На эту статью можно ссылаться, ее адрес в интернете:          www.biophys.ru/archive/congress2006/pro-p15.htm

 

Формирование и развитие магнитоэкологического метода оценки заболеваемости древесной растительности на заповедных и рекреационных территориях федеральной собственности России.

В.В.Александров, Е.Е. Авраменко, Е.А. Кичигин, Б.В.Александров

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет (СПб ГПУ)

Россия

 

Введение.

В заглавии темы доклада сформулирована задача, отвечающая новой острой необходимости практически оценить экологическую ситуацию на озелененных территориях – в заповедниках, городских садах и парках, на лесных и сельскохозяйственных угодьях.

Магнитобиологические исследования, сопряженные с познанием царства растений и животных, развиваются давно и хорошо известны не только участникам Конгресса.

Поэтому синтез научной и прикладной деятельности в данной проблеме настолько ярко проявляется, что оппонентам будет трудно задавать наболевший и неуклюжий вопрос – «А когда ваша деятельность окупиться, или, проще говоря, когда вы внесете деньги в казну?» А теперь по существу.

Методология исследований

Вокруг любого биологического объекта в процессе его жизнедеятельности возникает сложная картина (суперпозиция) физических полей *. И естественно, что живой объект, как и любое физическое тело, должен быть «источником равновесного электромагнитного излучения» [Кибернетика живого: 1984. С.111]. Например, подобное излучение от теплокровного объекта далеко «уходит» от его поверхности, попадая в определенные частотные окна прозрачности – каналы информации, – которые являются областями взаимодействия внутренних структур живого объекта с внешними полями геосферы. Низкочастотное ЭМИ в значительной мере экранируется высокопроводящими тканями биообъекта. Это затрудняет решение обратных задач: по измеренным величинам электрического потенциала Dj вблизи поверхности тела определить источник таких полей внутри объекта. В низкочастотной области излучения (видимо, в пределах до 1 кГц) должны наблюдаться и магнитные поля, связанные с электрическими токами в проводящих тканях, сопровождающими физиологические процессы (ионные токи). В отличие от электрических полей магнитные поля не экранируются тканями объекта, поэтому, регистрируя МП, можно с большей достоверностью выявить их источники. Это важно вплоть до расшифровки деятельности мозга и других внутренних органов, что уже весьма успешно осуществляется в медицинских исследованиях и лечении заболеваний разной этиологии. Помимо выявления названных выше каналов (окон) необходимо синхронное измерение комплекса физико-химических характеристик среды – газовый и аэрозольный состав, концентрацию ионов, т.к. в процессе метаболизма  биообъект вносит в нее возмущения, при которых меняется удельная электрическая проводимость c и диэлектрическая проницаемость e сопредельных участков всех компонентов среды (твердой, жидкой и газообразной фаз). Существенную пользу в таких исследованиях должны обеспечить современная аппаратура дистанционного зондирования (по аналогии с космическими и физиологическими задачами).        

Применяя новые методы медико-биологического контроля теплокровных животных и человека к исследованию растений, можно на ранней стадии состояния их регуляторных систем и функций выявить изменения, приводящие впоследствии к патологии. Здесь мы вплотную подходим к рассмотрению задач, связанных с электрическими и магнитными биотропными реакциями растений на воздействие внешних факторов (источников) ЭМП и ЭМИ. Таким образом, определяется первая часть нового методического похода к изучению фитоценоза – биомагнитному (физиологически оправданный метод).

Следует подчеркнуть, что биомагнитные сигналы очень слабы, и регистрация их – непростая физическая задача. Это объясняется высоким уровнем магнитных шумов в пространстве. Напомним, что индукция квазистационарного (постоянного – нормального поля Земли) имеет порядок 5×10-5 Тл, квазипеременный геомагнитный фон (включая городской шум) » (3-6)×10-7 ¸ 10-8 Тл, ферромагнитные частицы индуцируют сигнал » 10-6 ¸ 10-9 Тл, а сетевая помеха – 10-8 ¸ 10-10 (при частоте 102 ¸ 103 Гц). Поэтому основная задача биомагнитных измерений – это применение специальных мер защиты от помех. Именно поэтому широкое внедрение биомагнитного метода в практику экологических исследований отстает от современных хорошо оснащенных в техническом отношении космических и медицинских достижений. С другой стороны, магнитные шумы в окружающем пространстве являются слабыми флуктуациями собственно геомагнитных и промышленных, индуцируемых электроустановками. Это способствует использованию простейшего подхода для избежания внешних, в основном антропосферных, магнитных шумов, т.е. желательно измерения проводить непосредственно в природных условиях, вдали от существенных аномалий МП Земли и размещения электрических машин. Для биомагнитных измерений станет возможным применение приемного устройства типа «сквида*». Известен эффект реакции живого дерева (береза) на удар по стволу в результате которого был зафиксирован радиометром импульс электрического поля Dj [Электромагнитные поля в атмосфере и их биологическое значение, т.1, М.: Наука, 1984, С.122]. Безусловно, при такой высокой чувствительности магнитометров на основе «сквида» необходимо следить за колебаниями DBz в течение суток (есть вероятность геомагнитных возмущений в пределах 100 нТл – слабая магнитная буря). Значение максимальной скорости изменения ГМП в полдень, т.е. grad DBz, равный примерно 0,3 нТл/мин, можно не учитывать, т.к. он на 4 порядка меньше фоновых значений ГМП (при кратковременном измерении в одной точке).

Вторая часть нового методического подхода к изучению фитоценоза весьма очевидна – геоботаническая. Геоботаника как наука сформировалась в XIX в., когда этот термин одновременно предложили в 1866 г. А. Гризебах и Ф.И. Рупрехт. С начала XX в. установилось современное понимание геоботаники, и ее стали рассматривать или как синоним фитоценологии (В.В. Алехин, А.П. Шенников), или как дисциплину, объединяющую ботаническую географию и фитоценологию (В.Н. Сукачев, В.Б. Сочава). В общей цепи геоботанических дисциплин нас интересует экологическая геоботаника, т.е. зависимость растительности от условий природной среды [Биологический энциклопедический словарь. 1989, С. 126.]. Именно условия природной среды могут формировать зоны биологического дискомфорта, пространственно связанные как с естественными неоднородностями геофизических полей, так и с антропосферными источниками – крупными промышленными зонами, нефтехранилищами, линиями метрополитена, территориями жилищной застройки и т.д. и т.п. Как показывает практика, в таких дискомфортных условиях формируется экологическая ситуация, способствующая развитию патологии и угнетению растительности. С целью выявления патологического состояния древесной растительности проводится ландшафтная геоботаническая съемка – выявление зон, где деревья поражены различными заболеваниями (микозы; бактериальные патологии; разрушение древесной массы насекомыми и др.).

Так, например, сотрудники СПбГПУ и Лесотехнической Академии с целью выяснения геоботанического состояния древесной экосистемы в западной части парка университета провели первые поисковые работы по инвентаризации деревьев. В частности были определены таксономические характеристики (показатели) древесной растительности*, тем более что стала очевидной так называемая таксономия опасностей**: порода, диаметр ствола, высота, класс Крафта, категория состояния, заболеваемость, степень повреждения. Составлен инвентаризационный план, соответствующий произрастающему насаждению на момент обследования.

Далее, каждое дерево было фитопатологически обследовано:

·    территория разделена на 10 участков, ограниченных проезжими и пешеходными дорогами;

·    деревья нумеровались (в натуре и на плане) по каждому участку отдельно;

·    фиксировалась визуально порода дерева;

·    производилась морфометрическая оценка;

·    категория состояния деревьев оценивалась по 6-балльной шкале в соответствии с «Санитарными правилами в лесах Российской Федерации» [М.,Экология,1992,16 с.].

Сведения внесены в электронную базу данных в программе MapInfo.

Первичные результаты показали, что в парке распространены грибковые заболевания (загнивание ствола, некрозы коры и ветвей, ржавчина и черная пятнистость листьев, мучнистая роса листьев и др.), ведьмины метлы и гнилость корней, плодовые тела различных трутовиков, дупла, сухие сучья, механические повреждения (табл. 1).

 

Таблица 1 Заболеваемость древесных пород

Название болезни или повреждения

Латинское название

Повреждаемая древесная порода.

Лиственные породы

"Ведьмины метлы"

Taphrina betulina

Береза

Мучнистая роса

r.Uncinula

Береза, Клен, Ива

Некроз ветвей

Nectria cinnabarina

Клен, Липа, Береза

Рак ступенчатый

Nectria galligena

Береза, Липа, Клен

Черная пятнистость листьев клена

Rhytisma acerinum

Клен

Ржавчина листьев березы

Mclampsoridium bctulae

Береза

Ржавчина листьев тополя

Melampsora populina

Тополь

Рак тополя

Hypoxylon pruinatum

Тополь

"Чага" (стволовая гниль)

Jnonotus obliguus

Береза

Опенок осенний (гниль корней)

Armielariella mellea

Береза, Ольха

Березовый трутовик

Lepzites bctulioa

Береза

Хвойные породы

Рак лиственницы

Lachnellula wllcommii

Лиственница

Рак сосны

Peridermium pini

Сосна

Некрозы ветвей сосны

Cenangium abietis

Сосна

 

С помощью ГИС-технологий из общего числа графических объектов (деревьев) выделены деревья, пораженные заболеванием Nectria galligena (лат.), на отдельный информационный слой, а в дальнейшем при использовании 3-го (магнитологического метода оценки экосистемы) результаты были объединены в единое информационное пространство (рис. 1).

 

Рис. 1. Карта уровней магнитного поля на территории СПбГПУ на высоте 0,7 м от поверхности земли, совмещенная с расположением деревьев, пораженных болезнями.

 

Рассмотренные выше предпосылки для формирования нового подхода к мониторированию природной среды на территории университета пришлось яснее и четче сформулировать, когда обострилась проблема экстренной и обязательной паспортизации рекреационной зоны.

В 2003 г. руководством СПбГПУ было утверждено распоряжение «о необходимости проведения комплексного обследования парка СПбГПУ, используя учебный и научный потенциал подразделений университета». Техническое задание №1/2003 преследовало цель – «проведение внутреннего контроля за состоянием зеленых насаждений, находящихся на территории СПбГПУ».

Опираясь на требования технического задания, Лаборатория «Электрофизика естественных экосистем» университета предложила использовать третью часть нового методического подхода – геомагнитометрический, а в данном контексте магнитоэкологический метод, мониторирования зоны парка, используя главное его преимущество – экспрессность. А далее предполагается наращивать качественность исследования, расширяя комплексность и синхронность измерений (см. первый и второй методы мониторирования).

 

Методика третьей части нового подхода обследования

 

1. Оценка фонового геомагнитного поля. Как известно, эта характеристика описывается уравнением для нормального магнитного поля Земли К.Ф. Гаусса.. Но также известно, что «представительной математической модели ГМП до настоящего времени не создано» [Почтарев В.И. Нормальное магнитное поле Земли – М.:Наука, 1984]. Наличие аномалий делает эту задачу чрезвычайно трудной. Хотя за последние 30 лет и разработано значительное количество международных аналитических моделей ГМП, все они являются математическим описанием с различной степенью приближения наблюдаемого поля , а не нормального . Нормальное поле в магнитологии трактуется как определенный уровень отсчета, включающий основную, главную часть общего, присущего планете Земля, магнитного свойства. Понятие «нормальное поле», «нормальный уровень», «нормальный фон» применяется и в других научных дисциплинах (гравиметрии, аэрологии и др.). Необходимость сформулировать понятие нормального поля возникла в результате выявления в различных районах земного шара интенсивных аномалий в структуре ГМП, обусловленных различными геолого-физическими причинами. В основном это объяснялось присутствием железосодержащих гипермагнитных руд в земной коре. Поэтому разделение сложного явления на нормальную – главную первичную, порожденную основными (общими) причинами, и аномальную – вторичную, являющуюся неким следствием планетарных и космических взаимодействий, представляет общенаучный методологический интерес.

Без учета влияния флуктуирующих электромагнитных источников (геомагнитные колебания суточного цикла, аномальные всплески в системе Солнечно-Земных связей, сейсмические явления планетарного масштаба и т.д.), собственное ГМП, , качественно может быть представлено в виде суммы следующих структурных частей:

,

где  – поле диполя (поле однородно намагниченного шара с соответствующим магнитным моментом М), при этом  » 80% .

       – поле мировых магнитных аномалий крупномасштабного характера в размере нескольких тысяч км,  » 10-15% .

       – крупные региональные аномалии, выявленные сравнительно недавно, размеры » 400-500 км (реже » 1000 км), » 1% .

       – региональные аномалии с поперечными размерами в пределах 30-40 км,             » 1% . Кстати, мегаполис, как, например, Санкт-Петербург, можно классифицировать как некую региональную магнитоэлектрическую (переменную по интенсивности излучения) аномальную структуру.

       – локальные аномалии с размерами » 3-5 км, причем  » 1-3% .

                и  – многочисленные и распространенные классы аномалий на Земле.

       – изменение среднегодовых значений ГМП в пункте наблюдения, выявленные в течение не менее 10 лет, » 0,1% .

Таким образом, основная, главная часть магнитного поля Земли,

 @ 95%.

С методической точки зрения следует отметить, что долгопериодные изменения уровня ГМП за периоды 10 и более лет могут привести к серьезным ошибкам в расчете (), поэтому геомагнитную информацию необходимо приводить к одной эпохе, кратной 5-10 годам. Подобные интенсивные колебания осредненных значений магнитных свойств планеты обусловлены непрекращающимися активными процессами в ядре и мантии Земли (самоподдерживающееся динамо).

2. Выявление локальных устойчивых аномалий магнитного поля  на территории СПбГПУ. Рассмотренные выше основы аналитического представления структуры ГМП показывают, что при отсутствии сведений о нормальном геомагнитном поле  построение карт (схем) аномальных полей невозможно.

Поэтому уже с 1965 г. в СПб ФИЗМИРАН разрабатывалась модель математического описания магнитного поля Земли для территории бывшего СССР. На основе этой модели построены крупномасштабные карты ГМП, по которым можно определить  регионального масштаба, а далее, производя необходимые обследования, выявить локальные аномалии , анализируя их и соотносить с реальными источниками возмущения антропосферного характера.

 

Конкретно для рекреационной зоны СПбГПУ проведено:

№

точки

Магнитная индукция В, мкТл

Вертикальная

компонента,

Горизонтальная

компонента,  

Горизонтальная

компонента,

Полный вектор,

1

48,3

-5,3

8,0

49,24

2

46,3

-2,0

9,5

47,31

3

44,7

-2,0

10,2

45,89

 

Резюме. Проведенные исследования на территории парка СПбГПУ магнитоэкологическим методом, показали, что фоновый уровень квазипостоянного ГМП, оцененный по величине DBz, практически соответствует данным для эпохи 1980 г., а именно – 48 мкТл. Прослеживается изменение этой характеристики в зависимости от высоты измерения: 0 м или 0,7 (над поверхностью земли). Отрицательные аномалии DBл выявлены в центральной части территории вблизи строений и несанкционированной свалки, где были обнаружены негодные для употребления радиодетали. Положительные аномалии наблюдаются в северо-восточной части парка в пределах слоя от 0 м до 0,7 м, вблизи ограды территории Университета.

 

Можно полагать, что эти аномалии DBл связаны с подземными источниками ЭМИ, поскольку поверхность земли экологически соответствовала СанПиН 2.1.7.1287-03 требованиям (Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы), а магнитосферные возмущения ГМП также исключаются (солнечные вспышки в период измерений не наблюдались). Наконец, модуль индукции в пределах слоя в 1 м, с высотой уменьшается. Таким образом, не исключается локализация подземной поверхностью негативного источника ЭМИ на экологию растительности и почвы, т.е. постоянное действие сниженного значения индукции DBл » 46 мкТл.


* В настоящем тексте рассматриваются только физические поля, связанные конкретно с электромагнитными явлениями. – прим. Автора.

* «Сквид» - от англ. Superconducting Quantum Interference Device – сверхпроводящий квантовый интерференционный прибор для измерения МП, основанного на использовании чисто квантовых явлений – эффекта Джозефсона и интерференции волновой функции электронных пар в сверхпроводящем кольце, содержащем джозефсоновский переход. Фактически «сквиды» - это чувствительный элемент магнитометров, обеспечивающий измерение электрического тока, магнитной восприимчивости cm, перемещение магнетика и т.д. [ФЭС, М.: Советск. энциклопедия. 1983. С. 660]. Чувствительность «сквида» » 10-15 Тл, а при измерении градиента МП »10-14 Тл/м.

* Таксономия (от таксон + гр. номос - закон) – теория и практика научной систематики и классификации. Раздел систематики, учение о соподчинении таксономических категорий – таксонов – от видов до систематических царств. Таксон (греч. таксис – расположение в порядке) – то же, что и единица таксономическая – группа родственных организмов, которым можно присвоить таксономическую категорию.

** Таксономия опасностей – классификация и систематизация опасностей по различным признакам. По происхождению опасности делятся на 6 групп: природные, техногенные, антропогенные, биологические, экологические, социальные [Безопасность деятельности. Энциклопедический словарь, СПб, изд. «ЛИК», 2003, МАНЭБ, с.382].