Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние исследований, постановка задачи и общая характеристика работы 6
1.1. Состояние проблемы 6
1.1.1. Краткая история проблемы б
1.1.2. Скептицизм и его причины 8
1.1.3. Развитие дисциплин, сыгравших роль в прогрессе проблемы 12
1.1.4. Полезные концепции, сложившиеся в конце 80-х -начале 90-х годов 15
1.2. Постановка задачи и общая характеристика исследований в данной работе 19
1.2.1. Постановка задачи 19
1.2.2. Основная разрабатываемая гипотеза воздействия СА на биологические объекты 21
1.2.3. Общая характеристика исследований по разработке основной концепции 23
Основные положения, выносимые на защиту 33
Научная новизна работы 37
Практическая и научная ценность работы 40
Личный вклад автора 41
Апробация работы 42
Публикации по теме диссертации 42
Глава 2. Обзор эмпирических исследований и существовавших ранее теоретических представлений 54
2.1. Влияние солнечной активности на сердечнососудистую систему 55
2.2. Влияние солнечной активности на систему крови 62
2.3. Теоретические концепции и экспериментальные исследования возможных механизмов влияния СА на живые организмы 65
2.4. Выводы 71
Глава 3. Статистические исследования эффектов солнечной активности на популяционном материале 73
3.1. Материалы и методы исследований 73
3.2. Результаты исследований 75
3.2.1. Первый этап исследований - проверка существования биологических эффектов СА элементарными методами КМА 75
3.2.2. Второй этап исследований - использование методов спектрального анализа 80
3.2.3. Третий этап исследований - спектрально-временные и амплитудно-фазовые методы 82
3.2.4. Сопоставление с изменениями ориентации Bz -компоненты ММП и 11-летним циклом СА 84
3.2.5. Выводы 88
Глава 4. Временная структура гелиогеофизических и биологических ритмов 90
4.1.Характеристики временной структуры
короткопериодических гелиофизических ритмов. 90
4.1.1. Основные представления о гелиогеофизических параметрах 90
4.1.2. Ритмы гелиогеофизических параметров 95
4.2.Характеристики временной структуры
инфрадианных биологических ритмов 106
4.2.1. Структура биологических ритмов на популяционном уровне 106
4.2.2.Структура и динамика ритмов у детей раннего периода жизни 109
4.2.3. Временная структура биологических ритмов на всех уровнях биологических систем 118
а) на уровне органов 118
б) на уровне клетки 119
4.2.4. Поиски связи ритмов гелиогеомагнитных и биологических показателей 123
4.2.5. Поиски когерентности спектров 123
4.2.6. Поиски синхронности вариаций биологических и гелиогеофизических ритмов в цикле солнечной активности 125
4.3. Выводы 128
Глава 5. Эффекты воздействия апериодических изменений гелиогеофизических факторов- геомагнитных возмущений .. 131
5.1. Эффекты магнитных бурь 131
5.2. Исследования эффектов воздействия резких изменений Bz-компоненты ММП 140
5.3. Выводы 144
Глава 6. Исследование эффектов геомагнитных бурь в группах риска - больных с патологией сердечно-сосудистой системы и новорожденных детей 146
6.1. Клинические исследования в
первой «группе риска» 147
6.1.1. Объективные клинические исследования 147
6.1.1.1. Методы исследований 147
6.1.1.2. Материалы исследований 151
6.1.2. Результаты исследований 152
6.1.2.1 Исследования в Центральной
клинической больнице МПС 152
6.1.2.2. Исследования в Кардиологическом научном центре РАМН 156
6.1.2.3. Исследования в Клинике пропедевтики внутренних болезней
ММА им.И.М.Сеченова 161
6.2. Исследования во второй «группе риска» 167
6.3. Выводы 173
Глава 7. Исследование воздействия геомагнитных возмущений на человеческий организм, находящийся под действием внешнего стресса 176
7.1. Материалы и методы исследований 177
7.1.1. Материалы исследований 178
7.1.2. Методика исследований 181
7.2. Результаты исследований 190
7.2.1. Начальный этап космического полета
(первая серия исследований) 190
7.2.2. Одномесячный космический полет
(вторая серия исследований) 193
7.2.3. Шестимесячный космический полет
(третья серия исследований) 197
7.2.4. Сравнение данных одномесячного и шестимесячного космических полетов (обсуждение результатов) 201
7.2.5. Влияние магнитных бурь на вегетативную регуляцию кровообращения в день
посадки 204
7.3.Обсуждение и выводы 207
Глава 8. Изменение вариабельности сердечного ритма как основной показатель, реагирующий на воздействие солнечной активности 209
8.1. Исследования в группе космонавтов 209
8.2. Исследования в группе больных с инфарктом миокарда 211
8.3. Исследования в группе здоровых людей 212
8.4. Сопоставление данных по космонавтам с
данными здоровых людей 215
8.5. Зависимость ЧСС и SDNN от 11-летнего
цикла солнечной активности 217
8.6. Обсуждение и выводы 217
Глава 9. Экспериментальные исследования воздействия магнитных бурь на животных 220
9.1. Условия проведения наблюдений 220
9.2.Методика ритмологических исследований 223
9.3.Результаты исследования функциональных
характеристик деятельности сердца во время бури 225
9.4.Исследования ультраструктуры кардиомиоцитов 231
9.5.Сопоставление результатов экспериментальных исследований животных с данными исследований эффектов магнитных бурь на человеческий организм в экстремальных условиях 235
9.6. Выводы 240
Глава 10. Обсуждение результатов и выводы 242
Список литературы
- Развитие дисциплин, сыгравших роль в прогрессе проблемы
- Теоретические концепции и экспериментальные исследования возможных механизмов влияния СА на живые организмы
- Второй этап исследований - использование методов спектрального анализа
- Структура биологических ритмов на популяционном уровне
Введение к работе
Проблема воздействия солнечной активности (СА) на биосферу имеет достаточно продолжительную историю.
Серия статистических исследований в 30-50 гг. XX в. привела к качественно новым представлениям. Исследование длинных рядов различных биологических и медицинских показателей и географии их распределения выявило наличие синхронных вариаций в больших регионах земного шара и в мировом масштабе. К классическим работам этого времени относится обнаружение А.Л. Чижевским [1, 2] синхронных изменений в возникновении эпидемий, а также ритмических изменений общей смертности населения земного шара за период от V в. до первой четверти нашего столетия. Некоторые другие биологические показатели (скорость роста деревьев, миграция рыб, массовое размножение микроорганизмов и др.) также свидетельствовали о существовании факторов воздействия, по-видимому, связанных со свойствами околоземного пространства в целом и процессами на Солнце, вызывающими глобальные изменения в биосфере.
Бурное развитие геофизических и космических исследований в последующие 60-70 гг. радикально изменило представления об окружающей среде и факторах, воздействующих на биосферу. В качестве биотропных факторов первоначально рассматривались волновое (электромагнитное) излучение Солнца в различных диапазонах длин волн и космические лучи. Открытие в 60-х гг. солнечного ветра и магнитосферы Земли привело вскоре к появлению новых представлений о факторах СА, связанных с корпускулярным излучением Солнца, которые могли оказывать влияние на электромагнитные свойства среды обитания биологических объектов. Таким образом, к числу прежде рассматривавшихся экологически активных факторов прибавилось корпускулярнре излучение Солнца (солнечный ветер) и целый комплекс явлений, генерируемых этим фактором в межпланетном и околоземном пространстве.
После пионерских работ А.Л. Чижевского исследования биотропности факторов СА продолжались, и был накоплен обширный материал по поиску корреляций различных проявлений СА с функциональными и морфологическими характеристиками биологических систем, причем на всех структурных уровнях биологических объектов: на уровне физико-химических процессов, на клеточном уровне, системном и организменном уровнях, а также на попу-ляционном уровне [3-5]. Исследователями проводились сопоставления биологических показателей с индексами СА, характеризующими ее проявление как в электромагнитном излучении (в качестве индекса брался поток радиоизлучения на волне 10,7 см — F 10,7), так и в корпускулярном излучении (с вариациями геомагнитного поля — Кр, К, Ар, А, С-индексами), а также с интегральными характеристиками СА (числами Вольфа) и вспышечной активностью.
Методология исследований основывалась на установлении статистических связей между гелиогеофизическими и биологическими или медицинскими параметрами. Доказательством наличия непосредственных связей считалось обнаружение в рядах медико-биологических данных характерных совпадающих (или близких) временных изменений, а также установление для биологического явления такого же пространственного географического распределения, которое наблюдается для гелиофизического параметра. Наличие больших сдвигов по времени в рядах гелиофизических и биологических данных, выходящих за период развития биологического процесса, рассматривалось как показатель опосредованного влияния на биологическую систему ге-лиогеофизических явлений через метеорологические факторы или как проявление защитно-приспособительных свойств организмов, их устойчивости [6].
Результаты этих многочисленных исследований подробно описаны в обзорных монографиях того периода, например, А.П. Дуброва (1974) [7], В.Г. Сидякина и др. (1985) [4], Б.М. Владимирского и Л.Д. Кисловского (1982) [8], в обзорных работах В.Г. Сидякина и др. (1983) [9], Н.А. Темурьянц и др. (1982, 1983, 1985) [10-12], сборнике статей под редакцией Н.В. Красногорской (1984) [13] и в других работах.
Очевидно, что обилие работ отечественных авторов, посвященных воздействию С А на человека, свидетельствовало о наличии научной проблемы в этой области и значительного интереса к ней. Была создана специальная подкомиссия при Научном совете по геомагнетизму в Академии наук, руководимая академиком А. Казначеевым и курируемая от Академического совета по геомагнетизму В. А Троицкой, которым предписывалось координировать и осуществлять экспертизу по этой проблеме. Всерьез обсуждалась также возможность открытия отделения по гелиобиологии в Академии наук.
Развитие дисциплин, сыгравших роль в прогрессе проблемы
В середине 80-х и в начале 90-х гг. неожиданно наметился прогресс в ряде дисциплин, весьма важных для гелиобиологии, который привел к пересмотру ее основных концепций и преодолению, по крайней мере, некоторых аспектов описанного выше скептицизма.
Одной из таких дисциплин является теория переходов, индуцированных шумом, и ее практические приложения в биологии [19-21]. Биологические объекты, как известно, в этой теории рассматриваются как сложные открытые нелинейные системы, для поведения которых эффекты влияния слабого внешнего шума являются, в противоположность интуитивным представлениям, фундаментальными. Внешний шум может играть активную роль в процессах самоорганизации этих систем.
Очевидно, что эти представления могли в значительной степени разрешить проблему энергетического парадокса воздействия слабых природных ЭМП уровня шума на биологические системы. Очевидно также, что неоднозначность реакции сложных нелинейных систем на слабые воздействия является их характерным свойством, и что она зависит не только от характера воздействующего фактора, но и от состояния самой системы. Это могло приводить, в частности, к упоминавшейся выше неоднозначности и плохой воспроизводимости лабораторных экспериментов.
Эти непростые положения не легко поддавались восприятию междис-цишшнарного сообщества, занимающегося исследованием воздействия ге-лиогеофизических факторов на биологические системы. Физики различных направлений, выражая скептицизм по отношению к проблеме, долгое время не учитывали, да, впрочем, зачастую продолжают не учитывать и в настоящее время, то обстоятельство, что речь идет о взаимодействии сложных нелинейных систем и о переходах, индуцированных шумом. Критики проблемы настоятельно требуют в данном конкретном случае построения строгих математических моделей. Однако разработка такой модели является чрезвычайно сложной задачей. Сама область исследований еще очень молодая и развита в большей степени в общем, теоретическом плане [19-21]. Точное математическое описание фазового перехода системы в случае неравновесной неустойчивости или индуцированного шумом возможно только после того, как четко сформулировано удовлетворительное феноменологическое описание столь сложной системы. Однако, благодаря упомянутым исследованиям [19-21] у энтузиастов проблемы появились новые серьезные основания для продолжения работы.
Другими дисциплинами, важными для становления новых плодотворных концепций в гелиобиологии, стали хронобиология (или биоритмология, как ее называют в нашей стране) и хрономедицина.
Сравнительно недавно гелиобиологи обратили внимание на то, что характерной чертой биологических систем являются биоритмы (см., например, обзор в [22]). Последние определяются, по-видимому, как самой природой биосистем, их генетическим аппаратом, так и внешними датчиками. Биоритмология и хрономедицина, как науки, занимаются вопросами временной организации биологических объектов, исследованием ее формирования в процессе эволюции, внешними факторами, заводящими «биологические часы», а также исследованием процесса интеграции в генетическую структуру живых организмов ритмов внешних датчиков. Эти науки изучают биологические ритмы на различных уровнях организации жизни (от клеточного до популя-ционного) и в разных временных диапазонах (от миллисекунд до десятков лет). Биоритмология в наибольшей степени учитывает фактор времени и воз Глава 1 действие внешних датчиков времени, что и выдвинуло ее в настоящее время на передний план в рассматриваемой проблеме.
Накопленный биоритмологами опыт убедительно свидетельствовал, что многие биоритмы в значительной степени синхронизируются гелиогео-физическими колебательными процессами соответствующих периодов. Например, на сегодняшний день известно около 400 циркадианных (околосуточных) ритмов (с периодом колебаний 20-28 часов). Длительное время хро-нобиологические исследования были направлены в основном на эти пиркадианные ритмы, считавшиеся ведущими и определяющими всю динамику биологических показателей. Естественным времядатчиком, сформировавшим в процессе эволюции эндогенную циркадианную ритмику, считается ритм солнечной освещенности (чередование дня и ночи), и, соответственно, ритмы температуры, определяемые собственным вращением Земли (см. например, [21-24]). Однако в остальных случаях, даже в простейших из них, далеко не всегда удавалось выявить внешний синхронизатор, а в случае успеха он мог иметь и не гелиогеофизическое происхождение (например, социальное). Для поисков прямого воздействия ритмических изменений гелиоге-офизических факторов на биологические системы требовалось применение адекватных математических методов.
Таким образом очевидно, что описанные выше представления новых развиваемых дисциплин, теории индуцированных шумом переходов и хронобиологии (хрономедицины), могли, по-видимому, сыграть решающую роль в становлении новых представлений в гелиобиологии. В этот период, в частности, начали появляться также математические модели биологических процессов, опирающиеся на упомянутые выше дисциплины, оказавшие существенное влияние на дальнейшее развитие проблемы [19-21]. Например, Артур Уинфри, известный американский специалист в области математической биологии, исследуя биологические ритмы, показал [21], что при определенных условиях, под влиянием весьма слабых возмущений, группа биологических «осцилляторов», в том числе пульсирующие клетки мозга и сердца, спонтанно становятся синхронизованными, и начинают биться в унисон. Он также показал, каким образом даже наиболее стабильные из подобных ритмов могут внезапно коллапсировать, и при этом возникают хаотические движения, которые иногда приводят к фатальным последствиям. В сущности, подобные явления возникают в точке сингулярности фазы, то есть в случае, когда фаза процесса не может быть определена однозначно.
Теоретические концепции и экспериментальные исследования возможных механизмов влияния СА на живые организмы
Несмотря на то, что в значительной части работ, посвященных проблеме, отмечается существенная экологическая значимость электромагнитных полей (Ю.А. Холодов, 1975 [31], Г.Ф.Плеханов, 1976 [28], Пиккарди, 1962 [91], А.С.Пресман, 1968 [92]), В.Г. Сидякин и др., 1983 [9], Б.М. Владимирский и Н.А. Темурьянц, 2000 [93]), Л.Д. Кисловский, 1982 [94], до недавнего времени не было четких представлений о механизмах воздействия ЭМП на биосистемы. В частности, это связано с отсутствием представлений о том, какие именно характеристики (амплитуда, частотный диапазон, продолжительность воздействия, степень изменчивости) и на каком из структурных уровней живого организма могут оказаться наиболее активными в отношении воздействия на биосистемы.
Имеются противоречивые точки зрения относительно структурного уровня, максимально чувствительного к ЭМП. Условно представляя организм как систему замкнутых контуров, по которым движется жидкость, находящаяся в переменном ЭМП, авторы ряда работ предполагали, что вариации магнитного поля должны вызвать ответные реакции на системном и ор-ганизменном уровнях. В ряде работ [27, 31] отмечалось, что максимальной чувствительностью к ЭМП обладает именно целостный организм, а отдельные органы и, тем более, клетки - гораздо меньшей. Повышенную же чувствительность изолированных от организма органов и тканей к ЭМП следует считать патологической реакцией. В других работах [95, 96] считалось, что максимальное воздействие ЭМП проявляется на субклеточном и молекулярном уровнях. Измерения сверхнизкочастотных магнитных полей с помощью появившихся в последнее время высокочувствительных магнитометров — сквидов — позволяли исследовать магнитные поля отдельных органов и проявление их активности под влиянием внешних ЭМП, например, изменение сердечной активности (величины кровотока) из-за сильного парамагнетизма гемоглобина крови [97, 98].
Требует серьезной проверки и гипотеза об определяющем влиянии ко-роткопериодических вариаций — Рс-пульсаций ЭМП на состояние клетки [99].
Оценивая гелиогеофизические факторы по энергетическим характеристикам, следует заключить, как уже отмечалось ранее, что их воздействие сопоставимо по этому параметру с фоном и с социальными факторами, а иногда и существенно ниже их.
Напряженность стационарного собственного магнитного Земли (его полный вектор) на поверхности планеты изменяется в зависимости от географического пункта от 2S до 5$ Тл. Однако это поле не может оказывать су-щественного влияния на организм. Для того чтобы повлиять на характер кровотока, например, в капилляре просветом 1 мк, стационарное магнитное поле должно превышать в 1000 раз значение постоянной компоненты геомагнитного поля на поверхности Земли (1000 Гаусс) [100].
Переменное магнитное поле, источники которого располагаются вне Земли, в ее магнитосфере, фиксируется на записях магнитных обсерваторий в виде непрерывных колебаний. Вариации геомагнитного поля во время магнитных бурь составляют тысячные доли 1 Гаусса. Именно в магнитосфере происходят сложные процессы, ответственные и за спокойные вариации различных периодов и за различные возмущения, в том числе магнитные главного поля). В зависимости от амплитуды колебаний выделяют малые, умеренные, большие и очень большие бури. Основная фаза регулярной магнитной бури в среднем длится 4-10 часов, а восстанавливается нормальный уровень значений магнитного поля через 2-3 суток.
В работе [101], оцениваются магнитные поля техногенной природы в большом промышленном городе, опираясь на выполненные измерения. Оказалось, что даже на окраине города - вдали от промышленных предприятий и городского электротранспорта, колебания техногенного поля в дневные часы близки по интенсивности к очень большой магнитной буре, в центральной же части города колебания техногенного магнитного поля существенно превышают по амплитуде самые большие из когда-либо зарегистрированных магнитных бурь. Автор приводит пример, что статические поля железобетонных конструкций, межэтажных перекрытий, плит автострад, а также тротуаров достигают величины (10-15)-Ю-6 Тл. Входя в вагон электропоезда или трамвая, человек попадает в магнитную среду, отличающуюся от нормальной на величину, сопоставимую с главным геомагнитным полем. Правда, техногенные поля могут отличаться от природных спектром и динамикой, однако, их воздействие на организм также мало исследовано.
Приведенные выше результаты исследований, как уже отмечалось, выдвинули теоретическую концепцию о том, что природные ЭМП оказывают не энергетическое, а информационное воздействие на биосистемы [92], то есть, представлялось, что вариации ЭМП могут оказывать стимулирующее, регулирующее или дестабилизирующее действие в зависимости от определенного характера их спектральных характеристик (частоты, скорости изменения и т. д.).
Второй этап исследований - использование методов спектрального анализа
Результаты применения методов спектрального анализа, очевидно, позволяют сформулировать рабочие гипотезы для более полного дальнейшего анализа как самих ритмических структур изучаемых процессов, так и био-тропного воздействия солнечной активности. Для решения последней задачи желательно также определить не только усредненные за все время анализа характеристики ритма, но и проследить динамику изменения характерных особенностей ритмического процесса.
С помощью спектрально-временного анализа из каждого ряда наблюдений удается выделить временные сигналы колебательного характера, соответствующие выявленным ранее на этапе исследования спектральной структуры процессов средним периодам. Глава З
Схематическое изображение амплитудно-фазовой диаграммы заболеваемости инфарктом миокарда в Москве за 1979-1981 гг. б) График динамики уровней амплитуды около 3,5 дневного ритма инфаркта миокарда по сезонам года
На рис. 6 для иллюстрации амплитудно-фазовых характеристик элементов биоритмологической структуры показана ежесуточная динамика изменения в течение трех лет амплитуды и мгновенного периода недельного ритма инфаркта миокарда. Эта диаграмма получена амплитудно-фазовой процедурой с применением комплексной демодуляции Тью-ки[33].
На приведенной амплитудно-фазовой диаграмме штриховкой разной интенсивности показаны уровни амплитуды по дням (отложенным по вертикали в соответствии с принятой шкалой времени сверху вниз) различных ритмических составляющих с изменяющимися текущими периодами (отложенными по горизонтали в логарифмическом масштабе) из ограниченного частотного диапазона сигналов. Отчетливо видны не только преобладание недельного ритма, но и присутствие полунедельной ритмической составляющей, а также динамика их изменений по сезонам года. Поскольку около 3,5-дневный ритм на рис. 6а сопровождается в 1979 и 1981 гг. локальными возмущениями (шумы на других частотах), сезонное поведение уровней мощности этого ритма представлено на рис. 66, откуда видно, что сезонный характер ритма повторяется в 1979 и 1981 гг.
Проведенный анализ позволил заключить, что только у инфарктов миокарда в недельном распределении имелось два пика с определенной динамикой их выраженности.
Далее проводилось сопоставление всех данных медицинской скорой помощи г. Москвы за 1979-1981 гг. с данными об изменениях ориентации В2-компоненты межпланетного магнитного поля, по каталогу Кинга (данные космического аппарата ИМП-8). Значения В2-компоненты были усреднены за сутки для сопоставления с ежесуточными данными скорой помощи.[132, 133].
Изменение ориентации Bz с северного направления на южное играют, как известно, определяющую роль в развитии геомагнитных возмущений. Мы определяли подобные изменения как вариации суточных средних величин Bz от значений Bz 1 пТ до Bz -1,5 пТ. За три анализировавшихся года было получено 32 таких поворота Bz. Из данных по каждой из патологий выделялись для анализа числа вызовов скорой помощи за выбранные 2 дня, а также за два дня до того, как наблюдалось Bz 1 пТ (-1 и -2) и за два дня после того, как наблюдалось Bz -1,5 пТ (+1 и +2).
Для каждого из выделенных таким образом 6-й дней рассчитывалось относительное число вызовов по каждой патологии как процент от среднего значения за 6 дней, которое считалось равным 100 %. Затем проводилось усреднение числа случаев для каждого дня по трем годам.
В табл. 2 представлены полученные результаты.
Оценки различий сделаны по критерию Стюдента (t). Из Таблицы видно, что снова только у инфарктов миокарда (ИФ) имеются достоверные различия, свидетельствующие о возрастании числа вызовов в первый день (+1) после изменения ориентации Bz (Р = 0,027). Относительное число ИФ за день до поворота Bz (-1) и после поворота (+1) также достоверно отличается (Р = 0,045). На второй день после поворота Bz (+2) наблюдается статистически достоверное небольшое падение как числа инфарктов миокарда ИФ (Р = 0,029), так и числа внезапных смертей вследствие инфарктов миокарда ВС (Р = 0,012). Все остальные патологии не проявляют статистически досто верной зависимости от изменений ориентации межпланетного магнитного поля.
Для того, чтобы убедиться в связи наиболее чувствительного к вариациям В2-компоненты ММП - инфаркта миокарда с вариациями солнечной активности проведено исследование изменений числа случаев смертности от инфаркта миокарда по данным, полученным в Миннесоте (США), в цикле солнечной активности. База данных содержала 129 205 случаев зарегистрированных с 1968 по 1996 г. [145]. На рис. 7 показаны результаты анализа. После исключения линейного тренда (рис. 7а) был достоверно выделен ритм с периодом 10,5 лет (Р 0,001). На рис. 76 показана только компонента в 10,5 лет, хотя хорошо известно, что солнечные циклы имеют определенную асимметрию (см. рис. 7в).
Структура биологических ритмов на популяционном уровне
Интенсивность и характер геомагнитных бурь имеют принятую классификацию, определяемую как уровнем такой характеристики бури, как Dst вариация [111], так и отождествлением бурь с источниками, связанными с явлениями на Солнце и в солнечном ветре [112, 113].
Имеется, по крайней мере, два типа явлений в солнечном ветре, приводящих к возникновению геомагнитных бурь на Земле - корональные выбросы массы (СМЕ) и коротирующие области сжатия при взаимодействии раз-носкоростных потоков солнечного ветра (CIR). Распространение СМЕ в межпланетном пространстве геоэффективно из-за присутствия в таком выбросе сильного магнитного поля Солнца или поля, возникшего вследствие сжатия ММП ударной волной, генерированной СМЕ. Это распространение СМЕ сопровождается обычно образованием различного рода структур в солнечном ветре (ІСМЕ), включая магнитные облака и сильные всплески Bz-компоненты ММП, когда она принимает значения, на порядок величины превышающие средние значения, и изменяет свою ориентацию. Другой причиной геомагнитных бурь могут быть CIR, которые представляют собой структуры, возникающие в случае, когда высокоскоростные потоки солнечного ветра, возникающего в области открытых магнитных силовых линий в корональных дырах, взаимодействуют с потоками медленного солнечного ветра, образующегося в области замкнутых силовых линий (см., например [114]). Имеются также геомагнитные бури, связанные со вспышками на Солнце и межпланетными ударными волнами, порождаемыми этими вспышками, однако только примерно 20% всех геомагнитных бурь можно связать с этими явлениями, в то время как примерно 30% всех бурь связана с СМЕ и примерно 30% с CIR [113].
Наиболее сильные планетарные геомагнитные бури как в максимуме, так и в минимуме СА почти всегда (97%) связаны с приходом к Земле структур, относящихся к СМЕ. Умеренные бури в основном связаны с CIR в минимуме СА и СМЕ в максимуме СА [112, 115]. Следует подчеркнуть, что распределение Кр-индексов, соответствующее возмущениям, генерированным СМЕ и CIR, не зависит от цикла СА, а также, что наибольшие значения Кр -индекса, соответствующие приходу к Земле СМЕ, наблюдаются в присутствии южной компоненты ММП, то есть, когда Bz отрицательна [112].
Как следует из предыдущего раздела, гелиогеофизические ритмы с периодами, соответствующими периоду собственного вращения Солнца, стали известны еще с начала космических исследований. В частности, приходы к Земле рекуррентных высокоскоростных потоков солнечного ветра с около 27-дневной периодичностью и их роль в формировании геомагнитной активности широко обсуждались в литературе. Однако детальной структурой этих и более короткопериодических гелиогеофизических ритмов и их динамикой в цикле солнечной активности в 80-х гг., когда начались обсуждающиеся здесь исследования, никто всерьез не занимался. Некоторый интерес к околонедельным ритмам скорости солнечного ветра возник в связи с объяснением околонедельных вспышек яркости блеска комет взаимодействием с крупномасштабной структурой высокоскоростных потоков солнечного ветра в работе [131].
На рис. 12 показаны спектры короткопериодических (с Т 28 дней) вариаций Bz-компоненты ММП и планетарного Кр-индекса, полученные нами при спектральном анализе данных наблюдений за 32 и 59 лет, соответственно [142-144].
Фурье спектр Bz ММП (данные были получены из Мирового Центра NOAA) рассчитывался следующим образом: дням, когда Bz была в среднем отрицательна, приписывались значения -1, положительным дням приписывались значения +1, а дням с неопределенным знаком Bz — 0. Пропуски данных в спутниковых измерениях восстанавливались методом Мансурова -Свалгарда по данным магнитных обсерваторий в высоких широтах. При расчете спектров использовался шаг по частоте 10 колебаний в год, окно в 168 дней и смещение 20 дней.
Спектр Кр-индекса рассчитывался методом косинор-анализа в спектральной области периодов от одного месяца до 3, 5 дней. Этот довольно архаичный метод был введен Ф.Халбергом на заре биоритмологических исследований [33] и использовался нами в ряде совместных работ с ним и его коллегами из Университета в Миннесоте. Он также широко используется в биоритмологических исследованиях до настоящего времени.
Наблюдаемая в дискретных точках функция от времени yi(tj) аппроксимировалась с помощью линейного метода наименьших квадратов следующим выражением: yi(tj) = М + A cos(coti + 0) + є„ где со = 2я/т, ЄІ — величина расхождения, 9 — акрофаза, отсчитываемая от фиксированного исходного значения в пределах от 0 до 360. При фиксированном периоде искомыми параметрами являются величины М, А и 9. Если дополнительно находится и период т, то используется нелинейная модификация метода наименьших квадратов.
Величина М — мезор, представляет собой согласованное с данным периодом среднее значение функции. Его иногда называют средней статистической оценкой ритма (MESOR — Midline Estimating Statistic of Rhythm) — она совпадает с обычным средним значением только при равномерном распределении измеряемых значений U, если к тому же реализация содержит целое число периодов или длина реализации много больше исследуемого периода. При необходимости, величины А и 9 могут усредняться как характе ристики вектора. Хорошо синхронизованные компоненты при этом дают более достоверные значения. Мы будем называть такой метод усреднения РМ-средним («population mean»).
В данном случае кривые в виде косинусоид, описывающие ритмы различных периодов подбирались отдельно для 3-часовых значений Кр-индекса каждого календарного года, а затем усреднялись за 59 лет. Использовался шаг по частоте от 10 колебаний в год до 1 колебания за 70 ч.
Из рис. 12 видно, что имелись выраженные спектральные пики мощности в спектре Кр для периодов 26,1; 13,7; 9,0 и 6,74 дня, сходные с пиками мощности в вариациях В2-компоненты ММП (28; 14; 9; и 6,7 дней). Полученные спектры Кр свидетельствовали о большой расщепленности пиков в области пика 28 дней (рис. 13) [132].
