Синергетика природных и техногенных воздействий человека

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ПОДХОДЫ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Летников Ф.А.

УДК 699:32/34

СИНЕРГЕТИКА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ЧЕЛОВЕКА

ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ

В конце XX в. сформировался принципиально новый синергетический подход к анализу широкого спектра природных явлений. Основоположником этого научного направления является физик Герман Хакен, статья которого "Кооперативные явления в сильно неравновесных и нефизических системах", опубликованная в 1975 г. в журнале "Review of Modern Physics", знаменует собой начало исследований по синергетике.

В работах по синергетике излагаются общие подходы к изучению роли коллективных, кооперативных эффектов, в том числе и процессов самоорганизации, в открытых неравновесных системах.

Проблема синергетики среды обитания человека впервые обсуждалась Ф.А. Летни-ковым 11 ноября 1997 г. в Москве на конференции РФФИ "Науки о Земле на пороге XXI века" и нашла дальнейшее развитие в ряде публикаций автора (Летников, 1998, 2002, 2003, 2004а, б). Следует заметить, что при-

нцип синергетики требует строго выдерживать значения используемых терминов. В противном случае, как это, к сожалению, имеет место, происходит вульгаризация си-нергетического подхода и дискредитация самой синергетики. Поэтому мы очень кратко обозначим смысл применяемых терминов.

Открытая система обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Необходимо различать организацию и самоорганизацию (табл. 2.1). Отличительные черты систем, в которых проявляется самоорганизация: нелинейность, неравновесность, обратная связь, неустойчивость стационарного состояния, стохастичность. Наиболее общей чертой нелинейных систем является нарушение в них принципа суперпозиции - когда аддитивность причин приводит к аддитивности следствий (Гапонов-Грехов, Рабинович, 1984). Наиболее характерная черта нелинейных систем - неадекватность силы воздействия отклику на это воздействие, отсюда

Таблица 2.1.

Термины синергетики.

Синергетика - совместное действие, кооперация процессов в открытых линейных и нелинейных неравновесных динамических системах

Деструкция — переход от структуры к хаосу - рост энтропии

Синергизм - содействие, сопряжение, кооперация объектов и процессов, сил и потоков вещества и энергии

Самоорганизация - одна из форм синергизма, переход из хаоса в структурированное состояние за счет внутренней энергии системы

Организация - снижение хаоса, уменьшение энтропии, структурирование за счет приложения внешних сил

Реорганизация - переход от одной формы организации к другой

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

недетерминированность (многовариан-

тность) путей их развития (стохастичность).

В. Эшби (АвЬЬу, 1977) определил два смысла для понятия "самоорганизация": общий и частный. Общий - это переход от системы с независимыми частями к системе с зависимыми друг от друга частями (т. е. появление связности). Частный - это переход от плохой организации к хорошей, хотя при этом учитывается, что не бывает хорошей организации в абсолютном плане.

В ряде работ по синергетике говорится о равновесном состоянии систем, в которых проявляются синергетические эффекты. В системах, находящихся в термодинамическом равновесии, синергетические эффекты проявляться не могут.

После разъяснения применяемой специфической терминологии перейдем к рассмотрению данной проблемы, полагая, что имеем дело с нелинейными неравновесными стационарными системами различных иерархических уровней.

Говоря об энергетическом состоянии природных систем, мы должны отдавать себе отчет, что во всех случаях оперируем не абсолютными величинами, которые непознаваемы (принцип Дж. Максвелла), а лишь изменением энергии системы относительно какого-то исходного состояния или выбранной системы отсчета, конечно, при условии соблюдения закона сохранения энергии.

Согласно современным научным представлениям, материя существует как в виде реальных вещественных объектов, так и в виде полей. Это особенно важно для многих природных систем. Например, значительные по размерам и обладающие высокой плотностью массы горных пород создают вокруг себя гравитационную аномалию, электромагнитные и электрические поля и оказывают влияние на поведение молекул и пылевых частиц в аэрозолях, на поведение ионов в водных растворах в верхних частях земной коры и т. д.

Произвольное употребление термина "диссипативные структуры" приводит иногда к совершенно неверным выводам. И. Пригожий (1960), введя в обиход этот термин, прежде всего полагал, что диссипативные структуры - это открытые системы, в которых при удалении от равновесия возникают упорядоченные состояния. Для квалифицированного синергетическо-го анализа природных систем необходимо четко представлять себе фи-

зический смысл таких широко применяемых (часто произвольно) терминов, как "хаос", "детерминированный хаос", "диссипативные структуры", "динамический хаос"и др.

Начнем с понятия хаос. Наиболее четким примером хаоса могут служить хаотические движения молекул в газовой смеси вблизи состояния равновесия. По определению, это статистический, или "физический", хаос. В такой системе не возникают структуры, а движения молекул могут быть вызваны многими причинами. К подобным системам часто применяют термин "динамический хаос", хотя это не всегда оправданно, поскольку детерминированный хаос в особых условиях может быть средой, в которой могут проявиться более или менее неустойчивые упорядоченные структуры, когда малейшее изменение в системе приводит к их исчезновению или появлению новых структур. Иными словами, это динамически неустойчивые структуры. Но поскольку диссипативные процессы широко проявляются в макросистемах, то в них в зависимости от масштабов могут протекать различные явления.

В равновесной термодинамике господство представлений о стремлении систем к равновесному состоянию сыграло свою положительную роль при решении многих задач. Но при переходе к "большим" системам, которые отличались от микроскопических и достигали порой значительных размеров, начали господствовать представления о неравновесных стационарных системах, наиболее яркими примерами которых являлись открытые системы. Именно в открытых стационарных системах, обменивающихся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, протекают различного рода процессы, но их параметры (Т, Р, У и т. д.) не изменяются на выбранном отрезке времени, хотя в самой такой системе, вернее, в разных ее частях, не остаются неизменными. Так, в теле человека Т в разных частях меняется, но в целом равна какой-то определенной "стационарной" величине, например 36,6 °С.

Классическая термодинамика уже в XIX в. сформировалась как наука, в которой в простом каноническом виде все свелось к двум началам. Первое начало -50 = ёи +5Д второе -ёБ -50 /dT, где 50 и 5А - элементарные теплота и работа, ёи- изменение внутренней энергии, ёТ - изменение температуры, ёБ - изменение энтропии. Следует заметить, что эти начала

появились главным образом на основе изучения тепловых машин, производящих работу, из чего следовали далеко идущие выводы о том, что в природе преобладают тенденции к рассеянию энергии и выравниванию температуры. Но исследователи из других областей наук, прежде всего биологи и геологи, сомневались в справедливости этих двух постулатов, ибо постоянно сталкивались с образованием из хаоса сложных, упорядоченных структур. На базе этих сомнений и родились неравновесная термодинамика и синергетика применительно к открытым природным системам.

Первое начало термодинамики, являясь по существу выражением закона сохранения энергии, не может быть применено в явном виде при анализе природных систем, ибо не указывает направления возможного протекания процессов. По сути дела, это констатация факта при передаче тепла конкретной системе, при этом допускается самопроизвольная передача тепла от тела, менее нагретого, к более нагретому, что нереально и лишено всякого физического смысла. Это противоречие устраняется вторым законом термодинамики.

Из всего разнообразия формулировок второго закона наиболее конкретна формулировка Клаузиуса: теплота самопроизвольно не может переходить от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой. Отсюда же вытекает, что невозможен такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу вследствие охлаждения тела.

С точки зрения физики обратимые процессы - продукт абстрактного допущения, ибо все физические процессы необратимы. Но с точки зрения химии вблизи состояния химического равновесия, когда скорости прямых и обратных реакций равны, понятие об обратимости вполне приемлемо, хотя следует признать, что со временем и с изменением физико-химических условий и такие реакции становятся необратимыми.

Таким образом, если первый закон термодинамики дает представление об энергетическом балансе процесса (приход тепла и его расходование), то второй закон указывает на его возможное направление, которое можно выразить и через полную энтропию системы.

Исходя из термина Пригожина-Глен-сдорфа о минимуме производства энтропии в открытых системах, в некоторых достаточно упрощенных моделях методами компьютерного моделирования, точно так же, как минимизируется свободная энергия (Карпов, 1981), можно, пользуясь имевшимися банками термодинамических данных, минимизировать и производство энтропии.

И действительно, dS = dSi + dSe, где dS -полное изменение энтропии к единице объема в системе, dSi - изменение энтропии за счет происходящих в системе внутренних необратимых процессов, a dSe - энтропия, привнесенная через границы системы из внешней среды. Напомним, что в стационарных системах AS = О, AS < О и характеризует усложнение системы.

Термодинамический анализ природных систем однозначно указывает на то, что для их развития главную роль играет не энтропия, а свободная энергия, когда именно последняя (AGTP = АН - TAS) определяет энергетический потенциал системы, а энтропия отражает лишь меру связанной энергии, которую нельзя превратить в работу.

Одно из весьма важных достижений Л. Берталанфи (1969) - это обоснование тезиса о "текущем равновесии", когда в открытых неравновесных системах как вблизи состояния равновесия (диссипативных), так и вдали от него отток энтропии во внешнюю среду уравновешивается производством энтропии в самой системе, и вывод многочисленных ученых о том, что вся биосфера находится в состоянии текущего равновесия, в своей основе верен. Феномен Солнца по отношению к биосфере заключается не только в том, что оно поставляет тепло, айв том, что за счет процессов в биосфере, например фотосинтеза, тепло преобразуется в химическую энергию, более "ценную" и менее энтропийную. А если учесть, что спектр электромагнитного излучения Солнца включает и тепловое излучение, то поглощение биосферой других электромагнитных излучений опять же приводит к химическим превращениям и снижению энтропии. В плане учета энтропийного баланса весьма интересно рассмотрение ситуации снижения Т ниже О °С, образование льда и снега. Как известно, в ряду "пары воды - снег - иней -лед" энтропия существенно уменьшается. Иными словами, с наступлением холодов энтропия окружающей среды обитания

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

человека снижается, что сказывается на течении многих физиологических процессов в живых организмах, в том числе и у человека.

Поскольку потеря устойчивости открытой системой делает все более вероятной возможность случайного события, то, исходя из общеизвестного определения вероятности случайного события, когда таковой является предел, к которому стремится частота события при неограниченном

m

увеличении числа испытаний, или P( Л) = lim—,

n^да n

где т - показатель, когда случайное событие А происходит т раз в серии п независимых испытаний, Р(А) -вероятность (Ремизов и др., 2003), то нарастающая цепь случайных событий однозначно указывает на потерю устойчивости данной системы. Применительно к детерминированным или стохастическим природным процессам из этого простого на первый взгляд определения следует ряд интересных выводов:

-чем чаще происходит какое-либо природное событие, тем выше вероятность случайного события, которое по характеру и форме проявления будет отличаться от его аналогов;

-частота события является показателем энергетического потенциала системы, с которым это событие связано.

Одно из блестящих достижений учения И. А. Пригожина (1960) в термодинамике открытых неравновесных систем, где протекают необратимые термодинамические процессы, — это понятие внутреннего, или второго, времени. Суть этого понятия сводится к тому, что при монотон-

Рис. 2.1. Проявление флуктуаций (1-5) при эволюции линейной стационарной системы, Т - "большое" время эволюции системы; ^ 5 - "малое" время существования флуктуаций; Q - энергетический потенциал системы.

ном линейном или нелинейном развитии (существовании) системы в ней по ряду причин возникают сравнительно кратковременные флуктуации - резкие отклонения от главной линии развития системы, ее пути (рис. 2.1). Поэтому в координатах "состояние - время" длительность существования флуктуации может быть неизмеримо мала по сравнению с временем существования системы. Поясним этот тезис на примере, отраженном на рис. 2.1. Возьмем в качестве примера открытую динамическую природную систему, которая движется по "термодинамической ветви развития", т. е. вполне детерминированному пути, когда, зная баланс масс системы и ее физико-химические параметры, мы в общих чертах можем предсказать ее состав и свойства на всем пути развития. На этом пути системы существуют в определенных границах, которые обусловливают их стационарное состояние. По мере изменения интенсивных параметров системы и ее свободной энергии она скачком (термин для природных систем кажется не слишком удачным, ибо скачок может длиться довольно продолжительное время) переходит в новое стационарное состояние. По сути весь путь от рождения до отмирания такой системы -это поступательный переход от одного состояния к другому. Например, зарождение, существование и отмирание магматического очага - это переход системы от одного стационарного состояния к другому на общей ветви линейного развития процесса. В этом случае время отражает длительность следующих друг за другом состояний, слагающих в итоге общее время существования данной системы. Применительно к природным системам это общее время может длиться сотни, тысячи, миллионы, десятки и даже сотни миллионов лет. Но в силу различных причин система может в сравнительно коротком временном интервале отклониться от термодинамического пути развития - произойдет флуктуация. При этом возникает качественно совсем другая система, по состоянию вещества и параметрам состояния отличающаяся от той матрицы, в которой она зарождалась. Ниже мы детально рассмотрим эти примеры, но суть явления заключается в том, что эта система, время существования которой неизмеримо меньше, чем всей метасистемы в целом, начинает "жить" по своему внутреннему времени, включающему в себя время зарождения флуктуации, ее существование и отмирание. Следует заметить, что такие флуктуации могут возникать как в рамках стационарных состояний, так и за их пределами, особенно на отрезках перехо-

да системы от одного состояния к другому. Замечательно то, что эти две системы времени существуют одновременно. При этом мегаси-стема поступательно и "медленно" движется по вектору развития и характеризуется своим Большим временем; значительно меньшая по размерам система в режиме флуктуации располагает значительно меньшим по величине внутренним временем, в котором все процессы протекают быстрее, и система консервируется и угасает, возвращаясь к исходному состоянию, за свое относительно короткое внутреннее время. В равной мере это относится и к биологическим системам. Действительно, поступательное эволюционное развитие любой биологической системы идет по пути, предначертанному всей предысторией системы, ее генетическим кодом, внешними условиями существования. Это линейный путь развития. Но в силу проявления флуктуации могут возникать сообщества организмов с иными свойствами, и внутреннее время их существования будет неизмеримо меньше Большого времени существования всей биологической системы. В значительной мере это относится к микробам и вирусам, когда каждая сравнительно кратковременная флуктуация есть не что иное, как вспышка новой эпидемии, вызванной новыми штаммами микроорганизмов.

Нелинейные природные системы более "живучи", ибо имеют больше степеней свободы по сравнению с их линейными аналогами. С этих позиций нарушение в работе какого-то органа человеческого организма - это флуктуация, когда весь организм может оставаться в прежнем стационарном состоянии или переходить в новое стационарное состояние. Естественная смерть человека есть не что иное, как исчерпание ресурсов человеческого организма для поддержания его в стационарном состоянии жизнедеятельности. Иными словами, человеческий организм в полной мере использует преимущества открытых систем, когда принцип минимума производства энтропии надолго сохраняет весь организм от распада и деградации, хотя отдельные его органы и могут терять свои функциональные свойства. Существование открытой стационарной системы, каковой является, в частности, человеческий организм, подтверждает основные принципы неравновесной термодинамики. Так, поступающие внутрь человека воздух, вода и продукты питания участвуют в химических реакциях, поддерживающих жизнедеятельность структурированных органов жизнедеятельности (ДБ1 >0), а наружу вы-

деляются главным образом тепло и продукты метаболизма.

Что особенно важно подчеркнуть в теореме И. Пригожина (1960) и что зачастую пропускается при ее формулировке, так это кинетический элемент теоремы, а именно: "В стационарном состоянии системы скорость производства энтропии вследствие необратимых процессов имеет минимальное значение при данных внешних условиях, препятствующих достижению системой равновесного состояния (ёБ1/№ > 0 и минимально)". Как видим, речь идет о скорости производства энтропии в единицу времени и стремлении системы к стационарному состоянию, в котором протекают химические реакции (ДGTp > 0) и выделяется энергия, чтобы не дать системе перейти к равновесному состоянию, при котором ДСТР = 0 и химические процессы, обусловливающие жизнедеятельность, прекращаются, наступает смерть. Следовательно, вся совокупность процессов, протекающих в организме, не дает ему выйти из стационарного состояния, но если система незначительно отклоняется от такого состояния, то направленность всей совокупности процессов в организме приводит к уменьшению ДБг/М и возврату системы к стационарному состоянию. Если же такая система не может вернуться в прежнее стационарное состояние, то она по термодинамической ветви развития (см. рис. 2.1) переходит сравнительно быстро в новое стационарное состояние. Учитывая сложность и многофункциональность человеческого организма, следует признать, что это "быстро" может растянуться на месяцы и годы в зависимости от энергетического состояния организма и в общем виде от его возраста.

Здоровый организм при изменении внешних условий безболезненно переходит в иное стационарное состояние, но, ввиду необратимости процессов, в полной мере вернуться в прежнее стационарное состояние не может, "стрела времени" неумолима (следует признать справедливость утверждения "молодость повторить нельзя"). Кратковременная адаптация организма к изменению внешних условий есть не что иное, как способность при химически заданном балансе массы человеческого тела и его энергетического потенциала переходить в иное стационарное состояние.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Следовательно, устойчивость любого биологического объекта, а тем более человека, определяется его способностью по мере изменения внешних параметров переходить из одного стационарного состояния в другое. В то же время, если организм обладает необходимым "энтропийным запасом прочности", то, исходя из принципа И. Пригожина для стационарных состояний о минимизации производства энтропии, незначительное изменение внешних параметров может кратковременно вывести всю систему из стационарного состояния, но за счет своих внутренних процессов система вновь вернется в квазиисходное стационарное состояние. Таким образом, мы приходим к весьма важному выводу: чем сложнее система, чем выше в ней вариантность процессов, направленных на уменьшение энтропии, тем выше вероятность сохранения ее в стационарном состоянии. Иными словами, переходя к рассуждению о человеческом организме, мы приходим к простому житейскому выводу: чем более тренирован человек на преодоление внешних воздействий, тем более вероятно его возвращение в стационарное состояние после кратковременного изменения внешних параметров среды.

В этом случае мультипликативность, многофункциональность человеческого организма в целом позволяет ему включать наиболее эффективные механизмы сохранения стационарного состояния. При этом кроме физико-химических процессов большую роль играют психофизические факторы, которые являются результатом работы коры головного мозга и важным элементом сохранения стационарного состояния всего организма при изменении внешних параметров.

Влияние внешней среды может иметь и сезонный характер. Например, приход зимы, снижение температуры и переход воды в иней, снег и лед снижают энтропию окружающей среды. Это обстоятельство оказывает существенное влияние на течение всех процессов в организме живых существ. И хотя человек научился укрываться в теплых жилищах от холодной окружающей среды, реакция организма на такую ситуацию однозначна. Когда организм теряет способность сохраняться в стационарном состоянии при смене внешних параметров среды, включая электромагнитную составляющую, это требует перехода в новое стационарное состояние, что не всегда протекает гладко и сопровождается болезненными явлениями.

Г. Хакен (1980), вводя понятие об управляющих параметрах открытых стационарных систем, или "модах", по сути дела пришел к гениальной формулировке Ньютона: "Объяснять как можно большее число фактов как можно меньшим числом исходных положений", что отвечает и принципу бритвы Оккама: "Не умножай сущностей без надобностей".

Универсальность синергетического подхода к открытым системам породила терминологическую неразбериху, поскольку в разных науках одни и те же явления называют по-разному. Так, реакции и системы вдали от равновесия проявляют склонность к структурообразованию и протеканию самопроизвольных периодических реакций. Но в физике это автоволновые процессы, а в химии автокаталитические реакции, где продукты реакции стимулируют саму реакцию и увеличение их концентрации ускоряет саму реакцию. Для обоих случаев применяют и термин "автоволны", хотя в физике твердого тела и механике ему зачастую придается совсем другой смысл, чем в химии и физической химии. Иными словами, применение специфических терминов должно строго соотноситься с конкретной системой, ее состоянием.

Как известно, автоволны, которые возникают и функционируют в конденсированных средах (твердых телах, расплавах, растворах, высокоплотных флюидах и т. д.), могут проявиться только при соблюдении одного очень важного условия: среда, в которой распространяются автоволны, должна характеризоваться равномерно распределенной избыточной энергией, характерной для такой неравновесной системы. Именно высокий избыточный энергетический потенциал относительно близкого к равновесию состояния, когда вся система обладает таким свойством, является обязательным условием проявления пространственно-временных структур во всем объеме исследуемой системы, ибо дискретное чередование активизированных и неактивизированных участков не приведет к появлению автоволн. Только активность всего объема, который мы рассматриваем в качестве системы, может привести к кооперативному проявлению новых свойств.

Частое упоминание в научной литературе, посвященной синергетике, принципа Онзангера воспринимается как канон. Но при этом не оговаривается, что принцип Онзанге-ра применим только для условий незначительного отклонения от равновесия и справед-

лив для линейных процессов; к нелинейным системам он неприменим.

Человек представляет собой четко синхронизированную колебательную систему. Даже в течение суток у него чередуются два максимума и два минимума активности и все физико-химические процессы в организме совершаются в автоколебательном режиме, когда в суточном цикле синхронно меняются состав крови, функции внутренних органов, восприимчивость к лекарствам и ядам и т. д.

Иерархическая сопоставимость систем в среде обитания человека в общем виде выглядит следующим образом.

Гиперсистемы. 1. Земля - самоорганизующаяся система, ядро и геосфера которой (включая гидросферу и атмосферу) образовались за счет дисси-пативных процессов. Для процессов самоорганизации различных структур Земли характерна строгая иерархическая соподчиненность, соответствующая энергетической мощности и массоемкости породивших эти системы потоков энергии и вещества. Ядро генерирует магнитное поле Земли, вся масса Земли создает гравитационное поле. 2. Ионосфера - также самоорганизующаяся система, функцию управляющего параметра выполняет Солнце (Рудина, Соло-ницина, 1979).

Взаимодействие этих двух гиперсистем порождает широкий спектр явлений, которые наиболее четко обнаруживаются в экстремальных ситуациях. Характерно, что после солнечных возмущений, когда корпускулярные потоки доходят до Земли, они одновременно вызывают возмущения в магнитном поле Земли и в ионосфере.

Метасистемы. По отношению к гиперсистемам занимают подчиненное положение и размещаются на следующей иерархической ступени, характеризуясь меньшей массой и энергоемкостью. К ним можно отнести в твердой Земле зоны, различающиеся по термодинамическим параметрам: земная и океаническая кора, астеносферные слои, верхняя и нижняя мантия, ядро Земли.

В околоземном пространстве это прежде всего полость между земной поверхностью и ионосферой, где концентрируются электромагнитные излучения антропогенного происхождения. Назовем ее радиосфера. Как уже указывалось, в XX в. в этом пространстве образовался своеобразный электро-

магнитный резонатор, мощность которого непрерывно нарастает.

Мезосистемы. Это системы следующего иерархического уровня. В природе они размещаются в пределах мегасистем и по сути являются их производными. Исключение составляют техногенные мезосистемы, и об этом будет сказано ниже. Главной отличительной чертой природных мезосистем является то, что они находятся в фиксированном агрегатном состоянии и функционируют в сравнительно узком термодинамическом режиме, определяемом параметрами состояния.

В твердой Земле это прежде всего зоны глубинных разломов, гравитационные, магнитные и электромагнитные аномалии, выступающие в роли диссипативных структур - генераторов электромагнитных волн и физических полей. Особую группу представляют техногенные мезо-системы. Это крупные мегаполисы и технополисы, большие атомные электростанции и гидростанции, сопоставимые по своим энергетическим параметрам с природными мезосистемами. Ме-зосистемы этого типа могут преимущественно генерировать электромагнитные волны, распространяющиеся возмущения в виде импульсов энергии, стоячие волны, синхронные автоколебания, квазистохастические волны и дискретные автономные источники импульсной активности.

В надземном пространстве это тайфуны, ураганы, циклоны, генерирующие широкий спектр электромагнитных и иных типов возмущений. В отличие от перечисленных выше мезосис-тем их можно отнести к системам периодического действия, хотя следует признать, что их энергетический потенциал может значительно превышать таковой для многих мезосистем в твердой Земле, не говоря уже о мега- и технополисах.

В ионосфере к мезосистемам следует отнести короткоживущие пространственно-временные структуры (суббури), генерирующие широкий спектр электромагнитных излучений.

Мультисистемы. Характеризуют наименьший по размерности, времени действия и энергетическому потенциалу элемент всей рассматриваемой гиперсистемы. Это могут быть низкоэнергетические стационарные системы или высокоэнергетические короткоживущие источники импульсной активности.

В живой природе это прежде всего человек и другие сопоставимые с ним в пределах порядка энергетических единиц биологические объекты. Все они генерируют слабые электричес-киеимагнитные(электромагнитные) поля, кото-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

рые откликаются на воздействие всех перечисленных выше полей. Во многом это пассивные резонансные системы со своими управляющими параметрами порядка - модами. Совсем иное положение занимают природные и техногенные муль-тисистемы. Это, как правило, системы непериодического действия, генерирующие инфраволны, низкочастотное излучение и другие электромагнитные колебания: линии электропередач, трансформаторы, электровозы, радиопередатчики, радарные системы, телевизионные передающие устройства и другие радиоэлектронные и радиотехнические станции. Это активные резонансные системы, воздействие которых на биологические объекты велико, поскольку, как правило, они соседствуют с человеком в мега- и технополисах.

Природные мультисистемы разнообразны и характеризуют короткоживущие образования: грозовые облачные массы, небольшие по размерам тектонические и минерализованные зоны, водопады, скопления торосящегося льда при ледоходе, узкие ущелья, которые при сильных ветрах генерируют инфраволны, и т. д.

Иными словами, энергетический потенциал генерирующих различные излучения систем определяет в итоге степень, длительность и характер воздействия на биологические объекты, в том числе на человека.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В последние 20 лет сформировалось и успешно развивается новое научное направление - синергетика. В работах по синергетике излагаются общие подходы к изучению универсальных свойств явлений самоорганизации в динамических неравновесных системах. Особое значение при этом придается исследованию коллективных, кооперативных эффектов в изучаемых системах. При таком подходе исключительное значение приобретает понимание эмерджентных эффектов, которые проявляются в эмерджентных свойствах, не присущих тому или иному отдельно взятому элементу вне данной системы. Иными словами, это результат взаимосогласованного сочетания параметров неравновесной системы при высокой степени синергетиче-ских связей между ее элементами, при столь же высоком уровне кооперативного взаимодействия всех элементов данной системы. Си-нергетический подход оказался весьма плодотворным при рассмотрении широкого спектра природных явлений. В настоящее

время издательство "Springer-Verlag" выпустило более 50 монографий по данной проблеме: это работы по физике, математике, химии, биологии, социологии, медицине и т. д. В контексте этих исследований и опираясь на результаты, полученные учеными разных специальностей, мы предлагаем новое научное направление - синергетика среды обитания человека.

Человек представляет собой открытую динамическую неравновесную самоорганизующуюся систему, обменивающуюся веществом и энергией с окружающей средой. С точки зрения физики и электрохимии человек - это электролитическая батарея, состоящая на 70-75 % из электролита (кровь, лимфа, различные жидкости и т. д.) Человек в целом и его внутренние органы в отдельности генерируют электрические и электромагнитные поля, фиксируемые различными физическими методами (электрорадиограммы, энцефалограммы, томография и т. д.).

Вторая половина XX в. характеризуется многочисленными исследованиями по изучению воздействия физических полей различной природы на человека и другие биологические объекты. Зачастую эти исследования носили закрытый характер, и до сих пор многие из них недоступны научной общественности.

Все физические поля, в которых функционирует человек, по своей природе можно разделить на три группы.

1.Космические - генерируемые главным образом Солнцем и, возможно, другими космическими объектами. Сюда же можно отнести и поля ионосферного происхождения.

2.Геолого-геодинамические - генерируемые геологическими телами,самой Землей и ее ядром. Наряду с громадным материалом по изучению физических полей данного типа имеется немало работ по "исследованию" так называемых "геопатогенных зон", что в подавляющем большинстве случаев можно отнести к околонаучному шарлатанству.

3. Техногенные - генерируемые различными техническими объектами - источниками электромагнитных излучений различной природы: радио- и телевизионными передающими устройствами, электростанциями, линиями электропередач, токопроводящими системами, научным оборудованием и т. д.

Суть предлагаемой к изучению проблемы заключается в том, чтобы изучить одновремен-

ное кооперативное воздействие полей разной природы на человека - задача, которую не ставил никто в мире.

В задачу предстоящего исследования входит выяснение количественных параметров кооперативного взаимодействия полей, генерируемых различными источниками; динамики этих процессов; вероятности протекания явлений самоорганизации в ходе такого взаимодействия с формированием пространственно-временных структур, генерирующих собственные поля и излучения, и как итог - выявление степени воздействия этих полей на биологические объекты от клетки до человека.

Планета Земля является открытой неравновесной динамической гиперсистемой, а современное ее состояние определяется необратимым ходом ее самоорганизации в течение более 4,5 млрд лет геологического развития. За этот период произошло снижение общего энергетического потенциала планеты в целом, что находит отражение в уменьшении диссипации тепловой энергии во внешнюю среду и масштабов тепловыделения. Строение Земли - результат ее длительной общепланетарной самоорганизации, следствием которого стало наличие твердого и жидкого ядер, мантии, астеносферы, континентальной и океанической кор.

На базе гиперсистемы планеты Земля зарождались, функционировали и отмирали открытые неравновесные системы более низких иерархических уровней - мега- и мезосистемы, структуры низких иерархий объединялись в структуру высших (Летников, 1992).

Неравновесные системы могут длительно функционировать только в режиме прокачки через них энергии, иными словами, это открытые системы. Прекращение энергетического потока обрекает систему на переход в стадию консервации, когда длительность ее существования обусловливается ее энергетическим потенциалом за счет накопленной на предыдущем этапе энергии. В то же время принцип наследования генетических черт от всех предыдущих уровней развития во многих разделах геологической науки является определяющим.

В соответствии с теоремой И. Пригожина о минимуме производства энтропии в открытой стационарной системе при фиксированных внешних параметрах очевидна "выгодность" таких открытых систем с точки зрения энергетического баланса, поскольку режим поддержания системы в стационарном состоянии требует минимального потребления свободной энер-

гии. Состояние таких систем может оцениваться в режиме тер-мостатирования или гомеоста-за (Летников, 1992). Иными словами, открытая система, стремясь как можно дольше сохраниться в стационарном состоянии, сводит до минимума рассеяние свободной энергии, и в этом плане открытые неравновесные природные системы являются с точки зрения энергетики "энергосберегающими", в них степень консервации свободной энергии внутри системы весьма велика и по своим масштабам превосходит диссипацию тепловой энергии в окружающую среду. Поскольку произведение XI (сила на поток) отражает мощность процесса, то устойчивость системы определяется ее способностью компенсировать отклонение Х„ и 1„ от стационарного состояния, что, в свою очередь, определяется способностью системы к производству энтропии. В таких системах реализуется механизм авторегуляции в той мере, в какой система обладает запасом свободной энергии, который позволяет ей адекватно отреагировать на внешнее воздействие и не выйти из стационарного состояния.

В основе процессов самоорганизации в открытых неравновесных системах лежит энергетическое начало. Так, если энергетический потенциал не достигнет определенного порогового значения, то процессы самоорганизации не происходят, и только в том случае, если энергетический потенциал системы достаточен (за счет энергетического потока извне или за счет экзотермических реакций в самой системе), чтобы компенсировать ее потери во внешнюю среду, в ней будут проявляться процессы самоорганизации и образовываться пространственно-временные или временные структуры. Причем переход "хаос - структура" происходит скачком. И наоборот, слишком большое поступление энергии в систему, в которой протекают процессы самоорганизации, приведет к прекращению процессов структурирования системы и переходу к хаосу. По сути дела, в открытых неравновесных природных системах процессы самоорганизации представляют цепь неравновесных фазовых переходов различного иерархического класса, когда масштабы, формы и длительность процесса самоорганизации определяются энергетическим состоянием системы.

Свойства высокоэнергетических открытых нелинейных неравновесных систем зависят от их состояния. Наиболее общей чертой таких систем является нарушение в них принципа суперпозиции. Как известно, принцип суперпозиции заклю-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

чается в том, что "аддитивность причин приводит к аддитивности следствий" (Гапонов-Грехов, Рабинович, 1984). Анализ далеких от состояния равновесия природных нелинейных систем однозначно указывает на то, что в них принцип суперпозиции не сохраняется. Неадекватность между силой воздействия и откликом в системе на это воздействие и является наиболее характерной чертой нелинейных систем. Нарушение принципа суперпозиции вводит нас в сферу неопределенности, когда путь, по которому пойдет система, или несколько альтернативных путей развития трудно предсказуемы. В этихусловиях даже незначительные флуктуации могут "сдетониро-вать" широкомасштабные явления.

Поскольку все природные процессы необратимы, то они в значительной мере характеризуются склонностью к структурированию - созиданию новых структурных ансамблей. Именно в природных средах поражает разнообразие форм структурирования на фоне необратимого развития природных процессов.

Если вслед за А. Пуанкаре (1983) считать, что случайность наиболее вероятна в неустойчивом состоянии, то из этого постулата вытекает ряд очень важных следствий.

1.Поскольку формирование всяких ме-гасистем можно рассматривать как благоприятное сочетание детерминированных случайностей, то становится понятным, почему такие системы формируются именно в неравновесных условиях с ярко выраженной нелинейностью (Пригожий, 1960).

2.По физико-химическим полям в однородных средах с равномерным распределением компонентов и слабо проявленными локальными аномалиями можно составить представление о линейных слабо неравновесных условиях всей системы в целом. В таких условиях контрастный распад системы мало вероятен.

Отличительной чертой линейных и нелинейных систем является именно роль случайностей в их развитии. Действительно, в линейной системе с диссипацией энергии, представляющей собой затухающую во времени систему, случайность может частично проявиться в повторяющихся регулярных колебаниях около какого-то усредненного состояния. В этой ситуации роль случайностей в режиме эволюции всей системы весьма мала, система термодинамически детерминирована. Совсем иная ситуация реальна в нелинейной системе, где не соблюдается принцип суперпозиции.

Здесь случайность выступает уже в ранге параметра порядка (моды), который можеткар-динально изменить не только состояние системы, но и пути ее дальнейшего развития.

В итоге мы неизбежно приходим к выводу о вероятностном характере целого класса нелинейных природных систем, ибо их рождение, функционирование и отмирание являются функцией многих переменных, и прохождение полного цикла развития той или иной системы во многом зависит от цепочки случайностей, наиболее часто проявляющихся в режимах с нелинейным характером развития. Поэтому чем больше предпосылок для проявления случайностей, тем выше вероятность их реализации.

Линейность предопределяет жесткую детерминированность той или иной системы, где внешние динамические воздействия в итоге и определяют путь ее развития. Напротив, нелинейность предусматривает и отклик самой системы на внешнее воздействие, проявление новых механизмов за рамками жесткой детерминированности.

Один из тезисов синергетики - медленные моды управляют быстрыми -отражает иерархию мод в сложных неравновесных природных системах, при этом реализуется стремление открытых неравновесных систем к минимальной диссипации энергии, к реализации энергосберегающих механизмов. С осуществлением этой тенденции в природных процессах мы сталкиваемся на различных иерархических уровнях. Велика ценность вывода И. Пригожина (1960) и о том, что микроскопический хаос в виде дисси-па-тивного, рассеивающего энергию процесса может приводить к макроскопической упорядоченности системы, формированию макроструктур; это фундаментальный вывод о роли диссипативных хаотических процессов микроскопического уровня в понимании процессов самоорганизации в открытых неравновесных динамических системах.

На настоящий момент ситуация такова. До стадии развития так называемой "техногенной цивилизации", аименнодоначалаXX в., на планете Земля наряду с глобальным геомагнитным полем существовали природные источники, аномальные по отношению к естественному фону в части генерации полей различной природы: геологические тела, прежде всего зоны глубинных разломов, ионосферные явления, связанные с деятель-

ностью Солнца, другие явления планетарного характера, - и человек в ходе эволюции приспособился к этим полям.

В начале XX в. всего за 90 лет ситуация кардинально изменилась. Развитие техногенной цивилизации и лавинное нарастание мощности электромагнитных систем передачи информации привели к тому, что между земной поверхностью и ионосферой сформировалось единое электромагнитное поле (резонатор), напряженность которого все время нарастает. Вблизи мощных, излучающих электромагнитную энергию устройств параметры поля увеличиваются еще на несколько порядков. В пределах мегаполисов и технополисов происходит возрастающая по мощности закачка в землю электрической энергии, которая может трансформироваться в различные виды низкочастотных колебаний. В итоге формируются системы, в которых си-нергетические кооперативные связи на уровне взаимодействия полей различной природы очевидны, но до сих пор не изучены.

Общеизвестный тезис "За все приходится платить" находит свое неопровержимое подтверждение в рассмотренной нами ситуации. Развитие электромагнитных средств передачи информации в конце XX в. привело к формированию в замкнутом пространстве Земля - ионосфера рукотворной электромагнитной глобальной системы, по мощности сопоставимой с геомагнитным полем Земли. Сформировалась еще одна конкурентная электромагнитная система. И если до XX в. человек развивался в геомагнитном поле Земли, то появление дополнительной электромагнитной системы, в которой рождается и функционирует новое поколение людей, может привести к качественным изменениям человека как вида. Новые качества его будут накапливаться постепенно, а переход в новое состояние произойдет скачком за сравнительно короткий промежуток времени. Судя по некоторым косвенным признакам, у детей этот процесс уже начался.

Стремление к комфорту привело к созданию мегаполисов с весьма высоким уровнем потребления электрической энергии. Как следствие - генерация полей различной природы и их кооперативное взаимодействие, губительное для человека.

ПОЛЯ ОКОЛОЗЕМНОГО И ПРИЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВ

Внешняя оболочка Земли, где происходят генерация электромагнитных и электрических полей и синергетические кооперативные эффекты, в том числе явления самоорганизации, включает в себя тропосферу, стратосферу и ионосферу, наиболее протяженную по вертикали. Напомним, что ионосфера расположена в интервале высот от ~ 50 до 300 км (рис. 2.2), но разряженная ионизированная ее часть простирается на 10—15 земных радиусов Земли, вплоть до границы магнитосферы с межпланетной средой. Температура в ионосфере изменяется от ~ 200 до 1000-2000 К, а концентрация нейтральных частиц в миллион раз: от ~ 1015 см~3 в области D до ~ 109 см~3 в области Р. Наибольшая концентрация ионов и электронов достигается в самом верху, в области F2 на высоте ~ 300 км (Иванов-Холодный, Никольский, 1969).

Хотя ионосфера не является средой обитания человека и ее масса и энергетический потен циал по сравнению с литосферой и тропосфе-

Н, км

НУ* ДО 10* 105 м,,см-э

Рис. 2.2. Типичное вертикальное распределение электронной концентрации в ионосфере для дневных и ночных условий. На кривых буквами отмечено положение различных областей ионосферы (Иванов-Холодный, Никольский, 1989).

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

рой сравнительно малы, тем не менее ее роль в вертикальном и латеральном перетоках энергии, генерации магнитных и электромагнитных полей, возникновении резонансных и самоорганизующихся структур исключительно велика. Для ионосферы характерно крайне неустойчивое неравновесное состояние, что дает основание рассматривать ее в целом (если такое рассмотрение достаточно корректно) как метас-та-бильную систему. Уникальной особенностью ионосферы является то, что она одновременно испытывает как интенсивное воздействие извне, со стороны Солнца и околоземного космического пространства, так и со стороны поверхности Земли за счет достаточно мощных явлений природного (землетрясения, ураганы, мощные грозовые фронты, извержения вулканов и т. д.) и техногенного (подземные и наземные ядерные и другие мощные взрывы, электромагнитное зондирование, электромагнитные излучения и т. д.) характера.

Ионосфера, как сказано выше, - сложная самоорганизующаяся система, функционирующая в колебательном режиме, с характерным пространственно-временным распределением электромагнитной концентрации по высоте, по широтам (экваториальная, среднеширотная и высокоширотная ионосфера), с наличием коррелятивных связей ионосферных параметров с солнечными и ионосферными на разных высотах для ночных и дневных условий. Все это протекает на фоне динамических процессов в самой ионосфере и долгопериодических колебаний более высокого порядка и осложнено многими факторами.

Наиболее характерен суточный колебательный ритм в режиме ночь-день. Характерны также сезонное и 27-дневное распределение возмущений ионосферы с характерной циклической повторяемостью их (Рудина, Солоницина, 1979). В ионосфере возникают и функционируют корот-коживущие пространственно-временные

структуры (суббури), генерирующие широкий спектр электромагнитных излучений.

По теории одним из элементов самоорганизации является наличие колебательных или периодических явлений, которые могут фиксироваться в качестве временных вариаций. Солнечно-суточные вариации происходят в течение суток и достигают максимума в период летнего солнцестояния, а минимума - в период зимнего солнцестояния. Они также зависят от солнечной активности. Источником магнитного поля солнечно-суточных вариаций являются вихревые замкнутые то-

ковые системы, расположенные в слое Е ионосферы (100-120 км от поверхности Земли), внутри которых вращается земной шар (Дубров, 1974).

Область между поверхностью Земли и ионосферой (тропосфера и стратосфера) изучена значительно лучше, процессы массопереноса и формирования глобальных структур здесь зачастую прогнозируются с достаточно высоким совпадением с реальностью. Особый интерес представляет взаимодействие между тропосферой и стратосферой в контексте их влияния на приземный слой, особенно в плане воздействия на среду обитания человека.

Высокая степень ионизации ионосферы и гетерогенность в ее строении обусловливают нелинейность проявления в ней различных физических, химических и фотохимических процессов, когда в целом ионосфера является открытой нелинейной динамической системой. Энергетический потенциал ионосферы поддерживается в основном за счет ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца, на что накладываются 11-летние и 27-дневные вариации Солнца, а также возмущения во время солнечных вспышек при регулярных суточных изменениях ионосферы (см. рис. 2.2). Кроме того, являясь частью верхней атмосферы, ионосфера реагирует и на изменение параметров состояния нейтральной атмосферы (Иванов-Холодный, Никольский, 1969). Вместе с тем мощное экспоненциальное развитие радио, телевидения, радиолокации, пуски ракет, ядерные и другие мощные взрывы воздействуют на ионосферу снизу, нарушают ее стационарность, что приводит к нелинейным эффектам, предсказать которые в настоящее время не представляется возможным.

Способность ионосферы быстро передавать электромагнитные импульсы на большие расстояния, с одной стороны, создает условия для выравнивания электромагнитных полей в ионосфере, но с другой, неравновесность и нелинейность этой системы способствуют локализации электромагнитной энергии в виде пространственно-временных структур ионосферы. Из электромагнитных излучений, идущих от Солнца и космического пространства, до поверхности Земли помимо волн оптического диапазона (диапазон видимого света) 290-1000 нм и близких к ним инфракрасного и ультрафиолетового излучений доходят низкочастотное - до 5 Гц и радиочастотное - с длиной волны 0,8-30 м. Электрические поля фиксируются в атмосфере Земли, особенно часто вблизи ее поверхности, когда в среднем напряженность электростати-

ческого поля у поверхности Земли ~ 100 В/м, а магнитного поля Солнца ~ 50 Гс, геомагнитное поле Земли 0,5 Гс, но суточный максимум напряженности достигается на всей Земле в одно и то же время - в 19 ч по Лондонскому времени (Горбачев, 2003). Центры циклонов кроме мощных потоков инфраволн излучают ЭМВ с частотой 2 Гц.

Вспышки на Солнце приводят к нарушению электромагнитного поля геомагнитных пульсаций (~ 50-60 В/м), что близко по величине кусред-ненным значениям естественного атмосферного электрического поля с частотой пульсаций 0,005-5 Гц и к частотам биологических объектов, в частности человека. Поэтому недомогания людей при геомагнитных и связанных с ними электрических пульсациях имеют резонансную природу, а если на них накладываются еще и инфраволно-вые воздействия, то эффект усиливается многократно. Судя по данным В.В. Адушкина и А.А. Спи-вака (1995), ин-фразвуковые возмущения с частотой 6-8 Гц оказывают в высшей степени негативное влияние на эмоциональное и психическое состояние человека. Особенно опасен инфразвук с амплитудой 6,3 Па.

В. Шуман (1955) теоретически предсказал, что на ультранизких частотах (УНЧ) в диапазоне 10,6-41,1 Гц должно наблюдаться резонансное усиление поля атмосферных помех в волноводе Земля - ионосфера. Он сделал свои расчеты для идеально проводящего резонатора. Дальнейшие инструментальные исследования (Wait, 1965) в общих чертах подтвердили наличие этого эффекта с типичными вариациями местного значения с фиксацией шести резонансных частот. Усредненные данные спектров частот позволили выделить четкие максимумы спектра на частотах 7,8; 14,1; 20,3; 26,4; 32,5 Гц, причем установлено, что эффект резонанса убывает с частотой и усиление поля наблюдается только на ультранизких частотах (Альперти др., 1967).

Внешние электромагнитные излучения по-разному взаимодействуют с внешними оболочками Земли. Потоки солнечной плазмы наиболее активно вступают во взаимодействие с Землей на границе ее магнитосферы, а электромагнитное излучение Солнца эффективно взаимодействует с Землей в верхней атмосфере (Адушкин, Спивак, 1995).

В изучении связей между солнечно-магни-тосферными возмущениями и атмосферно-элек-трическими явлениями А.Н. Ярошенко (1987) в качестве полигона выбрал высокоширотную зону, где из-за большей проводимости атмосфе-

ры плотность тока в системе "атмосфера - Земля" значительно выше, чем в средних и низких широтах. Им было установлено, что атмосферное электричество высокоширотной зоны является средой, через которую солнечно-ионосферные возмущения наиболее интенсивно воздействуют на глобальную атмосферно-электрическую цепь. Одним из важных выводов этой работы является экспериментальное обнаружение пространственно временных структур атмосферного электрического поля в высокоширотной зоне и определение параметров их существования в зависимости от уровня магнитовозмущенности ионосферы. Установлено, что в условиях магнитного возмущения в атмосферном электрическом поле появляются неоднородности размером более 150 км и временем существования 0,5-1 ч. По сути эти структуры отражают уровни самоорганизации в глобальном электрическом поле атмосферы, когда энергетическим источником их возникновения и существования служат магни-тосферные возмущения. Таким образом, однозначно доказана возможность существования пространственно-временных структур атмосферного электрического поля, которые, в свою очередь, могут активно взаимодействовать как с теллурическими, так и с техногенными полями.

О сложности процессов, протекающих в ионосфере, можно судить хотя бы по тому факту, что в момент солнечных вспышек отмечалось возрастание ионизации, которое не сопровождалось возникновением токов в ионосфере (магнитное поле оставалось спокойным), и только через 1,5 сут внезапно разразилась магнитная буря (Hultgvist, 1959). Подобные факты указывают на высокую степень инерционности в состоянии ионосферы и на высокую вероятность проявления процессов самоорганизации с внезапным переходом от стационарного состояния в стадию бифуркаций.

Дополнительно следует отметить особую значимость градиента потенциала электрического поля как характеристики загрязненности воздуха. Эта проблема заслуживает особого внимания, так как при высокой степени загрязненности воздуха в мегаполисах столь же высока вероятность образования смога. Смог выступает как концентратор электрических зарядов на поверхности взвешенных частиц; в еще большей степени это свойство проявляется в случае, когда на базе смога образуется туман. Независимо от вре-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

мени года на поверхности кристалликов льда или влаги накапливается электрический заряд. Если на туман воздействует мощное электромагнитное излучение, суммарный потенциал электрического поля возрастает. Иными словами, туман на базе смога становится концентратором электрической энергии, и в условиях близости к источникам мощных электромагнитных излучений (телевизионные, радиолокационные, радиопередающие станции) в тумане могут по механизму самоорганизации возникать автономные структуры, образующие собственные поля и генерирующие различные виды электромагнитных волн и физических полей. Эти структуры могут функционировать и в режиме синхронных автоколебаний, квазистохастических волн или импульсов электромагнитной энергии.

Особое значение для анализа сложных многофункциональных электромагнитных систем в околоземном пространстве имеют лаборатории геоэлектрического мониторинга, расположенные на значительном удалении от источников индустриальных помех. К их числу относится Геофизическая обсерватория "Борок" при Институте физики Земли РАН. Результаты, полученные в условиях "электромагнитного заповедника", отличаются высокой корректностью и многоплановостью, выполняются в непрерывном обсерваторском режиме (Анисимов, Дмитриев, 1996). С точки зрения синергетики эти исследования интересны в плане установления обратных связей между электрическими полями атмосферы, входящими в ее единое электрическое поле, и другими электромагнитными динамическими системами различной природы. Наибольший интерес представляют естественные электрические и электромагнитные поля именно в приземном слое, где и протекают процессы жизнедеятельности. Установлено, что максимальные значения напряженности электрического поля и плотности объемного заряда фиксируются именно в приземном слое в первых метрах и десятках метров, затем они снижаются до минимальных значений уже на высоте 1-3 км (Дмитриев, Анисимов, 1994). Многочисленными исследованиями доказано проникновение квазистационарных электрических полей из ионосферы и земной поверхности и от земных источников в ионосферу. Опять же с позиций синергетики особенно важным является инструменталь-

ное установление наличия пространственно-временных структур в реальной атмосфере в их связи с нестационарными локальными, региональными и глобальными полями (Дмитриев, Анисимов, 1994). На основании полученных инструментальных данных авторами построена нестационарная одномерная модель электрического поля и тока, что позволяет оценить в первом приближении влияние региональных вариаций проводимости тропосферы на среднюю атмосферу и ионосферу, а также антропогенные воздействия на земное электрическое окружение. Особенно ценным в указанной работе является вывод об определяющей роли проводимости в приземном слое высотой 1 км и ее влиянии на установление высотного профиля электрического тока вплоть до высоты 20 км. Иными словами, в установлении электромагнитного переноса от любых источников ЭМИ - естественных или техногенных - в верхнюю атмосферу, тропосферу и ионосферу (и обратно) большое значение приобретает именно проводимость приземного слоя -это десятки и сотни метров, до 1 км. Таким образом, мы приходим к весьма важному выводу, что состояние приземного воздушного слоя является определяющим в реализации вертикального переноса электрического тока. Это означает, что в условиях высокого насыщения аэрозолями (смог) или техногенными электрическими или электромагнитными излучениями в пределах мега- и технополисов резко возрастает возможность вертикального переноса электрического тока; отсюда и роль глубинных разломов, генерирующих электрические и электромагнитные излучения. При высокой концентрации аэрозолей в составе смога, пронизываемого направленными и стохастическими электрическими и электромагнитными полями, могут возникнуть площадные зоны вертикального перетока ЭМИ, что несомненно отрицательно скажется на состоянии людей, особенно метеопатов и больных с нарушениями сердечно-сосудистой системы. Именно сочетание смога и высокой насыщенности приземного слоя (до 1 км) электромагнитными излучениями создает крайне неблагоприятную обстановку для нормального функционирования человеческого организма. Этот эффект усиливается при высоком звуковом насыщении воздушной среды в приземном слое. В такой ситуации достаточно сильный ветер (если он не порождает инфраволны) будет благоприятным фактором для снижения негативного синергети-ческого воздействия на среду обитания человека.

Эффект негативного воздействия на человека проявляется при сильных короткопериодичес-ких пульсациях электрического поля в диапазоне частот от 10~3 до 1 Гц, измеряемых на высоте 1,5 м над землей в условиях хорошей погоды. При этом присутствуют возмущения электрического поля с масштабом ~ 60 м, вызываемые, возможно, конвективными ячейками (А^тот et а1., 1994). Иными словами, мы снова получаем экспериментальное подтверждение структурированности электрического поля в приземном слое, что говорит о высокой степени его самоорганизации. Пульсации более высокого порядка, регистрируемые на земной поверхности, судя по многочисленным наблюдениям, возникают в магнитосфере Земли и имеют внутримагнитосферное происхождение (Большакова, Боровкова, 1996).

Следовательно, начиная от верхних слоев магнитосферы и до приземного слоя инструментальными методами установлены явления самоорганизации электрических и электромагнитных полей, что свойственно всем открытым динамическим системам. В то же время все эти пространственно-временные структуры обладают способностью генерировать автономные излучающие поля, что дает основание для постановки задачи исследования энергетического потенциала таких систем и частотных характеристик генерируемых ими полей в плане воздействия на человеческий организм.

Все перечисленные события занимают нижние уровни в иерархии механизмов возмущения в околоземном пространстве. Наиболее высокий энергетический потенциал и глобальное воздействие общепланетарного характера имеют мощные протонные вспышки на Солнце, которые проявляются на поверхности Земли в виде геомагнитных бурь. И в этих случаях обнаруживаются пульсации, имеющие разную природу, при достаточно широком диапазоне их проявления: от 10~3 до 3-5 Гц (Куражковская, Клайн, 1995).

Следовательно, во всем околоземном пространстве в иерархии соподчиненных систем с характерной обратной связью в определенных ситуациях возникают, функционируют и отмирают пространственно-временные структуры с колебательным режимом развития, о чем говорят связанные с их существованием пульсации. Набор этих пульсаций и слагает весь спектр негативных электромагнитных воздействий на человека, ибо при монотонном характере электромаг-

нитных излучений человеческий организм не испытывал бы столь болезненных воздействий.

Напомним, что тропосфера характеризуется падением Т с высотой и низким содержанием озона, естественных радионуклидов и ионизированных частиц, и наоборот, стратосфере свойственны неизменная или растущая с высотой Т и значительно повышенное содержание перечисленных выше компонентов. Несомненно, что это неравновесные открытые динамические гиперсистемы с различными параметрами существования. Между ними проходит граница, именуемая тропопаузой. Как следует из данных Н.П. Шакиной и И.Н. Кузнецовой (1997), для тропопаузы весьма характерно мегамасштаб-ное структурирование, указывающее на глобальное проявление самоорганизации в этом слое, разделяющем две неравновесные системы. Здесь устанавливаются "купола" с типичными размерами порядка тысяч километров и характерные складки и воронки, направленные в сторону поверхности Земли и фиксирующие пути вторжения воздуха из стратосферы в нижнюю тропосферу вплоть до земной поверхности. При этом, судя по данным Росгидромета, у земной поверхности происходит резкое повышение суммарной бета-активности (СБА) радионуклидов и плотности их выпадения.

В 1995 г. на территории России было отмечено более 120 случаев резкого возрастания радиоактивности в приземном слое воздуха с превышением фоновых концентраций более чем в 5 раз и фоновой плотности выпадений в 10 раз и более. В начале марта 1996 г. в Новосибирске, Барнауле и Красноярске был отмечен резкий всплеск суммарной бета-активности до 100-300-10~5 Бк/м3, что соответствует превышению фона в 5-20 раз. Судя по данным радиозондирования, над этой территорией происходило опускание тропопаузы до 467 ГПа. Обнаруженные в высоких пробах 3 марта 1996 г. изотопы Ве-7 в концентрациях 389-10~5и891 10 Бк/м3 указывают на региональное вторжение стратосферного воздуха в нижние слои атмосферы (Ша-кина, Кузнецова, 1997). Авторы подчеркивают неординарность описанного феномена, когда ось стратосферных выпадений пришлась на полосу от Барнаула до Красноярска и была связана с максимальным опусканием динамической

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

тропопаузы почти до 4 км в среднюю тропосферу.

Описанные Н.П. Шакиной и И.Я. Кузнецовой явления заслуживают особого внимания, ибо, вне всякого сомнения, разрыв тропопаузы и обвальное поступление к поверхности Земли на больших пространствах масс с высоким содержанием радионуклидов и озона должны сопровождаться и возмущениями электромагнитного характера. Прорыв к поверхности Земли воздушных масс с высоким энергетическим потенциалом слагающих их частиц, столь характерных для стратосферы, должен повлечь за собой деформацию магнитного и электромагнитного регионального поля, не говоря уже о том, что это явление не может усилить взаимодействие Земли и техногенных электромагнитных полей с ионосферой. С сожалением приходится констатировать, что исследования в этой области не проводились, как и то, что такая проблема до сих пор никем не ставилась.

Из приведенного обзора видно, что внешние оболочки Земли характеризуются отчетливо выраженными синергетическими чертами развития и склонностью к явлениям самоорганизации, выражающимися в формировании пространственно-временных структур, время существования которых зависит от энергетического потенциала той среды, в которой они возникают.

ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ И ПОЛЯ, ГЕНЕРИРУЕМЫЕ СТРУКТУРАМИ ЛИТОСФЕРЫ

В целом, как мы уже говорили, Земля является самоорганизующейся системой, геосферы которой образовались за счет диссипа-тивных процессов (Летников, 1992). Колебательный режим многих параметров состояния и особенно четко проявленная периодичность указывают на высокую мобильность таких систем и их не очень высокую устойчивость по отношению к изменению внешних параметров. Одним из уникальных природных феноменов является геомагнитное поле (ГМП) Земли.

Геомагнитное поле Земли слагается из двух компонент - внутренней и внешней. Внутренняя обусловлена строением Земли как космического тела (токовые системы на границе ядра и др.), она определяет медленные, вековые колебания постоянного поля Земли, внешняя - влияние ионосферы и

электрических полей, связанных с ней. Электромагнитные системы в окружающем Землю космическом пространстве как раз и вызывают быстрые изменения ГМП и в значительной мере обусловливают его переменную часть, называемую вариациями ГМП. Невозмущенные вариации ГМП: 1) солнечно-суточные, период которых равен солнечным суткам; 2) лунно-суточные, период которых равен лунным суткам; 3) годовые вариации.

Непериодические вариации ГМП связаны преимущественно с резкими возмущениями геомагнитного поля, обусловленными главным образом магнитными бурями, зависящими от солнечной активности.

Геомагнитное поле Земли является средой обитания всех живых организмов. Человек с его развитым многофункциональным мозгом и тонкой организацией высшей нервной деятельности наиболее чутко реагирует на возмущения ГМП, особенно если эти возмущения осложняются воздействиями других полей, особенно техногенных.

С точки зрения синергетики естественное геомагнитное поле с момента возникновения клетки явилось тем информационно-энергетическим стационарным полем, в котором и происходили процессы жизнедеятельности; недаром, по данным палеонтологов, явления инверсии магнитных полюсов приводили к катастрофическому вымиранию многих видов еще и потому, что ГМП было носителем информации об окружающем пространстве. Это качество потеряно человеком, но хорошо выражено у микроорганизмов, растений, птиц, рыб, обитателей морей и океанов и т. д. Таким образом, именно ГМП, как и кислородная атмосфера Земли, является средой обитания человека, и длительное экранирование последнего от воздействия ГМП приводит к негативным, иногда необратимым, последствиям. В этом плане человек как особь, у которой процессы саморегуляции, сохранения гомео-стазав различных стационарных системах опираются не только на физико-химическую составляющую в его организме, но и на развитую систему высшей нервной деятельности, обладает большим числом степеней свободы, более гибким приспособлением к изменению среды обитания, в том числе и ГМП, хотя именно изменения естественного геомагнитного поля переносятся им особенно болезненно.

Стационарное воздействие значительных по размерам геофизических аномалий, обусловленных геологическими телами, также оказывает влияние на ГМП и на процессы жизнедеятельности. Для этих аномалий характерно резкое изменение градиентов составляющих элементов ГМП - нескольких сотен или тысяч гамм на километр. В пределах Курской магнитной аномалии величина вертикальной составляющей ГМП в несколько раз превышает таковую нормального поля. По данным И.В. Дардымова (1966), заболеваемость населения в этом районе гипертонией, ревматизмом и нервно-психическими болезнями на 120-160 % выше, чем в районах с нормальным ГМП.

Геофизики разделяют ГМП по степени изменяемости на постоянное (основное) и переменное. Постоянное поле характеризуется отсутствием вариаций с периодом до года, хотя следует оговориться, что и в этом случае оно подвержено вековым колебаниям. Период изменения постоянного поля Земли составляет от нескольких сот до тысячи лет. Наоборот, переменное магнитное поле Земли характеризуется различными периодами - от долей секунды до месяцев. Величина переменного поля, наблюдаемая на поверхности Земли, не превышает ~ 2 % величины постоянного поля, но его биологическая значимость несомненна (Дубров, 1974). Силовые линии земного магнитного поля выходят приблизительно из центра Земли через южное полушарие (т. е. в южном полушарии находится северный геомагнитный полюс, а в северном - южный), а затем, обогнув Землю, вновь направляются к центру через северное полушарие.

А.П. Дубров (1974) одним из первых обратил внимание на роль геомагнитных пульсаций в процессах жизнедеятельности. Геомагнитные пульсации - электромагнитные волны очень низкой частоты, отмечаемые на поверхности Земли, их еще называют короткопериодные колебания (КПК). Считается, что они возникают за счет взаимодействия плазмы гидромагнитных волн, идущих от Солнца, с магнитосферой Земли, а разделяются на два класса - регулярные (Рс) и нерегулярные (Рс-). Для регулярных колебаний характерны периоды от 0,2 до 600 с. Нерегулярные делятся на две группы с перио-

дами 1-40 и 40-150 с. В течение суток длительность КПК изменяется от минут до нескольких часов, а амплитуда - от десятых долей гаммы до десятков гамм. Установлено, что в отдельных случаях вертикальная составляющая электрического поля КПК достигает величин порядка долей и даже десятков вольт на метр (Чернышев, 1972).

Иными словами, ГМП по многим параметрам является колебательной системой, в которой в ряде случаев отмечается ярко выраженная периодичность. Набор таких признаков указывает на высокую неравновесность системы в целом, осложненной флуктуациями более низких порядков.

Наличие зон глубинных разломов является одной из характерных черт литосферы. В активный период своего существования зоны глубинных разломов служат активными флюидопро-водниками и в зависимости от глубины проникновения в литосферу характеризуются различным составом флюидов, которые по сути дела представляют собой высокотемпературный электролит. Между нижними уровнями проникновения разломов в литосферу и поверхностью Земли существуют градиенты Т (до 1000 °С) и Р (до 46-50 кбар), которые и являются движущей силой переноса флюидов по вектору Р и Г (рис. 2.3). Поскольку зоны глубинных разломов возникают под действием тектонических сил, то в области пластических деформаций, осложненных химическими реакциями, схема энергетических переходов такова: работа —> теплота —> коротковолновое излучение. В области хрупких деформа-

Рис. 2.3. Типизация зон глубинных разломов на глубине заложения. А — астеносфера; V - мантийная литосфера + земная кора, пунктиром обозначены зоны глубинных разломов.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ций, где широко проявлены трещинообразо-вание и дробление пород, выделяется значительная электрическая энергия, которая обусловливает газовые разряды, возрастание поверхностной проводимости и эмиссию электронов.

В результате многолетнего изучения зон глубинных разломов, проникающих в недра Земли надесятки и первые сотни километров, установлено, что некоторые из них являются генераторами потоков ионизированных частиц и низкочастотного электромагнитного излучения. Поскольку такие разломы формируются при высоких Т и Р, то при явлениях дифференциации вещества слагающие их породы приобретают тонкополосчатую структуру чередования токопроводящих слойков, сложенных минералами Fe-Ti-Mg-Mn, и слойков диэлектриков, сложенных минералами БьАЬК-Ыа. В итоге в земной коре возникают гигантские по размерам флюидизированные конденсаторы шириной от нескольких до 10-15 км и протяженностью до нескольких сот километров. Все такие разломы разделяются на пассивные (в которых глубинный перенос флюидов прекратился), активные и структуры периодического действия. Над разломами фиксируются проникающие высоко в атмосферу потоки ионизированных частиц, электромагнитные низкочастотные излучения, газовые эманации и инфраволны. Мощность этих линейных полей бывает настолько велика, что в относительно спокойном атмосферном режиме они экранируют прохождение кучевых облаков и над ними происходит размывание покрова сплошных облачных масс (Памир, Тянь-Шань, Восточная Сибирь, Казахстан), хорошо наблюдаемое на космических снимках. Имеются факты, когда подобные надразломные системы экранировали прохождение обратного сигнала локаторных станций (Алтай) (рис. 2.4). Иными словами, это зоны интенсивного энергопереноса по вектору градиентов из глубин планеты к ее поверхности, когда в определенных ситуациях (низкая турбулентность атмосферы) суммарный энергоперенос продолжается над зоной разлома и в атмосфере. Возможно, что в случаях повышения солнечной активности и значительного роста энергетического потенциала ионосферы происходят "короткие замыкания" между полем, генерируемым зоной разлома, и ионосферой.

В плане выявления связей геологических и ионосферных полей следует выделить работы А.Н. Дмитриева (1987). На обширных площадях азиатской части России с 21 по 23 октября 1981 г. сетью метеостанций, геофизических и астрономических пунктов и отдельными наблюдениями было зафиксировано свечение неба, которое описывалось как "полярное сияние". А.Н. Дмитриевым после обработки большого статистического материала было установлено, что в распределении сияний основное участие принимали крупные разломы. Атмосферные сияния по времени совпали с сильнейшими возмущениями магнитного поля, максимальная "буря" октября 1981 г. приходится на дни регионально регистрированного свечения неба. При этом наибольшие возмущения отмечались северными станциями. Максимальные сияния во всем временном интервале геомагнитного возмущения оказались приуроченными к геологическим структурам Горного Алтая, где в качестве наиболее ярко выраженного феномена выступала осевая часть Теректинского хребта, над которым на протяжении около 300 км многочисленные наблюдатели отмечали наиболее яркое свечение (Дмитриев, 1987). Поскольку излучения световой и электромагнитной энергии над разломами были вызваны космическими причинами, А.Н. Дмитриев справедливо назвал их "терра-космически-ми".

Большой вклад в изучение ионосфер-но-земных связей был сделан в ходе дальнейших исследований на алтайском полигоне. А.В. Шитов (1999), проводя исследования, установил, что природные самосветящиеся образования (ПСО) являются результатом процессов в литосфере и указывают на возможность вертикальных энерго- и массопе-ретоков от поверхности Земли; решающая роль в реализации этого механизма принадлежит зонам активных разломов. Был обнаружен особый тип локальных геомагнитных аномалий в местах активизации ПСО, установлены аномальные характеристики геофизических полей, что непосредственно влияет на электромагнитную связь и радиотехнические и навигационные системы авиации. Выявлено отрицательное влияние ПСО на здоровье человека. На основании сопоставления многочисленных факторов был сделан вывод о трансформации упругих напряжений в земной коре в электромагнитное переизлу-

Рис. 2.4. Наиболее типичные ситуации проявления аномальных свойств геологическими структурами Земли: 1- размывание облачности над зонами глубинных разломов; 2 - экранирование глубинным разломом прохождения кучевых облаков (стрелкой показано направление ветра); 3 - светящиеся образования над зоной глубинного разлома; 4 - экранирование обратного сигнала радиолокационной станции над зоной глубинного разлома; 5 - резкоградиентные зоны на контактах разнородных геологических тел.

чение. Многолетние наблюдения позволили сделать вывод о связи ПСО с перепадами максимальной активности Солнца (Дмитриев, Шитов, 1998), когда возникают перетоки электромагнитного излучения от разломов по направлению к ионосфере.

Существенный вертикальный перенос энергии от поверхности Земли к ионосфере подтверждается в работах Л.И. Морозовой (1993, 1997), которая на основании спутникового мониторинга установила роль глубинных протяженных разломов в формировании линейных облачных аномалий и, наоборот, размывание облачности над разломами при региональном развитии облачности.

Относительно распространения электромагнитных волн низкой и сверхнизкой частоты, источник которых расположен внутри волновода, образованного Землей и ионосферой, следует учитывать геологическое строение приповерхностного слоя, особенности строения земной поверхности, поскольку это может приводить к канализации волн или их резонансному переизлучению, т. е. локальным эффектам усиления поля или явлениям другого типа, которые обычно упускаются при нивелировании поверхности Земли, что придает ей однородный геометрический и электрический характер (Wait, 1965; Альперт и др., 1967).

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Среди геологических тел, создающих локальные магнитные электрические и электромагнитные аномалии, необходимо выделить тела массивных сульфидных и оксидных руд, зон глубинных разломов, графитизиро-ванных и пиритизированных сланцев и т. д. Подобные взаимодействия отвечают ситуации перетока энергии между двумя энергоактивными зонами: астеносферой в недрах Земли и ионосферой, окружающей планету. Поскольку перенос энергии осуществляется по вектору градиентов, то следует полагать, что по причине более высокого энергетического потенциала астеносферы перенос энергии над зонами разломов в приземном слое атмосферы должен быть направлен вверх от поверхности Земли. Это пример генерации линейных полей за счет самопроизвольного процесса взаимодействия через зоны глубинных разломов природных энергонасыщенных систем, активность которых, с одной стороны, зависит от состояния Солнца и его воздействия на ионосферу, а с другой - от активности глубинных зон Земли, в частности астеносферы.

Особый интерес представляют ситуации формирования высокоградиентных зон на границах геологических тел, отличающихся по плот-ностным и другим параметрам. Так, на контакте массива, сложенного тяжелыми глубинными породами (перидотитами или дунитами) плотностью 3,1-3,2 г/см3 и окруженного легкими осадочными породами плотностью 2,2-2,4 г/см3, по линии контакта образуется стационарная градиентная зона. В этой зоне на расстоянии в несколько сот метров или первых километров (в зависимости от положения линии контакта) постоянно существует перепад гравитационных, магнитных и электромагнитных параметров (см. рис. 2.4). Возникает колебательная система с часовыми, суточными и более длительными периодами смены многих геофизических параметров. В любом случае такой режим резкой смены параметров состояния среды негативно сказывается на самочувствии людей. В еще большей мере это проявляется при глобальных возмущениях планетарных полей, во взаимодействии с которыми функционируют данные структуры. В равной мере все сказанное выше относится к тектоническим границам геологических блоков, сложенных отличавшимися по составу и свойствам горными породами.

ТЕХНОГЕННЫЕ ПОЛЯ

До стадии развития так называемой "техногенной цивилизации", а именно до начала XX в.,

на планете Земля наряду с глобальным геомагнитным полем существовали природные источники, аномальные по отношению к естественному фону в части генерации полей различной природы: геологические тела, прежде всего зоны глубинных разломов; ионосферные явления, связанные с деятельностью Солнца; другие явления планетарного характера, - и человек в ходе эволюции приспособился к этим полям.

А.Г. Колесник и С.А. Колесник (1996) создали математическую модель, которая позволила получить пространственно-временное распределение плотности энергии в КВ-радиодиапа-зоне в околоземном пространстве до высоты 1000 км. Произведена оценка уровня электромагнитного загрязнения окружающей среды, создаваемого мировой сетью КВ-радио-станций, в зависимости от уровня солнечной активности, сезона года, ши- . роты и долготы места. Поскольку за последние десятилетия уровень электромагнитного фона антропогенного происхождения на несколько порядков превысил соответствующий уровень естественного происхождения (Электромагнитные поля..., 1984), то с рассматриваемых нами синергети-ческих позиций влияние этого фактора на жизнедеятельность человека следует рассматривать как возможный скачок с неизвестными последствиями (Колесник А.Г., Колесник А.С., 1996), когда мощность только радиовещательных станций на земной поверхности составляет несколько сот мегаватт. Судя по расчетам, распределение плотности потока радиоизлучения в диапазоне частот 5-25 МГцназемномшарекрайненеоднородно ивза-висимости от местоположения может изменяться на несколько порядков величины. Наибольшие значения потока радиоизлучения свойственны европейской части, далее следуют американская и азиатская части земной поверхности; при этом общее превышение уровня электромагнитного загрязнения в северном полушарии на 2-3 порядка выше величины плотности потока в южном. Весьма интересным является заключение о том, что с увеличением солнечной активности весь диапазон частот5-25 МГц оказывается экранированным ионосферой и при этом в космическое пространство энергия наземных источников практически не просачивается. Но при низкой солнечной активности просачивание оказывается существенным, а плотность уходящей энергии оказывается сравнимой с плотностью энергии у поверхности Земли (Колесник А.Г., Колесник С.А., 1996). Этот вывод заслуживает особого внимания и может иметь в будущем

далеко идущие последствия. Дело в том, что Солнечная система сформировалась более 4 млрд лет тому назад и в ее структуре соблюдалась одна главная особенность: Солнце являлось источником электромагнитных колебаний (включая видимую часть ЭМ-диапазона), а планеты в этом от-ношениибылипассивны, поглощая иличастично отражая поток, идущий от Солнца. Ситуация изменилась в начале XX в., когда Земля стала источником электромагнитных излучений в радиодиапазоне. Определенная часть этой энергии просачивалась в околоземное космическое пространство и в считанные минуты достигала Солнца. Как известно, внешняя корона Солнца представляет собой ионизированную плазму, нагретую до 6100 °С, и это очень чувствительная субстанция по отношению к внешним электромагнитным воздействиям. В результате усиления техногенной генерации потоков ЭМ-излучения в космическое пространство возросло и его воздействие на корону Солнца, которая находится в неустойчивом метастабильном состоянии. Печальным итогом такого воздействия могут стать изменение 11-летнего цикла солнечной активности, плохо прогнозируемые стохастические вспышки в короне Солнца, а в силу проявления

Характеристика

обратных связей и в более глубоких горизонтах Солнца.

В мега- и технополисах особую опасность представляют мощные источники ЭМИ постоянного действия, особенно теле- и радиопередающие центры. Например, в Москве в районе Останкинской телебашни предельно допустимый уровень ЭМИ в диапазоне 30-300 МГц превышен в несколько раз, иногда в 10-15, хотя по существующим инструкциям ПДУ не должен превышать 2 В/м; в удалении от телебашни в городе он не превышает 0,1 В/м (Савин, 1997). Если же в такой экстремальной ситуации проявится еще какой-нибудь негативный фактор из сферы внешнего воздействия, то в совокупности это может привести к кумулятивному действию, особенно опасному для маленьких детей.

Характеристика электромагнитных волн (табл. 2.2) позволяет оценить их взаиморасположение относительно друг друга. Сверхвысокими частотами (СВЧ) является область, в которой колебания / >30 МГц, и в зависимости от длины волны в диапазоне СВЧ выделяются дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны, которые представляют наибольшую опасность для здоровья человека.

Табл. 2.2.

[тных волн

Вид Частота, Гц Длина волны, м

Длинные Радиоволны Инфракрасные Световые Ультрафиолетовые Рентгеновские Гамма Космические 1-104 104 -310 3-1010-4-1014 4-1014-7,5-1014 7,5-1014-7,5-1016 7,5-1016-2-1019 2 -1019-1021 1021 и выше 3-108-3 -104 3-104 -10-2 10-2-7,5 -10"7 7.5 -7 -4-10"7 4 -10"7-4-10"9 4-10"9-1,5 -10 -11 1,5 -10-11-3-10-13 3 -10"14 и меньше

Табл. 2.3.

Предельно допустимые величины электромагнитной энергии на территории жилой застройки

Диапазон радиоволн Границы диапазона Предельно допустимая величина

Длинные Средние Короткие УКВ СВЧ (круглосуточное облучение) 30-300 Гц 0,3-3,0 МГц (1-0,1 км) 3-30 МГц (100-10 м) 30-300 МГц (10-1 м) 0,3-30 ГГц (1 м - 1 мм) 10 Вт/м2 10 Вт/м2 4 Вт/м2 2 Вт/м2 5 мкВт/см2

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В табл. 2.3 приведены предельно допустимые уровни напряженности электромагнитных полей и санитарно-защитные зоны для разных видов ЭМИ. Кроме того, надо иметь в виду, что в помещениях при стечении неблагоприятных обстоятельств возможно фокусирование ЭМИ и их кумулятивное действие, особенно опасное в сочета-ниисшумовымииинфраволно-выми воздействиями.

Возрастание мощности глобального электромагнитного поля в резонаторе создает предпосылки к проявлению синергетических явлений. Я.Р. Уайт (Wait, 1965) пришел к выводу, что внутри волновода, образованного Землей и ионосферой, распространение электромагнитных волн низкой и сверхнизкой частоты под воздействием геологических структур и структур земной поверхности, а также техногенных сред может приводить к канализации волн или их резонансному переизлучению, т. е. локальным эффектам усиления поля или явлениям другого типа.

По данным А.Н. Дмитриева (1987), суммарная мощность Земли в радиодиапазоне превысила адекватное излучение от Солнца. Значительная часть электромагнитной энергии, излучаемой в верхнее полупространство, приходится на ионосферу, где под этим воздействием происходят локальные разогревы и формирование пространственно-временных электромагнитных структур со своими параметрами излучения.

Интенсивное развитие коммуникационных систем на базе радиоэлектроники - радиосвязь, радиовещание, телевидение, радиолокация и т. д. -обусловило стремительное возрастание плотности электромагнитной энергии и расширение частотного диапазона непосредственно в околоземном пространстве - среде обитания человека.

Мощность радиовещательных станций только коротковолнового диапазона (1-30 МГц) за последние два десятилетия возросла почти в 2 раза и составляет более 150 МВт. Суммарная напряженность электромагнитных полей в радиодиапазоне на несколько порядков величины превышает напряженность аналогичных полей естественного происхождения; особенно возрастает напряженность электромагнитных полей в мегаполисах и технополисах, где размещены достаточно мощные радио- и телепередающие устройства, что в комбинации с маломощными, но многочисленными радиопередатчиками (включая сотовую связь) создает локальные

электромагнитные аномалии с высокой напряженностью электромагнитного поля.

Развитие электромагнитных систем в XX в. характеризуется все возрастающей закачкой энергии в полость между земной поверхностью и ионосферой (~ 50 км), которая представляет резонатор, где наряду с резонансным усилением поля естественных атмосферных помех в волноводе Земля - ионосфера в диапазоне 10,6-41,1 Гц (шумановские резонансы) в последнее время фиксируются резонансные электромагнитные системы техногенного происхождения.

Вдоль высоковольтных линий происходит утечка электроэнергии не только в Землю, но и в воздушное пространство. В диапазоне акустических электромагнитных полей токи промышленной частоты (50-60 Гц) генерируют низкочастотные электромагнитные волны. Вдоль линий ЛЭП напряженность поля при особых погодных и геомагнитных режимах достигает нескольких десятков тысяч вольт на метр.

Современный крупный город, особенно с развитой промышленностью, базируется на использовании электроэнергии. Обязательным элементом любых электроустановок, вплоть до трамвайных и троллейбусных линий, является заземление токонесущих проводников, моторов и генераторов. В итоге в ареалах городов происходит закачка в землю громадного количества электрической энергии, которая в первую очередь подпитывает зоны флюидизированных глубинных разломов в пределах мегаполиса или технополиса. Таким образом, происходит техногенная закачка электрической энергии в зоны глубинных разломов, и в силу этого эффекта в пределах ме-га- и технополисов энергоемкость таких зон увеличивается многократно. Соответственно возрастают мощность и спектр генерируемых такой зоной электромагнитных излучений и инфраволн.

По данным А.Д. Жигалина с соавторами (1984), вблизи трамвайных линий напряженность электрического поля блуждающих токов в 5 раз превышает фон, а вблизи заземлений станций катодной защиты - в 15 раз. При этом размеры электрических полей в геологической среде варьируют от сотен метров до десятков километров.

В.В. Адушкин и А.А. Спивак (1995) по результатам режимных наблюдений установили, что электрическое поле в условиях мегапо-

лиса заметно выше, чем за его пределами. В Москве зафиксированы, кроме того, участки, характеризующиеся непродолжительными во времени (5-10 мин), но часто повторяющимися (до 3 раз в час) высокочастотными техногенными возмущениями электрического поля значительной амплитуды - в 5-10 раз превышающей фоновые значения. Этот факт, скорее всего, указывает на то, что в техногенном электрическом поле периодически возникают самостоятельные пространственно-временные электрические структуры, генерирующие собственное излучение. Если говорить о инфразву-ковой обстановке в пределах мегаполиса, то источником инфразвука могут быть потоки тяжелогруженого автотранспорта, железнодорожные перевозки, которые генерируют, например в некоторых местах Москвы, мощные потоки инфраволн, в 15-60 раз превышающие фоновые, и в экстремальных случаях в диапазоне 0,5-20 Гц амплитуда периодически достигает 3 Па.

К сожалению, для построения синергетичес-ких моделей, в которых были бы учтены все виды возмущений - электрических, электромагнитных и ин-фраполей, еще мало исходных данных, и это задача ближайшего будущего.

Техногенное воздействие на ионосферу и тропосферу происходит главным образом за счет генерируемых излучений, в основном радиолокации и радиосвязи. Кроме того, возрастает и роль бытовой техники в закачке электромагнитной энергии в околоземное пространство.

Особую опасность представляет пространственная близость техногенных источников электромагнитных излучений и зон глубинных разломов, подпитываемых электрической энергией в пределах городов. В таких случаях взаимодействие полей этих двух источников может привести к возникновению самостоятельных пространственно-временных структур, генерирующих собственные поля с другими частотными характеристиками (рис. 2.5).

Ранее было установлено, что столь же негативное воздействие в загрязненном городском воздухе приобретает градиент потенциала электрического поля, поскольку загрязнение атмосферы оказывает значительное влияние на ее разделение и перенос электрических зарядов. Следствием этого являются снижение проводимости атмосферы в приземном слое и увеличение вертикальной составляющей напряженности электрического поля Е (Махоткин, 1963; Адушкин, Спивак, 1995; и др.). Судя по этим данным и результа-

А А А А А А А

Рис. 2.5. Взаимодействие земных, ионосферных и техногенных систем: А - астеносфера; Л - литосфера; И - ионосфера. Тонким крапом обозначены протяженные "облака" атмосферного электричества. 1 - взаимодействие в системе "разлом - ионосфера"; 2 - взаимодействие в системе "разлом - мегаполис (М) - ионосфера"; 3 - взаимодействие в системе "разлом - радиотрансля-тор(РТ)- телетранслятор(ТВ)".

там изложенного ранее, именно увеличение вертикальной составляющей напряженности электрического поля в пределах мегаполисов наиболее негативно воздействует на человека, особенно в условиях многоэтажной застройки.

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ЧЕЛОВЕКА И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Человеческое тело генерирует акустические, электрические, магнитные и электромагнитные поля, которые взаимодействуют с внешними полями различной природы.

Говоря об электромагнитных волнах, не следует забывать, что, согласно Максвеллу, всякое переменное электрическое поле порождает магнитное и точно так же всякое переменное магнитное поле порождает электрическое, когда объемная плотность энергии электромагнитного поля слагается из объемных плотностей энергии электрического и магнитного полей. Но в технике и в природных условиях есть системы с преобладанием электрической или магнитной компоненты, и степень их воздействия на биологические объекты различна.

Как известно, поток солнечной радиации кроме видимого света включает другие электромагнитные колебания. И сам свет, разлагаясь на отдельные спектральные составляю-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

щие, по-разному влияет на биологические объекты. Известно, что в разные периоды 11-летнего цикла Солнце изменяет интенсивность и компонентный состав солнечной радиации. Солнечная постоянная равна 1350 Вт/м2 на границе земной атмосферы, и в зависимости от высоты стояния Солнца над горизонтом атмосфера поглощает часть этой энергии. В магнитных ситуациях эта величина снижается в 30 раз, что, естественно, приводит к снижению потока солнечной радиации. Но особенно важно то, что при этом происходит изменение спектрального состава солнечного потока. И если на границе атмосферы его максимум соответствует длине волны 470 нм, то у поверхности Земли он расположен около 555 нм (Ремизов и др., 2003). Если связать изменение спектра солнечного излучения с вариациями его у поверхности Земли и учесть, что растения и другие биологические объекты избирательно реагируют на эти изменения, то очевидна постановка вопроса о влиянии этих факторов на различные биологические объекты, в том числе на человека, особенно в плане влияния солнечной радиации на человеческую кожу. И когда в спектре солнечного излучения начинает преобладать, например, инфракрасная компонента с длиной волн от 4 до 50 мкм, то при прочих равных условиях это приведет к снижению теплопо-терь с поверхности человеческого тела, которые доминируют именно в инфракрасном диапазоне. Если учесть, что инфракрасное излучение занимает область между красной границей видимого света (к = 0,76 мм) и коротковолновым радиоизлучением (к= 1-2 мм) с разделением на близкую (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и дальнюю (50-2000 мкм), то очевидно, что изменение интенсивности электромагнитного излучения как слева, так и справа отразится и на инфракрасном излучении. Отсюда становится понятно, почему в разные годы растения при прочих равных условиях развиваются и плодоносят по-разному; как сокрушенно говорят хозяйки, "нынче неогурцовый год", хотя лето ничем не отличается от предыдущего.

При изучении влияния внешних физических полей на человека следует помнить, что физиологи базируют свои исследования на наличии трех биоритмов у человека: физического -23 дня, эмоционального - 28 и интеллектуального - 33, т. е. при тестировании человека относительно воздействия внешних полей необходимо учитывать биоритмы, которые влияют на его состоя-

ние. Установлено, что все биоритмы совпадают по фазе через 21 252 дня. На этот интервал времени приходится 79,6 % обычных и 20,4 % критических дней (Лапко, Поликарпов, 1999).

Поскольку для инфразвука характерны частоты < 20 Гц, то сюда укладываются частоты собственных колебаний тела человека в положении лежа (3-4 Гц), стоя (5-12 Гц), колебаний грудной клетки (5-8 Гц), брюшной полости (3—4 Гц) и т. д. (Ремизов и др., 2003). Учитывая многообразие источников инфразвука (естественных и технических) и способность его распространяться на значительные расстояния, следует признать, что и в природных условиях, и в мега- и технополисах человек подвергается воздействию инфраволн. Наблюдения показывают, что усталость, раздражительность, головную боль и особенно сонливость вызывают потоки инфраволн, идущих впереди быстро продвигающихся циклонов и других атмосферных фронтов. Особенно сильно это воздействие проявляется в горах.

В человеческом организме на границах сред с разными коэффициентами поглощения электромагнитных волн, например на границе тканей с высоким и низким содержанием воды, могут возникать стоячие волны, обусловливая местный нагрев и даже перегрев тканей (Ремизов и др., 2003).

Исследования Ю.А. Холодова (1966, 1975, 1978, 1982) по влиянию электромагнитных полей на биологические объекты во многом расширили наши представления о роли такого воздействия в том числе и на человека. Он подчеркивает, что приоритеты в изучении влияния на биологические объекты спектра волн радиоволнового диапазона уступают место исследованиям по изучению влияния, оказываемого низкочастотными ЭМП промышленных частот (50-60 Гц). Но наиболее значимые эффекты наблюдаются при воздействиях ЭМП с частотами, близкими к естественным ЭМП, вызванных кос-мо-геофизическими источниками (рис. 2.6), хотя кроме частотных характеристик большое значение имеет интенсивность ЭМП (Холодов, 1978).

А.П. Дубров (1974), изучая суточную динамику корневых выделений различных растений и сопоставляя эту динамику с колебаниями магнитного поля, установил, что именно магнитное поле играет роль внешнего синхронизатора.

Большое значение имеет понимание того, что человеческий организм не только синергети-чен и многофункционален по своей природе, но и работает в 24-часовом биологическом режиме.

Рис. 2.6. Фазовая координация месячных ритмов иммунологических и гелиофизических показателей с 12 марта по 12 апреля 1984 г.: 1 - концентрация лейкоцитов; 2 - концентрация ней-трофилов, 3 - концентрация лимфоцитов; 4 - активность комплемента; 5 - числа Вольфа; 6 — радиоизлучение Солнца на волне 3000 МГц; 7 — Ак-индекс; 8 — радиоизлучение Солнца на волне 204 МГц (Чиркова и др., 1987).

Именно нервная регуляция порождает опосредованные связи второго и третьего порядка, то же самое можно говорить и об обратных связях (Поттер, Орфали, 1997). Состояние гомеостаза человека покоится на "трех китах": центральной нервной системе, вегетативной нервной системе и метаболизме. Поэтому при проведении медицинского мониторинга внешних воздействий необходимо комплексное изучение наиболее информативных признаков, позволяющих оценить отклонение их от средних значений, которые иногда считаются "нормой".

"Ученые сегодня приходят к заключению, что здоровье - это тонкий баланс между хаосом и порядком. Для нормального функционирования практически всех систем жизнедеятельности человека характерен некоторый промежуточный режим между хаосом и порядком, режим детерминированного хаоса" (Горбачев, 2003, с. 68).

Человек является резонансной системой, когда синхронизация и десин-хронизация работы отдельных органов могут происходить под воздействием внешних сравнительно слабых сигналов. Совершенно не изучена область автосинхронизации внутренних органов человека, когда усиление электромагнитного поля или частотных характеристик какого-то внутреннего органа оказывает влияние на другой орган, ранее работавший в резонансе, а теперь вышедший в режим десинхронизации. Как следует из опубликованных данных, слабые поля, резонансные к ряду

ритмов организмов, в частности на частотах 7 и 12 Гц, могут оказывать существенное влияние на весь человеческий организм (Горбачев, 2003).

Как известно, кровь характеризуется электропроводностью, и составляющие ее частицы обладают магнитными моментами (Горбачев, 2003). В этом плане встает вопрос: в какой мере кровь разного состава реагирует на изменение внешних физических полей? Отсюда же возникает второй вопрос: как меняется соотношение эритроцитов (гемоглобин и концентрация СО2), лейкоцитов (иммунитет и защитные свойства организма от чужеродных элементов), тромбоцитов (реологические свойства крови и способность к свертыванию)? Практика последних десятилетий свидетельствует о том, что дети, родившиеся и выросшие в мегаполисах, имеют ослабленную иммунную систему (по определению врачей Москвы, это так называемые "дети центра"), из чего следует, что в ходе постоянного воздействия электромагнитных полей разной природы в первую очередь страдают лейкоциты.

Внутренние органы человека генерируют электромагнитные волны разной частоты, в том числе радиодиапазона. Предполагается, что сердце представляет собой поляризационный генератор СВЧ-волн (Горбачев, 2003), высокочастотные колебания распространяются по кровеносным сосудам как по диэлектрическим волноводам. Эти поля могут выходить за стенки кровеносного волновода. Свои поля имеет и лимфатическая подкожная система, в таком качестве она регулирует биопотенциал на поверхности кожи. Все перечисленные поля особенно четко фиксируются методами электроакупунктуры в особых биологически активных точках, давно известных в тибетской и китайской медицинах. Исходя из строения человеческого тела и разделения функций мозга между правым и левым полушариями, ряд заболеваний рассматривают как нарушение энергообмена между левой и правой половинами, и лечение проводится путем выравнивания электрического потенциа-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ла между соответствующими точками человеческого тела.

Особый интерес представляют точки, чувствительные и к другим внешним воздействиям, например к инфразвуку. Как известно, инфразвук характеризуется частотами < 20 Гц, но может и сопровождаться шумом, который воспринимает человеческое ухо. Поскольку инфразвук слабо поглощается разными сферами и поэтому способен распространяться на большие расстояния, характеризуясь большей длиной волны, чем воспринимаемый человеческим ухом шум, он способен фокусироваться, дифрагировать и проникать в помещения. Предполагается, что негативные воздействия инфразвука на человека имеют резонансную природу, и спектр неблагоприятных симптомов во многом определяется индивидуальными особенностями и функциональным состоянием организма. Наиболее характерными проявлениями воздействия инфразвука можно считать недомогание, общую слабость, усталость, сонливость, раздражительность, головную боль, спазм сосудов, нарушение сердечного ритма и десинхронизацию работы внутренних органов человека. При этом резонансные явления в организме наиболее негативны, когда амплитуда вызванных внешним воздействием колебаний неограниченно возрастает при совпадении их с частотой собственных колебаний отдельных органов или всего организма в целом. В основе этого эффекта лежит механизм энергетического вампиризма у людей.

Частоты собственных колебаний тела человека в положении лежа -3-4 Гц, стоя -5-12 Гц, собственных колебаний грудной клетки - 5-8 Гц, брюшной полости 3-4- Гц, что соответствует частоте инфразвуковых колебаний (Ремизов и др., 2003). Инфракрасное (ИК) тепловое излучение для всей поверхности кожи -100 Вт, а кора головного мозга излучает ИК-волны 3-14 мкм при интенсивности 10 мВт/см2.

В дециметровом диапазоне радиотепловое излучение внутренних органов человека является результатом комбинирования электромагнитного излучения с тепловыми полями и хорошим диагностическим методом определения состояния внутренних органов. В инструментальной физикодиагнос-тике применяются и другие комбинации методов: в диапазоне 0,15-0,20 ГГц возможны генерация акустоэлектрических волн, низкочастот-

ных акустических сигналов (акустические фотоны и ультразвук), оптическая хемилю-ми-несценция - разрешение ~ 1000 фотонов с 1 см2 и т. д. (Горбачев, 2003).

Согласно Ю.А. Холодову (1966), биология рассматривает около 14 порядков индукции магнитного поля. Самая главная проблема - взаимодействие внешних магнитных и электромагнитных полей с внутренними полями, генерируемыми самими органами. Внешние электромагнитные поля биологической природы фиксируются в инфранизко-частотном и низкочастотном диапазонах. Их источники: а) электрические и магнитные поля, генерируемые отдельными органами, мышцами, сердцем, мозгом, нервами - амплитуда их магнитной составляющей достигает 10—7-10—3 нТ; б) поля поверхностных электрических зарядов на теле человека, животных, птиц или насекомых - амплитуда до сотен и тысяч милливольт; в) электромагнитные поля, обусловленные динамикой электрофизических свойств биотканей, достигают сотен милливольт.

Величина переменного магнитного поля сердца составляет 1О"7-1О"8 Гс, головы — 10-9 Гс. Для головы человека определяющим является альфа-ритм с электрическими колебаниями в интервале 8-12 Гц, когда магнитосиловые линии направлены с левой половины к правой (Дубров, 1974). Поскольку интервал частот 7-12 Гц соответствует частоте электрической активности альфа-ритма 0,029-0,031 Гц сверхмедленных колебаний потенциалов головного мозга, то уже из этого факта очевиден диапазон частот, воздействующих на мозг человека. Синергетическая картина кооперативного воздействия различных электромагнитных полей на биологические объекты сложна и неоднозначна. И если, как справедливо подчеркивает А.П. Дубров (1974), ГМП является глобальной и единой пространственно-временной координатой для живых организмов, то возникающие дискретно пространственно-временные диссипативные структуры - генераторы электромагнитных волн и физических полей, импульсы ЭМГ энергии, синхронные автоколебания, квазистохастические волны и дискретные автономные источники импульсной активности могут эмерджентно усиливать или, наоборот, ослаблять воздействие друг друга. В силу этого обстоятельства сочетание слабых электромагнитных полей и их кооперативное воздействие наряду с воздействи-

ем других факторов может иметь в некоторых случаях не только отрицательный эффект для живых организмов, но и положительный. Этот вопрос до сих пор не изучен.

В науке о человеке утвердилось мнение об организме как мультиосцил-ляторной системе, функционирующей в режиме суточных, сезонных и других ритмов, имеющих различную и периодическую характеристики.

Исследования Н.А. Темурьянц с соавторами (1992) показали, что изменение солнечной активности сказывается на функциональном состоянии организма, выступая в роли принудительного синхронизатора биологических ритмов. По данным Ю.А. Холодова (1966), из всех систем человеческого организма первой на магнитные поля реагирует нервная система и особенно кора головного мозга.

Заслуживает внимания экспериментально установленный факт, когда на основании более чем 24 000 измерений пульса у практически здоровых людей в возрасте 20-40 лет была обнаружена корреляция между частотой сердечного ритма и изменением элементов ГМП. Примечательно, что влияние ГМП на ритм сердечной деятельности в значительной мере обусловлено изменением направления вектора поля в вертикальной плоскости наклонения (подчеркнуто нами), а не величиной общей напряженности поля (Кайбышев, 1978). Вероятно, в этом явлении и отражается степень взаимодействия между теллурическими, тропосферными и ионосферными полями, что и определяет в итоге воздействие на биополе человека и выведение его из гомеостаза. Суть этого эффекта заключается в том, что силовые линии естественного магнитного поля распространяются субгоризонтально, а в аномальных ситуациях линии магнитного и электромагнитного полей занимают иное (вплоть до вертикального) положение, что "непривычно" для человеческого организма.

Томскими радиофизиками (Колесник А.Г., Колесник С.А., 1996) установлено, что в диапазоне частот от 1 до 40 Гц спектр низкочастотного электромагнитного излучения совпадает со спектром частот биоритмов человека или близок к нему.

Весьма интересной представляется проблема восприимчивости человека к слабым магнитным полям в пределах 3-5 % величины ГМП в зависимости от общей суммарной напряженности техногенного магнитного поля.

Судя по экспериментальным данным, в городских условиях человек реагирует на воздействие магнитного поля с частотой 0,01-5 Гц и напряженностью 1000-2000 гамм. В сельской местности при снижении уровня помех до 10 гамм человек реагирует на колебания искусственного магнитного поля напряженностью 200 гамм. Очевидно, что магнитные и электромагнитные "шумы" заглушают или экранируют воздействие отдельного магнитного поля, и эта проблема взаимного ослабления или усиления (вплоть до резонанса) различных магнитных и электромагнитных полей еще требует своего решения.

Судя по данным В.В. Адушкина и А.А. Спивака (1995), инфразвуковые возмущения с частотой 6-8 Гц оказывают в высшей степени негативное влияние на эмоциональное и психическое состояние человека. Особенно опасен звук с амплитудой 6,3 Па.

Эффект, открытый супругами Карлиан, позволил получать своеобразные отпечатки -"ауры" на фотопленке. Суть эффекта заключается в том, что если поместить биологический объект, лист растения, кисть руки и т. д. в высокочастотное электромагнитное поле высокой напряженности, то на фотопленке фиксируются отпечатки "ауры", интенсивность которых и состояние зависят от состояния биологического объекта. Так, по мере того как лист увядает, его "аура" медленно угасает, "аура" частей человеческого тела зависит от состояния человека и изменяется во время болезни или стресса. Иными словами, такая "аура" отражает энергетический потенциал биологического объекта, а если перейти на язык термодинамики, то изменение свободной энергии по мере удаления системы от состояния гомеостаза в ту или другую сторону.

Судя по данным Г.Ф. Плеханова (1978, 1990, 1996), в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц и в интервале напряжений от долей вольт на метр или ампер на метр до 10 кВ/м или кА/м и длительности воздействия от секунд до многих месяцев среднестатическая величина ответной реакции биосистем не превышает 20-30 % от исходного состояния, что дает основание для вывода о том, что низкочастотные поля можно отнести к мягко и слабо действующим факторам. Далее следует наиболее важный вывод о том, что естественные и слабые искусственные низкочастотные электромагнитные поля обладают сигналь-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ным, регулирующим и дестабилизирующим действием на биосистемы, наиболее четко регистрируемым на организационном и субклеточном уровнях. Иными словами, воздействие в наибольшей мере отражается на информационной матрице, когда носителем информации является клетка, что подтверждает вывод о роли малых и сверхмалых доз физико-химического воздействия именно на клеточном уровне.

От представлений о разовом электромагнитном воздействии ЭМИ, связанном со вспышками на Солнце, Э.Н. Чиркова (Чиркова и др., 1987) перешла на хорошей математической основе к анализу корреляции с гелио-фи-зическими ритмами. Сначала ей была создана математическая модель выявления иерархии достоверных ритмов в динамике иммунологических показателей, и на этой основе она смогла выявить натуральные параметры месячных гелиоритмов и биоритмов иммунологических показателей в крови здоровых мужчин. На основании математической обработки исходных данных определялись параметры ритмов изменения показателей внешней среды: 1) чисел Вольфа; 2) геомагнитной возмущенности (А^-индекса); 3) радиоизлучений Солнца на волнах 3000 и 204 МГц; 4) атмосферного давления; 5) относительной влажности воздуха; 6) температуры воздуха и 7) скорости ветра (все показатели замерялись синхронно со взятием крови у испытуемых) (Чиркова и др., 1987).

Результаты проведенного исследования отражены на рис. 2.6 и в сжатом виде сводятся к следующему: "...наличие связи биоритмов иммунологических показателей крови здоровых людей с гелиоритмами оценивается не только по совпадению частот колебаний, но в еще большей степени фазовой координации био- и гелиоритмов, что подтверждает и конкретизирует известную теоретическую концепцию о глубокой связи биоритмов с ритмами изменения солнечной активности, об информационной функции естественных электромагнитных полей и, наконец, об электромагнитной природе биологических часов и клеточной дифференцировки, осуществляющей механизм резонансной связи солнечной энергии с электромагнитными полями клеток и тканей" (Чиркова и др., 1987, с. 107). Судя по сказанному, объективную картину влияния внешних полей на человеческий организм можно получить лишь проводя своеобразный

мониторинг как минимум в течение месяца с обобщением полученных данных по специальным компьютерным программам (Никитин, Новиков, 1986). Такой подход позволит в дальнейшем выявить индивидуальные особенности отдельных людей как реакцию на изменение параметров среды обитания человека с неограниченным числом показателей.

Одной из актуальных проблем синергетики является изучение слабых и сверхслабых полей и излучений в биологии и медицине. По сути дела эти исследования были стимулированы Е.Б. Бур-лаковой с сотрудниками и посвящены особенностям действия сверхмалых биологически активных веществ и физических факторов низкой интенсивности на биологические объекты (Бур-лакова, 1999а, б). Парадоксальность этих результатов заключалась в том, что в опытах по изучению влияния антиоксидантов на электрическую активность изолированного нейрона виноградной улитки максимальный эффект достигнут при концентрациях 10~15 и 10 7 моль. Аналогичные закономерности были зарегистрированы в экспериментах на животных при введении им холиномиметика аретолина (Бур-лакова, Хохлов, 1985). Эти же авторы изучали влияние сверхмалых доз (СМД) биологически активных веществ в широком диапазоне — от макромолекул, клеток, органов и тканей до животных, растительных организмов и даже популяций. Процитируем, пожалуй, главнейший вывод из всего сделанного этими исследователями: "Результаты проведенных исследований привели нас к мысли о том, что мы имеем дело не с особенностью действия одного какого-то препарата или ответа одного какого-то биологического объекта, а с некими принципиально новыми закономерностями взаимодействия биологических объектов со сверхмалыми дозами биологически активных веществ. Каждому из этих веществ может соответствовать специфическая мишень, свой механизм усиления, присущие только ему особенности метаболизма" (Бурлакова, 19996, с.

3).

Этими же авторами экспериментально доказано, что при введении в организм вещества в дозах 1О"12-Ю"13 М в клетке будет содержаться хотя бы от 1 до 10 молекул данного вещества. Исходя из этого к СМД следует отнести концентрации 10-12 М и ниже.

Данный экскурс в биохимию показывает, что в таком многофункциональном и сложном по строению человеческом организме обычные линейные зависимости теряют смысл, посколь-

ку мы сталкиваемся с сугубо нелинейными явлениями, когда отклик биологической системы на химическое воздействие не адекватен количеству введенного реагента, а закон действующих масс Вант-Гоффа перестает работать и в значительной мере теряется понятие концентрации (Бурлакова, 19996, с. 7). Не входя в сферу выяснения механизмов реализации данного эффекта, что, кстати, лежит за пределами нашей профессиональной ориентации, заметим, что применительно к биологическим объектам эти результаты имеют огромное значение, поскольку через них мы входим в область таких понятий, как "много", "мало", "доза" и т. д. В значительной мере это относится к определению вредных радиационных воздействий на биологические объекты, в том числе на человека, что приводит к несовпадению пороговых значений вразныхсправочникахиинструкцияхпо технике безопасности.

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АСПЕКТ ПРОБЛЕМЫ

Принцип бритвы Оккама (XIV в.) таков: чем ближе мы находимся к некоторой истине, тем проще оказываются основные законы, ее описывающие.

Потеря любой системой устойчивости приводит к генерации энергетических импульсов, природа которых может быть различной. В одних случаях это сейсмические волны, в других происходит генерация электромагнитных и электрических полей или выбросов электромагнитной и электрической энергии импульсного характера. По своим параметрическим характеристикам они могут перекрываться с полями, имевшими техногенную природу.

В контексте рассматриваемой проблемы особое значение приобретает вопрос о характере и степени взаимодействия ГМП с канальными полями естественной и техногенной природы и кооперативном, синергети-ческом воздействии их на человека.

Неоднократно подчеркиваемое Ю.Н. Авсюком (1996) своеобразие системы Солнце - Земля - Луна во многом предопределяло и предопределяет механизмы их взаимодействия при главенствующем влиянии Солнца (масса 2-1030 кг) по отношению к Земле (масса 61024 кг) и Луне (масса 7-1022 кг), когда Земля притягивает Луну с силой Р = 1020 Н, Солнце притягивает Землю с силой 1022 Н (Горбачев, 2003), а центр масс Солнце - Земля - Луна расположен внутри Земли на расстоянии 0,8 зем-

ного радиуса. Следует иметь в виду, что центр масс не остается на одном месте, а перемещается внутри Земного шара; влияние этого эффекта на состояние электромагнитных систем в приповерхностном слое планеты никем не изучалось и такая постановка вопроса нам не известна.

Электромагнитные бури, возникающие при взаимодействии земной ионосферы и магнитосферы с потоками разнообразных частиц (электроны, протоны, нейтроны) и электромагнитных волн различных частот, образующихся при солнечных вспышках, как известно, болезненно воспринимаются человеком, особенно детьми, людьми преклонного возраста и больными с электростимуляторами сердца, и практически все системы человеческого организма в той или иной мере реагируют на электромагнитные поля. При анализе суточных данных плотности потока радиоизлучения на поверхности Земли, создаваемого мировой сетью радиовещательных станций КВ-ди-апазона, была выявлена значимая корреляция параметров биоритмов человеческого мозга и электрокардиограммы человека с динамикой электромагнитного фона (Колесник А.Г., Колесник С.А., 1996).

Актуальность поставленной проблемы очевидна в контексте современных представлений о человеческом организме как мультиосцилляторной системе с высокой степенью взаимной согласованности внешних ритмических факторов и внутренних биологических ритмов. Очевидно, если действительно существует связь между динамикой окружающего электромагнитного поля и ритмами человеческого организма, представляющего автоколебательную систему, то изменение динамических и энергетических параметров электромагнитного поля может привести к развитию необратимых явлений десинхронизации отдельных органов и рассогласованности биоритмов человека.

Индивидуальность каждого организма, тем более в различной электромагнитной среде, проявляется в разной чувствительности и многообразии форм ответных реакций биологических объектов на малые и ультрамалые воздействия разнообразных электромагнитных систем.

Говоря о прямом воздействии ЭМИ на биологические объекты и оценке эффектов такого воздействия, подразумевают воздействие или на организм в целом или на от-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

дельные клетки. Шагом вперед, позволяющим посмотреть на данную проблему под другим углом зрения, явились исследования Е.Б. Бурлаковой с сотрудниками. Ими экспериментально было доказано, что "...действие синтетических антиоксидантов, изменяющих уровень окислительных реакций мембранных липидов, носит двоякий характер, что предположительно объясняется двумя путями воздействия на клетку - прямым и опосредованным через регуляторную структуру" плазматической мембраны (Бурлакова, Хохлов, 1985, с. 557). Иными словами, обращаясь к рассматриваемой проблеме воздействия ЭМИ на биологические объекты, мы выходим на совершенно иной качественный уровень понимания сути изучаемого явления, когда электромагнитное воздействие может и не нарушить функциональное состояние клетки, но повлиять на ее регуляторную структуру, которая во многом несет функцию передачи и накопления информации, что в свою очередь регулирует течение процессов метаболизма в настоящее время и на ближайшую перспективу. Это очень важный вывод, ибо после ЭМИ-воздействия биохимические исследования могут и не зафиксировать изменений на клеточном уровне или в работе внутренних органов, но воздействие на регуляторную систему на уровне передачи и накопления новой информации может стать той "миной замедленного действия", которая сработает позднее или даже в последующих популяциях, или, как указывают Е.Б. Бурлакова и А.П. Хохлов (1985, с. 564), "...происходит сложение двух важнейших функций клеточных мембран - регуляторной и информационной, что выражается в последовательном распространении по различным мембранам информации в ответ на действие сигнального вещества с переходом всех структур на новый метаболический уровень". Следовательно, необходимо четко представлять, что появление новых видов ЭМИ, которых не было ранее (до XX в.), прежде всего привносит в живые организмы на клеточном уровне принципиально новую информацию о состоянии окружающей среды, и эта информация кодируется на субклеточном и генном уровнях, а последствия такого массированного информационного воздействия трудно предсказуемы.

Вывод A.M. Кузина (1995) о том, чтоатом-ная радиация, в окружении которой челове-

чество живет тысячелетия, необходима для его существования, в равной мере справедлив и в отношении естественных электромагнитных полей теллурического, солнечного и космического происхождения. Как и в примере с атомной радиацией, электромагнитное воздействие, только достигнув определенного предела, начинает негативно влиять на человека и другие биологические объекты, а перейдя пороговое значение становится губительным для процессов жизнедеятельности. Сложность заключается еще и в том, что создаваемые техногенной цивилизацией электромагнитные излучения являются для него "новыми". Человеческое сообщество столкнулось с ними впервые, и о негативных последствиях от действия этого феномена можно только догадываться.

В.П. Ямскова и И.А. Ямсков (1999) развивают весьма интересную с точки зрения синергетики принципиально новую концепцию о влиянии сверхмалых доз на биологические объекты. По их представлениям, межклеточное пространство - это сложноорганизован-ный гель, включающий биополимеры в высокой концентрации и воду. В основе рассматриваемого феномена лежит эффект изменения основных процессов, обусловливающих прохождение регулярного сигнала в биологических системах. Суть новой концепции заключается в следующем: "... все живые организмы обладают единообразно устроенной системой, функция которой заключается в восприятии, считывании, распространении и уничтожении информации, постоянно поступающей извне. Производимый физико-химическими факторами в СМД биологический эффект обусловлен тем, что в основе его лежат механизмы, аналогичные механизмам, по которым в биологических системах постоянно протекают гомеостатические процессы... такая система передачи информации должна быть универсальна для любых биологических объектов и функционировать с высокой степенью надежности. Этим требованиям удовлетворяет система надмолекулярных структур микроокружения клетки" (Ямскова, Ямсков, 1999, с. 74).

На наш взгляд, такой принципиально новый подход переводит проблему о влиянии малых и сверхмалых доз воздействия на биологические объекты в принципиально иную плоскость. Действительно, если информация о внешнем воздействии является главной сиг-

нальной системой (один из управляющих параметров) в сохранении состояния гомеоста-за на разных иерархических уровнях биологического объекта, от клетки до особи в целом, то постоянное действие физико-химических параметров на уровне даже СМД может провоцировать в системе процессы, направленные на сохранение данной микро-или макросистемы в состоянии гомеостаза. Именно такой подход позволяет всякое внешнее воздействие рассматривать прежде всего как информационный импульс, за которым в данной системе может последовать значительно более сильный отклик.

Для синергетики, которая рассматривает человеческий организм как единую систему, наиболее близок физиологический подход, поскольку "физиология - наука о функциях целостного организма" (Наточин, 2004, с. 975). Современная физиология использует методы исследования из самых разнообразных областей наук для получения информации о состоянии внутренних органов человека.

Огромное число систем на Земле функционирует в колебательном режиме. В неорганическом мире это приливные явления, глобальные вариации магнитного и электрического полей, суточные упругие колебания земной коры и многое другое (Авсюк, 1996). Это относится и к биологическим объектам, для которых суточный ритм определяет все течение процессов, и колебательный режим их очевиден. Как показано многими исследователями, существование человека подчинено различным ритмам.

Необходимо выделять вынужденные колебания, возникающие в системе под действием внешней силы, когда амплитуда таких колебаний в той же мере прямо пропорциональна амплитуде вынужденной силы. Амплитуда вынужденных колебаний имеет максимальное значение при некоторой определенной частоте вынуждающей силы, называемой резонансом (Ремизов и др., 2003).

Поскольку в человеческом теле различные органы имеют собственные частоты колебаний и соответственно резонансные частоты, то отклик этих органов на внешние воздействия различен. Например, ЭМИ-частоты воздействуют на сердце и кору головного мозга и не оказывают никакого влияния на другие органы. В еще большей мере это относится к ультразвуковым воздействиям. И хотя существует мнение, что внутрен-

ние органы человека обладают достаточно высоким уровнем сопротивления таким внешним колебаниям и коэффициент затухания волн внутри человеческого тела достаточно велик (Ремизов и др., 2003), но с точки зрения синергетики даже слабые постоянные резонансные воздействия способны выводить организм из состояния гоме-остаза и приводить к негативным последствиям. Более того, поскольку внешние воздействия, вызывающие колебания, также могут иметь апери-одичный характер и изменяться по частоте и амплитуде, то такая смена в равной мере может оказать негативное воздействие на их функционирование, тем более в режиме резонанса. Иными словами, колебательные режимы, воздействующие на биологические объекты, имеют различную природу, и уже в силу этого обстоятельства распознавание природы таких воздействий имеет первостепенное значение.

Все сказанное относится и к автоколебательным системам, которые сами регулируют периодическое восполнение растраченной энергии и поэтому могут колебаться длительное время, например сердце или легкие. Источником энергии, питающим их, является кислород воздуха, в организме есть органы, регулирующие эти колебательные системы, которые по механизму обратной связи, в свою очередь, воздействуют на регулирующие органы. Доказано, что и инфраволны и ЭМИ оказывают влияние как на регулирующие органы, так и на сами колебательные системы. В плане изменчивости организмов под постоянными внешними воздействиями, или дарвиновской теории эволюции, естественно появление в ХХ-ХХ1 вв. людей, очень чувствительных к электромагнитным или инфразвуковым воздействиям техногенной природы. Прежде всего это относится к технополисам и мегаполисам, где уже начиная от рождения (если не от зачатия?) и всю жизнь организм человека подвергается мощным электромагнитным, ин-фраволновым и звуковым воздействиям, включая не только шум городского транспорта, но и сверхмощное звуковое сопровождение массовых развлекательных мероприятий. В совокупности все это оказывает негативное влияние на человека и предопределяет появление новой породы людей, гиперчувствительных к перечисленным выше воздействиям.

Значительно сложнее проблема антропогенных ЭМП, создаваемых разнообразными устройствами техносферы. Различные системы человеческого организма

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

работают в своих специфических биоритмах и по-разному реагируют на ЭМП той или иной частоты. Сложно и подчас непредсказуемо влияние электрических и особенно магнитных полей на иммунную систему, неясны генетические и другие отдаленные и опосредованные последствия воздействия ЭМП на человека. Высокая адаптационная способность человека вносит свои благоприятные коррективы. Поэтому нестационарные и особенно импульсные воздействия могут оказаться более неблагоприятны, чем квазистационарные и стационарные. Особенно сложным, а порой непредсказуемым может быть неблагоприятное совместное воздействие переменных и постоянных магнитных полей, могущих способствовать возникновению "циклотронного", или " параметрического " резонанса в аминокислотах клеточных мембран человеческого организма (Леднев, 1996). Все это крайне осложняет проблему нормирования допустимых параметров ЭМП и соответствую-щуюсертификациюпромышленной продукции, поступающей на рынок. Никак нельзя согласиться с принятой в настоящее время методикой установления "предельно допустимых уровней" (ПДУ) для каждого отдельного вида воздействия или суммирования их по тепловому эффекту. Необходимо учитывать специфику отдельных источников и объективно определять интегральный эффект от различных источников (Костенко, 1984).

Как правило, в работах, посвященных изучению эффекта воздействия электромагнитного излучения низкой интенсивности на биологические и физико-химические системы, нет единомыслия. Полученные результаты могут толковаться двояко, ибо слабые воздействия вызывают столь же незначительный отклик системы, на которую было произведено воздействие. Вместе с тем в большом числе работ отмечаются случаи значительного нарастания отклика системы при сравнительно малом монотонном воздействии, что наводит на мысль о проявлении резонансных феноменов в подобных нелинейных системах.

А.В. Карнаухов (1997) ввел понятие о дисси-пативном резонансе, который может обеспечить кооперативность эффектов поглощения электромагнитного излучения, концентрацию и накопление энергии внешнего поля в определенных структурах биологических и физико-химических систем. Иными словами, это проявление синергетического эффекта нарастания колебаний под действием внешних периодических сил за счет образования в системе структуры порядка

с квазипериодическим характером изменения некоторых параметров такой системы. Автор подчеркивает, что отличительной чертой дисси-пативного резонанса является отсутствие определенной резонансной частоты, ибо система обладает способностью "настраиваться" на произвольную внешнюю частоту. По его мнению, дис-сипатив-ный резонанс может проявляться в ДНК, РНК, белках, клетках, ядрах и мембранах, а также в коллоидных растворах.

Явления стохастического резонанса могут отмечаться совместно с таковыми диссипативного и служат примером кооперативного воздействия слабых электромагнитных полей на биологические и физико-химические системы. Такой подход к анализу явлений, связанных со слабыми электромагнитными воздействиями на биологические объекты, позволяет с принципиально новых позиций подойти к анализу феноменов, обусловленных длительным воздействием полей низкой интенсивности на биологические объекты, когда на фоне слабого воздействия в силу проявления кооперативного синергетического механизма возможны резонансные флуктуации нелинейного характера.

Реакция организма на действие малых доз облучения - это функция дозы, мощности облучения и времени, прошедшего с начала облучения (Бур-лакова, 1999). Вместе с тем остается открытым очень важный для нас вопрос - о роли длительности и постоянства воздействия какого-либо излучения на организмы. Из опыта изучения подобных зависимостей, приведенного в данной работе, следует, что длительное постоянное воздействие даже слабого излучения может отразиться на функционировании структурных микроэлементов организма вплоть до его отдельных органов. Иными словами, постоянное воздействие становится одним из факторов состояния окружающей среды и закрепляется на уровне клетки или даже генном, становясь аналогичным химическому воздействию в сверхмалых дозах.

Мы не раз подчеркивали, что при оценке негативного воздействия различных видов излучений огромную роль играет не только состояние организма, но и наследственный фактор. Эти вопросы находятся в сфере так называемой адаптационной медицины (Меерсон, 1991), которая рассматривает проблему адаптации организмов к новым, изменившимся условиям. Ф.З. Меерсон (1991) сформулировал важное понятие "структурной цены адаптации", где особое внимание уделяется не только индивидуальной устойчивости человека или животных к факторам внешней

среды, но и большой зависимости такого воздействия от наследственных факторов, когда именно генетические особенности в значительной мере определяют индивидуальную устойчивость к факторам среды - возможность или невозможность адаптации к ним.

Нервная и иммунная системы - это основные регуляторные системы организма, в работе которых много общего, поскольку они обладают памятью на внешние воздействия, которые не наследуются. Более того, установлены различные механизмы взаимодействия этих двух систем, когда в центральной нервной системе обнаружены не только зоны, влияющие на иммунную систему, но и область, работа которой контролируется иммунологическими реакциями (Гордон и др., 1982; Корнева, Шеноян, 1982; Меерсон, 1991). С позиций синергетики значимость этого факта достаточно велика, ибо позволяет выявить синер-гетические связи не только между организмом и внешними воздействиями, но и внутри организма.

Исходя из постулатов синергетики, неизбежным следствием воздействия на открытую систему извне должно быть признано ее стремление адекватно отреагировать на внешнее возмущение за счет процессов в самой системе, идущих по линии минимизации локального производства энтропии, пока система не перейдет в состояние наименьшей диссипации энергии. Иными словами, в таких системах реализуется механизм авторегуляции в той мере, в какой система обладает запасом свободной энергии, который позволит ей адекватно отреагировать на внешнее воздействие и не выйти из стационарного состояния, т. е. состояния гомеостаза. Поэтому отклик на клеточном уровне при СМД-воздействиях более вероятен, чем отклик "большой" системы в целом, поскольку требует неизмеримо меньших энергетических затрат. И в этом плане рассуждения о прямой связи мощности воздействия и величины гомеостатического сдвига в биологической системе теряют свою актуальность, ибо главный вывод из всего сказанного выше следующий: любые физико-химические воздействия на биологические объекты в малых или сверхмалых дозах в силу низкого энергетического потенциала не могут оказать непосредственного влияния на биологическую мегасистему в целом; объектом таких воздействий являются надмолекулярные клеточные и околоклеточные структуры. Мгновенный отклик системы на малые воздействия реален именно на субмолекулярном уровне.

Но поскольку длительное воздействие в малых или сверхмалых дозах ведет к накоплению новой информации, поступающей извне, то в итоге по истечении определенного времени в мегасистеме могут проявиться процессы, направленные на противодействие этому внешнему воздействию и сохранение системы в состоянии гомеостаза или направленные на перевод ее в новое стационарное состояние, в новое состояние гомеостаза. В любом случае это сопровождается потерей устойчивости всей системой, т. е. отклонением макро-биологического объекта от какого-то среднего состояния гомеостаза, на сенсорном уровне - это дискомфорт и болезненное состояние. Иными словами, любое длительное воздействие на макробиологические объекты, включая человека, может быть быстро зафиксировано на клеточном или субмолекулярном уровне, но постепенное накопление новой информации на клеточном уровне через какое-то время может привести к спонтанной перестройке всей системы, и этот процесс будет протекать в соответствии с законами нелинейной термодинамики достаточно быстро - скачком. Поэтому возможно, что отклонение состояния людей от каких-то усредненных параметров может характеризовать не болезненные явления, а "гомео-статичес-кую ломку" всей системы в целом, переход ее в новое, более устойчивое в данных условиях состояние. Понятно, что сам процесс такого перехода и его длительность - это функция многих переменных, и синергетиче-ские подходы в решении данной проблемы, встающей перед нами на пороге XXI в., могут оказаться весьма плодотворными.

Для биогеофизики важен диапазон ультранизких (УНЧ) и сверхнизких (СНЧ) частот от единиц до нескольких десятков тысяч герц, распространяющихся в приземном пространстве в области волновода, ограниченного земной поверхностью и нижней частью ионосферы. Слоисто-сферическая структура верхних частей литосферы, неоднородности рельефа, региональные электрические поля в тропосфере и ионосфере могут приводить к канализации волн или резонансному их переизлучению, что сопровождается локальными эффектами усиления или ослабления поля, дифракции и фокусирования волн или их поляризации (Альперт и др., 1967).

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Если рассматривать активный флюиди-зированный разлом как конденсатор, работающий в колебательном режиме, то с позиций синергетики функционирование системы "разлом - ионосфера" будет зависеть от активности Солнца. Ночью ввиду снижения энергетического потенциала ионосферы эта связь ослабевает, а днем возрастает, достигая максимума в середине дня.

Несмотря на недостаток данных, довольно аргументированно утверждение о проникновении электрических полей, генерируемых в ионосфере и магнитосфере, в приземные слои и, наоборот, полей, создаваемых вблизи земной поверхности, на большие высоты, не говоря уже о том, что непосредственные возмущения могут быть вызваны мощными грозовыми фронтами. В то же время однозначно установлено, что над приземным слоем зон активных геологических разломов наблюдается повышенный уровень естественного импульсного электромагнитного поля даже в условиях сейсмического покоя.

В этом плане особое значение приобретает флюидный режим зоны разлома. При восстановительном характере флюидов и трансформации химической энергии в электрическую (электромагнитную) потоки заряженных частиц и электрическое поле над разломом имеют положительный заряд. Разломы с окисленными флюидами служат носителями отрицательного заряда. Не требуется особых доказательств, что такие различия во многом определяют взаимодействие всех прочих полей с полями, генерируемыми таким разломом.

За время формирования вида Homo sapiens его представители большую часть жизни проводили под открытым небом. Человек сформировался в режиме определенной энергетической "подпитки" из космического пространства, от Солнца и от геомагнитного поля Земли. Сложилась ситуация своеобразного гомеостаза человека во взаимодействии с ЭМП различной природы.

Урбанизация жизни и изменение характера работы привели к тому, что человек значительную часть своего времени стал проводить в замкнутых пространствах, экранирующих его от естественных электромагнитных полей. Возможно, в этом и заключается проблема дискомфорта и угнетенного состояния отдельных людей, значительное время лишенных воздействия столь привычных человеку полей. Возможно, что в силу этого обстоятельства некоторые ослабленные

люди испытывают непреодолимую тягу к экранам телевизоров или дисплеям персональных компьютеров, подпитыва-ясь от них электромагнитной энергией. Эта проблема столь же актуальна, как и задача определения доз вредного воздействия ЭМП на живые организмы, в том числе и на человека, учитывая, что энергия, выделяемая в радиодиапазоне в результате деятельности человека, стала сравнимой с энергией Солнца в видимом диапазоне спектра (Горбачев, 2003).

Совокупность внешних воздействий прежде всего осуществляется в такой среде, как воздух, которым мы дышим. Как известно, в воздухе постоянно присутствуют различные органические молекулы, в том числе и болезнетворные. Более того, как показали биологические исследования (Чет-верин, Четверина, 2002; Спирин, 2004), в воздухе биологических лабораторий присутствуют различные гены и их фрагменты, и этим воздухом люди дышат. Учитывая высокую способность биологических микрообъектов реагировать на изменение состояния окружающей среды, можно полагать, что в "благоприятных" условиях насыщения воздушной среды различного вида ЭМИ и звуковыми воздействиями, особенно в насыщенном аэрозолями воздухе мега- и технополисов, могут достаточно быстро проходить мутации микроорганизмов или аномальное разрастание в массе их определенных видов. Си-нергетическое сочетание многих из этих факторов может быть особенно благоприятным для одних групп микроорганизмов и не быть таковым для других. И это одна из современных проблем синергетики среды обитания человека.

Особое значение в плане проводимого исследования приобретает проблема нелинейного воздействия на человека, когда существенно нарушается принцип суперпозиции, а именно, на первый взгляд, весьма слабые воздействия вызывают очень сильную ответную реакцию организма. По всей вероятности, суть данного эффекта лежит не в биохимической или биомолекулярной сфере, а скорее носит информационный характер, когда в "памяти" клетки на сенсорном уровне есть запись о негативном воздействии данного явления на человеческий организм.

Судя по статистике, огромное число людей, особенно в мегаполисах, подвержено стрессу. Одной из причин стресса считается урбанизация, следствием которой бывают сильные эмоциональные нагрузки, повы-

шенный ритм жизнедеятельности, нарушение сна и т. д. Стресс проявляется в трех формах: явной - психические расстройства, нарушение психореакций на окружающую среду и события; так называемой дискретной — периодическое проявление нарушений психической деятельности на фоне нереального состояния; скрытой - постоянная неосознанная тревога, чувство неуверенности, вера в мистические "чудеса" и т. д. Не исключая влияния других факторов, следует обратить самое пристальное внимание на синергетические внешние воздействия - ЭМИ и звуковой фактор, которые могут порождать стрессовые состояния. Общеизвестно влияние инфра-волн, ультразвука и монотонного шума на состояние психики. Один из авторов был свидетелем угнетенного, раздражительного состояния сотрудников экспедиции в Муго-джарах, где 10 мес в году дул ветер, но когда ветер прекращался, люди становились доброжелательнее, пропадала раздражительность. Постоянный гул автотранспорта вдоль городских магистралей в сочетании с инфразвуком является одним из факторов стресса. Раздражающий эффект сверхмощных звуковых воздействий (дискотеки и концерты поп-музыки) является общепризнанным. В этом плане остаются совершенно не изученными вопросы о том, какие именно электромагнитные излучения могут быть причиной стресса, в каких дозах, для каких типов людей, возрастных категорий, сенсорных восприятий и т. д. Или, как справедливо указывает Ю.В. На-то-чин (2004), "одна и та же болезнь, одно и то же нарушение функций внешне могут иметь неодинаковые проявления у разных пациентов -каждый болеет по-своему". В свете работ, выполненных Н.Ф. Благовещенской с соавторами (1977), стало очевидно, что под действием мощных электромагнитных или тепловых волн от земной поверхности к ионосфере в последней возникают пространственно-временные структуры, генерирующие свои ЭМИ, фиксируемые, в частности, в радиодиапазоне. Это достижение в свое время было отмечено Американским геофизическим союзом, присудившим Н. Благовещенской Большую золотую медаль. Именно после этих работ в США начались интенсивные исследования по изучению реакции ионосферы на направленные на нее высокоэнергетические кратковременные "удары", что, в частности, привело к созданию мощного исследовате-

льского комплекса на Аляске. По логике этих исследований, речь может идти о создании принципиально нового ионосферного оружия, ибо тот, кто научится формировать в ионосфере над определенными районами Земли, особенно мегаполисами, военными объектами и т. д., пространственно-временные ЭМИ-структуры с заданными диапазонами электромагнитных излучений, направленных к поверхности Земли, в итоге может управлять развитием в местах скопления людей массовых стрессов, депрессий, панических состояний и т. д. Одна из стратегических задач фундаментальных наук России -предугадать направление подобных исследований в США, разработать меры распознавания таких воздействий и противодействия им.

Общепризнанное негативное влияние инфраволн на человека и другие организмы диктует создание в пределах крупных городов, особенно мегаполисов, специальных служб по фиксации инфраволн, их силовой идентификации, особенно с выделением диапазонов, наиболее болезненных для человеческого организма.

Как подчеркивалось выше, природа ин-фраволн может быть самой различной. Одновременная фиксация микросейсм и ин-фраволн внутри Евроазиатского континента (Иркутск, Ташкент, Екатеринбург) убедительно показала, что они порождаются мощными океаническими штормами, удаленными от точек фиксации на несколько тысяч километров (Ропошагуоу е! а1., 1998), хотя следует признать, что наиболее сильное воздействие производят значительные воздушные массы (циклоны) и локальные технические источники инфраволн. Особенно болезненно восприятие нескольких видов инфраволн из разных источников с разными частотными характеристиками.

Синергетические эффекты при взаимодействии космических, техногенных и геологических полей могут обусловить различные формы генерации и распространения волн:

-пространственно-временные диссипа-тивные структуры - генераторы электромагнитных волн и физических полей;

-распространяющиеся возмущения в виде импульсов энергии; -стоячие волны; -квазистохастические волны; -дискретные автономные источники импульсной активности.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

В случае резонанса волновых характеристик этих систем с таковыми у человека (частота колебаний или длины волн) не только происходит нарушение общего состояния человека как стационарной системы, стремящейся сохранить состояние гомеостаза, но может проявиться у ослабленного организма "наркотическая" потребность в повседневной энергетической подпитке от внешнего источника.

Таким образом, с позиции самоорганизации воздействие полей на человека нужно рассматривать как один из факторов выведения его из состояния гомеостаза. Реакция человеческого организма - это стремление сохранить состояние гомеостаза, жестко запрограммированное за миллионы лет его развития. Исходя из этого следует признать, что по отношению к ГМП человек является жестко запрограммированной консервативной системой с крайне незначительным "коридором" отклонения от состояния гомеоста-за, намного меньшим, чем по отношению к другим жизненно важным параметрам, например концентрации кислорода в воздухе.

Анализ опубликованных работ по определению воздействия электромагнитных и низкочастотных колебаний (инфразвук) на человеческий организм приводит к одному убийственному выводу: все эти воздействия в различной степени влияют на кору головного мозга, высшую нервную деятельность, разрушают имунную систему человека, особенно у детей.

В результате комплекса исследований возможна постановка вопроса о квотировании ис-

точников электромагнитной энергии в пределах мега- и технополисов для тех случаев, когда суммарная напряженность электромагнитных полей различной природы и прочих низкочастотных воздействий (например инфразвука) достигает критических уровней.

Выполненный нами анализ по синергетике среды обитания человека направлен для ознакомления с данной проблемой в первую очередь тем чиновникам, которые принимают долгосрочные решения на государственном уровне, ибо незнание полученных разными группами ученых данных по этой проблеме чревато непоправимыми бедами для всего человечества.

На второй конференции ООН по окружающей среде и развитию в 1992 г. Станислав Лем сказал пророческие слова: "Необходимость выбора между цивилизацией как глобальным правлением знатоков-экспертов и цивилизацией как правлением политических лидеров, демагогически обещающих «все», а на деле не способных дать почти ничего, будет все более острой". Далее С. Лем приходит к выводу, что общая тенденция такова, что "возрастающей сложности государственных, социальных, технических, наконец, глобальных проблем сопутствует явное снижение уровня компетентности правящих элит" (Коптюг, 1992; Кондратьев, 1993). Спустя 5 лет Р. Уэлфорд заключает: "За последние несколько десятилетий почти каждая экосистема и первичная культура на Земле были повреждены, а во многих случаях полностью разрушены агрессивными человеческими существами" (ШеИоМ, 1997).