о
X X
5
X
поставлена задача провести определение марок конструкционной коррозионно-стойкой (нержавеющей) стали в различных зонах аквапарка непосредственно на месте экспертизы.
Обследование показало, что наблюдается тотальная коррозия всех конструкций из нержавеющей стали внутри аквапарка (рис. 1).
Химический состав материала сильно корродировавшего стального каркаса купола, на котором крепятся стеклопакеты, соответствует марке коррозионно-стойкой аустенитной стали 12Х18Н10Т, легированной титаном (по зарубежной классификации АК1 321). Перед экспертизой материал конструкции в месте анализа зачищался от ржавчины механически и/или посредством лазерной очистки. Аналогичные результаты получены при экспертизе химсостава сварных швов на каркасе купола.
Основные технологические марки коррозионно-стойкой стали в порядке их устойчивости к воздействию хлора и других галогенидов: АК1 304/304Ь -наименьшая ^ АК1 321 ^ АК1 316/316Ь/316П ^ АК1 317/317Ь -наивысшая. На практике в подобных сооружениях следует использовать сталь с молибденовым легированием 316-й серии (так называемую «морскую» нержавейку) или более дорогую -317-й серии. Сталь 321-й и 304-й серий (без молибдена) не может противодействовать воздействию хлора, что и имело место в случае с аквапарком. Ржавчина образуется в результате реакции из двух стадий: первая представляет собой растворение пассивирующего слоя оксида хрома, а вторая состоит в окислении железа в материале. Присутствие молибдена намного замедляет скорость процесса хлоридной коррозии даже в более жестких условиях эксплуатации, чем в нашем случае. Дополнительно проведена экспертиза непосредственно материала ржавчины на поверхности стали каркаса. Он перенасыщен хлором (рис. 2).
Подобные результаты получены при экспертизе химического состава материала перил и сварных швов на них в двух зонах: на смотровой площадке при входе на технический этаж и на лестнице при входе на нее. Перила на смотровой площадке подвергнуты сильной коррозии. Результат экспертизы стали - 08Х18Н10 (АК1 304). Шов выполнен из того же материала, одного из самых экономичных. Однако он не подходит для условий эксплуатации в аквапарке вследствие хлоридной коррозии, как и сталь АК1 321, из которой выполнен купол. Об этом напрямую свидетельствует экспертиза химсостава перил на лестнице у входа на смотровую площадку, обычно закрытую дверью, которая предназначена для изоляции внутреннего объема ак-вапарка. Расстояние между обследованными перилами, расположенными на одном уровне, около 4-5 м. Тем не менее сталь перил, находящихся снаружи, и швов на них не подвержены коррозии. Марка стали та же - АК1 304.
Разработанная аппаратура также использована для текущего мониторинга и установления степени коррозии бетонных конструкций и материалов (карбонизация, хлоридная коррозия, сульфатизация), в том числе на аварийных объектах; определения наличия, состава и толщины огнезащитных покрытий на строительных конструкциях; контроля уровня загрязнения окружающей среды, в частности биосистем, хлором (в обычной аналитической практике трудноопределяемый элемент).
Сегодня внедряется в практику новое поколение мобильных лазерных спектральных анализаторов с диодной накачкой активной среды, которые обладают значительно меньшими габаритами и весом при тех же функциональных возможностях (рис. 3). Продолжаются работы по материаловедческой экспертизе историко-художественных ценностей с выездом на место исследований (см. «Наука и инновации», №10 (116), 2012).
В современной астрономии широко используется спектроскопия, позволяющая изучать космические объекты in situ, то есть непосредственно в их «среде обитания», бесконтактно и дистанционно. Спектроскопические методы исследования излучений небесных тел применяются и в Обсерватории БГУ, действующей с 1992 г.
Главные объекты внимания белорусских ученых - кометы, черные дыры, джеты (выбросы) активных галактических ядер. Наряду со спектроскопией основных составляющих свечения ночного неба и малых тел Солнечной системы в обсерватории развивается теория нестационарных явлений во внегалактических объектах.
С помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии можно изучать безоблачное (ясное) ночное небо, невидимые облака и воздушные течения (перемещения масс атмосферного воздуха с определенной температурой и влажностью).
Невидимые облака - аэрозольные неконденсационные (безводные) образования конвективного происхождения, в основном состоящие из частиц среднедисперсной фракции почвы. Время их существования - не менее шести часов. Они наблюдаются, как правило, в антициклонах или в тылу холодных фронтов и зачастую предшествуют им. В Обсерватории БГУ их характеристики измеряются с помощью ИК-комплекса, оптимизированного на спектральную область 2-6 мкм. Основу комплекса составляют три зеркальных объектива (у одного диаметр главного зеркала -500 мм, фокусное расстояние -639 мм; у двух других - 202,52 мм и 2025,2 мм соответственно).
Излучение, приходящее к поверхности Земли, с одной стороны, ограничивает возможности
Спектроскопия
Пространственные неоднородности
энергетическом яркости
безоблачного неба в средней ИК-области спектра
разнообразных оптических систем и является шумом фона для них, а с другой - несет информацию о процессах, происходящих в земной атмосфере. Поле этого излучения обусловлено хаотически распределенными пространственно-временными неоднород-ностями энергетической яркости рассеянного и отраженного излучения Солнца и собственного излучения атмосферы. Поэтому описание этого поля возможно только на статистической основе. При этом пространственные неоднородности энергетической яркости играют важнейшую роль в связи с тем, что объект на значительном расстоянии от оптической системы кажется малым по сравнению с пространственной структурой поля, на котором он наблюдается, а также потому, что временные флуктуации этого поля излучения носят низкочастотный характер.
Важным вопросом является расчет действительного уровня мощности излучения этого поля. Расчет требует знания точной модели источников поля. Статистическая теория этого поля (шума фона) неоднократно усовершенствовалась по аналогии с теорией шума, применяемой в коммуникационных системах. Затем было высказано предположение, что статистическая модель шума фона должна рассматриваться как случайное множество двумерных импульсов, амплитуда и ширина которых описывается распределе-
Ольгерд Кузнечик,
директор Обсерватории БГУ, кандидат физико-математических наук, доцент
ниями Гаусса и Пуассона соответственно [1]. Позже была выведена унифицированная статистическая модель шума фона для средней инфракрасной области спектра. Ее справедливость была подтверждена экспериментальными результатами. Введение в качестве промежуточного элемента структурной функции [2] позволяет повысить точность расчетов, приблизить модель к реальной ситуации и расширить класс фонов, описываемых ранее предложенной моделью.
При этом по данным наших измерений были получены оценки для величины расстояния между двумя смежными точками на плоскости х - у, относящимися к одному и тому же импульсу. Они приведены в табл. 1 для азимутального сканирования при углах возвышения ё > 70' и углах возвышения Солнца ё с < 15', ёс < 30', ёс < 50' в наиболее информативных окнах прозрачности атмосферы 1,8-2,5, 3,9-4,2 и 4,5-5,2 мкм. Как видно из таблицы, средняя величина пространственных неоднородностей энергетической яркости убывает с возникновением облачных образований во всех
окнах прозрачности атмосферы.
На рис. 1-3 для окон 1,8-2,5; 3,9-4,2 и 4,5-5,2 мкм соответственно представлены для сравнения азимутальные одномерные спектры Винера энергетической яркости безоблачного дневного неба С(у), рассчитанные по нашим экспериментальным реализациям (сплошная линия) и по теоретической модели (крестики) при одних и тех же условиях. Из них следует, что фон безоблачного дневного неба в этих окнах можно считать Гауссовым.
Сравнение рассчитанных и экспериментальных спектров С(у), представленных на рис. 1-3, показывает, что наибольшее различие между ними наблюдается для низких (V < 0,02 град -1) пространственных частот. В интервале же пространственных частот V = 0,02...1,0 град -1 оно не превышает точности вычисления экспериментального спектра С^).
Таким образом, учитывая приведенные результаты, нашу теоретическую модель можно применять для оценок азимутальных одномерных спектров Винера энергетической яркости безоблач-
Спектральная область, мкм Л , рад-1
Безоблачно Частичная облачность (верхний ярус)
1,8-2,5 16 7,5
3,9-4,2 17,5 9,3
4,5-5,2 11 9
Таблица 1. Величина, обратная средней ширине импульса энергетической яркости
19
Рис. 1. Одномерный спектр Винера энергетической яркости безоблачного дневного неба
а (в окне 1,8-2,5 мкм): I = 0,03 Вт • ср1 • м-2, б = 2,5 • 10-5 Вт2 • ср1 • м-4, &ч= 0,01 град1, вМ в Вт2 • ср-2 • м-4 • град-1; сплошная линия - эксперимент, крестики - расчет;
б: штриховая линия - вМ, нормированный к единице в максимуме и усредненный по 20 реализациям, сплошные линии - границы изменения нормированных вМ, по которым проводилось усреднение.
Рис. 2. Одномерный спектр Винера энергетической яркости безоблачного дневного неба
а (в окне 3,9-4,2 мкм): I = 0,06 Вт • ср-1 • м-2, б = 5 • 10-5 Вт2 • ср-1 • м-4, &ч= 0,01 град1, вМ в Вт2 • ср-2 • м-4 • град-1; сплошная линия - эксперимент, крестики - расчет;
б: штриховая линия - вМ, нормированный к единице в максимуме и усредненный по 20 реализациям, сплошные линии - границы изменения нормированных вМ, по которым проводилось усреднение.
Рис. 3. Одномерный спектр Винера энергетической яркости безоблачного дневного неба
а (в окне 4,5-5,2 мкм): I = 0,29 Вт • ср-1 • м-2, б2 = 4 • 10-5 Вт2 • ср1 • м-4, &ч= 0,01 град1, вМ в Вт2 • ср-2 • м-4 • град-1; сплошная линия - эксперимент, крестики - расчет;
б: штриховая линия - вМ, нормированный к единице в максимуме и усредненный по 20 реализациям, сплошные линии - границы изменения нормированных вМ, по которым проводилось усреднение.
Рис. 4. Взрыв челябинского метеорита. Фото Марата Ахметвалеева, marateaman.livejournal.com
ного дневного неба при указанных выше значениях углов возвышения, окон прозрачности атмосферы и интервала пространственных частот. Полученные экспериментальные данные могут быть также использованы для выявления невидимых облаков, обнаруженных нами в 1969 г. [3], и воздушных течений с целью исследования механизма их образования, перестройки и исчезновения. При этом необходимо отметить, что в видимой области спектра аэрозольные неконденсационные облака были найдены в 1981 г. [4].
Учитывая рассеянный свет Луны и яркость звездного неба, развиваемый подход позволяет оценить азимутальные одномерные спектры Винера энергетической яркости безоблачного ночного неба. Полученные результаты используются в Обсерватории БГУ для обнаружения специальных спутников и комет.
В настоящее время наши исследования приобретают все большую актуальность в связи с обращением общественного внимания к астероидно-кометной опасности. Резкий рост народонаселения на планете, появление мегаполисов и технопарков существенно повышают вероятность возникновения техногенных катастроф при вхождении в атмосферу даже относительно небольших осколков ядер комет и метеороидов - небесных тел, промежуточных по размеру между межпланетной пылью и астероидами. Недавний инцидент космического происхождения в Челябинске (рис. 4) еще раз подтвердил, что эта вероятность не является эфемерной. Геологические исследования показывают, что в истории Земли неоднократно случались столкновения гораздо большего масштаба. Серьезность
этой угрозы для человечества в целом пока только начинает осознаваться. Однако после ее обсуждения в ООН, Палате лордов Великобритании и Конгрессе США выделено финансирование на поиск путей ее решения.
По программе «Spaceguard» США уже каталогизировано 1200 астероидов размером более 1 км, 150 из которых классифицируются как потенциально опасные. Для изменения траектории астероидов, угрожающих столкновением с Землей, Европейское космическое агентство начало реализовывать программу «Дон Кихот» (2010-2015 гг.).
В Российской Федерации этими исследованиями занимается 30 учреждений в самых разных областях науки и промышленности и разрабатывается Федеральная целевая научно-техническая программа «Астероидно-кометная опасность» [5], научную часть которой в рамках сотрудничества с Институтом астрономии РАН может выполнять Обсерватория БГУ.
Обнаружение потенциально опасных астероидов и слежение за ними - одна из основных прикладных задач современной астрономии.
Литература
1. Кузнечик О.П., Афанасьев Т.К. Автокорреляционные функции и энергетические спектры небосвода в области 1,8-5,2 мкм // Рассеяние света в земной атмосфере. - Алма-Ата, 1972.C.258-262.
2. Kuznech ik O.P. Statistical properties of the background noise for the atmospheric windows in the intermediate infrared region // Publ. Obs. Astron. Belgrade. 1996. № 53. P. 25-26.
3. Кузнечик О.П., Афанасьев Т.К. Автокорреляционные функции и энергетические спектры небосвода в области 1,8-5,2 мкм // Тез. докл. Всесоюз. совещ. по рассеянию света в атмосфере. - Алма-Ата, 1969. С. 72-73.
4. Белан Б.Д., Задде Т.О., Ковалевский В.К. и др. О природе аэрозольных неконденсационных облаков // Оптика ат-мосф. 1988. Т. 1, №6. С. 67-77.
5. Астероидно-кометная опасность: вчера, сегодня, завтра. - М., 2010.