Природные и техногенные геофизические поля

Природные геофизические ноля подразделяются на гравитационное, геомагнитное, электромагнитное, электрическое, сейсмическое, радиационное и тепловое. К аномалиям геофизических полей природного происхождения человек способен приспосабливаться, но быстрые изменения оказывают отрицательное влияние на организм, например магнитные бури, связанные с изменением геомагнитного поля.

Техногенные геофизические поля, накладываясь на природные, обычно в несколько раз повышают их естественный уровень, в результате чего возникает физическое загрязнение. Выделяют электрическое (блуждающие токи, атмосферное электричество), электромагнитное, радиационное, тепловое, акустическое и вибрационное техногенные поля.

Согласно В. А. Руднику, изменение силы тяжести, уровня электромагнитного и гравитационного воздействия могут приводить к трансформации психики людей. В результате сейсмодинамической активизации возникает психогенное напряжение, снижается способность человека адекватно реагировать на внешние воздействия.

Гравитационное поле Земли, или поле силы тяжести, состоит из суммы нормального гравитационного поля и возмущенного, или аномального. Нормальное гравитационное поле связано с потенциалом сфероида. Как отмечалось выше, форма Земли представляет собой геоид, поверхность которого совпадает с поверхностью воды в океане. Превышение геоида над сфероидом пропорционально амплитудам гравитационных аномалий.

Изменяться сила тяжести может как под действием природных факторов (приливного воздействия Луны и Солнца), так и в результате техногенной деятельности (добычи полезных ископаемых, строительства крупных городов и водохранилищ).

Фоновые значения гравитационного поля изменяются в направлении от экватора (9,78 м/с²) к полюсам (9,83 м/с²), так как экваториальный и полярный радиусы Земли имеют разные величины. Гравитационные аномалии приурочены к изменению мощности и неоднородности земной коры. Наблюдаемые аномалии гравитационного поля достигают 30−10^-4 м/с² (А. Д. Жигалин).

Изменение силы тяжести в результате техногенеза влияет на развитие геологических процессов, таких как обвалы, оползни, карст, тектонические подвижки. Значительное уменьшение силы тяжести при подъеме высоко в горы или при перелете в самолете от полюсов к экватору приводит к понижению в организме содержания кальция, натрия, фосфора и воды [8 |.

Геомагнитное поле охватывает всю Землю и околоземное пространство, называемое магнитосферой. Основные источники геомагнитного поля расположены внутри Земли в жидком внешнем ядре. Источниками аномального геомагнитного поля являются горные породы, обладающие магнитными свойствами.

Магнитное поле характеризуется плотностью магнитного потока, или вектором магнитной индукции. Единица измерения магнитной индукции в системе Си — тесла (Тл), или нанотесла. 1 нТл = 10^-9 Тл. Максимальные значения индукции наблюдаются на магнитных полюсах — около 65 000 нТл, минимальные — на геомагнитном экваторе — около 35 000 нТл. Фоновое значение магнитного поля — 50 000—61 800 нТл, аномальные значения — 20 000—130 000 нТл. Резкое изменение геомагнитного поля вызывают магнитные бури, влияющие на состояние людей.

Электромагнитное поле природного происхождения (магнитотеллурическое) имеет внеземные источники и меняется в основном из-за солнечной активности. Амплитуда изменений состоит из магнитной составляющей (~1 нТл) и электрической (100—200 мВ/км при фоновом уровне 0,1−10 мВ/км).

Электромагнитные поля техногенного характера имеют различные источники: линии электропередач, станции спутниковой связи, телепередающие центры, электротранспорт, сотовые и радиотелефоны, пейджеры, компьютеры и др. При длительном воздействии на человека электромагнитного поля нарушаются центральная, сердечно-сосудистая, нервная, эндокринная и иммунная системы.

Существуют предельно допустимые уровни напряженности электромагнитного ноля, кВ/м: 0,5 — внутри жилых зданий; 1,0 — в зоне жилой застройки; 10 — вне зоны жилой застройки; 15 — в ненаселенной местности, посещаемой людьми; 20 — в труднодоступной местности.

Немалую опасность для здоровья представляет работа с компьютером, создающим вокруг себя электромагнитное поле как низкой, так и высокой частоты. У человека появляются симптомы раздражительности, нервного напряжения, стресса. Кроме того, возможны нарушения функции щитовидной железы и осложнения во время беременности. Санитарными нормами и правилами СанПиН установлены нормативы безопасности видеомониторов. К сожалению, далеко не все мониторы соответствуют предъявляемым требованиям, а защитные средства порой неэффективны.

Электрическое поле может иметь как природные (космические) источники, так и техногенные. К последним относятся промышленные предприятия, железные дороги, электробытовые приборы. Электрическое ноле характеризуется напряженностью или потенциалом; фоновое значение — 5—100 мВ.

Электрические аномалии возникают при грозовых разрядах (атмосферное электричество) и в результате геодинамических процессов (землетрясения, оползни и т. д.). При утечке электрического тока в грунт появляются поля блуждающих токов, или электрокоррозийное загрязнение. Влияние электрических полей на живые организмы еще не достаточно изучено.

Сейсмические поля, или поля упругих колебаний, возникают в результате динамических процессов, происходящих в недрах Земли (см. п. 5.2). Во время землетрясений гибнут люди, в атмосферу попадает большое количество токсичных и радиоактивных газов.

Радиационное поле. Источники естественного радиационного ноля — космическое излучение и излучение, связанное с процессами дегазации Земли и наличием радиоактивных элементов в земной коре. Среди горных пород наиболее радиоактивными считают граниты, гнейсы, вулканические туфы, фосфориты и др. Особо опасны радоновые зоны. Продукты распада радона — ²¹⁸Ро, ²¹⁴РЬ и ²¹⁴Bi находятся в атмосфере в виде аэрозолей и проникают в легкие человека, что в конечном итоге может привести к раку легких или других органов.

К искусственным источникам относятся медицинская диагностика, АЭС, ядерные взрывы, склады радиоактивных отходов, добыча и переработка урановых и ториевых руд, сжигание органического топлива, использование фосфорных удобрений и т. д.

Работа ядериого реактора сопровождается выделением большого количества радионуклидов, которые даже после очистки попадают в окружающую среду вместе с газообразными, аэрозольными и жидкими отходами. Твердые радиоактивные отходы подлежат захоронению.

Выбросы естественных радионуклидов предприятиями по добыче урановых и ториевых руд представлены в основном газообразным ²²²Rn из урановых шахт; твердыми отходами руды из хвостохранилищ. Считается, что в урановый концентрат переходит 14% суммарной активности исходной руды, в которой содержится 90% урана.

Сжигание органического топлива, в первую очередь каменного угля, является источником выбросов в окружающую среду ряда естественных радионуклидов, таких как ⁴⁰К, ²²⁶Ra, ²²⁸Ra, ²³²ТН, ²¹⁰Ro, ²¹⁰Rb. Уровень облучения от использования фосфорных удобрений формируется за счет содержащихся в них ²³⁸U, ²³²Th, ²¹⁰Ro, ²¹⁰Rb, ²²⁶Ra, ⁴°K.

Активностью радиоактивного вещества называется величина, равная отношению числа распадов, происходящих за определенный промежуток времени, к этому промежутку времени. Единица активности в системе Си — беккерель (Бк), внесистемная — кюри (Ки). Беккерель равен активности радионуклида, при которой за одну секунду происходит один акт распада (1 Ки = 3,7 • 10¹⁰ Бк).

Действие радиоактивных излучений на биологические объекты характеризуют поглощенной дозой излучения. Она равна отношению энергии ионизирующего излучения, переданной облученному объекту, к массе этого объекта. Единица поглощенной дозы излучения в системе Си — грей (Гр), внесистемная — рад (1 рад = 10 ² Гр). Грей равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному объекту массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж. Эквивалентными дозами излучения являются зиверт (Зв) и бэр (1 бэр = 10 ² Зв).

Фоновые значения ионизирующего излучения 0,3— 2,2 мЗв/год, предельно допустимые — 50 мЗв/год [8].

Ионизирующее излучение, превышающее фон, оказывает сильное воздействие на все живые организмы. Даже слабое превышение способно вызвать лучевую болезнь, при большой интенсивности живые организмы погибают. В первую очередь излучение поражает костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови, затем клетки пищеварительного тракта и других органов. Облучение приводит к генетическим изменениям в организме.

В зоне радиоактивного загрязнения человек подвергается внешнему и внутреннему облучению. Существуют предельно допустимые дозы для профессиональных работников (категория А) и для лиц неработающих непосредственно с источниками излучения (категория Б) (табл. 2.13). Опасность внутреннего облучения зависит от того, какой орган облучен. В порядке убывания радиочувствительности органы, накопление в которых радиоактивного изотопа поражает весь организм, делятся на три группы: I — кроветворные органы, хрусталик глаза; II — мышцы, жировая ткань, печень, почки, легкие, поджелудочная и предстательная железа, желудочно-кишечный тракт; III — кожа, щитовидная железа, кости.

Тепловое поле Земли создают внешние и внутренние источники. К внешним относятся в основном солнечная радиация, гравитационное воздействие Луны и Солнца, к внутренним — гравитационная дифференциация земного вещества, распад радиоактивных элементов, приливная энергия, тектонические движения и т. д. На поверхности Земли значения температуры колеблются от +58 до -88°С, границы жизни простираются от -200 до +100X [8].

Техногенное тепловое поле создается вокруг крупных мегаполисов, промышленных комплексов. В результате потребления тепловой энергии над большими городами формируются «тепловые купола», а на глубине 20—30 м от поверхности наблюдаются геотермические аномалии с превышением температуры на 2—6°С, из-за чего происходит коррозия железобетонных конструкций.

Таблица 2.13

Предельно-допустимые дозы (ПДД) для лиц категории, А и пределы доз (ПД) для лиц категории Б.

Тепловое загрязнение в основном обусловлено промышленными выбросами в окружающую среду теплой воды и различных газов. Изменение температуры воды в водоемах ведет к негативным последствиям, например, некоторые промысловые рыбы погибают при температуре воды 37—38°С, а большинство водных организмов — при температуре 25—35°С. Согласно Правилам охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами, для рыбохозяйственных водоемов температура не должна превышать естественную летнюю более чем на 5 °C.

Тепловое воздействие на многолетнемерзлые породы может привести к вытаиванию подземных льдов и образованию провальных форм рельефа (карстовых озер, котловин) и подземных пустот (карстовых пещер).

Акустическое поле создается при возникновении колебаний в газах, воде и твердых телах. В зависимости от частотного диапазона, акустические сигналы подразделяют на инфразвук (ниже 16 Гц); звук, воспринимаемый человеческим ухом (16—20 000 Гц); ультразвук (2 • 104—109 Гц); гиперзвук, наблюдаемый в кристаллических твердых телах (109−1013 Гц).

Звук, наносящий вред здоровью, определяют как акустический шум. Шумовое загрязнение — превышение естественного уровня шума, изменение его спектра и появление новых частот звуковых колебаний, не характерных для окружающей среды (В. Т. Медведев и др., 1997). Уровень шумового поля измеряют в децибелах (дБ); интенсивность, или силу звука — в Вт/м²; уровень громкости — в фонах. Для определения уровня шума используют шумомер.

К природным источникам шумового поля можно отнести геодинамические процессы: вулканизм, землетрясения, лавины, оползни, обвалы и т. д. Довольно разнообразны техногенные источники: транспортные средства, промышленное оборудование, запуск самолетов и космических ракет, разнообразные взрывы, разработка месторождений и многое другое.

Шумовое поле сильно воздействует на органы слуха и нервную систему. Органы слуха повреждаются при шуме около 130 дБ. При взрывах, выстрелах, ударах может произойти оглушение, разрыв барабанных перепонок; при длительном воздействии звуковых воли — снижение чувствительности слуховых органов и тугоухость, т. е. необратимая потеря слуха.

Психические реакции проявляются с уровня 30 дБ. Опасным для вегетативной нервной системы считают шум, превышающий 50—60 дБ.

Инфразвуковые колебания — причина беспокойного поведения многих видов животных — представляют опасность для человека. Например, при частоте 7 Гц амплитуда сердечных сокращений увеличивается настолько, что происходит разрыв артерий. Колебания той же частоты и интенсивности, но противоположные по фазе, затормаживают кровообращение и вызывают остановку сердца. Инфразвук воздействуют на нервные клетки головного мозга и спинной мозг, вызывая тошноту, головокружение, чувство страха и ужаса (О. Л. Кузнецов, Э. М. Симкин, 2002). Вредное действие инфразвука зависит и от его уровня. Не рекомендуется находиться в местах, где уровень звукового давления более 135 дБ. При интенсивности 140— 150 дБ наблюдаются психические расстройства. Инфразвук, превышающий 150 дБ, приводит к смерти. Источники звука такой интенсивности рассматриваются как перспективный вид оружия массового поражения людей. (В. А. Гордиенко, 1997).

Ультразвуковые колебания оказывают как положительное, так и отрицательное действие. Ультразвук небольшой интенсивности до 3 Вт/см² используется в медицине. Допустимый уровень звукового давления в зависимости от частоты равен 80—110 дБ. Если уровень звукового давления превышает норму, наблюдаются изменения в нервной системе.

Вибрационное поле — это поле вынужденных механических колебаний, источники которых — транспорт, промышленные предприятия, машины и оборудование и т. д. Вибрация нарушает устойчивость пород, воздействует на экзогенные геологические процессы. Неблагоприятное действие на человека оказывает вибрация с частотами 1—30 Гц (Г. С. Вахромеев, 1995). Она вызывает раздражение, а при непосредственном воздействии на скелет приводит к серьезным последствиям (табл. 2.14).