Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естествознание arrow Защита техносферы от воздействия физических полей и излучений. Т.3 Виды физических полей и излучений
Посмотреть оригинал

ЭКРАНИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗДУШНЫХ СРЕД

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Естественные электромагнитные параметры воздушной среды. Распределение ЭМП в воздушной среде зависит не только от инфраструктуры окружающего пространства, но и, в первую очередь,

от её электромагнитных параметров: электрической проводимости ^ в

, магнитной и диэлектрической проницаемостей.

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

Электрическая проводимость воздуха. Известно, что воздух, как, впрочем, и другие газы, является лучшим изолятором электричества при обычных условиях давления и температуры. Однако работы Ольстера, 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 [5.2].

Работами многих учёных (Дж. Томсона его учеников в лаборатории Кавендиша (Cavendish) в Кембридже в период 1897 - 1903 гг.) было установлено, что весьма слабая электропроводимость, наблюдаемая 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 УФ 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 УФ лучи, то предположение Эльстера и Гейте- ля 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 УФ атмосферою, то необходимо будет заключить, что в действительности непосредственная ионизация ее УФ 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 пятнообразования.

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 сравнительно с зимою и в хорошую погоду сравнительно 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 кубическом сантиметре 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 хода элементов 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 порядка. 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- Еалльвакса (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, распространяющиеся в хорошо проводящей среде, приобретают характер затухающих колебаний, и их логарифмический декремент затухания увеличивается прямо пропорционально степени электропроводимости.

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.

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, что электрическая проводимость

воздуха ^ в носит электролитический характер и в значительной мере зависит от многих земных и космических обстоятельств, с которыми нельзя не считаться.

Магнитная проницаемость воздуха ^в . Воздух относится к парамагнетикам и при нормальных условиях (давлении, влажности и

х Uo*l,00000038u« ц0 = 4я • 10~7

температуре) составляет где го

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.

g

Диэлектрическая проницаемость воздуха в . 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 электромагнитная волна, распространяющаяся в горизонтальном направлении, рефра- гирует, 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 прони-

g

цаемость воздуха в , 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

по »,г ?,, = (1,00058986 ± 0,00000050)sn

и частоте 0,9 МГц в v ’ ’ °, где

80 - (l /Збя) • 10 ф/м р[рИ наличии статического поля ~ 1?00025е0

Изменение электромагнитных параметров воздушной среды в результате деятельности человека. Деятельность человека в разных масштабах пространства и времени приводит к изменению электрического состояния атмосферы и электризации облаков. Урбанизация, опустынивание и загрязнение воздуха, которые изменяют характеристики электризации облаков, могут влиять на эволюцию осадков и динамику облаков [5.6].

Некоторые виды деятельности человека могут вызвать изменения состояния атмосферного электричества в разных масштабах пространства и времени. Так, уничтожение пригородных лесов приводит к возможностям возникновения перепадов давления, к сильным ветрам и бурям, способствующим передаче больших электрических зарядов в атмосфере, к появлению градиентных электрических полей. Замечены изменения в формировании облаков, в возникновении атмосферных токов проводимости. Существует достаточно сведений о том, что городские районы влияют на бальность облачности и выпадение осадков. Выбросы промышленных объектов в виде окислов различных элемен-

(со2 n2o, р2о, ч

тов ( 2, 2 ь, 2 ь и т. д.) создают условия для возникновения

токов переноса и электрическим разрядам между облаками и строительными конструкциями на земле. Возникают турбулентности, способствующие облачным формированиям и увеличению осадков.

Загрязнение воздушной среды выхлопными газами от транспорта добавляет большое количество взвешенных частиц в атмосферу в

9 1П"^ - 10"^

широком диапазоне размеров (z1 и1 u мв радиусе) и влияет на локальный электрический климат региона.

Высоковольтные ЛЭП растягивается на большие расстояния по поверхности Земли и вносят большое количество ионов в атмосферу. Они производят ионы одной полярности и внедряют объемные заряды в атмосферу. Ионы производятся в туманную погоду в большем объёме. Объемный заряд освобождается от проводов.

Высокие структуры, такие как высотные башни для передачи сигналов телевидения и связи, дымовые трубы, высотные здания и молниеотводы существенно влияют на электрическое состояние атмосферы. Кроме того, атмосферные ионы концентрируются вокруг высоких объектов. Эти объекты производят ЭП и тем самым выступают в качестве источника бесперебойного поступления ионов в атмосферу. Они же оказывают влияние на возникновение грозовых разрядов под грозовыми тучами. Повышение ЭП и ионизации около таких объектов может инициировать процесс электрического пробоя именно в таких структурах, а не в облаке, и таким образом может вызвать разряд молнии, которые иначе не могли бы иметь место.

Водяные просторы, загрязненные выбросами с морских судов, значительно снижают перенос электрических зарядов от воды в атмосферу.

Самолеты, летящие в грозовых облаках, являются причиной концентрации ЭП вокруг их. Иногда это приводит к срабатыванию разряда молнии по плоскости крыла. Электрическое возмущение вызывает полёт ракеты и ее след.

Парусные суда перед грозой обеспечивают электрическую аномалию на открытой поверхности моря.

Лабораторные эксперименты по разделению зарядов при замерзании воды показали, что такие передачи зарядов очень чувствительны к небольшим следам аммиака в атмосферном воздухе. Даже небольшие концентрации некоторых веществ, таких как галогениды и сульфаты щелочных металлов и поверхностно-активных органических соединений могут не только влиять на величину, но и на полярность зарядов. Небольшая часть газов, выделяющихся из трубы, может повлиять на разделение зарядов в облаках, выбрасываемых в атмосферу в результате деятельности человека, тем самым снижая электропроводимость атмосферы.

Стоит отметить, что наличие даже малых концентраций (ниже,

чем 1 в Ю ) некоторых газообразных молекул, содержащих галогены, таких как гексафторид серы, может существенно изменить процессы диэлектрического пробоя в воздухе. Возникают двойные электрические слои на поверхности раздела воздух-вода, лед, воздух и вода-лед интерфейсов. Электрические свойства этих двойных слоев находятся под сильным влиянием газов и поверхностно-активных веществ, выбрасываемых в атмосферу различными источниками загрязнения.

Особую роль играет криптон-85, радиоактивный побочный продукт ядерных реакторов, который выбрасывается в атмосферу. Он является химически инертным газом, имеет период полураспада 10,76 лет и может быть рассеян по всей атмосфере при общей циркуляции. Ионизация в атмосфере из-за распада изотопа криптона-85 увеличивает общий дебит ионов в атмосфере. Увеличение скорости ионизации за счет этого фактора может привести к уменьшению полного сопротивления глобальной цепи примерно на 10 %. А любое изменение в состоянии ионизации воздуха, в котором облако растет, будут влиять на рост электрической активности и возникновения молний в облаке.

Ионизирующее излучение от радиоактивных осадков ядерного взрыва производят дополнительную ионизацию в атмосфере. Ядерные аварии на электростанциях существенно влияют на состояние атмосферы. После Чернобыльской аварии во время дождей электрическая проводимость воздушной среды возросла примерно в 11 раз, поле атмосферного электричества уменьшилось в 10 раз и плотность пространственного заряда уменьшилась в 10 раз от нормальных значений. А поскольку радиоактивные материалы вводятся в атмосферу при таких инцидентах на атомных электростанциях на большие территории, благодаря атмосферной циркуляции, то они создают условия для существенных изменений электрического состояния атмосферы.

Низкая частота излучений от мощных передатчиков ОНЧ или выбросов от ЛЭП может усилить выпадение электронов в стратосфере. Благодаря этому будет увеличиваться ионизация воздуха региона и уменьшаться сопротивление столбов атмосферы. Эта дополнительная ионизация может значительно увеличить электропроводимость воздуха во время грозы и тем самым увеличить проводимость тока, протекающего в верхней части облака.

Природные земные токи (теллурические) вызваны электромагнитной индукцией от изменяющегося во времени ГМП внешнего происхождения. Они также возникают, когда проводящие тела, такие как морская вода, движутся через постоянное МП Земли. Природные земные токи сильно зависят от антропогенных систем, таких как кабели связи, ЛЭП, магистральные трубопроводы транспортировки газа, железные дороги и т. д. Они возникают вследствие сильной коррозии, когда проводники размещены вблизи от транспортных средств, электрифицированных на постоянном токе (например, железных дорог или трамваев). Природные теллурические токи часто во много раз больше, чем токи, текущие в глобальной атмосферной цепи. Они, без сомнения, являются частью процесса снабжения электрической среды Земли. Однако, взаимодействие отмеченных двух явлений и возможное влияние техногенных земных токов на глобальные атмосферные токи в настоящее время четко не установлено и заслуживает дальнейшего изучения.

Из сказанного следует:

  • 1. Процессы индустриализации, урбанизации и других видов практической деятельности человека приводят к существенным изменениям электрической проводимости по регионам, увеличению магнитной и диэлектрической проницаемостей.
  • 2. Возведение высоких объектов приводит к изменению зарядов генерирующих процессов; распределению зарядов и грозовой активности в облаках.
  • 3. Случайное изменение атмосферного электричества в воздушной среде может вызвать изменения некоторых метеорологических процессов. Например, изменения ЭП в воде и грозовых облаках может существенно изменить процессы взаимодействия в среде, терминальные скорости и форму капли воды. Такие изменения могут существенно ускорить или изменить эволюцию атмосферных осадков и таким образом влиять на динамику облаков.

Изменение электромагнитных параметров воздушной среды в результате природных катаклизмов. Электромагнитные параметры воздушной среды существенно меняются в местах природных катаклизмов - скопления грозовых туч, очагов зарождения воздушных вихрей, районах землетрясений и т. д. Риск попадания в места повышенной опасности высок, особенно в районах предполагаемых землетрясений, ибо электромагнитные параметры воздушной среды начинают меняться задолго до землетрясения, о котором порой никто не догадывается [5.8-5.11].

Так, например, механические напряжения, накапливающиеся в земной коре перед землетрясением, сопровождаются ростом напряженностей электрического поля. Причем чем ближе к будущему эпицентру, тем больше. Если средняя напряженность ЭП над поверхностью Земли составляет 120-140 В/м, то за день до катаклизма - до нескольких сотен тысяч В/м. Это можно видеть невооруженным глазом: начинают светиться горы, земля, электропроводы. В момент толчка над эпицентром на несколько секунд возникает ярчайшая вспышка. Столь наэлектризованная атмосфера влияет на все виды высокочувствительных электронных систем (в том числе и на бортовые системы авиалайнеров).

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы