который существуют в состоянии завихренности. Действие сил гравитации подчиняется законам аэродинамики.

Возможные отклонения или уточнения в предложенном расчете может определить и решить только коллективный творческий труд в различных отраслях науки и техники. В настоящей работе основной целью было доказательство нового принципа всемирного тяготения.

Khaidarov K. A. (December 31, 2004. Основы эфирной теории гравитации http://www.inauka.ru/blogs/article78883.html) на основе классических работ Роберта Гука, Даниила Бернулли и Леонарда Эйлера в результате проведенных исследований предложил гипотезу реальной природы гравитации, а именно:

• гравитационное поле есть поле напряжений в эфире по Гуку;

• гравитационное поле есть аддитивная функция куба радиуса расстояния от небесного тела;

• гравитационное поле, то есть потенциальная энергия деформации эфира + кинетическая энергия амеров, есть вместилище энергии масс – Mc²;

• ньютоновская небесная механика имеет место только для пробных тел в гравитационном поле одного тяжелого тела, и не более;

• центростремительная сила гравитации, введенная Исааком Ньютоном, является артефактом; реально существует лишь сила инерции Галилея и порожденная ею центробежная сила направленная в сторону, обратную от локального центра кривизны траектории;

• баланс сил в движении небесного тела определяется балансом центробежной силы инерции Галилея с силой, порождаемой локальным градиентом давления эфира согласно гидродинамическому уравнению Леонарда Эйлера;

• гравитационная сила многих тел в общем случае не является центральной;

• задача многих тел решается элементарно в теории эфира суммированием поля деформаций;

• гравитационное взаимодействие вопреки выдумкам релятивистской физики есть наиболее сильное и основное из всех физических взаимодействий, а все остальные – есть побочные проявления движений в эфире.