2.3. Техногенная электровыработка и последствия

Техногенная выработка, передача и потребление энергии — один из основных факторов давления на электромагнитный каркас нашей планеты. За счет гигантской электровыработки Земля оказалась окутана искусственной электромагнитной оболочкой [133, 134]. И эта дуэль между техническим и гелиосферным электромагнетизмом постепенно переросла в "войну полей". Ведь в 90-е годы и электровыработка достигла n·1026 эрг/год, что на порядки превышает энергию годовых геомагнитных бурь [75, 80, 91, 132]. Будущее этой "войны" нетрудно предугадать, если иметь в виду "новое поколение" процессов на Солнце, планетах-гигантах и в межпланетных полостях, что отмечалось выше. Легко себе представить, что произойдет с цивилизацией в случае возникновения "всеобщего техноэлектронного молчания". Это становится все более возможным при нарастающей вероятности супервспышки на Солнце с энергией более 1040 эрг, "репетиция" которой производится уже происшедшими вспышками, как, например, в августе 1972 г., когда энергия вспышки достигла 1034 эрг.

Следует отметить, что обнаружен, но должным образом не оценен эффект техногенного влияния на распределение радиационного материала в око лоземном космическом пространстве. Установлено, что на геомагнитных широтах 35-66° супергорода и энергопроизводящие технические системы, а также мощные наземные передатчики и другое оказывают огромное влияние на спектр электромагнитных колебаний в диапазоне от очень низких (ОНЧ) до крайне низких частот (КНЧ) в магнитосфере, порождая "техногенные стоковые колонны" (как для электронов, так и для ионов) и модифицируя естественные электромагнитные процессы на нашей Земле [102, 133].

Внимание исследователей геофизиков к техногенным энергетическим узлам, как помехам в функционировании ионосферных процессов, дополняется попытками мирового и регионального изучения возможных последствий энергопроизводства и энергопотребления [22, 23, 75, 86]. Интерес к техногенным вкладам в электромагнитные природные процессы стимулируется и статистическим изучением комплексных метеокатастроф. По предварительным результатам [134, 135] можно сделать вывод о том, что максимумы антропогенного энергопроизводства (и энергопотребления) и встречаемости комплексных метеокатастроф на суше пространственно совмещены. Обобщая этот факт (который подлежит уточнению), следует провести такую классификацию качества геолого-геофизической среды:

1) техноприоритетные территории занимают площади суши Земли, на которых техногенные электромагнитные излучения на порядки (в супергородах и в мегаполисах на 3-4 порядка) превосходят природные показатели;

2) паритетные территории — участки, на которых техногенные и природные ЭМ-излучения сопоставимы по величине;

3) природно-приоритетные территории представляют собой регионы, где ЭМ-излучения близки к природным значениям и ниже.

Кратко охарактеризуем процессы антропоэнергетического воздействия на верхнее полупространство Земли с помощью разнообраз ных технических средств. Воспользуемся обзорами [8, 23, 32, 132]. В этих работах обстоятельно обобщены и теоретически осмыслены результаты взаимодействия техноэнергетических систем с природными процессами в газоплазменных оболочках. В общем адаптированном виде построим схему этого взаимодействия (рис.21).

Рис. 21. Схема основных средств антропогенного воздействия на геокосмос

2.3.1. Воздействия на природный электромагнетизм

Согласно общим оценкам значимости этих воздействий, на первом месте стоят эксперименты по выбросу (инжекции) различных химических веществ и плазмы из ракетных двигателей и с бортов ракет-носителей [59, 86, 101, 158]. Эксперименты, начавшиеся с выброса облаков Ва+ для изучения распределения электрических полей в ионосфере, к концу 80-х гг. переросли в многокомпонентные синхронные и разрозненные выбросы по сложным программам CAMEO, Triger, Water hole, Cress и другие, включая и TKK Shuttle. Необходимо также привести данные об энергетических потоках от космофизических и техногенных источников (табл.7).

Табл. 7. Потоки энергии от Солнца и Земли природного и техногенного характера

Источник энергии

Область вторжения

P, Вт

Способ переноса

f, кГц

1. Оптический диапазон Солнца

Лобовая часть земной магнитосферы

1017

ЭМИ*

2. Солнечный ветер

Дневной касп и хвост земной магнитосферы

1011–1012

ПЧ

0–300

3. Молнии

Атмосфера и нижняя ионосфера

107

ЭМИ

0.2–30

4. Землетрясения, взрывы

Литосфера, атмосфера, нижняя ионосфера

ПЧ, АВ, ЭП

5. ЛЭП

Литосфера, атмосфера, нижняя ионосфера

3·107

ЭМИ

0.05–5

6. ОНЧ-передатчики

Атмосфера, ионосфера

4·108

ЭМИ

10–30

7. СВ и КВ-передатчики

Атмосфера, ионосфера

109

ЭМИ

0–5

Примечание.  ЭМИ — электромагнитное излучение; ПЧ — потоки частиц вещества; АВ — акустические волны; ЭП — сейсмогенные электрические поля. Переработано на основе [133, с.13].

В последние годы резко возросла интегральная мощность ЭМ-излучений в мега- и гигагерцовом диапазонах, так что техногенное давление на электромагнитную структуру Земли необратимо нарастает. Но уже в середине 80-х гг. неоднократно и разнообразно отмечались глобальные отклики земного магнетизма на техногенную накачку геокосмоса ЭМ-энергией [23, 96, 101, 102, 114, 126, 133, 149]:

- "эффект выходных дней", выявленный станцией Siple в частотах 2-4 кГц в узкополосных хоровых излучениях в виде резко выраженного минимума по воскресеньям;

- отмечалось возрастание геомагнитной активности в выходные дни в диапазоне пульсаций Pс1 (2-5 с), что соответствует понижению ЛЭП-уровней в праздники и выходные дни;

- при взрывах регистрируется широкополосное шумовое ЭМ-излучение, возникающее из-за трансформации акустических волн в электромагнитные. Для землетрясений излучения появляются как после события, так и за несколько часов до него; отмечается также радиационные высыпания над напряженными очагами землетрясений [2, 36, 75, 88, 89, 96].

В плане радиационной продуктивности сейсмических процессов представляют интерес всевозможные радиационные высыпания в сейсмоактивных зонах Арктики [121, 127, 142]. Наличие межплитной и внутриплитной сейсмичности в данном регионе, локализация сейсмонагруженных участков по основным разломам и их сочленениям свидетельствуют о наличии в Арктике мощных зон вертикального энергоперетока, которые могут влиять на характер потепления.

Прежде чем охарактеризуем региональные зоны высыпания радиационного материала, представим схематический вид глобального распределения зон высыпания электронов (β-активность) с энергией Ее > 3 кэВ. Эти высыпания вызваны наземной работой ОНЧ-передатчиков (с мощностью ≥500 кВт) в условиях ночной ионосферы (рис.22). Заштрихованные области в высоких широтах — это территории, на которых электронные потоки существенно превышают фоновые значения и составляют добавки к модификации физико-химических и термодинамических условий в состоянии ионоcферы. Характерно также то, что по магнитосопряженным точкам данные β-аномалии транслируются и на Южное полушарие Земли (см. рис.22).

Рис. 22. Рассчитанные глобальные зоны электронных высыпаний

(Ее > 3 кэВ от наземных ОНЧ излучателей для ночной ионосферы (а) и локализация ОНЧ-передатчиков (б). Штриховка в Южном полушарии (а) и пунктир в (б) означает пункты магнитосопряженных точек. Карта-схема рассчитана для высоты в 1000 км. На меньших высотах могут создаваться условия (~600 км), когда максимизация высыпания может осуществиться в магнитосопряженных точках. Размещение техногенных высокомощных ЭМ-излучателей взято из [133, с.66].

Таким образом, техногенное воздействие на газоплазменные оболочки Земли имеет два основных следствия и сказывается на общем состоянии геомагнитного поля:

1. Воздействие на геомагнитный режим, при этом:

- генерируются техногенные геомагнитные бури либо снижается их интенсивность;

- происходит техногенная коррекция возникновения геомагнитных бурь во времени (сдвиг сильных геомагнитных бурь на время снижения мирового электропроизводства и электропотребления).

2. Воздействие на распределение радиационного материала на ионосферных высотах:

- генерирование районов с избыточным техногенным электронным высыпанием в высоких широтах;

- запуск высыпаний в местах, сильно удаленных от ВЧ-источников в режимах взаимодействия магнитосопряженных точек.

2.3.2. Электромагнитный смог и дальнейшие тенденции

Ориентация общей энерговыработки человечеством на производство электроэнергии (352.4 ЭДж, 1990 г.) [134] привела к всеобщей модификации электромагнитной системы Земли. Основные воздействия на геокосмос происходят в основном при потреблении и передаче электроэнергии. Из всех способов потребления энергии особо выделяется энергозатрата на радиосвязь и СВЧ-печей (только в США работает более 20 млн передатчиков и 8 млн СВЧ-печей [29, 56, 75, 102, 136] (Э —экса = 1018·352,4 ЭДж = 3.524·1026 эрг/г. Это количество энергии совпадает с затратой энергии на сумму сейсмических процессов на Земле за год).

Электрозатраты на радиосвязь привели Землю в мощный источник радиоизлучения (светимость нашей планеты в радиодиапазоне ярче Солнца), возрастающий поток электромагнитной энергии в верхнее полупространство приходится на ионосферу. Немалая часть этой энергии не переотражается, а концентрируется в ионосфере, вызывая дополнительные локальные разогревы. Эти разогревы электронного газа ионосферы снижают электронную концентрацию в области главного ионосферного максимума путем ускорения процессов, рекомбинации (между ионами О+ и молекулами N2) и понижением электронной концентрации. При этом происходит не только резкое изменение естественных режимов состояния ионосферы (со всеми известными, а зачастую неизвестными последствиями), но и нарушение радиосвязи за счет антропогенных разогревов в зонах интенсивных радиотрасс [9, 32, 48, 59, 78, 86].

Особое значение имеет процесс "излучения" электромагнитной энергии с линий высоковольтных электропередач (ЛЭП). В диапазоне акустических электромагнитных полей токи промышленной частоты (50-60 Гц) генерируют низкочастотные электромагнитные волны. Так, по ЛЭП напряженность поля при определенных погодных и геомагнитных обстановках достигает нескольких десятков тысяч вольт на метр. Причем это напряжение крайне неравномерно и достигает максимума в местах наибольшего провисания проводов: ЛЭП 330 кВ — 3,5-5,0 кВ/м; ЛЭП 500 кВ — 7,6-8 кВ/м; ЛЭП 750 кВ — 10,0-15,0 кВ/м. Отметим, что волны этих частот сильно поглощаются почвой и преобразуют условия существования естественных электрических полей (особенно в условиях городов) [89, 101, 145, 147].

Эта "подзарядка" почв и горных пород имеет громадное значение в местах особых тектонофизических условий, где локализуются условия для вертикального энергоперетока. Отмечены случаи [28, 42], когда на участке с аномальной глубинной электропроводностью горных пород и при сильном геомагнитном возмущении потеря напряжения на ЛЭП достигает 100% [27, 41].

В последнее время все чаще начали появляться сведения о том, что низкое электромагнитное излучение от высоковольтных ЛЭП воздействует даже на магнитосферную плазму, вызывая необычное возмущение внешней магнитосферы. Эта рукотворная тенденция на видоизменение естественного режима магнитосферы проявилась и в возникновении семидневного цикла геомагнитных параметров Рc1 и Pi2 на высоте около 40 тыс. км [96]. Появление семидневной пульсации техногенного характера обозначило своеобразную фильтрацию электромагнитных процессов в солнечно-земных взаимосвязях [62]. Последствия этой фильтрации трудно оценить, но очевидно одно, человечество уже вывело Землю и себя из естественной электромагнитной среды планеты и ближнего космоса. Можно утверждать, что идет усиление процесса переподчинения людей и всех других форм жизни искусственным электромагнитным системам технического прогресса. По приводимым оценкам К.Т.Бирюкова, А.З.Григоряна, В.Л.Гаркуши и др. [133], излучения от ЛЭП в Южной Канаде привели к увеличению буревой активности за период 1935-1979 гг. на 5-25% по отношению к периоду 1900-1935 гг.

Следует отметить недооценку вклада мощных технических энергосистем в магнитосферные процессы. Выявлено, что интегрирование спектров ОНЧ-излучений генерирует разновидность сигналов стимулированных гармониками сети ОНЧ-эмиссий. При этом отмечается заметное уширение периодической спектральной структуры. Дополнительные эмиссии весьма активно взаимодействуют с магнитосферной плазмой. Это взаимодействие максимизируется при слабых и умеренных геомагнитных бурях, что в свою очередь вызывает дополнительные разномасштабные электронные высыпания во времени. Подобная "кодировка" естественных процессов в магнитосфере со стороны крупных энергосистем городов может со временем преобразоваться в новый образец вертикального энергоперетока техноприродного характера; при этом может оказаться, что эффективность слабых и умеренных магнитных бурь для жизненного процесса на Земле резко возрастет, о чем прямо или косвенно предупреждают некоторые исследователи [34, 55, 91, 96, 129, 131, 136].

По приводимым оценкам [133] высокопотенциальные радиотехнические воздействия широко распространены и обладают громадной мощностью. Используется коротковолновый диапазон с эквивалентной мощностью от 6 до 360 МВт, а в импульсном режиме до 1000 МВт (Москва). Работы по радионакачке ионосферы начаты в 1970 г. [48]. К настоящему времени коротковолновый радиоразогрев ионосферы осуществляется в диапазоне частот 1,2-12,0  МГц и производится в восьми пунктах Земли: Аресибо (Пуэрто-Рико, 18° с.ш.); Душанбе (Таджикистан, 38.5° с.ш.); Боулдер (США, 40° с.ш.); Харьков (Украина, 50° с.ш.); Москва (Россия, 55.5° с.ш.), Нижний Новгород (Россия, 56.1° с.ш.); Мончегорск (Россия, 68° с.ш.); Тромсе (Норвегия, 69.3° с.ш.). Например, в Боулдере установка действует вертикально направленным пучком на частоте 7,5 МГц на высоте 300 км, образуется область нагрева диаметром около 85 км; в Нижнем Новгороде на частоте 6 МГц при КПД антенны 75-80% обеспечивается эффективная мощность излучения до 300 МВт. Следует учесть и наземные источники очень низких частот излучения, каковыми являются радиовещательные, навигационные, мощные экспериментальные установки (более 1 МВт). Эта проработка верхнего полупространства мощными пучками излучения в указанном диапазоне частот породила искусственную систему электронного перераспределения в верхней атмосфере (см. рис.22).

В последнее десятилетие проявился особый интерес к последствиям влияния электромагнитного смога на здоровье людей. Возникли новые разделы биофизики [23, 97, 102, 130, 132, 155]. Техногенные источники электромагнитной энергии, как оказалось, тесно взаимодействуют с природными источниками электрических и магнитных полей. Особое внимание сейчас уделяется геофизике городов. Так, в представлениях академика Ф.А.Летникова [148], сейчас на планете складывается сложная обстановка противодействия природным процессам Земли со стороны технических систем идет суммирование техногенных и природных потоков энергии.

Своеобразная война частот и напряженностей электромагнитных полей особенно обостряется в супергородах, большинство из которых расположено в сложных геолого-геофизических условиях (табл.8). На территории городов происходит интенсивная закачка электромагнитной энергии в литосферу, особенно по ослабленным зонам и по активным разломам. Необычная электромагнитная схема городов приводит к дефициту частот, четверть-волновым эффектам, что в свою очередь приводит к расширению диапазона в низких частотах. Появляются техногенные биоэффективные частоты и энергии, при этом перекрываются все участки пороговых поглощений, поэтому говорят о проявлении "электромагнитного наркотика" в городах [148].

Табл. 8. Предельно допустимые уровни напряженности электромагнитного поля

Диапазон  (λ — длина волны; f — частота)

ПДУ

для застройки

для жилых помещений

1. Средневолновой (λ от 1000 до 100 м; f от 300 кГц до 3 МГц)

10 В/м

1 В/м

2. Коротковолновой (λ от 100 до 10 м; f от 3 до 30 МГц)

4 В/м

0.4 В/м

3. Ультракоротковолновой (λ от 10 до 1 м; f от 100 до 300 МГц)

2 В/м

0.2 В/м

4. Сверхвысокочастотный непрерывный режим генерации (λ от 1 дм до 1 мм; f от 3 до 30 ГГц)

1 мкВт/см²

0.5 мкВт/см²

5. Сверхвысокочастотный импульсный режим генерации (λ от 1 м до 1 мм; f от 300 до 300 МГц)

5 мкВт/см²

2 мкВт/см²

Рассматривая территорию города как часть мировых урбанизированных территорий, можно провести оценку преимущества антропогенной энергетической нагрузки по сравнению с биосферной энергопроизводительностью. Общие энергетические оценки производились с целью выявить порог техногенной нагрузки на земную биосферу и на отдельные территории. Примем общепризнанные количественные оценки [8, 21, 23, 44]:

- суммарная биосферная энергопроизводительность за время ее существования (около 1 млрд лет) составляет Eбиосф = 5·1039 Дж;

- суммарная антропогенная энергопроизводительность за 1000 лет составляет Eантропог = 1.5·1023 Дж.

Переходя к годовой производительности, получим Eбиосф = 5·1021 Дж/год и Eантропог = 1.5·1020 Дж/год. При этом оказывается, что ежегодная производительность биосферной энергии в 33.3 раза больше антропогенной выработки. Но при этом следует иметь в виду, что биосферная производительность осуществляется по всей площади поверхности Земли, равной 5·108 км2. Вычислив энергопроизводительность биосферных и антропогенных производителей, можно получить сравнительную оценку для территории Новосибирска.

С учетом карты плотности бытового потребления электроэнергии в Новосибирске и производственного потребления электроэнергии можно вычислить средний показатель техногенного энергетического преимущества над биосферным производством энергии. Естественно, что территория города неравномерно насыщена техническим энергопроизводством, поэтому мы укажем возможные пределы. Примем, что Eбиосф = 1·1013 Дж/км2 в год, или Eбиосф = 1·1020 эрг/км2 в год, а технопотребление энергии 16·1021 > Eтехнич > 9.45·1020 эрг/км2 в год. Следователь но, техноэнергетическое давление в городе колеблется в пределах от 9 до 160 раз большей биосферной энергетической производительности. Эти цифры характерны для супергородов [75, 145, 147].