Фактори та параметри навколишнього середовища

Фактори та параметри навколишнього середовища

 

Навколишнє природне середовище - це сукупність природних і змінених діяльністю людини абіотичних та біотичних факторів, що безпосередньо або опосередковано впливають на людину.

Термін «навколишнє середовище» походить від французьких environ абоenvironne, що означають навколо, кругом, оточувати. Таким чином, термін «навколишнє середовище» передає сукупність всіх зовнішніх факторів, що впливають на живий організм.

 

Фактор - причина або рушійна сила будь-якого процесу, що відбувається у навколишньому середовищі.

Абіотичні фактори - компоненти та явища неживої, неорганічної природи, що впливають на живі організми. Їх можна поділити на:

- фізичні (кліматичні): тиск, рух повітря, вітер, вологість, атмосферні опади, температура, сонячне випромінювання, іонізаційні випромінювання;

- атмосферні: структура та склад атмосфери, її фізичні й хімічні властивості, здатні впливати на живі організми;

- гідрографічні (фактори водного середовища): фізичні та хімічні властивості води, як середовища мешкання живих організмів;

- едафічні (ґрунтові): структура та склад ґрунтів, сукупність їхніх фізичних і хімічних властивостей, що справляють екологічний вплив на живі організми.

 

Біотичні фактори - сукупність впливів життєдіяльності одних організмів на життєдіяльність інших, а також на неживе середовище.

Параметр - величина, що характеризує будь-яку властивість процесу або явища, що відбуваються у довкіллі.

Забруднення - несприятлива зміна навколишнього середовища як цілковитий або частковий результат людської діяльності, що безпосередньо або опосередковано впливає на розподіл енергії та рівні радіації, фізико-хімічні властивості навколишнього середовища та умови існування живих істот.

 

Ці зміни можуть впливати на людину безпосередньо або через сільськогосподарські ресурси, воду чи інші біологічні продукти та речовини. Різки зміни забруднення, коливання абіотичних та біотичних факторів можуть викликати неспецифічну реакцію живого організму - стреси.

 

На стан довкілля істотно впливають природні та техногенні порушення екологічної рівноваги, збільшення чисельності населення, процеси урбанізації та індустріалізації, розвиток енергетики, експлуатація військової та космічної техніки.

 

Система спостережень, оцінки та контролю за станом природного середовища, що оточує людину, з метою розробки заходів щодо його охорони, раціонального використання природних ресурсів і запобігання критичним ситуаціям, шкідливим або небезпечним для здоров’я людей, існування живих організмів та їхніх суспільств, природних об’єктів і комплексів, а також прогнозування масштабів неминучих змін називається моніторингом.

 

Методи вимірювання

 

2.1. Процес вимірювання. Загальні характеристики вимірювальногообладнання

Вимірювання параметра навколишнього середовища - це послідовність експериментальних та обчислювальних операцій, що здійснюють з метою знаходження значення параметра, що характеризує певний об’єкт або явище.

Вимірювання передбачає кількісну оцінку параметра в стандартних одиницях, тобто порівняння параметра з рекомендованим стандартом для визначення їхньої рівності або ступеня різниці.

Вимірювання включає:

- об’єкт (явище), властивості або стан якого характеризує величина, що вимірюється;

- одиницю цієї величини;

- технічні засоби, проградуйовані в обраних одиницях;

- метод вимірювання;

- спостерігача (системи реєстрації), що сприймає результат вимірювання;

- отримане значення величини, що вимірювалася, та оцінку її відхилення від дійсного значення (похибку вимірювання).

Вимірювання бувають

прямими, якщо сигнал, що надходить на вимірювальний прилад від сенсора, містить безпосередньо інформацію про параметр, який вимірюється (наприклад, вимірювання температури, вологості, тиску, швидкості вітру тощо), та

 

посередніми, під час яких значення параметра знаходять за допомогою обчислень на основі відомих формул або залежностей між цим параметром та параметрами, що вимірювалися безпосередньо (наприклад, вимірювання швидкості седиментації частинок, втрат теплоти з поверхні листка тощо).

Вимірювання параметрів навколишнього середовища можуть здійснюватися безпосередньо біля об’єкта дослідження або дистанційно.

Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, що дає можливість безпосередньо визначати параметри величини, що вимірюється. Залежно від того, яким шляхом вимірювальні прилади дають інформацію, вони діляться на аналогові та цифрові.

 

Аналогові прилади

Інформація, яку отримує аналоговий вимірювальний прилад, постійно змінюється і відповідно (аналогічно) реєструється. Величина параметра, що змінюється, читається на шкалі приладу.

Аналоговий прилад містить:

- сенсор - функціональний елемент, що забезпечує зв’язок між приладом та параметром, що вимірюється;

- перетворювач сигналу, який трансформує отриманий сенсором сигнал таким чином, щоб його можна було спостерігати, читати, реєструвати;

- аналоговий індикатор, що перетворює сигнал від перетворювача у форму, зручну для реєстрації оператором.

 

Цифрові прилади

У цифрових приладах інформація подається у вигляді дискретних сигналів, хоча величина параметра змінюється безперервно. Ділянка змін величини параметра, що вимірюється, ділиться на певну кількість рівних інтервалів, позначених цифрами. Кожен інтервал відповідає найменшій зміні параметра, яку здатний зареєструвати прилад.

Цифровий прилад містить такі основні елементи:

 

- сенсор (функції його ті ж самі, що й в аналоговому приладі);

- аналогово-цифровий перетворювач, який перетворює отриманий сигнал у цифрову форму;

- цифровий дисплей, за допомогою якого читається отримана інформація.

 

2.2. Основні характеристики вимірювального приладу

 

Точність характеризує різницю між значенням величини, що вимірюється, та дійсним значенням. Точність вимірювального приладу лімітує вимірювання величини параметра. Узагальненою характеристикою засобів вимірювань є класи точності - показники встановлених для них стандартами меж похибок. Наприклад, клас точності 0,1 відповідає похибці 0,1%.

Чутливість приладу може бути визначена як відношення величини зміни сигналу від сенсора до величини зміни параметра, що вимірюється. Прилад з невисокою чутливістю може втратити певну корисну інформацію, тоді як прилад з високою чутливістю може отримати зайву інформацію, що призведе до ускладнення її інтерпретування.

Роздільна здатність - найменша зміна величини параметра, що вимірюється, - наприклад, найменша поділка або цифра шкали приладу.

Лінійність відгуку відповідає рівномірній шкалі приладу; ця характеристика не є обов’язковою, але полегшує процес вимірювання.

Дрейф нуля характеризує нестабільність установки нуля за відсутності сигналу. Він залежить від кліматичних та інших умов.

Час відгуку характеризує швидкість, з якою прилад реагує на зміну вхідного сигналу. Він відповідає проміжку часу між зміною параметра та моментом вимірювання цієї зміни.

Вірогідність - здатність приладу надавати вірну інформацію протягом визначеного періоду часу.

Вимірювання температури

 

Вимірювання температури повітря

Для вимірювання температури повітря необхідно забезпечити стан рівноваги між детектором і повітрям.

Різниця між температурою, що показує термометр, та температурою повітря є похибкою вимірювання.

Зменшити цю різницю можна практично за допомогою екрану, який не заважає циркуляції повітря поблизу сенсора, але запобігає проникненню прямого та розсіяного випромінювання до сенсора. Крім того, можна збільшити величину коефіцієнта С за вимушеної конвекції, тобто вентиляції.

Вологість повітря

 

Вода може існувати в атмосфері в трьох фазах - рідкій, газоподібній і твердій. Газоподібна фаза води називається парою. Пара, яка знаходиться в термодинамічній рівновазі з рідиною (тобто стані, коли число молекул, що переходить із рідини в пару, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину за одиницю часу), називається насиченою.

Під вологістю повітря розуміють наявність у ньому водяної пари. Повітря, що містить водяну пару, називають вологим, а те, що не містить - сухим.

Абсолютна вологість повітря (а) - кількість водяної пари у грамах, що знаходиться в 1 м3 повітря (г/м3).

Вологість ґрунту

 

Ґрунт складається з твердих частинок, пори між якими заповнені повітрям (сухий ґрунт) або водою (ґрунтовий розчин). Але ці дві ситуації - екстремальні. Взагалі в порах є і повітря, і вода.

Вологість щодо сухої маси - це відношення маси води до сухої маси:

 

Вологість у процентах сухої маси визначається за виразом:

Pm=qm • 100% (3.2)

 

Вібрації

 

1.1. Оцінка вібрацій

Вібрації (від лат. vibratio «коливання») - механічні коливання матеріальних систем, що відбуваються з великою (більше одного коливання за секунду) частотою та невеликою амплітудою.

Транспортні засоби, промислові агрегати, будівельні механізми й машини є джерелами вимушених і механічних коливань, що утворюються в ґрунті. Основна частина коливальної енергії переноситься поверхневими хвилями, які поширюються в приповерхневому шарі ґрунту (10...15 м). Землетруси є також джерелами коливань земної поверхні та підземних поштовхів, що викликаються природними чинниками.

Динамічний вплив джерел вібрації оцінюють швидкістю вібрації, яка вимірюється в мм/сек. Нормою вібраційних впливів є рівень 0,12 мм/сек. Інтенсивність вібраційного поля залежить від відстані до джерела.

Вібрацію оцінюють за рівнями коливальних (вібраційних) швидкостей в октавних смугах частот (в децибелах).

 

1.2. Перетворювачі вібрацій

Залежно від параметрів, що вимірюються (зміщення, швидкість, прискорення, фаза, частота), розрізняють такі прилади як віброметри, велометри, акселерометри, фазометри, частотоміри. Пристрій, що перетворює вібраційні параметри у відповідний електричний сигнал, називається перетворювачем. Розглянемо принцип дії основних типів перетворювачів.

Перетворювачі опору. В основі принципу дії цих приладів лежить перетворення механічного руху в зміну електричного опору за допомогою реостата або напівпровідника, що викликає відповідні зміни напруги чи струму в системі реєстрації.

 

П’єзоелектричні перетворювачі ґрунтуються на явищі п’єзоелектричного ефекту - здатності деяких матеріалів (кварц, турмалін, сульфат натрію) утворювати електричні заряди під час деформації або механічної напруги.

Під час вібрування основи на поверхнях кристалу виникає напруга, пропорційна прискоренню. Перевагою такого перетворювача є компактність, висока чутливість, здатність давати показники в широкому частотному діапазоні.

 

Електродинамічні перетворювачі. Принцип дії перетворювача цього типу полягає у виникненні напруги на кінцях провідника у формі котушки під час його руху в магнітному полі.

Диференційний перетворювач. Конструкція цього типу перетворювача передбачає наявність первинної котушки в центрі і двох вторинних котушок по боках. Всі три котушки мають спільне магнітне осердя, механічно пов’язане з об’єктом, що вібрує. Первинна котушка приєднана до джерела струму (рис. 5.4). Під час руху осердя завдяки явищу електромагнітної індукції на вторинних котушках виникають напруги, які дорівнюють одна одній, але змінюються в протифазі, коли осердя знаходиться посередині. За зміщення осердя на клемах вторинних котушок виникає різницева напруга, величина якої залежить від зміщення осердя, а полярність - від напрямку його руху.

Фотоелектричний перетворювач складається з електричного моста, одне плече якого - фоторезистор, який розміщують на тілі, що коливається, і освітлюють через діафрагму. Під час коливань відбуваються зміщення фоторезистора, рівень освітлення змінюється, що впливає на величину опору цього плеча і дисбаланс моста.

Лазерний віброметр. На об’єкт, вібрації якого оцінюються, спрямовують випромінювання СО2-лазера (10,6 мкм). Відбите випромінювання накладається на падаюче випромінювання і утворює биття, характер якого залежить від руху об’єкта. Для збільшення чутливості приладу промінь лазера модулюють за частотою. Перевагою приладу є висока чутливість, що досягає 50 нм, а також здатність дистанційного вимірювання вібрацій.

 

1 .3. Оцінка землетрусів

Землетруси характеризуються графічним розподілом місць виникнення поштовхів (гіпоцентрів), інтенсивністю, тривалістю, механізмами виникнення та руйнуваннями, які вони спричинюють. Залежно від глибини h виникнення гіпоцентрів (яка може простягатися до 700 км) землетруси ділять на поверхневі (h < 30 км), проміжні (Н =30...300 км) і глибокі (h > 300 км). Розміщена над гіпоцентром ділянка земної поверхні, в межах якої інтенсивність поштовхів досягає найбільшої величини, називається епіцентром.

Є два підходи до оцінки інтенсивності землетрусів.

Перший пов’язаний з вимірюванням енергії, що вивільнюється під час геофізичного процесу. Для цього використовують шкалу Ріхтера. Інтенсивність землетрусів змінюється в широких межах - від тих, що викликають легкі тремтіння земної кори, які реєструються лише чутливими приладами, до тих, що спричиняють руйнування будинків. Енергія вимірюється сейсмографом -приладом, шкала якого побудована у логарифмічному масштабі. Шкалу Ріхтера наведено в табл. 5.2.

Так, інтенсивність 2 бали звичайно відповідає мікро-землетрусам; вони не відчуваються людиною, а лише апаратурою. Землетруси інтенсивністю 4,5 бала й більше реєструються сейсмографами у всьому світі. Великі землетруси мають інтенсивність 8 балів і більше. Але шкала Ріхтера не враховує пошкоджень й руйнувань, спричинених землетрусом. Крім того, логарифмічний масштаб, покладений в основу шкали Ріхтера, призводить до певних непорозумінь за спроби інтерпретувати землетруси населенням: так, землетрус інтенсивністю 6 балів може бути оцінений як вдвоє більший, ніж землетрус інтенсивністю 3 бали.

Інший підхід враховує не параметри саме землетрусу, а його вплив на людей. У даному випадку використовується модифікована шкапа Меркаллі.

Схему типового приладу для оцінки землетрусів (сейсмографа) наведено на рис. 5.5. Основу приладу складає котушка, приєднана до тіла маятника, що рухається у магнітному полі. Цей рух супроводжується виникненням у котушці електричного струму, що вимірюється.

Модифікація сейсмографа передбачає застосування допоміжної котушки, всередині якої розміщено дзеркальце гальванометра (рис. 5.6), на яке подається світловий промінь. За виникнення електричного струму дзеркальце обертається, що викликає зміну кута відбивання світлового променя. Таким чином, коливання рухомої частини сейсмографа фіксуються системою реєстрації приладу у вигляді сейсмограми, яка демонструє значне підсилення амплітуди коливань під час землетрусу.

 

 

Шуми

 

2.1. Визначення і характеристики шуму

Є кілька визначень терміну шум.

Перше визначення: шум - це звукові коливання, інтенсивність і частота яких змінюються несподівано та аперіодично.

Згідно з другим визначенням, шум є звук, що накладається на інший звук і взаємодіє з ним, тобто він небажаний для нашого слуху.

За третім визначенням - це будь-який звук, що заважає людині. Наприклад, звуки музики корисні для музиканта і є шумом (згідно з другим визначенням) для людей, що розмовляють, або шумом у третьому визначенні для людини, котра хоче заснути.

Величина миттєвої амплітуди шуму описується нормальним (гаусовим) розподілом (рис. 5.7).

Якщо середня потужність (сума інтенсивностей всіх гармонік, що складають шум) є сталою величиною в певному частотному діапазоні, такий шум називають білим. У цьому випадку шум містить усі звукові частоти. Якщо шум переважно складається з високочастотних звукових коливань, він називається фіолетовим (за аналогією з світловими коливаннями). Коли ж домінують низькочастотні звукові коливання, шум називають рожевим.

Важливим параметром шуму є рівень інтенсивності звуку L, яка вимірюється в децибелах (дб).

 

 

Шум буває побутовим, виробничим, промисловим, транспортним, авіаційним. Рекомендовані норми шуму в приміщеннях і на територіях становлять: 30...35 дб - на територіях заповідників; 34...37 дб - в спальних приміщеннях (будинки, лікарні, квартири); 56...66 дб - в приміщеннях магазинів, заводів тощо.

Якщо діють два або більше нескорєльованих джерел шуму, сумарний шум визначається розрахунковим методом.

Шумове забруднення навколишнього середовища стало великою загрозою для здоров’я людини. Протягом дня мешканці великих міст змушені терпіти шумові перевантаження на рівні 65...70 дб і більше. Є прямий зв’язок між інтоксикацією шумом і серцевими хворобами. В районах великих аеропортів, де рівень шумів досягає 100 дб, збільшився продаж снотворних ліків, а діти цих районів гірше засвоюють навчальний матеріал. Шум у 90 дб викликає різноманітні фізіологічні порушення. Верхня межа для людини становить 140 дб, при 160...170 дб відбувається руйнування барабанної перетинки вуха людини. Крім того, шум може бути причиною руйнування органу Корті, бо найбільш уразливими серед усіх елементів слухового аналізатора від дії шуму високої інтенсивності є волоскові клітини внутрішнього вуха. Причому, якщо волоскові клітини зазнають серйозного пошкодження, вони вже не здатні відновлювати своїх функцій і бути заміщеними іншими клітинами. Наслідком цього буває часткова або повна втрата слуху.

 

Для кількісної оцінки впливу шуму на слух використовують параметр, що характеризує зміну слухової чутливості - індукований шумом пороговий зсув (ІШПЗ), що визначається шляхом вимірювання порогу слухової чутливості до і після дії шуму. Цей зсув може бути тимчасовим або постійним, залежно від параметра шуму (інтенсивності, тривалості, частотного складу). Як правило, проміжку часу в 4 хв. достатньо, щоб визначити характер ІШПЗ у людини.

Слух має здатність відновлюватися після припинення дії шуму на рівнях інтенсивності, що не перевищують 30 дб, вже через 16...24 хв. Слід зазначити, що для помірних рівнів шумового впливу процес відновлення слуху характеризується лінійною залежністю від часу у логарифмічному масштабі. Вплив більших рівнів інтенсивності викликає незворотні пошкодження волосових клітин, що призводять до сталого пирогового зсуву. Експерименти на тваринах, які зазнали впливу акустичного шуму різної частоти, з наступним гістологічним аналізом кількості пошкоджених волосових клітин у внутрішньому вусі свідчать про те, що поріг слухової чутливості зменшується в межах 103...104 Гц. Кількість волосових клітин, що залишилися, може досягати при цьому лише 40 відсотків від норми.

Звичайно вплив шуму на людину залежить як від рівня інтенсивності звуку, так і тривалості дії джерела шуму.

Вимірювання рівнів шуму

Для оцінки рівнів шуму використовують шумоміри і аналізатори шуму. Принцип дії шумоміра полягає в перетворенні звукового тиску в електричний сигнал мікрофоном. Цей сигнал підсилюється і калібрується. Типовий діапазон рівнів інтенсивності, що оцінюються шумоміром, становить 30...140 дб. Розглянемо основні конструкції мікрофонів, призначених для вимірювання шумів.

Конденсаторний мікрофон складається з двох пластин, одна з яких займає фіксоване положення, а друга є діафрагмою (рис. 5.8). Під впливом звукової хвилі діафрагма вигинається, відстань між пластинами і ємність конденсатора відповідно змінюються, що викликає зміну електричного сигналу в системі реєстрації.

П'єзоелектричний мікрофон також містить діафрагму, але вона з’єднана з п'єзокристалом, що під впливом звукової хвилі перетворює механічні коливання діафрагми на електричний сигнал.

 

Електретний мікрофон ґрунтується на використанні електрета - діелектрика, що довго зберігає поляризований стан після зняття зовнішньої дії, яка викликає поляризацію. Таким електретом у даній конструкції мікрофона є полімерна плівка, з’єднана з металізованим електродом, що утворює з фіксованим електродом конденсатор (рис. 5.9). Під впливом звукової хвилі величина заряду на обкладинках конденсатора завдяки електретному ефекту, змінюється, що зумовлює відповідну зміну електричного сигналу.

 

Електричне поле - часткова форма виявлення (нарівні з магнітним полем) електромагнітного поля, яка визначає дію на електричний заряд (з боку поля) сили, що не залежить від швидкості руху заряду.

Основною кількісною характеристикою електричного поля є напруженість електричного поля Е, яка в даній точці простору визначається відношенням сили F, що діє на заряд, розміщений у цій точці, до величини заряду q: Е = F/q.

У системі СІ напруженість електричного поля вимірюється в В/м.

 

1. Електричні поля природного походження

 

До складу атмосфери входять іони кисню, азоту та інших газів, а також вільні електрони. В нижній тропосфері кількість іонів обох знаків невисока - близько 500...700 пар/см3. Іони виникають в основному за радіоактивного випромінювання урану й радію, що знаходяться в земній корі. Але ці іони обліплені нейтральними молекулами води і рухливість їх мала. Вільні електрони існують недовго, бо приєднуються до інших частинок.

На великих висотах кількість іонів збільшується завдяки впливу космічного випромінювання, ультрафіолетового та корпускулярного випромінювання Сонця. Так, на висоті 20...25 км (стратосфера) спостерігається перший максимум іонізації, а саме - близько 104 пар/см3. Далі концентрація іонів зменшується, але на висоті 30 км (мезосфера) їх кількість становить теж 104 пар/см3. Причому кількість негативних іонів мала; в основному переважають позитивні іони та електрони. Приблизно з цієї висоти починається іоносфера - природне утворення розрідженої слабко іонізованої плазми, що перебуває у магнітному полі Землі і піддається впливу іонізуючого випромінювання Сонця. Іоносфера складається з кількох шарів, розташованих на різних висотах: верхній шар F відповідає основному максимуму іонізації; вночі він знаходиться на висоті 300...400 км, а вдень роздвоюється на шари F1 (160…200 км) іF2 (220…320 км). На висотах 90...450 км розміщений шар Е, а нижче 90 км - шар D. Іонний склад іоносфери відповідає трьом стадіям існування іонів - їх утворенню, перетворюванню та знищенню.

 

Блискавки

Наявність грозових хмар впливає на розподіл електричних зарядів. Згідно з сучасним уявленням, структура грозової хмари - тризарядна: в центрі хмари розташована основна зона негативного заряду, над нею - позитивного заряду, а під нею - інша, менша, але теж позитивно заряджена зона (рис. 6.1).

 

Найбільш характерною особливістю зони негативного заряду хмари є те, що вона являє собою плаский (товщиною 1 км) шар на висоті 6 км, де температура повітря становить мінус 15оС (так звана температура реверсу). На цій висоті вода існує в трьох фазах - у вигляді рідини, льоду і пари. Верхня позитивно заряджена зона може мати товщину кілька кілометрів і досягати тропопаузи (13 км). Нижня зона настільки мала, що її впливом на формування електричного поля біля поверхні Землі можна знехтувати. В атмосфері за типових температурних режимів існують кристалики льоду та важкі частинки снігової крупи. Лабораторні дослідження показали, що при температурах більших ніж температура реверсу (висоти <6 км) частинки крупи, що падають, взаємодіють з кристаликами льоду і набувають позитивного заряду, а при температурах менших від температури реверсу (висоти >6 км) вони заряджаються негативно.

Вважається, що саме частинки крупи беруть участь у формуванні нижньої зони в тризарядній хмарі. Перед грозою напруженість електричного поля в неї може досягати 50000 в/м, а під час грози - 100000...300000 в/м.

Істотну роль в електризації грозових хмар відіграє конвекція - рух кристаликів льоду та снігової крупи вгору; причому, кристалики підіймаються швидше, що еквівалентно падінню крупи. Висхідний потік переносить переохолоджені краплини води вище граничної зони, забезпечуючи збільшення крупи. Як тільки хмара накопичить достатньо електричного заряду, при якому електричне поле здатне подолати діелектричну «міцність» атмосфери, виникає блискавка - іскровий розряд.

Блискавки переважно утворюються всередині основного негативного заряду.

У випадку розряду між хмарою та земною поверхнею блискавка складається з двох розрядів: один (лідер) прямує до земної поверхні, а інший (стример) поширюється вгору.

Цікаво навести параметри блискавки: середня тривалість – 10-3сек., електричний струм - до 100 000 А, температура в розряді - 27600°С, довжина блискавки - 3...16 км, діаметр - 1,3...2,5 см.

 

Північне сяйво

У 1958 р. команда дослідників, очолювана Джеймсом ван Алленом, використовуючи дані супутника «Експлорер 1», виявила наявність радіаційних поясів, що оточують земну кулю. Ці пояси утворюються зарядженими частинками (електронами й протонами), захопленими неоднорідним магнітним полем Землі. Траєкторії руху частинок мають спіралеподібну форму. Всі заряджені частинки надходять від Сонця або зірок; загальна назва їх - космічні промені. На полюсах ці частинки стикаються з іншими атомами, утворюючи випромінювання світла, яке називають північним сяйвом (Aurora Borealis на Північному полюсі, Aurora Australis - на Південному).

2. Вимірювання електричних полів

 

Методи вимірювання електричних полів в атмосфері можна поділити на три класи:

І. Оцінка напруженості поля за різницею потенціалів між електродами, що перебувають у полі.

ІІ. Вимірювання величини заряду, що індуктується полем на поверхні провідника:

Е= πσ, (6.1)

де σ- поверхнева густина заряду.

ІІІ. Аналіз впливу поля на рух електронів або іонів.

 

Розглянемо основні методи вимірювань електричних полів природного походження.

Ракетний сенсор застосовується для вимірювання зовнішнього електричного поля. Ракета довжиною 1,5 м і діаметром 70 мм (рис. 6.2) обертається навколо поздовжньої осі; корпус ракети, таким чином, являє собою ротор.

 

Електричне поле замикається крізь вікна на корпусі ракети на тонких електродах, що виконують функції статорів. Сигнали з кожної пари протилежно розташованих електродів надають інформацію щодо напруженості електричного поля.

Циліндричний сенсор, що установлюється на літаку в носовій та боковій частинах фюзеляжу, складається з двох напівциліндрів, розділених тефлоновим ізолятором. Під час польоту сенсор обертається, і електричне поле викликає появу змінних зарядів на обох циліндрах; ці заряди сприяють появі електричного струму, який через ємність підсилюється, обробляється та аналізується. Система здатна вимірювати електричні поля в діапазоні 10 В/м....500 кВ/м.

Алті-електрограф складається з сенсора, розміщеного на балоні, що заповнюється газом. Сенсор - це дві алюмінієві сфери, що виконують ще й функції передавальної антени (рис. 6.3).

 

Усередині сфер є радіопередавач, аналогово-цифровий перетворювач, мікропроцесор, система живлення. За допомогою двигуна сфери обертаються навколо горизонтальної осі з частотою 2,5 Гц. Електричне поле викликає появу зарядів протилежної полярності на поверхні сфер. Крім того, система двох сфер обертається навколо вертикальної осі завдяки дії вентилятора. Таке подвійне обертання дає можливість вимірювати всі компоненти електричного поля. Загалом сигнал передавача модулюється за амплітудою, яка залежить від електричного поля, що вимірюється.

 

Магнітне поле Землі

Природне силове поле, виникнення якого зумовлене джерелами, що містяться в Землі і навколоземному просторі, називається магнітним полем Землі. Магнітне поле Землі має постійну (≈99%) і змінну (≈1%) складові. За формою воно нагадує поле диполя, центр якого зміщений відносно центру Землі, вісь нахилена до осі обертання Землі на 11,5° (рис. 6.4). Середня величина магнітної індукції поблизу земної поверхні становить ≈5 ∙ 10 -5 Тл, а напруженість магнітного поля спадає від магнітних полюсів (55,7 А/м) до магнітного екватора (33,4 А/м).

Магнітне поле Землі утворює магнітосферу - область навколоземного простору, фізичні властивості, розміри й форма якої визначаються магнітним полем Землі та її взаємодією з потоками заряджених частинок від Сонця. Магнітосфера простягається на 70...80 тис. км у напрямку до Сонця і на багато мільйонів кілометрів у протилежному напрямку.

 

1. Електричні, магнітні та електромагнітні поля антропогенного походження

 

Електропередачі надвисокої напруги призводять до певних екологічних проблем. Сучасна енергетика базується на лініях електропередачі (ЛЕП) з напругою 220, 500, 750 і 1150 кВ. Створення двох останніх ліній електропередач (ЛЕП-750 і ЛЕП-1150) потребує формування санітарно-захисних зон - коридорів шириною 100...150 м, що обмежує господарську діяльність людини та зумовлює певні екологічні проблеми. Підготовка трас для ЛЕП, вирубування просік, установлення опор, монтаж проводів та подальша експлуатація ЛЕП зумовлюють відповідну реакцію з боку екосистем.

Вирубування лісу призводить до значної перебудови всього комплексу кліматичних факторів: на просіках збільшується швидкість вітру, змінюється температура та вологість повітря; влітку збільшується кількість посушливих днів, що небезпечно для сходів; різко зростає випаровування вологи з поверхні ґрунту й трав’яного покриву, що викликає пересихання приповерхневих шарів ґрунту; взимку на просіках надмірно накопичується волога, що сприяє вегетації рослин навесні; збільшується приплив сонячного випромінювання в зоні просік. Розморожування та відтавання ґрунту на просіках відбувається на 7...30 днів раніше, ніж у лісі. Це призводить до зменшення водопроникності ґрунту, збільшення поверхневих стоків і виникнення ерозійних процесів.

Внаслідок цього відбуваються значні перебудови фізико-хімічної та біологічної структури ґрунтового покриву. Будівництво й експлуатація ЛЕП зумовлюють незворотні зміни у видовому складі, фітомасі, просторовій і часовій структурі рослинності на просіках. Відновлення рослинного покриву вкрай повільне, що сприяє ерозійним процесам. Утворення просік супроводжується також значними змінами тваринного компонента екосистем: спостерігається зникнення тварин, що мешкають у кронах дерев; змінюється видовий склад, численність і різноманіття птахів; збільшується концентрація гризунів.

Без сумніву, впливають ЛЕП і на людський організм. Розростання міст до мегаполісів наближує ЛЕП до новобудов.

Допустимі норми електричного поля не повинні перевищувати 1 кВ/м; для цього необхідно віддаляти опори ЛЕП на 30...40 м від жилих кварталів. Нагадаємо, що типові значення напруженості електричного поля становлять для: повітряних ЛЕП - 2,5...5,5 кВ/м; електричних розподільних станцій - 2,5...6 кВ/м.

Лінії електропередачі є джерелами не тільки електричних, але й магнітних полів. В 90-х роках ХХ століття вчені Швеції, Данії, США провели масштабні дослідження, які довели, що вплив магнітних полів ЛЕП на здоров'я мешканців може проявитися в коридорах завширшки 400...800 м вздовж ліній електропередач. В 1996 р. величина індукції магнітного поля в 0,2 мкТл була рекомендована як граничне допустимий рівень магнітного поля промислової частоти. Перевищення цієї норми призводить до раку крові та мозку. Наприклад, діти віком до 15 років у 2,7 рази частіше захворюють на лейкемію, якщо перебувають у магнітному полі, магнітна індукція якого перевищує 0,2 мкТл, і в 3,8 рази частіше, якщо магнітна індукція становить більше 0,3 мкТл.

 

Електротранспорт, промислові та побутові прилади є також джерелами електричних полів; оскільки всі вони використовують електричний струм, навколо якого утворюються магнітні поля. Електротранспорт (електропоїзди, в тому числі підземні, тролейбуси, трамваї), радіолокаційні станції, системи радіозв’язку й телебачення, промислові установки термообробки матеріалів та отримання плазми, медична апаратура, побутові прилади, сотовий зв’язок, персональні комп’ютери є джерелами електромагнітних полів, що оточують людину. Промислові установки високої напруги істотно впливають на людину, викликаючи неприємні відчуття, а іноді порушення здоров’я.

Вплив електромагнітних полів на людину призводить до негативних змін стану здоров’я, викликаючи зміни в функціонуванні серцево-судинної, ендокринної, гематологічної, імунної систем, а також збільшує вірогідність розвитку онкопатологій. Вплив електромагнітних полів промислової частоти залежить від напруженості, частоти, тривалості перебування людини в полі, періодичності дії. В табл. 7.1 наведено максимально дозволені для населення рівні електромагнітних випромінювань, у табл. 7.2 - стандарти електромагнітних випромінювань для виробничих умов.

Енергетичні величини

Потік випромінювання Фе - потужність, що посилається, переноситься або отримується у вигляді випромінювання. Одиниця потоку випромінювання - ват [Вт].

Сила випромінювання Ie - відношення потоку випромінювання, що виходить від джерела або елемента джерела в даному напрямку, усередині елементарного тілесного куга, який містить даний напрямок, до цього елементарного тілесного кута. Одиниця сили випромінювання - ват на стерадіан [Вт/ср].

Енергетична яскравість Le в точці поверхні і в заданому напрямку - відношення сили випромінювання елемента поверхні до площі ортогональної проекції цього елемента на площину, перпендикулярну до цього напрямку. Одиниця енергетичної яскравості – ват на стерадіан – квадратний метр [Вт /ср ∙ м2].

Енергетична освітленість Ее в точці поверхні - відношення потоку випромінювання, що падає на елемент поверхні, до площі цього елемента. Одиниця енергетичної освітленості - ват на квадратний метр [Вт /м2].

Енергетична світність Ме в точці поверхні - відношення потоку випромінювання, що виходить від елемента поверхні, до площі цього елемента. Одиниця енергетичної світності - ват на квадратний метр [Вт/м2].

 

Світлові величини

Світловий потік Фс. Одиниця світлового потоку - люмен [лм].

Сила світла Іс. Одиниця сили світла - кандела [кд] = [лм /ср].

Яскравість Lc в точці поверхні і в даному напрямку - відношення інтенсивності світла елемента поверхні до площі ортогональної проекції цього елемента на площину, перпендикулярну до даного напрямку.

Одиниця яскравості - кандела на квадратний метр [кд/м2].

Освітленість Ес в точці поверхні - відношення світлового потоку, що падає на елемент поверхні, до площі цього елемента.

Одиниця освітленості - люкс [лк] = [лм/м2].

Світність Мс в точці поверхні - відношення світлового потоку, що виходить з елемента поверхні, до площі цього елемента.

Одиниця світності - люмен на квадратний метр [лм /м2].

 

Класифікація радіометрів

Прилади, призначені для вимірювання природних випромінювань, називають радіометрами. Сенсори радіометрів можна поділити