Движение заряженных частиц в ионосфере под действием электромагнитных сил в геомагнитном поле индуцирует ток в части ионосферы, которую называют «динамообластью» (до 140 км). Токи в ионосфере – источник наблюдаемых геомагнитных вариаций, а из области Е они индуцируют токи в области F. Область D (50–85 км) – самая нижняя область ионосферы, с низкой концентрацией электронов. Здесь наблюдаются высокая частота соударений и сильное затухание электромагнитных волн, изучается распространение сверхнизкочастотных колебаний типа атмосфериков (10 КГц) в волноводе «Земля – ионосфера». Максимум электронной концентрации в слое D находится вблизи 80 км, которая зависит от СА. Суммарная величина концентрации ионов для области D имеет 27-дневную периодичность, характеризующая вариации СА и хорошо коррелирует с вариациями ОЧСП (Ришбет Г., Гарриот О. К., 1975).

Область Е ионосферы (85 – 140 км) образуется под действием мягкого рентгеновского излучения Солнца, и в этой области основными ионами являются молекулярный кислород и окись азота. Электронная концентрация в области Е в полдень составляет около 10⁵ на см³ для периода минимума солнечной активности и примерно на 50 % больше в период максимума. Концентрация изменяется со временем суток, сезоном и широтой и зависит от уровня солнечной активности. Электронная концентрация в слое Е имеет максимум около полудня. Этот слой существует обычно днем, но часто остается остаточная ионизация – ночной слой Е. Внутри области Е в тонком слое (несколько км) на высоте около 100 км часто наблюдается повышенная по сравнению с вышележащими областями электронная концентрация. Это явление называется спорадическим слоем E (E_S). Сезонные вариации частоты появления E_S и его интенсивности малы, но сезонные флуктуации проявляются четко. Максимум частоты проявления E_S в средних широтах наблюдается летом в дневное время. Слой E_S, особенно в высоких широтах, тесно связан с вторжением в земную атмосферу потоков частиц высоких энергий, с полярными сияниями и геомагнитными нарушениями. Существуют данные, показывающие тесную связь E_S с ветровым режимом в Е-области ионосферы и турбулентностью (Галкин А. И. с соавт., 1971; Владимирский Б. М., 1982). В ионосфере существует целый спектр неоднородностей электронной плотности – от десятков метров до сотен километров (Казимировский Э. С., 1990).

Корпускулярный слой E – толстый слой E с критической частотой, значительно большей, чем частота нормального слоя Е. По традиции он называется ночным слоем Е, так как критическая частота нормального слоя Е в ночные часы бывает ниже наименьшей частоты регистрирующей аппаратуры. Часто бывает, что разница частот корпускулярного слоя и нормального Е больше, чем между f₀E и f₀E₂. В ночные часы, когда f₀E нормального слоя Е не превышает 300–500 Кгц, f₀E корпускулярного слоя E выше 1 Мгц и доходит до 5 Мгц. После появления корпускулярного слоя Е наблюдается E_S с запаздыванием (Руководство URSI…, 1977).

Область F₁ ионосферы является промежуточной между областями E и F₂, располагается на высотах 160–200 км. Максимум электронной концентрации при этом находится на высоте h ≈ 170–200 км. Слой F₁ появляется чаще всего летом, днем и в период минимума солнечной активности. В ночное время слой F₁ не появляется совсем. Электронная концентрация в максимуме слоя меняется с сезоном и географическим положением. Наблюдаются и сезонные вариации этой величины. На условия появления слоя F₁ влияет нестационарный характер процессов, протекающих в ионосфере и связанных с динамическими процессами в нейтральной среде (Галкин А. И. с соавт., 1971).

Область F₂ ионосферы – самая обширная и сложная область, лежащая выше 200 км. Основными ионами в этой области являются атомарный азот и кислород c сильным преобладанием кислорода (O⁺). Электронная концентрация в максимуме F₂ меняется сложным образом. В нем есть отклонения, которые принято называть «аномалиями слоя F₂». Хорошо известна суточная аномалия, когда концентрация электронов в максимуме слоя в полдень имеет четкий минимум. Суточная вариация максимальной концентрации электронов имеет либо один максимум, сильно сдвинутый относительно полудня, либо 2 максимума. Выделяют географическую аномалию, проявляющуюся в том, что вблизи магнитного экватора имеет место минимум полуденной концентрации в ее широтном ходе, в то время как вследствие вертикальности падения солнечной радиации должен бы наблюдаться максимум. Сезонная аномалия проявляется в том, что везде, особенно вблизи широты 50°, значение концентрации электронов в полдень особенно велико местной зимой. Существует так называемая декабрьская аномалия – в зоне широт 50° северной широты – 35° южной широты. Она аномально велика в ноябре, декабре, январе. Декабрьская аномалия усиливает сезонную аномалию в северном полушарии. Зимняя аномалия слоя F₂ наиболее выражена в период максимума солнечной активности (Казимировский Э. С., 1990; Смирнов Р. В., Кононович Э. В., 1994). Выявлена ключевая роль кольцевого тока в динамике земной магнитосферы, солнечно-земных и магнито-ионосферных связях. Во многих динамических магнитосферных процессах значительную роль наряду с протонами играют ионы гелия и кислорода. Источники ионов различны: частицы – в основном солнечного происхождения, а ионы кислорода – ионосферные (Ковтюк А. С. с соавт., 1995). Резкой границы между атмосферой и ионосферой нет, их слои перекрывают друг друга, а процессы, происходящие в них, взаимообусловлены (Полак Л. С., 1960; Погодин И. Е., 1994).

В ионосфере находятся высокоэнергетические частицы – электроны и протоны, направляемые силовыми линиями геомагнитного поля. Они гигантскими тысячекилометровыми струями вторгаются в атмосферу, вызывая полярные сияния. Ионосферные слои способны смещаться друг относительно друга с очень большими скоростями до нескольких сот метров в секунду, что сопровождается в силу сильной ионизации мощными электрическими токами и низкочастотными колебаниями в атмосфере. Возмущения в ионосфере могут генерировать инфразвук. Шумовые бури часто возникают в связи с возникновением солнечных пятен, которые функционируют в течение минут, часов или суток (Казимировский Э. С., 1990). Ионосферный волновод существует между поверхностью Земли и ионосферой и имеет собственные частоты с основной полосой 7–8 Гц, амплитуда колебаний в которой возрастает во время магнитных бурь в несколько раз (Плясова-Бакунина Г. А., Матвеева Э. Т., 1969).

Наиболее регулярно действующим источником ультранизко-частотного излучения около земной поверхности является молния. Молния распространяется по волноводу «Земля – ионосфера». Максимум энергии в этой части сигнала лежит в области частот 60 – 200 Гц (Галкин А. И. с соавт., 1971).

На процессы магнитосферы оказывают влияние и параметры межпланетного МП. Выявлена корреляция состояния ионосферы с межпланетным МП. Перемена его знака ведет к изменениям электрических токов и полей магнитосферы Земли. Солнечные вспышки вызывают дополнительные ионосферные токи с частотой около 0,04 – 5 Гц на 3 – 4-е сутки с последующим развитием магнитных бурь и 1000-кратными флуктуациями напряженности электрического поля на частоте в области 1 Гц, так же как и в случае изменений СА. Эти процессы всегда сопровождаются инфразвуковой бурей на частотах 0,01 – 0,05 Гц с максимумом эффектов в ночные и утренние часы (Мирошниченко Л. И., 1981). Эти обстоятельства и факторы могут иметь существенное биотропное действие.

В Руководстве URSI (1977) даются определения наиболее важных терминов. Предельной частотой слоя называют наивысшую частоту, на которой получается отражение от слоя при вертикальном зондировании. Экранирующей частотой слоя – самую низкую частоту, на которой слой начинает становиться прозрачным, отождествляется с появлением отражений от слоя, расположенного более высоко. Критической частотой слоя называется наивысшая частота, на которой слой не только отражает волну, но и пропускает ее. Минимальная действующая высота – высота, на которой след отражений от ионосферы на ионограмме горизонтален. Максимально применимая частота (МПЧ). На ее основе определяют действующую высоту максимальной электронной концентрации слоя. За стандартное расстояние принято расстояние в 3000 км. Например, М(3000)F₂ – обозначает коэффициент, на который надо умножить частоту слоя F₂ – f₀F₂, чтобы получить МПЧ(3000)F₂ – максимальную частоту, отражающуюся от слоя F₂ с расстояния 3000 км. Для удобства масштаб величин записывается увеличенным в 100 раз (Ионосфера…, 1982).

В число характеристик, рекомендуемых URSI для определения на ионосферных станциях, входят следующие ИП: f₀F₂, M(3000)F₂, f₀E_S, f_min. Существует международная договоренность по определению этих параметров (Руководство URSI …, 1977). f₀F₂ – критическая частота обыкновенной волны, отраженной от самого высокого отслоения в области F (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). f₀E_S – предельная частота обыкновенной волны, соответствующей наибольшей частоте, при которой наблюдается основной непрерывный след отражений от слоя E_S (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). f_min – наименьшая частота, при которой на ионограмме наблюдаются следы отражений от ионосферы (представляется в МГц, увеличена в 10 раз). h'F – минимально действующая высота следа отражений обыкновенной волны от взятой в целом области F (представляется в км). Перечисленные ионосферные параметры на моменты проведения физиологических исследований были получены в Санкт-Петербургском филиале ИЗМИ РАН (пос. Войеково).

В реальной природе имеет место комбинированное воздействие природных факторов, которые не строго периодичны (Richner H., Greber W., 1978). Поэтому, вероятно, на организм оказывают влияние именно эти первичные, фундаментальные физические факторы. В нашей работе изучались 5 вышеуказанных ИП. Для демонстрации сопряженности их с глобальными показателями космоса на рис. 1.3 представлена сглаженная динамика ППСР3000 и ГИКЛ за 1977–1988 гг. (Космические данные …, 1977–1988) в моменты изучения крови у больных с психическими расстройствами без выраженной соматической патологии. Таким образом, изучая корреляционные связи параметров ионосферы в динамике с биологическими показателями можно судить по крайней мере о характере соотношений космических и солнечных излучений, находящихся в противофазе. В табличном материале обозначение ИП означает все 5 исследованных ионосферных параметров: f₀F₂, M(3000)F₂, f₀E_s, f_min, h'F.

Рис. 1.3. 12-летняя динамика (с 1977 по 1988 г.) двух ионосферных показателей: критической частоты f₀F₂ слоя F₂ и коэффициента М(3000)F₂ ионосферы, а также плотности потока солнечного радиоизлучения на частоте 3000 Мгц (ППСР3000) и глобальной интенсивности космических излучений (ГИКЛ) – в моменты исследования гематологических признаков циркулирующей крови. Наглядно представлены 11-летние тренды космических и ионосферных параметров наряду с квазипериодическими нерегулярными флуктуациями

В силу недостаточной изученности влияния ионосферы на биосферу существует необходимость обоснования выбранных ионосферных параметров для изучения корреляционных связей с медико-биологическими и психологическими показателями, исследованными в настоящей работе. Для этого приводятся основные закономерности поведения физических параметров, сопряженных с ионосферными процессами.

Так, в авроральной (возмущенной) ионосфере могут образовываться слабые крупномасштабные неоднородности (Гельберг М. Г., 1980). D. H. Rind (1978) приводит результаты исследования нижней термосферы по 10-летним непрерывным наблюдениям инфразвуковых естественных шумов, что говорит о постоянном их наличии в атмосфере и зависимости их появления от множества факторов, в том числе от нагревания стратосферы (Rind D. H., Donn W. L., 1978), внутренних гравитационных волн при грозовых разрядах в атмосфере (Григорьев Г. И., Докучаев В. П., 1981). Вариации ветров и инфразвуков могут быть результатом планетарных гравитационных волн, СА, геомагнитных эффектов. В атмосфере иногда возникают бронтиды – естественные шумы взрывного характера (Gold T., Soter S., 1979). Установлено наличие инфразвуковых колебаний в слое F₂ и слое F в целом ионосферы, которые связаны с сильными грозами (Raju D. G. et al., 1981; Rao B. M. et al., 1981). Кроме того, низкоширотный инфразвук связан с геомагнитной активностью (Srivastava B. J. et al., 1982) и может производить геомагнитные вариации во время землетрясений (Альперович Л. С. с соавт., 1978). Электронный поток ионосферы и полярных сияний тоже генерирует инфразуковые волны (Suzuki Y., 1979), которым приписывают акустико-гравитационно-резонансные механизмы развития в атмосфере под авроральной ионосферой (Алексеева Л. М., Гетлинг А. В., 1978) и даже вокруг всей земной сферы (Григорьев Г. И., Докучаев В. П., 1978; Безрученко Л. И., Залялютдинов А. Р., 1979). Скорость смещения области F ионосферы достигает 10–40 м/с, при этом вертикальное движение области F – параметр действующей высоты h'F приводит к ее деформационным изменениям и хаотическому движению ионосферы (Васьков А. М., Димант Я. С., 1989; Киселев В. Ф. с соавт., 1989).

Атмосферный газ имеет естественную вертикальную стратификацию, поэтому любое возмущение или движение, имеющее порядок высоты атмосферы вызывает в ней внутренние волны. Атмосфера рассматривается в качестве нелинейно-дисперсионного фильтра. Возмущения большой амплитуды имеют свойство быть слабо затухающими, а многомодовые малой амплитуды – сильно рассеиваются (Корнеев Н. А. с соавт., 1985; Мусатенко С. И., 1985).

Cуществуют определенные временные соотношения всплесков ГМП и ионосферы (Арошидзе Г. М., 1971; Курганов Р. А., Кацевман М. М., 1989), в частности слоя E_S (Гусев В. Д. с соавт., 1989). Флуктуации плотности ионосферной плазмы нестационарны (Лаугалис Р. В., Швирта Д. И., 1987). Во время аномальных возмущений отражающая поверхность слоя E_S имеет форму фокусирующей линзы. Механизм ее возникновения заключается в образовании горизонтального градиента вертикального сдвига этого слоя (изменения, в том числе действующей высоты h'F) (Насыров А. М., Стрекалов В. А., 1989; Овезгельдыев О. Г. с соавт., 1989а). Спорадический слой E_S в годы минимума СА существенно изменяется (Солуян С. И., Хохлов Р. В., 1975; Березин И. В. с соавт., 1989). При гирочастотном нагреве ионосферы существует эффект антикорреляции электромагнитных излучений, возбуждаемых на частотах выше и ниже частоты волны накачки с эффектом самофокусировки ионосферных неоднородностей (Бойко Г. Н., Фролов В. Л., 1989; Голян С. Ф. с соавт., 1989), в том числе при прохождении СВЧ-излучений Солнца (Балашов В. И. с соавт., 1989).

Особенности взаимодействия плазмы ионосферы и СВЧ-излучений в том, что частоты СВЧ значительно больше характерных частот плазмы ионосферы. Этот фактор определяет особенности нагрева, рассеяния и преобразования в продольные волны. Исследованы процессы прохождения СВЧ-излучений через характерные зоны D, E, включая E_S, F₁ и F₂ в средних широтах до высот слоя F₂, где плазменная частота уменьшается. Показано, что все упомянутые слои ионосферы имеют свои определенные характеристики взаимодействия с СВЧ-излучениями. Это означает, что до Земли доходят существенно модифицированные СВЧ-излучения Солнца (Баранец А. Н. с соавт., 1989; Белей В. С. с соавт., 1989; Бубнов В. А., Устинович В. Т., 1989; Кауфман Р. Н., 1989).

Флуктуации СА, межпланетного МП модулируют спектр КЛ, достигающий земной поверхности (Гончарова Е. Е. с соавт., 1989). Изменения акустических шумов атмосферы очень низкой частоты (< 1 Гц) – инфразвуковых колебаний естественного происхождения связаны с СА, особенно тесная связь инфразвуков при полярных сияниях. Поэтому они являются передатчиком СА на биосферу, поскольку акустические волны биологически активны на естественных частотах порядка 0,01 Гц с амплитудой в районе 10 дин/см². Такие воздействия имеют место при короткопериодичных колебаниях ГМП, сопровождающиеся атмосфериками на частотах 10⁴ Гц. В спектре естественных инфразвуков атмосферы они занимают полосу от 16 Гц (слышимые) до 0,003 Гц (ниже этой частоты преобладают внутренние гравитационные волны. Они всегда присутствуют в атмосфере на частотах ниже 1 Гц, слабо затухают, могут распространяться за тысячи километров от источника (землетрясения, штормы). Обычный акустический фон имеет амплитуду около 1 дин/см², что значительно меньше локальных флуктуаций при наличии ветра (Владимирский Б. М., 1974).