Проблемы ЭМБ на электрифицированном железнодорожном транспорте

Электромагнитные параметры воздушной среды

Естественные ЭМ параметры воздушной среды

Распределение электромагнитных полей (ЭМП) в воздушной среде зависит не только от инфраструктуры окружающего пространства, но и, в первую очередь, от её электромагнитных (ЭМ) параметров: электрической проводимости ув, магнитной рв и диэлектрической ?в проницаемостей.

Рассмотрим влияние этих параметров на ЭМ процессы в зависимости от метеорологических условий и от практической деятельности человека.

Электрическая проводимость воздуха. Известно [1.1], что воздух, как, впрочем, и другие газы, является лучшим изолятором электричества при обычных условиях давления и температуры. Однако работы Эльстера, Кейтеля и Вильсона показали, что и атмосфера обладает несомненною проводимостью, а опыты Эберта (Ebert) и Эмдена (Emden) выяснили тот факт, что с высотою электропроводимость воздуха быстро возрастает, колеблясь в зависимости от метеорологических и других условий. Тогда перед физиками возникла проблема установить природу этой проводимости.

Работами многих учёных (Дж. Томсона, его учеников в лаборатории Кавендиша (Cavendish) в Кембридже в период 1897-1903 гг.) было установлено, что весьма слабая электропроводимость, какая наблюдается во всяком газе и в атмосфере в их нормальном состоянии, имеет причину в их ионизации. Став на такую точку зрения, нетрудно было объяснить самый факт рассеяния электричества в атмосфере, а равно и его зависимость от различных метеорологических и прочих условий.

Еще Эльстер и Гейтель выдвинули гипотезу об участии в ионизации ряда причин, и прежде всего причины космической - действия солнечных лучей. Опыты Ленарда (Lenard) над крайними ультрафиолетовыми лучами, испускаемыми раскаленными парами алюминия, цинка и других металлов, обнаружили сильнейшую поглощаемость этих лучей атмосферой и чрезвычайно сильную степень ионизации ее в результате этого поглощения.

Ионизация воздуха ультрафиолетовыми лучами происходит следующим образом: вследствие поглощения лучистой энергии молекулой воздуха из последней выходит отрицательный электрон и остаток превращается в положительный ион. Отрицательный электрон, соединяясь с нейтральной молекулой воздуха, образует отрицательный ион. Ввиду того что солнечная фотосфера содержит в себе раскаленные пары указанных выше металлов, а кроме того, водород, испускающий при искровом разряде самые крайние ультрафиолетовые лучи, то предположение Эльстера и Гейтеля об участии Солнца в ионизации воздуха делается чрезвычайно правдоподобным. Это предположение объясняет, весьма просто, целый ряд важнейших явлений в атмосфере, связанных с наблюдениями за ее ионизацией. Например, большую степень ионизации летом, чем зимою; в солнечные дни, чем в пасмурные, и т.д.

Однако, если мы примем во внимание необычайно сильную поглощаемость крайних ультрафиолетовых лучей атмосферою, то необходимо будет заключить, что в действительности непосредственная ионизация ее ультрафиолетовыми лучами Солнца имеет место только в самых верхних слоях. Те же верхние слои воздуха, по-видимому, ионизируются рядом других причин космического характера, а именно бомбардировкой космической пылью, солнечными электронными радиациями и т.д. В нижние слои атмосферы ионы могут проникать лишь вследствие диффузии или увлекаться постоянными восходящими и нисходящими токами воздуха. Но для объяснения ионизации нижних слоев воздуха и этот вывод встречает затруднения в факте быстрого исчезновения ионизации по прекращении действия ее источника. Вследствие медленного движения нисходящих потоков воздух, ионизированный вверху, будет, по-видимому, достигать поверхности Земли лишь через такое время, когда вся его ионизация давно исчезла. Поэтому является необходимым для объяснения ионизации нижних слоев атмосферы обратиться к рассмотрению другого ее источника - радиоактивности атмосферного воздуха, стоящей в известной связи с солнечным лучеиспусканием и, следовательно, зависящей от периода пят- нообразования.

Дальнейшие наблюдения, выполненные Эльстером и Гейтелем, выявили наличие в воздухе радиоактивных элементов, тория и актиния, а также зависимость их количеств от метеорологических и геофизических факторов. Ими же был констатирован факт, что воздух подвалов, пещер и подземелий ионизирован в гораздо большей степени, чем воздух над поверхностью Земли. Особенно сильно ионизированным оказался воздух, извлеченный из почвы каким-либо искусственным образом. Поэтому естественно было сделать предположение, не обусловливается ли радиоактивность атмосферного воздуха примесями к нему радиоактивных веществ и их эманаций, поступающих в него из почвы? А так как эта радиоактивность, в свою очередь, обусловливает ионизацию воздуха, то необходимо прийти к заключению, что одним из источников ионизации нижних слоев атмосферного воздуха и являются именно радиоактивные начала, находящиеся в почве. Впрочем, имеются основания полагать, что радиоактивность воздуха обусловлена рядом сложных и разнообразных процессов, происходящих в природе вообще, а следовательно, является одной из форм энергии.

Несмотря на всю сложность данного вопроса и трудность разграничения роли радиоактивности почвы и солнечного лучеиспускания в ионизации атмосферного воздуха, все же суточные и годовые вариации в степени ионизации воздуха могут быть отнесены за счет лучей Солнца. Большая ионизация воздуха летом по сравнению с зимою и в хорошую погоду по сравнению с пасмурной может быть объяснена вполне удовлетворительно, если мы примем во внимание более сильную инсоляцию почвы летом и в ясную погоду. Этими факторами обусловливается более интенсивное и более свободное общение почвенного воздуха и атмосферного. Быть может, теми же причинами необходимо объяснить и суточные колебания ионизации воздуха, которые согласны с колебаниями некоторых метеорологических элементов.

Необходимо отметить, что число положительных и отрицательных ионов, заключающихся в атмосферном воздухе при обычных условиях, очень мало по сравнению с полным числом его молекул. Как

известно, в 1 см 3 газа при обычных условиях давления и температуры содержится около 30 триллионов молекул. В то же время в том же объеме количество ионов равно в среднем 800-1000. Это количество ионов варьирует в полном соответствии с временем года и дня, зависит от геологических, топографических и метеорологических условий и от характера погоды: так, например, летом число ионов значительно больше, чем зимой, в ясную и сухую погоду больше, чем в дождливую и облачную, при тумане опускается до нуля. Чрезвычайно интересен вопрос о том, существуют ли колебания в степени ионизации атмосферного воздуха, имеющие больший период - период 11-летний, связанный с таковым же периодом в деятельности Солнца. К сожалению, благодаря отсутствию массовых и ежедневных измерений степени ионизации атмосферного воздуха вопрос этот не разрешен до сих пор. А между тем потребность экспериментального разрешения этого важного вопроса диктуется как со стороны биологии, так и самими предположениями в существовании такового периода в ионизации атмосферы.

Как известно, в эпоху повышенной деятельности Солнца количество притекающей к Земле лучистой энергии Солнца значительно повышается. Этот повышенный прилив энергии к Земле в форме электромагнитных или корпускулярных излучений, без сомнения, вызывает усиление интенсивности физико-химических процессов в земной коре и атмосфере.

Нодон (Nodon) опубликовал результаты опытов, показывающих, что радиоактивные излучения значительно ускоряются солнечными лучами, содержащими излучения особого вида. Эти последние проникают сквозь тонкий слой свинца и других металлов, причем поглощаются металлами тем сильнее, чем выше атомный вес металла, из которого сделан экран. Действие этих лучей более всего заметно в период усиленной активности Солнца. Если, таким образом, степень радиоактивных излучений, находящихся в воздухе, усиливается в период повышенной солнечной деятельности, то, следовательно, и ионизация атмосферного воздуха также должна повыситься в тот же период.

Присутствие в атмосфере радиоактивных эманаций приписывается выделению пород, находящихся на поверхности Земли. Однако наблюдения, произведенные Бонгардом (Bongard) в Линденбурге, подтвердили зависимость количества эманаций от барометрического давления на поверхности Земли и температуры экспериментального слоя воздуха. Кроме того, Бонгардом была замечена периодичность изменения эманации с периодом в 27-28 дней. Причину этой периодичности Бонгард приписал солнечной активности.

Еще необходимо отметить наличие эффекта Столетова- Галльвакса (Hallwachs) у земной поверхности. Как было показано, некоторые металлы обладают свойством быстро терять отрицательный заряд под влиянием прямого солнечного света. Даже когда металлическая пластинка не заряжена, она испускает отрицательные лучи, принимая, таким образом, положительный заряд. Каким лучам Солнца необходимо приписать этот фотоэлектрический эффект? Из видимой части спектра только одна фиолетовая часть оказывает подобное действие. Путем точных изысканий установлено, что ряд минералов, прежде всего полевой шпат и гранит, также обнаруживают под влиянием этого излучения фотоэлектрический эффект. На этом основании Эльстер и

Гейтель предположили, что под воздействием солнечного света у многих каменистых пород отрицательно заряженной земной поверхности выступают в воздух отрицательные электроны. Эти последние в случае наличия соответствующих условий могут также служить причиною ионизации атмосферы у самой земной поверхности.

Связь между степенью ионизации воздуха и пятнообразовательным процессом была обнаружена на целом ряде физических явлений в атмосфере. Прежде всего, эта связь очень ясно проявилась в колебаниях условий радиопередачи. Это влияние ионизации получает теоретическое объяснение в уравнениях Максвелла - Герца, так как ионизацией, как мы видели выше, обусловливается электропроводность воздуха. Таким образом, электромагнитные волны (ЭМВ), распространяющиеся в хорошо проводящей среде, приобретают характер затухающих колебаний, и их логарифмический декремент затухания увеличивается прямо пропорционально степени электропроводности.

Ввиду того, что ионизация воздуха в течение суток подвержена значительным колебаниям, зависящим от силы и напряженности солнечного света, то и радиопередача стоит в зависимости от этого фактора. Действительно, ионизация атмосферы в любом месте земной поверхности зависит от времени дня и ночи и вообще увеличивается к середине дня, а затем уменьшается, очевидно, что и распространение ЭМВ должно представлять периодическую функцию времени с периодом, равным суткам. Главный максимум ионизации наблюдается от двух до четырех часов, а минимум - утром и вечером. Так как влияние ионизации и электропроводимости на электромагнитные колебания сказывается, главным образом, в ослаблении их энергии, то исходя даже из чисто теоретических соображений нетрудно заключить, что радиопередача будет наиболее затруднена днем и менее всего ночью, а также вечером и утром. Маркони (Marconi) впервые отметил тот факт, что ночью как слышимость радиосигналов, так и дальность расстояния передачи значительно увеличиваются. Этот факт впоследствии был подтвержден тысячами наблюдателей. Кроме того, в те часы, когда Солнце восходит и заходит, вследствие резкого изменения ионизации слоев атмосферы, лежащих у пограничной области между освещенными и неосвещенными частями ее, мы должны обнаружить влияние нарушения непрерывности ионизированных слоев. Это обстоятельство, в свою очередь, сказывается на качестве радиоприема.

В то же время внимание исследователей было привлечено тем фактом, что качество приема радиоволн значительно ухудшается под влиянием пятнообразования. Наблюдения, произведенные с этой целью, установили, что в дни прохождения солнечных пятен через центральный меридиан Солнца прием радиоволн вообще претерпевает значительные аномалии в сторону его затруднения. Данное явление сильнее всего сказывается при работе с длинными волнами, как показали наблюдения Пиккара (Pickard) в Вашингтоне, что, впрочем, и следовало ожидать согласно теоретическим соображениям. Аэстэн (Austin) нашел тесную зависимость между месячными индексами радиоприема и солнечной радиацией.

Наконец, были сделаны попытки установить влияние солнечного затмения на атмосферное электричество, например в 1900, 1905, 1912, 1914 и в 1927 гг. Исследователи пришли к заключению о влиянии данного космического феномена на проводимость атмосферы. Были произведены наблюдения над влиянием солнечного затмения на радиопередачу.

Таким образом, установлено [1.1], что электрическая проводимость воздуха ув носит электролитический характер и в значительной мере зависит от многих земных и космических обстоятельств, с которыми нельзя не считаться.

Магнитная проницаемость воздуха рв. Воздух относится к парамагнетикам и при нормальных условиях (давлении, влажности и температуре) составляет рв 1,00000038р0, где ц0=4я-1СГ7 Гн/м. Магнитная проницаемость воздуха, как впрочем, и другие электромагнитные параметры воздуха зависят от метеорологических условий (температуры, давления и влажности), от качества воздушной среды (различные взвеси и вкрапления), от изменения космических связей.

Диэлектрическая проницаемость воздуха sB . Величина относительной диэлектрической проницаемости воздуха составляет немногим больше единицы и является переменной величиной. Она зависит от давления и температуры воздуха и от общего количества водяных паров в воздухе. Величина диэлектрической проницаемости меняется при изменении метеорологических условий, а также различна на разных высотах над поверхностью земли. Поскольку диэлектрическая проницаемость меняется в зависимости от высоты, то ЭМВ, распространяющаяся в горизонтальном направлении, рефрагирует, а ее траектория отклоняется от прямой линии. Из-за большого количества переменных, входящих в задачу, не представляется возможным дать ее общее решение для любых возможных распределений диэлектрической проницаемости по высоте в любой точке трассы радиоволн.

Следует дополнительно отметить, что диэлектрическая проницаемость воздуха 8 g , как и большинства других газов, в значительной

степени зависит от частоты ЭМП. Это необходимо учитывать, поскольку таблицы справочников обычно содержат данные для статического поля или малых частот вплоть до нескольких единиц кГц без указания данного факта. В то же время существуют оптические методы получения диэлектрической проницаемости по коэффициенту преломления при помощи рефрактометров. Полученное оптическим методом значение диэлектрической проницаемости воздуха значительно отличается от табличных данных. Так, например, при нормальных условиях и частоте 0,9 МГц ?в (1,00058986 0,00000050)е(), где

е0 1 / 36л 10 9 Ф/м. При наличии статического поля гв - 1,00025е0.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >