CC BY
21
УДК 551.594
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА В РАЙОНЕ МУКУЛАНСКОГО КАРЬЕРА (Северный Кавказ)
© 2010 г. Р.Х. Зекореев, М.М. Камбиев, Х.Х. Машуков
Высокогорный геофизический институт High-Mountain Geophysical Institute,
пр. Ленина 2, г. Нальчик, КБР, 360030, Lenin St., 2, Nalchik, Kabardino-Balkaria, 360030,
vgikbr@rambler. ru vgikbr@rambler. ru
Приводятся некоторые результаты измерений напряженности электрического поля и токов коронирования с острия в приземном слое атмосферы в ясную погоду в районе Мукуланского карьера на Северном Кавказе. Установлено, что аномальные значения напряженности поля обусловлены аэрозольным загрязнением в районе карьера при проведении открытых горных разработок. Дается оценка средних размеров и концентрации аэрозольных частиц в приземном слое атмосферы.
Ключевые слова: электрическое поле, заряд, аэрозоль, токи, напряженность поля.
Some results of measurements of intensity of the electric field and coronation currents from the edge in a ground layer of the atmosphere in clear weather in area of Mukulan career in Northern Caucasus are brought. It is established, that abnormal values of field intensity are caused by aerosol pollution in career area at carrying out of the open mountain development. There are given the estimation of the average sizes and concentration of aerosol particles in a ground layer of an atmosphere.
Keywords: electric field, charge, aerosol, currents, intensity of a field.
Исследования атмосферного электричества в горных районах проводились в нашей стране с 50-х гг. в Приэльбрусье: на пике Терскол, Ледовой базе и пике Чегет. Эти наблюдательные пункты являются глобально репрезентативными в электрическом отношении, где в условиях невозмущенной погоды проявляется унитарная вариация напряженности поля. Обыч-
но выбор таких пунктов наблюдения обусловлен отсутствием поблизости постоянных источников антропогенного загрязнения атмосферы. При отсутствии таковых напряженность электрического поля в ясные дни максимальна у поверхности земли и достигает в среднем 120-130 В/м. С высотой происходит быстрое убывание поля, так что на высоте 10 км ее значение
составляет около 3 % от величины у поверхности земли.
По результатам круглосуточной регистрации напряженности поля на станции Терскол (высота 2200 м) летом в ясную погоду средние значения поля составляют 30 В/м [1]. Результаты измерений параметров атмосферного электричества, проводившиеся на пике Чегет (высота 3040 м), показывают, что суточный ход напряженности поля хорошо коррелирует с унитарной вариацией атмосферного потенциала и мало отличается от измеренных значений поля на таких же высотах, за исключением тех случаев, когда ветер имеет северное или северо-восточное направление, где на расстоянии 40 км расположен промышленный объект [2].
Исследования состояния параметров атмосферного электричества у поверхности земли нами проводились в районе Мукуланского карьера на Северном Кавказе, расположенном на высоте 2500 м над уровнем моря, и где ведутся открытые разработки вольф-рамо-молибденовых руд. Пункт наблюдения находился в непосредственной близости от карьера открытых разработок, способствующих интенсивным процессам пылеобразования, что оказывает заметное влияние на электрическое состояние атмосферы в районе карьера. Нами проводились измерения напряженности электрического поля и тока коронирования с острия в приземном слое.
В качестве измерителя напряженности поля использовался электростатический флюксметр ротационного типа, который размещался на ровной площадке размером 5x5 м внутри карьера (рис. 1). Для исключения влияния искажений, вносимых самим флюксметром в измеряемое электрическое поле, измерительная пластина находилась на одном уровне с поверхностью земли. Результаты измерений регистрировались на ленте самопишущего прибора Н338-6П.
Рис. 1. Структурная схема флюксметра: 1 - измерительный электрод; 2 - усилитель переменного напряжения с дискретно изменяемым коэффициентом усиления; 3 - преобразователь постоянного напряжения в постоянное; 4 - датчик синхронного детектора; 5 - модулирующий электрод; 6 -синхронный двигатель; 7 - устройство переключения пределов чувствительности; 8 - устройство индикации измеряемой напряженности электрического поля
Для измерения токов коронирования с острия в электрическом поле приземного слоя атмосферы применялось изолированное острие, установленное на высоте 5 м от поверхности земли и расположенное на удалении от флюксметра, чтобы исключить влияние токов коро-нирования на показания флюксметра (рис. 2).
Рис. 2. Структурная схема устройства измерения токов ко-ронирования с острия: 1 - приемное устройство (острие); 2 - измерительный усилитель; 3 - устройство автоматического переключения пределов; 4 - регистрирующее устройство
Измерения проводились в летний сезон 1990 г. в дни с невозмущенной ясной погодой. Значение вертикальной составляющей напряженности электрического поля у поверхности земли при отсутствии ний погоды может определяться не только глобальными факторами, но и концентрацией ионов, аэрозолей и турбулентным состоянием атмосферы в районе карьера.
Для проведения опытов по измерению напряженности поля и токов коронирования с острия как наиболее информативных параметров атмосферного электричества выбирались дни с ясной погодой, которых в этот сезон выдалось небольшое количество. Наиболее благоприятными днями для проведения этих опытов были 25 и 26 июля 1990 г.
Погода над карьером 25 июля определялась переменной кучевой облачностью, нижняя граница которой находилась на высоте около 4 км, что оказывало заметное влияние на величину напряженности поля. До 12 ч средние значения поля составляли 900 В/м. После 12 и до 17 ч в районе Тырныауза и непосредственно над карьером установилась ясная погода.
При создавшихся условиях единственным фактором, влияющим на унитарный ход напряженности поля на такой высоте, остается карьер открытых разработок, где и в ясные дни постоянно идет интенсивное пыле-образование и связанная с ним электризация. Из рис. 3 видно (кривая 1), что значение поля после 12 ч уменьшается до 600 В/м в среднем, что отличается на порядок от значений поля, измеренных в работах [1, 2]. На этом же рисунке представлен (кривая 2) средний часовой ход напряженности поля с 9 до 15 ч 26 июля, из которого видно, что среднее значение поля имеет некоторое отличие от значений поля 25 июля.
Локальные изменения поля 25 и 26 июля происходили при подходе визуально наблюдаемого плотного облака пыли, что проявилось в синхронных изменениях напряженности поля (рис. 4).
В первом случае облако пыли находилось на расстоянии не более 15 м от флюксметра и, поднявшись на высоту 5-6 м выше измерительной площадки, продержалось в течение 7 мин. Во втором случае оно находи-
лось на расстоянии около 30 м и, поднявшись до уровня измерительной площадки, продержалось 2 мин.
ненность атмосферы на карьере по сравнению с полигоном «Хумалан», расположенным на высоте 1 500 м над уровнем моря в сравнительно чистом районе.
Рис. 3. Средний часовой ход напряженности электрического поля в районе Мукуланского 25 (1) и 26 (2) июля 1990 г.
Рис. 4. Локальные изменения напряженности электрического поля при подходе облака пыли к флюксметру 25 (1) и 26 (2) июля 1990 г.
Как видно из рис. 4, в первом случае (кривая 1) при подходе облака пыли ближе к флюксметру значение поля сначала падает, успевая при этом поменять свой знак, а затем восстанавливается до своих средних значений, пока облако не осядет ниже уровня измерительной площадки. Во втором случае (кривая 2) эффект проявляется слабее в связи с тем, что облако пыли находилось дальше и не поднялось выше уровня измерительной площадки.
Проведенные измерения в ясные дни показывают, что токи коронирования с изолированного острия практически отсутствовали при всех изменениях напряженности поля в пределах 300 - 1 800 В/м. Из данных, приведенных на рис. 5, видно, что заметный ток с острия при положительном поле возникает при Е = 2 000 В/м, который равен 0,1 мкА. Далее с ростом поля синхронно увеличивался ток, максимум которого составил 0,2 мкА при Е = 5 000 В/м.
При отрицательных полях ток коронирования увеличивается быстрее, на пример, при Е = -4200 В/м ток с острия составил 1 мкА. Токи с острия при отрицательной напряженности поля выше в два раза, чем при положительных полях. Об этом также свидетельствуют результаты различных исследователей, проведенные в разных пунктах наблюдения [3]. Соотношение положительных и отрицательных токов у них составляет примерно 2:1.
В работах [4, 5], отмечается, что наблюдались значительные токи с острий. Например, в экспериментах на научно-исследовательском полигоне «Хумалан» ток с острия при Е = 7000 В/м составил 5 мкА, что превышает на порядок значения, измеренные на карьере Мукуланский. Причиной этого является загряз-
Рис. 5. Синхронный ход напряженности электрического поля и токов коронирования с острия 26.07.90 г. в районе Мукуланского карьера
Исследования разных авторов показывают, что разрушение частиц горной породы и нарушение контакта между ними приводят к появлению зарядов на частицах. Величины зарядов на частицах пропорциональны разности их химических потенциалов, электропроводности и скорости разделения частиц в пространстве. Если частицы с различными химическими потенциалами не имеют систематического различия в размерах, то, хотя в атмосфере появляется множество заряженных частиц, макроразделение зарядов в пространстве не происходит. Существование систематического различия в размерах приводит к появлению в атмосфере нескомпенсированных объемных зарядов. Анализ влияния пылевых бурь на напряженность поля у земли
[6] свидетельствуют о том, что его знак зависит от химической природы пыли. Эффект возникает вследствие разделения в пространстве, с одной стороны, крупных частиц пыли, заряженных одним знаком электричества, а с другой - либо мелких частиц пыли, либо воздуха, заряженных другим знаком [3].
Исследования, проведенные в Восточной Сибири
[7], показывают, что наибольшие значения напряженности поля наблюдаются на карьере открытых разработок мрамора (Слюдянка), где загрязненность воздуха аэрозольными частицами весьма велика.
Анализ результатов измерений, проведенных нами на Мукуланском карьере, показывает, что существует прямая связь между напряженностью поля и концентрацией аэрозолей у поверхности земли. С ростом содержания аэрозолей в атмосфере и уменьшением концентрации легких аэроионов должна расти напряженность электрического поля, что и наблюдалось в ходе эксперимента. Аналитически коррелятивная зависимость между напряженностью поля Е и концентрацией аэрозольных частиц определяется соотношением [8]:
= 2яШ' ? ем>1
где В - коэффициент диффузии; ё - средний диаметр аэрозольных частиц; / - ток проводимости; е - величина элементарного заряда; w - средняя подвижность легких ионов; I - интенсивность ионообразования; 2 - концентрация аэрозольных частиц.
Аномальные значения поля в ясную погоду в районе карьера можно объяснить процессом электризации, в результате которого образуется избыточный объемный заряд у поверхности земли. Накопление объемного заряда в атмосфере в районе карьера происходит при механическом разрушении горных пород, в результате которого идет селективная зарядка аэрозольных частиц различных размеров. Одновременно происходит захват легких аэроионов воздуха частицами аэрозоля, что приводит к уменьшению проводимости воздуха и росту напряженности поля. В зависимости от размеров аэрозольных частиц происходит их макроразделение в поле гравитационных сил из-за различия скоростей оседания. По данным [9], скорость оседания аэрозольных частиц диаметром 0,1 мкм составляет 8,97-10-5 см/с; а диаметром 10 мкм -3,03-10-1 см/с. Следовательно, мелкие аэрозольные частицы могут находиться в атмосфере во взвешенном состоянии довольно долгое время, исчисляемое сутками. Средний размер аэрозольных частиц, образующихся в результате механического разрушения горных пород, наиболее часто составляет около 0,10,2 мкм в диаметре. Из приведенного выше соотношения можно рассчитать объемную концентрацию аэрозольных частиц со средним диаметром 0,1 мкм. Концентрация аэрозольных частиц для величины поля 600 В/м почти в 3 раза выше ний концентрации частиц вблизи г. Санкт-Петербурга [8]. Отсюда можно сделать вывод, что наблюдаемые значения напряженности поля обусловлены нескомпенсированным по-
ложительным объемным зарядом, образующимся за счет вышеприведенного механизма электризации.
Локальные изменения значений поля, приведенные на рис. 4, вызваны действием отрицательно заряженного объемного заряда, сосредоточенного в облаке пыли, состоящем из крупных частиц. Средний диаметр этих частиц можно оценить по скорости оседания, которая составляла 3 см/с. Отсюда, по [9], диаметр частиц составляет около 30 мкм. Этот эффект также подтверждает приведенный выше механизм электризации, действующий в районе Мукуланского карьера.
Из вышеизложенного следует, что исследования, проведенные в районе Мукуланского карьера, показали, что наблюдаемая электризация в условиях хорошей погоды возникает за счет аэрозольного загрязнения атмосферы путем захвата легких ионов заряженными аэрозольными частицами. Данные эксперимента и расчеты показывают, что средние значения напряженности поля в районе карьера составляют 600700 В/м, которые хорошо согласуются с расчетными данными поля при концентрациях аэрозольных частиц в воздухе, равных (1,5-3)-10-9 м-3, при среднем размере частиц 0,25 мкм.
Литература
1. Пудовкина И.Б. Некоторые результаты изучения мест-
ных аномалий электрического поля атмосферы в районе Баксанского ущелья. // Тр. Эльбрусской экспедиции. 1961. № 215.
2. Наблюдения за атмосферным электричеством на высо-
когорном пункте пик Чегет / А.Х. Аджиев [и др.] // Тез. докл. 4-го Всесоюз. симп. по атмосф. электр. Нальчик, 1990. 380 с.
3. Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество. Л., 1974. 420 с.
4. Исследование возможности инициирования искусствен-
ных молниевых разрядов / Т.З. Зашакуев [и др.]. Нальчик, 1989. 43 с.
5. Герасимова М.Н. Атмосферно-электрические измерения
на Эльбрусе // Изв. АН СССР. Сер. географ. и геофиз. 1939. № 4-5. С. 397-406.
6. Rudg W.A.D. On some sources of disturbuance of the nor-
mal atmospheric potential gradient // Proc. Roy. Soc. 1914, A. Vol. 90. Р. 571-582.
7. Филиппов АХ., Кречетов А.А., Зарифанов Н.Г. Результаты исследования атмосферного электричества в Восточной Сибири // Тр. 2-го Всесоюз. симп. по атмосферному электричеству. Л., 1984.
8. Имянитов И.М., Чубарина Е.В. Электричество свобод-
ной атмосферы. Л., 1965. 240 с.
9. Райст П. Аэрозоли. М., 1987. 240 с.
Поступила в редакцию
23 ноября 2009 г.
