В работе Тверского П.Н. [10] говорится о многочисленных факторах, под действием которых в атмосфере образуются ионы. Интенсивность действия какого-либо ионизатора характеризуется числом пар ионов, образующихся в 1 см3 в 1 секунду при нормальных условиях давления и температуры.
Красногорская отмечает, что главнейшими ионизаторами для нижних слоев атмосферы до высоты в несколько километров над земной поверхностью являются излучения радиоактивных веществ, содержащихся в земной коре и атмосфере, и космические лучи (рис.3). Радиоактивность атмосферы обусловлена содержанием радиоактивных элементов в земной коре и почве и выходом по почвенным капиллярам радиоактивных газов и продуктов их распада в атмосферу. Ионизация от радиоактивных веществ может быть вызвана б -, в- и г -лучами [12].
Рис. 3. Зависимость интенсивности ионообразования в приземной атмосфере от высоты. 1 - б-излучение земли; 2 - космические лучи; 3 - в-излучение земли; 4 -г- излучение земли; 5 - б-излучение радиоактивных газов; 6 - общее излучение) [12].
При такой малой степени радиоактивности обычных горных пород и вод на земной поверхности непосредственное действие их излучений мало и простирается на небольшую высоту. Действием их б-излучений, проникающих в атмосферу до высоты в несколько сантиметров, вообще можно совсем пренебречь. Заметную роль играет лишь г-излучение, а вблизи земной поверхности еще и в- лучи. В связи с незначительным ионизирующим действием этих лучей основное значение для ионизации атмосферы имеют те радиоактивные вещества, которые содержатся в самой атмосфере. Такими веществами являются эманации радия, тория, актиния и продукты их распада.
Тверской [10] указывает, что для непосредственной ионизации атмосферы могут иметь значение только самые поверхностные слои почвы глубиной до 2 м, и то лишь над сушей.
Большую роль в ионизации приземного слоя земли играют входящие в его состав в качестве примесей изотопы химического элемента с порядковым номером 86 - радиоактивные инертные газы радон, торон и актинон, имеющие общее название радиоактивные эманации. Наиболее устойчив 222Rn (T1/2=3,8235 дня), входящий в природное радиоактивное семейство урана-238 (семейство урана-радия) и являющийся непосредственным продуктом распада радия-226. Иногда название «радон» относят именно к этому изотопу.
1
Рис. 4. Радиоактивный ряд, образуемый продуктами распада урана-238 [22].
В семейство тория-232 входит 220Rn (T1/2=55,6 с), иногда его называют торон (Tn). В семейство урана-235 (урана-актиния) входит 219Rn (T1/2=3,96 с), его называют актинон (An). В одну из побочных ветвей семейства урана-радия входит также очень короткоживущий (T1/2=35 мс) радон-218. Все отмеченные изотопы радона испытывают альфа-распад. Этими четырьмя нуклидами исчерпывается список природных изотопов радона [13].
Особенно важную роль в ионизации воздуха в нижней тропосфере играют два радиоактивных газа: радон () с периодом полураспада, как уже отмечалось, 3.8 дня и торон () с периодом полураспада около 56 сек).
Радиоактивные элементы попадают в атмосферу вместе с почвенным воздухом при обмене его с наружным воздухом.
Большое значение приобрели радиоактивные вещества антропогенного происхождения, образующиеся при испытаниях ядерного оружия, взрывах, подобных аварии на Чернобыльской АС, и др.
Будучи заброшенными на значительные высоты, они могут долгое время оставаться в атмосфере во взвешенном состоянии, очень медленно осаждаясь на земную поверхность. При большом периоде полураспада некоторых из них (например, Sr90 около 28 лет) могут создавать дополнительную ионизацию, не говоря уже об их пагубном биологическом действии. Исследованию загрязнения атмосферы искусственными радиоактивными веществами уделяется очень большое внимание (изучается содержание веществ в воздухе, их количество, осаждающееся на земную поверхность, включая и их вымывание из атмосферы осадками и пр.) [11].
Значимость рассмотренных ионизаторов меняется с высотой. Над сушей у земной поверхности ионизация на 80 % обусловлена действием излучений радиоактивных веществ, содержащихся в атмосфере, и частично г-излучений земной коры; в слое до 500 м ионизация на 75 % определяется действием радиоактивных излучений; но роль последних весьма быстро уменьшается, и уже с высот более 5-6 км ионизация атмосферы почти полностью определяется действием только космических лучей; в целом же для слоя атмосферы 0-9 км они создают 95 % всего числа образующихся ионов. С высотой интенсивность ионизации, обусловленная действием космических лучей, растет и достигает максимальных значений на высоте около 12-18 км. Значение этого максимума больше, а его положение несколько выше на больших магнитных широтах.
Над океанами вдали от берегов, где радиоактивность атмосферы мала, основным и практически единственным ионизатором являются космические лучи. То же имеется и на больших высотах вплоть до тех высот, на которые проникают ультрафиолетовые лучи Солнца и другие излучения (в частности, корпускулярные), обладающие энергией, достаточной для ионизации газов. Начиная с этих высот, в ионосфере основным ионизатором уже является солнечное излучение.
Наряду с рассмотренными главнейшими ионизаторами атмосферы можно указать еще большое число процессов, приводящих к образованию в атмосфере ионов или заряженных частиц, но все они имеют второстепенное и притом ограниченное по времени и месту значение. К числу их, например, относятся грозовые разряды, тихие разряды с остриев, фотоэлектронная эмиссия с поверхности некоторых минералов земной коры, термическая ионизация при процессах горения и вблизи действующих вулканов. Некоторое значение в образовании заряженных частиц в воздухе имеют также процессы трения, которые всегда наблюдаются, если частицы при своем движении в воздухе сталкиваются друг с другом или соприкасаются с некоторой (в частности, с земной) поверхностью [11].
Развитие вычислительной техники, сделавшее широко доступными численные методы решения дифференциальных уравнений, позволило отказаться от существенных физических допущений при решении задачи описания электродного эффекта в атмосфере.
Первым успешно применил численный метод в решении системы уравнений, описывающих классический электродный эффект Hoppel [14]. Он решил стационарную задачу для горизонтально-однородной неподвижной атмосферы. Аэрозоли и турбулентность в данной модели не учитывались, но задавался близкий к реальному профиль интенсивности ионообразования. Вслед за этим Hoppel [15] численным методом решил задачу турбулентного электродного эффекта, исходя из стационарной системы уравнений.
1.4 Приборы и методы измерений в геофизических экспедициях АПО ЮФУ
Для исследования закономерностей формирования электрической структуры приземного слоя атмосферы использованы результаты измерений физических характеристик атмосферы вблизи земной поверхности, полученные в геофизических экспедициях кафедры физики Академии педагогического образования ЮФУ в летний период на территории Кашарского района Ростовской области. Измерения в экспедициях осуществлялись непрерывно круглосуточно в течение 10-15 дней, прерываясь в случае дождя или по техническим причинам. Большинство характеристик атмосферы измерялись на нескольких уровнях, что помогает лучшему пониманию атмосферных процессов. Измерялись потенциал электрического поля атмосферы на 3 уровнях, напряженность поля на уровне земли, удельные полярные электропроводности атмосферы и концентрация радона-222 на 6 высотах, а также метеорологические параметры нижнего 3-метрового слоя. Ряд параметров рассчитывался косвенно на основании результатов данных измерений. Для анализа использовались среднечасовые значения характеристик.
Измерительный комплекс включает в себя одновременную регистрацию характеристик атмосферно-электрического поля в слое 0-4 метра, градиентные изменения температуры, влажности воздуха и скорости ветра в изучаемом слое, полярных удельных электропроводностей атмосферы и концентрации радона-222 в почве и атмосфере [16].
Измерение напряженности поля на уровне земли осуществлялось электростатическим флюксметром "Поле-2" системы ГГО им. А.И.Воейкова. Измерения потенциала атмосферы осуществлялись методом радиоактивного коллектора.
Для измерения электропроводности атмосферы использовался аспирационный метод, сущность которого заключается в измерении тока ионов, осаждающихся из потока воздуха на одну из обкладок конденсатора, когда между ними приложено напряжение. Концентрация радона (Rn-222) в воздухе измерялась радономером «Alpha-guard», работающим по методу ионизационной камеры.
Для измерения температуры и определения характеристик влажности воздуха на уровнях 0,5; 1,0; 2,0 метра использовались аспирационные психрометры Ассмана, которые перед началом измерений тщательно сверялись в лабораторных условиях. Скорость ветра на высотах 0,5; 2,0; 5,0 метра определялись чашечными анемометрами Фюсса. Температура почвы измерялась почвенными термометрами Савинова на стандартных для этих термометров глубинах: 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 метра. Метеостанцией М-49 осуществлялась также непрерывная регистрация скорости и направления ветра (высота 5м), температуры и относительной влажности воздуха (высота 2 м), атмосферного давления.
Измерения метеорологических величин выполнялись в начале каждого часа в течение 10 минут. Делались также визуальные отметки о направлении ветра, о видах и количестве облачности, о наличии помутняющих атмосферу факторов (дымка, туман, пыль при работе сельскохозяйственных машин, дым от лесного пожара и т.п.).
Остановимся подробнее на описании приборов и методов измерения характеристик электрического поля Е.
Измерение характеристик электрического поля атмосферы
Исторически измерения полей в атмосфере начались с измерения потенциалов в ней вблизи поверхности земли. Для измерения потенциала атмосферы в неё вводят тело, называемое коллектором.
Имянитов в своей работе [17] отмечает, что действие коллектора состоит в том, что изолированный коллектор, находясь в электрическом поле, отдает (или принимает) заряд до тех пор, пока потенциал его не станет равным потенциалу, который имела до нарушения поля введением коллектора некоторая близлежащая к коллектору точка пространства (так называемая референц-точка). Измеряя с помощью электрометра потенциал коллектора, можно таким образом определить потенциал пространства в референц-точке.
Для измерения напряжённости и градиента потенциала электрического поля существует ряд методов и разработаны многочисленные приборы. Все методы можно разделить на две обширных группы [17]. К первой группе относятся методы, основанные на использовании соотношения
(9)
(косвенный метод), ко второй группе методы, которые используют связь
(10)
(прямой метод). Здесь - поверхностная плотность заряда, - диэлектрическая проницаемость вакуума.
Косвенный метод измерения (коллекторный метод).
Коллектор предназначен для измерения потенциала и представляет собой проводник, снабженный приспособлением, который может воспринимать потенциал некоторой точки атмосферы. Коллекторы бывают пламенные, водяные, радиоактивные. Каждый коллектор в отношении его действия может быть охарактеризован следующими величинами: емкостью (ёмкость самого коллектора, всех соединённых проводов и измерительного прибора); кажущимся сопротивлением; временем релаксации; степенью изоляции [17] .
Радиоактивный коллектор представляет собой металлический диск, одна сторона которого покрыта радиоактивным веществом, излучающим б-лучи. Диск защищён сверху от внешних воздействий атмосферы металлическим кожухом. Сверху имеется клемма для соединения с измерительным прибором (электрометром или электростатическим вольтметром). Электрометр - прибор, предназначенный для измерения разностей электрических потенциалов, небольших электрических зарядов, очень малых токов (вплоть до 10-15 А) и других электрических величин, когда необходимо обеспечить высокую степень изоляции во избежание утечек заряда.
Принцип действия радиоактивного коллектора следующий: коллектор помещается в исследуемое поле, при этом радиоактивное вещество ионизирует прилегающий воздух, образуется сильно проводящее облако ионов. Из-за высокой проводимости ионного облака разность потенциалов между коллектором и областью, прилегающей к поверхности, будет меняться пока коллектор не примет потенциал этой области. Коллектор принимает потенциал точки, положение которой зависит от размеров ионного облака, имеющих порядок нескольких сантиметров, что определяется длинной пробега б - частиц в воздухе. (Следует отметить, что потенциал коллектора всегда будет немного отличаться от потенциала исследуемой точки на небольшую величину) [17].
Измерения потенциала атмосферы в геофизических экспедициях кафедры физики АПО ЮФУ осуществлялись методом радиоактивного коллектора. В качестве радиоактивного коллектора был взят иониевый б-излучатель. Установка для измерения потенциала атмосферы на 4 уровнях, применявшаяся нами, идентична описанной Имянитовым [17].
1
Деревянные рейки высотой 4 м разнесены на расстояние 10 м. Между ними горизонтально натянуты четыре медные проволоки, изолированные от реек эбонитовыми изоляторами, снабженными нагревательными элементами для поддержания поверхности изолятора сухой во избежание утечки заряда по изоляции. К проволокам прикреплены радиоактивные коллекторы так, что расстояния их от земной поверхности равны 1, 2, 3 и 4 метра. Наблюдатель с электрометром располагается в десятке метров от коллекторов, чтобы не искажать электрическое поле. Отсчеты потенциалов выполняются многократно, поочередно с разных коллекторов, и затем осредняются, давая среднечасовые значения потенциала для каждого уровня.
Время релаксации установки - порядка 40 с, что учитывается при снятии показаний электрометра после пересоединения коллекторов [16].