Методи вимірювання вологості ґрунту

Гравіметричний метод ґрунтується на визначенні маси води та маси сухого ґрунту. Зразок ґрунту нагрівають до 105оС до отримання сталої ваги. Процес триває 10...12 год. Вологість ґрунту визначають як відношення маси втраченої води до маси сухого ґрунту. Перевагою методу є можливість брати зразки безпосередньо з ґрунту за допомогою бура, простота процесу обчислень, невисока вартість обладнання. До недоліків слід віднести складність визначення води в ґрунті з неоднорідним профілем, потреба у багатьох зразках при дослідженнях залежності вмісту води від часу та простору, довготривалість методу.

Нейтронний метод використовує оцінку послаблення потоку швидких нейтронів атомами водню, що містяться в ґрунтовій воді. Металевий зонд діаметром близько 40 мм, що містить джерело швидких нейтронів і детектор повільних нейтронів, занурюють у грунт. Швидкі нейтрони поширюються радіально в ґрунті. Внаслідок пружних зіткнень з ядрами речовини ґрунту вони втрачають свою кінетичну енергію. При цьому, рівень послаблення швидких нейтронів пропорційний кількості атомів водню, істотним джерелом яких є ґрунтова вода. Повільні нейтрони оточують зонд, деякі з них потрапляють на детектор. Сигнал з виходу детектора через кабель подається на систему реєстрації.

Переваги методу - можливість оцінки води в великих ґрунтових об’ємах, можливість оцінки об’ємної вологості ґрунту, швидкість, здатність вимірювати вологість ґрунту протягом тривалого періоду часу.

Недоліками є необхідність роботи з радіоактивними джерелами, потреба у калібруванні приладу, висока вартість обладнання, неточність вимірювань поблизу ґрунтової поверхні.

Вимірювання поглинання гамма-випромінювання. Метод передбачає визначення вологості ґрунту у шарах товщиною 1...2 см. Принцип методу полягає в оцінці залежності рівня поглинання гамма-випромінювання від вмісту ґрунтової води за умови постійності густини ґрунту. Потік випромінювання діаметром близько 4,8 мм формується коліматором. Об’ємну вологість ґрунту визначають розрахунковим методом.

Метод має ті самі переваги та недоліки, що й нейтронний метод. Додатковою перевагою є можливість вимірювань на незначних горизонтальних та вертикальних відстанях. До додаткових недоліків можна віднести вплив неоднорідності ґрунтової густини та вмісту води на роздільну здатність методу, необхідність збігання двох отворів - від джерела та детектора, висока ціна та трудомісткість процесу вимірювань.

Діелектричний метод ґрунтується на вимірюванні частотної залежності комплексної діелектричної проникності ґрунту.

Діелектрична проникність речовини характеризує поляризацію діелектриків під впливом зовнішнього електричного поля. Вона показує, у скільки разів сила взаємодії між зарядами у вакуумі перевищує силу взаємодії між тими ж зарядами в даному середовищі. Через екранізацію вільних зарядів зв’язаними, що утворюються внаслідок поляризації середовища, виникає ослаблення взаємодії зарядів. Діелектрична проникність води є майже сталою величиною (близько 80), тоді як діелектрична проникність ґрунту дуже чутлива до об’ємної вологості ґрунту. Наприклад, зміні вмісту води у ґрунті від 20% до 21,8% відповідає зміна діелектричної проникності ґрунту від 3 до 5.

На практиці вимірювання діелектричної проникності ґрунту здійснюють за допомогою декількох підходів:

- визначення опору між двома електродами, розміщеними в ґрунті. Сенсор такого типу компактний, але проблема полягає в тому, що опір ґрунту істотно залежить від концентрації іонів в ґрунті, через що процес вимірювань потребує калібрування;

- вимірювання ємності конденсатора, який утворюється вологим ґрунтом між двома обкладинками. Цей метод характеризується невисокою вартістю, швидкодією та може бути застосований в автоматизованих системах вимірювання вологості ґрунту. Недоліком методу є необхідність калібрування.

Діелектричні методи характеризуються здатністю давати абсолютні величини вмісту води у ґрунті, вони можуть постачати інформацію з будь-якої глибини ґрунту з високою точністю.

Метод часової рефлектометрії передбачає генерацію високочастотного електромагнітного імпульсу та його поширення у грунт за допомогою двоелектродної або коаксіальної лінії (рис. 3.5).

При цьому вимірюється час між моментом посилання імпульсу та його реєстрації приймачем після відбивання від ґрунту.

Перевагою методу часової рефлектометри є швидкодія; метод дає змогу вимірювання об’ємної вологості ґрунту і не потребує калібрування. До недоліку слід віднести вплив солоності води на результати вимірювань.

 

1. Виникнення вітру та його параметри

 

Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром.

Утворення повітряних потоків відбувається завдяки дії таких чинників, як:

- градієнти тиску, що забезпечують рух повітря від зони високого тиску до зони низького;

- гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м ∙ с2. Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою;

- сила тертя (F). Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має протилежний останньому напрямок;

- сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря (вправо в Північній півкулі, вліво - в Південній);

- відцентрова сила. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни вона може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).

 

Основні параметри вітру - швидкість, напрямок і поривчастість.

Швидкість вітру вимірюється в м/сек., хоча можуть застосовуватися такі одиниці як вузол або км /год.

Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 4.1).

 

Напрямок вітру визначають щодо сторін світу і позначають або в румбах (8 або 16): північний, північно-східний, східний тощо, або в поділках: одна поділка містить 5о або 10о, залежно від необхідної точності вимірювань.

Поривчастість вітру - це стрибкоподібні підсилення і послаблення швидкості вітру.

Розглянемо повітряні потоки, що можуть викликати стресові ситуації.

Смерч - сильний вітер у вигляді горловини з вертикальною віссю, що має велику швидкість обертання. В Америці його називають торнадо. Причиною смерчу є великі градієнти тиску, нестійкість нижнього шару атмосфери (до2 км), що виникає при зіткненні сухих холодних повітряних мас з теплими й вологими. Для оцінки смерчів використовують шкалу Фудзі (табл. 4.2.)

 

Урагани - тропічні циклони, швидкість яких досягає 80 м/сек. Термін «ураган» стосується екстремальних вітрів, що виникають у північній Атлантиці; аналогічні явища у Тихому океані називають тайфунами. Тривалість ураганів від 1 до 30 днів. Оцінюють урагани за шкалою Сафіра-Сімсона (табл. 4.3).

 

 

2. Прилади для вимірювання параметрів вітру

 

Прилади, що визначають швидкість руху повітряних потоків, називаються анемометрами. Принцип їх дії полягає в перетворенні енергії поступального руху повітря в механічне обертання різноманітних вітрових коліс або гвинтів. Найбільш поширеними є анемометри чашечкового та пропелерного типу.

Анемометр чашечкового типу складається з трьох-чотирьох напівсферичних чашок, що обертаються навколо осі, перпендикулярної напрямку вітру (рис. 4.1, 4.2).

 

Для перетворення механічних обертань у сигнал, що інформує про швидкість вітру, використовують електричні генератори, оптікоелектричні або ємнісні перетворювачі. Перевагою чашечкових анемометрів є лінійна залежність швидкості від швидкості вітру за умови, що коефіцієнти зчеплення сталі (для анемометрів чашечкового типу ця умова виконується). Порогова чутливість чашечкового анемометра становить 0,9...2,24 м/сек. Анемометри цього типу прості й чутливі.

Анемометр пропелерного типу має три - чотирилопатевий пропелер, вісь якого показує напрямок вітру (рис.4.3).

 

Гранична чутливість пропелерного анемометра становить 1,1 м/сек. Використовують ці прилади для вимірювання швидкості вітру до 90 м/сек. Перевагою анемометра пропелерного типу, порівняно з чашечковим, є його мала вага (пропелер може бути виготовлений з пластмаси), у три рази більша швидкість обертання і здатність вимірювань слабких повітряних потоків.

Трубка Піто має вигляд циліндра з двома отворами, один з яких спрямований у напрямку руху повітря і призначений для вимірювання загального тиску (статичного р і динамічного pV/2), а інший - збоку, що дає змогу вимірювати тільки статичний тиск р. Різниця тисків, вимірюються диференційним манометром (рис. 4.4).

 

Анемометри цього типу використовують для вимірювань швидкостей вітру у межах 2...3 м/сек. Звичайно ці анемометри застосовують переважно в метеорології, а не для вимірювання параметрів навколишнього середовища.

 

Термоанемометр ґрунтується на реєстрації впливу повітряного потоку на температуру нагрітого провідника або тіла.

Анемометри цього типу чутливі до зміни як швидкості вітру, так і температури.

Ультразвуковий анемометр використовує той факт, що звук (ультразвук) поширюється швидше у напрямку, в якому діє вітер. Звичайно ультразвуковий анемометр вимірює три компоненти вітрового вектора у тривимірному просторі.

Величина швидкостей вітру, які вимірюють ультразвукові анемометри, досягає 30 м/сек. Недоліком ультразвукових анемометрів є залежність швидкості поширення ультразвуку від температури, вологості, атмосферного тиску, що потребує відповідного калібрування приладів. Крім того, електронне обладнання підвищує вартість приладів цього типу.

Допплерівський анемометр діє на основі ефекту Допплера: при опромінюванні об’єкта, що рухається зі швидкістю F, ультразвуковою хвилею певної довжини λ, відбувається розсіювання хвилі, причому частота (довжина) розсіяної ультразвукової хвилі залежить від швидкості руху об’єкта.

Допплерівські анемометри здатні вимірювати швидкість вітру на висотах до 1 км; точність вимірювання становить 5%.

Для визначення напрямку вітру використовують флюгери, що мають вигляд металевої пластини прямокутної форми, яка обертається навколо вертикальної осі. Передача інформації про напрямок вітру в сучасних приладах здійснюється за допомогою потенціометра, зміна положення реохорда в якому спричиняє відповідну зміну електричного струму, що проходить через статор приймальної системи, викликаючи обертання ротора цієї системи та стрілки індикатора. Точність визначення напрямку вітру потенціометричною системою становить ±3о.

Для одночасного вимірювання швидкості і напрямку руху повітря використовують анеморумбометр. Кількість обертань повітряного гвинта цього приладу перетворюється в послідовність електричних імпульсів, частота яких пропорційна швидкості вітру, а фазовий зсув залежить від напрямку.

За нормами міжнародної метеорологічної організації, прилади, призначені для вимірювання напрямку вітру, повинні визначати напрямок вітру в інтервалі швидкостей 0,5...50 м/сек. з роздільною здатністю ±2...±5°.

 

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.