Статья: Аэрозольные магнито-дипольные структуры в атмосфере

Статья: Аэрозольные магнито-дипольные структуры в атмосфере

Стехин А.А., Яковлева Г.В., Мирошкина С.М.

Аэрозольная атмосфера как высокодинамичная физическая система является источником ряда атмосферных и литосферных процессов, происхождение которых в настоящее время не имеет научного объяснения. Подобные процессы характеризуются изменением геофизических характеристик атмосферы и ионосферы и предшествуют возникновению таких опасных природных явлений, как грозы, тайфуны, смерчи, землетрясения, являются причиной многих техногенных катастроф, в том числе на объектах ядерно-топливного цикла. Кроме того, данные процессы оказывают влияние на аварийность технических систем (особенно авиационных на участках трасс взлета и посадки), приводящих к росту (до 20%) техногенных катастроф, и на жизнедеятельность биологических объектов (включая человека).

Исследования данных физических процессов в атмосфере были начаты в 1986 году с момента аварии на Чернобыльской АЭС, когда впервые зафиксированы плазмообразующие структуры в атмосфере до высоты ~ 15 км над аварийным блоком АЭС. Появление подобных структур сопровождалось резким изменением атмосферных процессов в регионе (возникновением облачности и грозообразованием), что связывалось нами с воздействием на атмосферу ионизирующих излучений.

Проведенный комплекс теоретических и экспериментальных исследований позволил сформировать теоретические представления о механизме образования аэрозольных магнито-дипольных структур (МДС) в атмосфере. По нашему предположению, возникновение данных структур в атмосфере является источником возмущений в атмосфере и литосфере, приводящих к появлению геофизических аномалий.

Физической основой образования МДС является способность активных Атмосферных аэрозолей к поляризации и распаду в полях электромагнитных излучений. Теоретическая база данных процессов основывается на взаимосвязанных явлениях:

a) ион-кристаллической ассоциации полярной жидкости (воды);

b) неравновесных фазовых переходов ион-кристаллических ассоциатов в сверхизлучающее, сверхпроводящее состояние с переносом заряда;

c) индуцированной магнито-дипольной самоорганизации атмосферных водных аэрозолей.

1. Электрохимическая активация водных аэрозолей

Ион-кристаллические состояния воды [1], существующие в свободной жидкости в виде униполярных жидкокристаллических структур (ассоциатов) нематического типа, определяют физические характеристики водных аэрозолей, в том числе их поведение в полях ионизирующих излучений.

Ассоциаты воды являются надмолекулярной организацией жидкости, формирующейся при гидрофобном взаимодействии ее структур (кластеров) в полях поверхностных сил, действующих на границах раздела фаз [2], с электростатическими силами, а также лапласовым давлением поверхностной пленки ассоциата [3]. Данные силы обеспечивают термодинамические условия (давление), при которых стабильными структурами воды являются аллотропные формы льдов, представленные при положительных температурах льдами YI и YII [4].

Резкое отличие структурных и диэлектрических характеристик льдов обусловливает существование в жидкости свободных ассоциатов двух типов, имеющих положительный (лед YII) и отрицательный (лед YI) заряды, в поле действия сил которых испытывают притяжение и адсорбируются молекулы и фрагменты молекул (существующих в жидкости в виде стабильных поверхностных состояний на кристалле) в соответствии со знаком сил Ван-дер-Ваальса [3]. В целом ассоциаты положительной полярности являются катионоактивными (адсорбируют фрагменты молекул-доноров электронов), отрицательной полярности - анионоактивными (адсорбируют фрагменты молекул-акцепторов электронов). Равновесный химический состав и электростатический потенциал ассоциатов определяются из условий равенства сил ван-дер-ваальсового притяжения адсорбированных фрагментов молекул и их кулоновского отталкивания с учетом дальнодействующего взаимодействия с атомными поверхностными структурами ассоциата [3], их молекулярным и ионным окружением.

В отличие от свободной жидкости в водных аэрозольных частицах, термодинамически устойчивыми конфигурациями которых в отсутствие сильного кулоновского и ван-дер-ваальсового взаимодействия между ними являются сфера и эллипс, ассоциаты, по-видимому, существуют в виде суперспиралевидной структуры. Отличие мезогенных, структурных и диэлектрических свойств ассоциатов обусловливает многомодальное распределение аэрозольных частиц по размерам: преимущественно положительный заряд - мельчайших (0, 001-1 мкм) аэрозольных частиц, отрицательный - частиц с размером порядка 1-10 мкм, пропорциональным квадрату радиуса частиц.

Аэрозольные частицы так же, как и свободная вода, проявляют способность к поляризации во внешних электрических и магнитных полях, обладают собственным квадрупольным электрическим и магнитным моментами, стабильно существуют в диапазоне температур (и внутриструктурного давления) в соответствии с фазовыми диаграммами льдов [4, 5], испытывают фазовые переходы, в том числе неравновесные, при образовании термодинамических неустойчивостей, которые могут быть инициированы при нарушении сплошности поверхностей пленки частицы (ассоциата) или изменении фазовой прочности кристаллов ассоциата в электромагнитном (электрическом) поле [6].

По действием ионизирующих излучений происходит электрическая и химическая активация атмосферных аэрозолей продуктами диссоциации атмосферного воздуха:

изменяются равновесные электростатические потенциалы частиц (отрицательно заряженные ассоциаты приобретают дополнительный отрицательный заряд, положительные - положительный заряд) и равновесный химический состав частиц (как в слоях атомных поверхностных структур, так и в стабилизирующей пленке). Равновесные потенциалы активации связаны с мощностью дозы ионизирующих излучений [7, 8]. В результате получения аэрозольной частицей дополнительного электрического заряда и изменения ее химического состава изменяется прочность стабилизирующей поверхностной пленки, что предопределяет способность подобной частицы к образованию неустойчивостей ассоциата с последующим его неравновесным распадом, сопровождаемым образованием неравновесной холодной плазмы.

Для образования неустойчивостей при стабильных термодинамических условиях в аэрозольной частице должны развиться механические напряжения или измениться фазовая прочность кристаллов, которые могут быть индуцированы электрическими, магнитными и акустическими полями, а также механическими воздействиями. Величины подобных напряжений при воздействии на частицу электрического поля связаны известной зависимостью, характеризующей критический заряд капли q q кр = (16 psR3)1/2 (где R - радиус капли, s - коэффициент поверхностного натяжения) и воздействие электрического поля Е Е кр. = (16 psR3)1/2 . При потере устойчивости частица распадается.

Помимо ионизирующих излучений электрохимическая активация водных аэрозолей может быть обусловлена эмиссией заряда при испарении воды (особенно с песчаных грунтов, имеющих на 4 порядка большую по сравнению с водной поверхностью эмиссионную способность), загрязнением воздуха поверхностно-активными химическими соединениями (CO2, H2S, NO2 и др.), а также селективной адсорбцией орто- воды при воздействии магнитных полей [9].

Электрохимическая активация водных аэрозолей обусловливает процессы в атмосфере. Распад электрохимически-активированных водных аэрозолей под действием сверхвысокочастотных излучений радиолокационных станций может быть использован для дистанционного обнаружения полей ионизирующих излучений и поляризованных аэрозольных образований.

2. Формирование поляризованных и холодно-плазменных аэрозольных образований в атмосферe

Распад ион-кристаллического ассоциата воды как в свободной жидкости, так и виде аэрозольных частиц сопровождается рядом кооперативных процессов. Физические представления неравновесных фазовых переходов в структурированной воде основаны на теории Майера-Заупе [10], базирующейся на моделях включения в состав структурирования слоев жидкости системы плоских частиц с резко анизотропным потенциалом межмолекулярного взаимодействия. Наличие таких частиц в атомных поверхностных структурах (АПС) ассоциатов в виде фрагментов аллотропных форм льдов (YI и YII - при положительных температурах) обусловливает появление избытка свободной энергии и дополнительного вклада в давление в их АПС, связанного с ориентацией частиц в системе [3].

При внешних электрических, магнитных или акустических (механических) воздействиях выше пороговых значений вследствие изменения фазовой прочности или нарушения целостности стабилизирующей пленки в ассоциатах возникает неустойчивость, связанная со скачкообразным (в соответствии с теорией [10, 3]) уменьшением избыточного давления (более, чем на порядок). Резкое изменение давления и температуры в сильно разупорядоченном слое АПС ассоциата обусловливает существенно неравновесные условия кристаллизации системы (переход льдов I группы во льды II группы [11]. Возникает уникальный природный реактор инверсии населенностей электронно-колебательных уровней фрагментов молекул в метастабильной кристаллохимической системе, в которой кристалл (нематик) не может обмениваться энергией тепла с окружающим пространством, что, с учетом высоких значений теплот фазовых переходов [11], способствует возбуждению и автоионизации p, d-орбитальных фрагментов в структуре льда (образуются возбужденные (Н+)*, (*ОН)* и е- ).

В подобной метастабильной системе может происходить самоорганизация и, в частности, применительно к магнито-дипольной системе ион-кристаллического ассоциата, с переходом неустойчивостей в сверхизлучательное, сверхпроводящее состояние (туннелирование образовавшихся свободных зарядов в кристаллической матрице ассоциата) с переносом заряда. Возникновение корреляции электрических и магнитных дипольных моментов в метастабильной кристалло-химической системе способствует резкому намагничиванию ассоциата, а сверхизлучательный распад коллективно-организованной системы (*ОН)*-радикалов - протонному (в направлении вектора магнитной индукции) и электронному (в противоположном направлении) переносу образующихся зарядов. Аэрозольные частицы, распад которых не сопровождается раскрытием ассоциата, генерируют электрические заряды преимущественно в объеме сферы.

Особенности фазовых переходов ион-кристаллических ассоциатов воды оказывают существенное влияние на протекание электрофизических процессов в атмосфере и литосфере. Можно утверждать, что такие атмосферные процессы как тайфуны, смерчи, грозовая активность (в том числе шаровая молния) и ряд других явлений в атмосфере и литосфере имеют единую физическую основу и связаны с процессами организации и самоорганизации ассоциатов воды в полях электромагнитных излучений с образованием самоподдерживающихся МДС. Основными причинами пространственного упорядочения ассоциатов в аэрозолях, приводящих к возникновению холодно-плазменных образований в атмосфере, являются активация и их магнито-дипольная ориентация (поляризация) в переменных и квазипостоянных электрических полях.

Поляризация водных аэрозолей в электрическом поле атмосферы сопровождается возникновением первичного дипольного момента совокупности аэрозольных частиц в области пространства, охватываемого электрическим полем электромагнитной волны.

В целом на совокупность частиц в пределах активного пространства действуют электрическая (grad Е - в направлении распространения волны) и магнитная (В вихр.) компоненты электромагнитной волны, а также магнитная компонента поляризации аэрозольных частиц. Поляризация частиц осуществляется в направлении распространения электромагнитной волны перпендикулярно плоскости поверхности Земли (рис.1). Ориентация полюсов наведенного частицами магнитного поля происходит в направлении проекции наведенного поля на магнитное поле Земли: в северном полушарии - с северным полюсом магнита в верхней (по высоте) части поляризованной системы, в южном полушарии - с южным полюсом в верхней части системы.

Поведение подобных МДС наиболее подробно исследовалось при изучении физики образования шаровой молнии [12, 13].

Рис. 1. Схема индуцирования внешними электрическими полями магнито-дипольной самоорганизации (образования МДС)

В вихр - вихревое магнитное поле;

grad Е - направление градиента электрического поля (совпадающее с направлением распространения индуцирующей самоорганизацию электромагнитной волны);

Fмд - сила магнито-дипольного взаимодействия МДС с поверхностью Земли;

Fмс нав. - наведенная магнитострикционная сила.

В настоящее время принято считать, что шаровая молния представляет собой вихревую плазменную структуру, подобную гидродинамическому вихрю Хилла, формируемую внешними электромагнитными полями и обладающую собственным магнитным моментом. Источником внутренней энергии подобной вихревой структуры являются ион-кристаллические ассоциаты воды, выделяющие накопленную энергию тепла в форме других видов энергии в процессе неравновесных фазовых переходов в наведенном электрическом поле холодной плазмы, удерживаемой собственным магнитным полем. [14, 15]

Отличительной особенностью экспериментально наблюдаемых с использованием СВЧ-локации различий макро-МДС от структуры шаровой молнии является то, что шаровая молния получает необходимую энергию извне в результате захвата активных аэрозольных частиц собственным электрическим и магнитным полем, в то время, как наблюдаемые структуры (макроструктуры) получают энергию в результате частичного распада ассоциатов внутри магнито-дипольного образования.

В практическом применении в целях использования явления для создания методов и средств дистанционной радиационной разведки представляют интерес холодно-плазменные образования, связанные с радиоактивностью.

Целенаправленные исследования холодно-плазменных образований, наблюдаемых с помощью радиолокационных станций, начались с 1986 г. в связи с аварией на Чернобыльской АЭС [16]. В результате данных исследований на статистически представительном материале (по основным АЭС Европейской части территории страны) показана связь наблюдаемых явлений с радиоактивностью. При этом существуют, по крайней мере, три типа наблюдаемых объектов с характерными особенностями:

a) относительно стабильные эффективные отражающие поверхности (ЭОП) сложной формы, наблюдаемые в приземной атмосфере;

b) пульсирующие и чередующиеся в вертикальном направлении ЭОП эллиптической формы до высот ~ 14 км;

c) "наведенные" ЭОП (скрещенное наблюдение целей радиолокаторами двух типов), характеризуемые высокой отражающей способностью.

Дистанционные измерения с использованием методов СВЧ-локации позволяют получить результаты, включающие расположение поляризованных плазмоактивных образований МДС в пространстве, общие контуры, протяженность и направления перемещения облаков и "факелов". Для наглядного представления этих данных требуется использовать отметчики различного типа (горизонтальной и вертикальной развертки) с использованием широкополосных сигналов и Сигналов с допплеровским смещением частот, характерных для наблюдаемой плазмы.

Полученные в ряде радиационных инцидентов панорамные изображения повторяют контуры источников радиоактивного загрязнения (в том числе протяженных источников радиоактивного загрязнения воды реки, места аварий, расположение объектов с повышенным радиационным фоном (г.Томск) и участков загрязнения местности и воздушного пространства. Облако в районе Ленинградской АЭС существовало в виде двух вытянутых в западном направлении (в сторону Балтийского моря) частей с высокими значениями эффективной отражающей поверхности [17, 22].

Отличительные признаки физики наблюдаемых явлений могут быть связаны с поведением ион-кристаллических ассоциатов воды (в составе водных аэрозолей) в полях ионизирующих и электромагнитных излучений.

Процессы поляризации и распада водных аэрозолей в поле зондирующих СВЧ-волн можно представить следующим образом:

1. Поверхностная активация метастабильных водных аэрозолей ионными фрагментами молекул, образующихся в результате диссоциации ионизирующими излучениями постоянных компонент атмосферного воздуха.

2. Поляризация и распад активной аэрозольной частицы в поле зондирующей СВЧ-волны.

Распад аэрозольной частицы, как показывают теоретические оценки, сопровождается образованием нестационарных микрооблаков холодной плазмы с концентрациями более 1014 ед. заряда/см3. В отличие от рассмотренной выше схемы взаимодействие зондирующего СВЧ-излучения также может происходить с неактивными аэрозольными частичками, но при воздействии на них поляризующих квазипостоянных электрических полей. Процессы, происходящие в этих случаях, во многом подобны процессам при кавитации и сонолюминесценции (распад ассоциатов в местах максимальных градиентов возбуждающих волн) [18]. Однако процесс распада в этом случае связан с взаимодействием частиц с двумя и более волнами.

Страницы: 1, 2