CC BY
61
УДК 577.3
Н.Ю. Евсикова, Н.Н. Матвеев, О.М. Корчагин, Н.С. Камалова, В.Ю. Заплетин
Евсикова Наталья Юрьевна родилась в 1971 г., окончила в 1994 г. Воронежский государственный университет, магистр физики, ассистент кафедры общей и прикладной физики Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет 18 научных работ в области электрофизики полимеров. Е-mail: [email protected]
Матвеев Николай Николаевич родился в 1948 г., окончил в 1972 г. Воронежский государственный университет, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей и прикладной физики, проректор по учебной работе Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет более 180 научных работ в области электрофизики полимеров. Е-mail: [email protected]
Корчагин Олег Михайлович родился в 1964 г., окончил в 1986 г. Воронежский лесотехнический институт, кандидат биологических наук, доцент кафедры ботаники и физиологии растений Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет свыше 40 научных работ в области экологической физиологии, анатомии и морфологии древесных растений. Е-mail: [email protected]
Камалова Нина Сергеевна родилась в 1971 г., окончила в 1994 г. Воронежский государственный университет, магистр физики, ассистент кафедры общей и прикладной физики Воронежской государственной лесотехнической академии. Имеет 30 научных работ в области электрофизики полимеров. Е-mail: [email protected]
Заплетин Владимир Юрьевич родился в 1982 г., окончил в 2005 г. Воронежскую государственную лесотехническую академию, аспирант кафедры экологии, защиты леса и лесного охотоведения ВГЛТА. Имеет 14 научных работ в области экологической анатомии и морфологии прегенеративных особей дуба черешчатого. Е-mail: [email protected]
СКАНИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ
В СТВОЛАХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ
КАК МЕТОД ВЫЯВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННОГО СОСТОЯНИЯ
Предложена модель возникновения электрического поля в стволах древесных растений. Приведены результаты измерений разности потенциалов в радиальном направлении в стволах березы. Установлена зависимость характера изменения разности потенциалов в древесине ствола от жизненного состояния дерева и изменения температуры окружающей среды.
Ключевые слова: разность потенциалов, ствол древесного растения, береза повислая, изменение температуры, целлюлоза, лигнин.
Древесина - очень сложная для теоретического анализа структура. Основными по содержанию компонентами ее клеточных стенок являются высокомолекулярные соединения: целлюлоза и лигнин [2]. Это позволяет при изучении физико-механических свойств древесины применять методы физики полимеров. Анализ литературных источников [1, 3] показывает, что вытянутая цепь макромолекулы целлюлозы обладает симметрией винтовой линии второго порядка и обнаруживает полярные свойства вдоль своей длины. Это говорит о наличии спонтанной поляризованности целлюлозы в отсутствие внешнего электрического поля. Надмолекулярные группировки, состоящие из параллельных рядов предельно сближенных участков макро-молекулярных цепей, образуют мицеллы (кристаллиты). Согласно известной модели Мейера-Миша [2], кристаллическая решетка природной целлюлозы имеет моноклинную сингонию. Кристаллы такой системы проявляют пиро- и пьезоэлектрические свойства, т.е. их спонтанная поляризованность меняется при изменении температуры (пироэлектрический эффект) и воздействии на них механического напряжения (пьезоэлектрический эффект). До 70 % древесной целлюлозы находится в кристаллическом состоянии. Лигнин (второй по содержанию компонент древесины) является аморфным изотропным веществом. Таким образом, «виновником» пиро- и пьезоэлектрических свойств древесины считается целлюлоза - ориентированный компонент клеточных стенок [1, 3].
Существование явления поляризации в живом дереве, влияние жизненного состояния и изменения температуры окружающей среды на электрические поля в нем и возможное биологическое значение этого явления -важные проблемы при прогнозировании жизненного состояния древесных растений.
Нами была предложена полимерная модель, рассматривающая древесину как кристаллическую целлюлозу в сшитом эластомере - лигнине, имеющем коэффициенты теплового расширения и сжатия в десятки раз большие, чем у кристаллов. Такая модель позволяет оценивать влияние на древесину различных физико-механических факторов.
В естественных условиях в древесине при изменении температуры окружающей среды на величину АТ, ввиду слабой теплопроводности, создается неоднородное температурное поле, вызывающее поляризационный эффект [3]. Возникающее при этом тепловое сжатие (или расширение) лигнина вызывает пьезоэлектрический эффект в кристаллической целлюлозе, а деформация пьезокристалла в поле спонтанной поляризации сопровождается появлением электрического поля термического происхождения. Моделируя древесный ствол бесконечно длинным (поскольку высота в десятки раз превышает диаметр) однородным цилиндром радиуса Я и полагая, что пироэлектрические коэффициенты, диэлектрическая проницаемость и пьезоэлектрические модули не зависят от координат, автор [5] получил выражение для напряженности электрического поля в радиальном направлении древесного ствола:
Е(г) = Е0(1 - 0,72^)ехр(- 5,7а^Я2),
где г - расстояние от оси ствола;
Я - радиус ствола;
X 0
а =--температуропроводность;
с0 Р 0
А0, с0 и р0 - теплопроводность, теплоемкость и плотность, соответствующие породе дерева; Е0 - модуль максимальной напряженности электрического поля,
г 1,6АТ \ Е0 =-фцкс№ам -У-).
8 0 В-
Здесь АТ - изменение температуры;
вг- - диэлектрическая проницаемость; ёф - тензор пьезоэлектрических модулей; - константы упругости;
ак1 - компоненты тензора деформаций; уI - пироэлектрический коэффициент целлюлозы. Очевидно, что Е0 прямо пропорционален АТ, если уь вь ёфк, с^к1 и ак1 не являются функциями температуры, и зависит от жизненного состояния и условий произрастания дерева.
Выражение для разности потенциалов вдоль радиуса ствола дерева имеет следующий вид:
( ( и{,.) = и» 0,76 - R + ]
V J
где U0 ~ E0R - максимальная разность потенциалов, зависящая от свойств древесины.
Для проверки теоретических положений были проведены измерения радиальной разности потенциалов вдоль радиуса ствола деревьев, произрастающих в естественных условиях.
В качестве объекта исследования была выбрана береза повислая (Betula pendula Roth.), образующая производные лесные экосистемы в Центральной лесостепи Российской Федерации. Объекты росли в порослевой дубраве Правобережного лесничества Учебно-опытного лесхоза Воронежской государственной лесотехнической академии в одних и тех же лесорас-тительных условиях и характеризовались относительно одинаковыми таксационными показателями: возраст - 55 лет, класс бонитета - III, жизненное состояние - 2 и 7 [4].
Разность потенциалов между центром ствола (0) и точками, расположенными вдоль радиуса ствола R (на расстоянии 0,25R, 0,5R и R) на высоте 1,3 м от поверхности земли, измеряли в течение светового дня с 13 по 16
июля 2007 г. со средним интервалом между измерениями 1 ч. Параллельно в каждой точке определяли температуру воздуха.
Для измерения разности потенциалов использовали портативный цифровой мультиметр МУ 62. Чтобы получить относительно стабильные во времени результаты, электроды вживляли в центр и вдоль радиуса ствола. Для этого в объектах сверлили шурфы диаметром 5 мм. Электроды представляли собой стальные стержни, изолированные до поверхности контакта (4,5 мм) и соединенные с прибором посредством гибкого провода.
Результаты измерений показали, что разности потенциалов между центром ствола и наружным слоем древесины и0-к у живых берез отличались несущественно (см. таблицу), а между центром и половиной радиуса и0-0,5я и между центром и четвертью радиуса и0.0,25д - существенно. При этом и0_0,25Я у первой (1) березы имела отрицательное значение, у второй (2) - положительное. У мертвых берез (3, 4) отмечены существенные отличия в значениях £/0_0,25Я и и0-к.
У живых берез (1 и 2) значение и0.0 5Я оказалось почти в 4 раза больше, чем у мертвых, а и0-к - в 8 раз больше. В то же время, £/0_0,25Я у мертвых берез значительно выше, чем у живых.
Сравнение разностей потенциалов у живых (1, 2) и мертвых (3, 4) берез
Показатель Значение показателя, мВ
1 2 11-2 3 ¿1-3 ¿2-3 4 ¿1-4 ¿2-4 ¿3-4
и0...0,25Я и0.0,5Я и. -78,7±1,38 292,8±1,76 194,3±2,91 62,2±2,18 203,0±2,92 159,8±1,25 55,0 26,0 11,0 166,0±0,77 70,2±0,60 25,8±0,31 155,0 120,0 58,0 45,0 45,0 104,0 63,4±2,18 80,6±1,04 4,00±1,11 55,0 104,0 62,0 0,4 39,0 95,0 44,0 9,0 22,0
У живых берез и0_0,5К не была постоянной в течение суток. Так, рано утром, во время первого замера, она во всех случаях минимальная (100 ... 150 мВ). Необходимо отметить, что чем раньше произведен замер, тем меньше разность потенциалов. С течением времени разность потенциалов возрастала до 300 мВ и более. С 14 до 19 часов варьирование показателя (см. рисунок а - е) было незначительным (до 10 мВ).
и, мВ
и, мВ
(У.мВ 150 100
50 Г 0
и, мВ
100 80 60 40 20 0 -20
-40
ж
3
и
к
Изменение разности потенциалов во времени у живых 1 (а-г), 2 (д, е) и мертвых 3 (ж, з), 4 (и, к) берез: а, д, ж, и - 13.07.07; б, е, з, к - 14.07.07; в - 15.07.07; г - 16.07.07; 1 - 0,25Я; 2 - 0,5Я; 3 - Я (по горизонтальной оси - время замера)
Величина и0Я у живых берез также изменялась в течение суток: с утра - 50 ... 100 мВ, во второй половине дня - 120 ... 160 мВ. Закономерность ее изменения схожа с таковой между центром ствола и половиной радиуса, что подтверждает найденная корреляционная связь (коэффициент корреляции г = 0,7 ± 0,08 - для березы 1, г = 0,82 ± 0,07 - для березы 2).
Суточных колебаний разности потенциалов и0-0,25Я не отмечено. Однако у живой березы 1 он относительно стабилен в течение 4 сут и составлял около -80.-90 мВ, у березы 2 отмечена тенденция к его увеличению во времени. Какой-либо четко выраженной корреляционной связи между Ц0_0,25Я и С/0-0,5я , и0-я не установлено.
Несмотря на то, что по абсолютному значению и0-0 5Я и и0-Я различны, динамика изменения этих показателей у живых берез сходная: коэффициент корреляции по показателю и0-05Я составил 0,943 ± 0,023, а по и0-Я -0,863 ± 0,054. Динамика изменения £/0-0,25я у каждой живой березы индивидуальна. Связи по этому показателю между живыми березами нами не установлено.
У мертвых берез в течение суток колебаний и0-0,25Я _, и0-05Я _ и и0-Я не отмечено (см. рисунки ж - к), но их изменение с течением времени различно. Так, у березы 4 выявлена тенденция к увеличению всех трех рассматриваемых показателей, а у березы 3 она выражена менее четко.
Все три показателя (С/о-о.25ЯП, и0_05К~ и и0.кП) у мертвых берез четко коррелируют друг с другом. Так, по показателю £/о-о,25д - коэффициент кор-ре- ляции г = 0,883 ± 0,04, по иМ15п- ~ г = 0,857 ± 0,054, по £Л,_ЯП - г = 0,980 ±0,008.
Линейная зависимость между разностью потенциалов и температурой воздуха отмечена только для £7о_я_ у живых берез (г = 0,63 ±0,13).
Таким образом у живых берез £Лм>,5Я и и0-я подвержены суточным колебаниям: с утра наблюдается их возрастание, во второй половине дня они относительно стабильны, ночью, вероятно, происходит их спад, но время нами не фиксировалось. У мертвых берез суточных колебаний разности потенциалов не выявлено. Следовательно, можно предположить, что изменение разности потенциалов в течение суток является признаком живого дерева и связано с изменением его физиологической активности.
Отсутствие изменения U0-025R У живых берез, на наш взгляд, можно объяснить тем, что ближе к сердцевине древесина утрачивает свою проводящую функцию и выполняет только запасающую и механическую. В проводящей ткани, как мы предполагаем, физиологическая активность значительно снижена. Большее значение £/о-о,25д у мертвых берез по сравнению с живыми, возможно, связано с процессами вторичных изменений в структуре древесины.
У живых берез сходная тенденция характерна для U0.0sR\ I и U0.R , при этом С/о-о.25д LI варьирует. На наш взгляд, это связано с тем, что сердцевина у живых берез находится в различном состоянии. У мертвых берез все три показателя связаны корреляционно друг с другом, это свидетельствует о том, что их гибель наступила примерно в одно и тоже время и изменения в строении древесины из-за гниения сходны.
U0.Rn у живых берез составляет около 100 ... 150 мВ, у мертвых -менее 20 мВ; С/о-о,5дУ живых берез - около 200 мВ, у мертвых - около 70 мВ. Следовательно, у живых берез эти показатели (£/0-о,5д- и £Л>_Я_) в несколько раз больше т.е. их можно использовать для характеристики жизненного состояния дерева: чем выше С/о-о,5д1 I и U0.R\ I, тем выше уровень жизненного состояния. Низкие значения данных показателей у мертвых деревьев связаны, как мы предполагаем, с изменениями в структуре древесины из-за процессов гниения.
От изменения температуры воздуха зависит только U0-R живых деревьев. На наш взгляд, это может быть объяснено тем, что температура внутри дерева и температура воздуха изменяются по-разному.
Выводы
1. электрофизики полимеров показано существование электрических полей в живых деревьях березы.
2. Установлено, что разности потенциалов между центром и серединой радиуса ствола (U0-0,5R) и между центром и наружным слоем древесины (U0-R) у живых деревьев варьируют в течение суток. Динамика изменения этих показателей у живых берез одинакова. У мертвых деревьев изменений не отмечено.
3. Выявлено, что t/uj ^U и Uq.rU у живых деревьев в 3-8 раз выше, чем у мертвых.
4. Установлено, что только U0.R живых берез зависит от температуры воздуха.
5. Предложено применять сканирование электрического поля в стволах древесных растений для диагностики их жизненного состояния.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баженов, В.А. Пьезоэлектрические свойства древесины [Текст] /В.А. Баженов. - М.: Изд-во АН, 1959. - 239 с.
2. Богомолов, Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений [Текст] /Б.Д. Богомолов. - М.: Лесн. пром-сть, 1973. - 400 с.
3. Электрические поля термического происхождения в природной древесине [Текст] /Н.Ю. Евсикова и др.// Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения (INTERMATIC - 2006): материалы Междунар. науч.-техн. конф. -М.: МИРЭА, 2006. - Ч. 3. - С. 87-89.
4. Матвеев, Н.Н. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах [Текст] /Н.Н. Матвеев, В.В. Постников, В.В. Саушкин; под ред. Н.Н. Матвеева. - Воронеж: ВГЛТА, 2000. - 170 с.
5. Рыжков, О.В. Стационарные исследования древесной растительности в заповедниках [Текст] /О.В. Рыжков// Почвенный и биотический мониторинг заповедных экосистем. - М., 1996. - С. 63-66.
N.Yu. Evsikova, N.N. Matveev, O.M. Korchagin, N.S. Kamalova, V.Yu. Zapletin
Scanning of Electric Field in Wooden Plant Stems as Method of Exposing Living State
The model of electric field generation in wooden plants stems is offered. The results of measuring the potential difference in radial direction of birch stems are provided. The dependence of character of potential difference change in wood stem on tree living state and environment temperature change is established.
Keywords: potential difference, wooden plant stem, European white birch, temperature change, pulp, lignin.
4
