Диссертация (1150727), страница 4
Текст из файла (страница 4)
1.4) [33].Таким образом, вблизи земной поверхности под действием электродногоэффекта изменяется распределение концентрации ионов, формируется объемныйэлектрический заряд и, как следствие, происходит искажение напряженности(градиента потенциала) электрического поля.Рис. 1.4. Схема электродного эффекта у поверхности Земли в условияххорошей погоды [33].18Основными естественными источниками ионизации в приземном слое атмосферы являются космическое излучение и продукты распада радиоактивныхэлементов, содержащиеся в земной коре и в воздухе.
Интенсивность космического излучения зависит от геомагнитной широты, что является следствием отклоняющего действия магнитного поля Земли, и не зависит от метеорологическихусловий, времени суток и времени года, она увеличивается с высотой и приблизительно постоянна во времени. Содержание радиоактивных веществ в воздухе зависит от скорости их поступления из почвы и скорости рассеивания в атмосфере.Интенсивность выделения из почвы радиоактивных веществ определяется состоянием поверхности: температурой, влажностью, характером покрова и т.д.Скорость рассеивания определяется радиоактивным распадом, процессами перемешивания вследствие атмосферной турбулентности, а также процессами вымывания радиоактивных примесей выпадающими осадками [33].Согласно [92], в среднем на уровне моря под действием космических лучейнепрерывно создается около 2 пар ионов / см3 ⋅ с , что составляет 20% общей интенсивности ионизации.
Естественная радиоактивность воздуха и почвы составляет 80% (8 пар ионов / см3 ⋅ с ).На рис.1.5 приведены кривые изменения интенсивности ионизации приземного воздуха с высотой за счет различных видов излучения [98]. Анализ вкладаотдельных компонент в ионизацию у земной поверхности показывает, что интенсивность космического излучения и γ -излучения от Земли остаются постоянными, в то время как интенсивность α - и β -излучений от поверхности почвы падает до нуля в интервале 0.5 метра [33]. Значительный вклад в ионизацию воздуха уповерхности земли вносит α -излучение радиоактивных газов, поступающих изпочвы.19Рис.
1.5. Зависимость интенсивности ионообразования от высоты. 1 – космические лучи, 2 – β -излучение Земли, 3 – α -излучение Земли, 4 – γ -излучениеЗемли, 5 – α -излучение радиоактивных газов, 6 – общее излучение [98].Как известно, в состав каждого из трех естественных радиоактивных рядов238U,232Tn ,235U входит промежуточный радиоактивный элемент, который об-ладает свойствами инертного газа и называется эманацией ( 222 Rn – радон,– торон и219220RnRn – актион, соответственно). Эти радиоактивные газы (эманации)образуются вследствие радиоактивного распада и поступают в атмосферу из почвы.
Наиболее стабильным и долго живущим из них является радон (период полураспада T1 / 2 =3.82 суток), способный вместе с продуктами своего распада распространяться в слое перемешивания на несколько километров. Торон и актион ввидукороткой продолжительности жизни ( T1 / 2 равно 55.6 и 3.96 секунды, соответственно) присутствуют только вблизи земной поверхности [28].Результаты численного моделирования характеристик приземного слоя атмосферы [34, 95] показывают (рис. 1.6), что в условиях нетурбулентного электродного эффекта наличие тонкого слоя повышенной ионизации вблизи поверхности земли на высоте примерно 0.6–4 м появляется отрицательный объемный заряд, который приводит к реверсу обычного электродного эффекта. Согласно [98],20основным источником повышения интенсивности ионизации воздуха на высотевыше 0.5 м может являеться α -излучение радиоактивных газов. В условиях активно протекающего у Восточной Камчатки сейсмотектонического процесса в результате активизации деформирования приповерхностных осадочных пород может происходить более интенсивное раскрытие пор и трещин.
Это способствуетусилению выделения радиоактивных газов, увеличению их концентрации вприповерхностном слое грунта и более значительному поступлению их в атмосферу [84].Рис. 1.6. Результаты численного моделирования характеристик приземногослоя атмосферы. E – напряженность электрического поля, n1 – концентрация отрицательных ионов, n2 – концентрация положительных ионов, Z – высота от поверхности Земли [34].Таким образом, одним из возможных источников появления аномальныхвозмущений атмосферного электрического поля, которые регистрируются в сейсмоактивных регионах [62], является образование вблизи поверхности земли слоявоздуха с повышенной ионизацией вследствие увеличения интенсивности выделения из почвы радиоактивных газов. В результате возникнет отрицательный вер-21тикальный градиент электропроводности и, как следствие, отрицательный объемный заряд, вблизи которого произойдет уменьшение атмосферного электрического поля или даже изменение его знака (реверс электродного эффекта) [34, 87].
Последующее выравнивание концентрации ионов по высоте приведет к исчезновению градиента электропроводности воздуха и аномалии электрического поля. Всеэто будет происходить в условиях хорошей или близкой к ней погоде [47].1.1.3. Методика наблюдений и подсистема регистрации атмосферногоэлектрического поляПри хорошей погоде в атмосфере находятся положительные объемные заряды, а на поверхности земли присутствует отрицательный заряд, что соответствует отрицательной напряженности электрического поля E и положительномуградиенту его потенциала V ' [87].
Связь этих величин определяется соотношением: V ' = − E . В настоящей работе в качестве характеристики электрического поля уповерхности земли рассматривается его градиент потенциала V ' .Приборы, используемые для регулярных измерений градиента потенциалаV ' электрического поля в атмосфере, по принципам своего действия можно разделить на две группы: проводимостные (коллекторные) и генераторные (индукционные). Первая группа приборов активно использовалась примерно до 70 –80 гг.
прошлого века. В настоящее время широкое распространение получили бо-лее надежные, требующие меньшего сопротивления изоляции генераторные методы измерения V ' , которые реализованы, в частности, в электростатическихфлюксметрах ротационного типа.Принцип действия электростатического флюксметра основан на использовании явления электростатической индукции, согласно которому в электрическомполе на поверхности проводника возникают электрические заряды. Они образуются за счет внутренних свободных зарядов проводника, разделяемых внешнимэлектрическим полем до тех пор, пока напряженность электрического поля, создаваемая внутри проводника этими зарядами, не станет равной напряженности22внешнего поля с обратным знаком и электрическое поле внутри проводника неисчезнет.
Плотность поверхностного заряда σ , индуцируемого электрическимполем атмосферы на чувствительном элементе измерителя, связана со значениемградиента потенциала поля у поверхности проводника соотношением V ' = −σ / ε 0 ,где ε 0 – диэлектрическая проницаемость среды. Для измерения σ , а следовательно, и V ' используется преобразование с помощью модулятора квазипостоянногопотока электростатической индукции измеряемого поля в переменный у поверхности измерительной пластины. Если установить на уровне поверхности землиплоскую пластину с площадью S , которая соединена с землей через реостатноемкостную нагрузку Z с включенными параллельно сопротивлением R и емкостью C , то в электрическом поле на пластине появится связанный с полем зарядQ, в то время как равный и противоположный по знаку заряд (–Q) стечет в землю.Если пластину начать экранировать от электрического поля с помощью другойзаземленной пластины, то связанный заряд Q будет освобождаться и стекать наземлю.
Если пластину снова экспонировать в поле, то заряд появится снова. Таким образом, при периодическом экспонировании и экранировании в нагрузкемежду пластиной и землей будет течь переменный ток со средним значениемi=±QσSε V 'S=±=± 0,TTT(1.9)равным за периоды T экспонирования или экранирования. Величина тока i пропорциональна градиенту потенциала измеряемого электрического поля и зависитот скорости экспонирования (экранирования) пластины в поле, а фаза определяется направлением градиента потенциала поля [8].В ротационных электростатических флюксметрах, чтобы обеспечиватьпримерное равенство V ' на всей экспонированной части измерительной пластиныи линейную модуляцию ее площади, используются форма пластин, представленная на рис.
1.7. Если площади измерительной и экранирующей пластин примерноравны, то ток, вырабатываемый на выходе флюксметра, имеет прямоугольнуюформу (рис. 1.7б) с амплитудой23ia = 2ε 0V ' Snm , nm =1=f,2T(1.10)где n – число оборотов экранирующей пластины, m – число лопастей, f – частота сигнала [8].Рис. 1.7. К принципу измерения градиента потенциала электрического поля сиспользованием электростатического флюксметра. 1 – измерительная пластина, 2– экранирующая пластина; а – изменение экспонированной части площади Sизмерительной пластины во времени, б – ток i при V '> 0 , в – напряжение U z вемкостном режиме, г – напряжение U z в режиме сопротивления [8].Электростатические флюксметры могут работать в двух крайних режимахизмерения: режим сопротивления, когда за время T весь заряд успевает стечь вземлю (при RC << T ), и режим емкости, когда заряд не успевает стечь на землю, астекает на емкость C в период экранирования и возвращается на пластину вовремя экспонирования (при RC >> T ).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
