Формирование поляризованных и холодно-плазменных аэрозольных образований в атмосферe

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.

Квазипостоянные электрические поля в атмосфере образуются естественным образом. Мощные конвективные потоки нагретого воздуха (особенно в местах с повышенной протонной эмиссией грунта), а также ионизирующие излучения создают искажения в структуре атмосферных электрических полей, изменяя электронно-ионную концентрацию в воздухе. Наиболее активные искажения, являющиеся резонаторами электромагнитных волн, имеют преимущественно пирамидальную форму и находятся в атмосфере на границах с литосферой и ионосферой (подобные же искажения могут формироваться и в литосфере).

Простейший пример возникновения квазипостоянного электрического и магнитного полей показан на рис.2

Рис.2. Схема возникновения "стоячих" электромагнитных волн в диэлектрической плоской фигуре треугольного вида на плоскости

В подобных резонаторах возникает интерференция поляризованных в плоскости диэлектрического треугольника (хоу) электромагнитных волн, испытывающих многократное отражение от граней треугольника с обращением фазы. Преимущественное усиление волн достигается при условии полуволнового резонанса, при котором эффективные расстояния, проходимые волной от одного отражения до другого, равны полуволне интерферирующих электромагнитных излучений.

Фигуры пирамидально-подобной формы (форма определяется объемной структурой диэлектрических характеристик активного воздушного пространства) представляют собой, по существу, объемные осцилляторы электромагнитных волн. Подобные процессы могут быть описаны на основе теории, изложенной в работе [19]. В результате интерференции образуются пространственно направленные электрические (Ez) и магнитные (Bx, By) волны, преимущественно в диапазонах низких и инфранизких частот.

Ионосферные образования пирамидальной формы формируются при введении в ионосферу жидкости или газа, промотирующих рекомбинацию ионов (изменение концентрации ионов d N/N 3...8%). Генерация данными образованиями на границе ионо- и атмосферы электромагнитных излучений УНЧ/ОНЧ/КНЧ - диапазонов (измерения в вертикальном направлении - Bx, By) подтверждена экспериментально со спутников серии "Космос" [20]. Ионосферные генераторы электромагнитных излучений в УНЧ/ОНЧ/КНЧ - диапазонах являются, по-видимому, промоторами сейсмической активности, которые обусловливают появление в литосфере наведенной составляющей магнитострикционной силы (Fмс.нав.) и силы магнито-дипольного взаимодействия (Fмд), что, вероятно, приводит к периодическим колебаниям уровней поверхности земли и водной поверхности (особенно в области формирования тропических циклонов).[21]

В отличие от поляризованных аэрозольных структур, состояние которых поддерживается внешними электромагнитными волнами, МДС являются самоподдерживающимися образованиями эллиптической формы. Их возникновение происходит практически мгновенно с образованием гигантского импульса индукции. Как показывают экспериментальные данные, полученные в работе [22], поведение и магнитную структуру МДС можно определить по изменениям магнитного поля, обычно возникающего перед землетрясением.

Рис.3. Схема образования (УНЧ-индукции) поляризованных облаков активных водных аэрозолей ("факелов" над АЭС, TV-башнями, объектами пирамидальной формы, над конвективными потоками в нижних слоях атмосферы и "обращенных" пирамид в верхних слоях атмосферы).

fкр - критическая частота радиолокации;

Ткр - критические изотермы распада аэрозольных частиц.

Эллиптические фигуры вытянутой формы обозначают области поляризации аэрозолей (заштрихованные фигуры внутри эллипсов - области наведения МДС, совпадающие с высотами критических изотерм спонтанного плазмообразования).

По нашему мнению, экспериментально наблюдавшиеся в данной работе аномальные сигналы магнитометров обязаны своим происхождением аэрозольным МДС, появляющимся преимущественно в гористой части (где постоянно имеются активные пространственные структуры ). Подобное магнитное поле существует в виде короткопериодных (1 ...2 мин) с очень крутым передним и задним фронтами импульсов [22], следующих со скважностью 2-3 импульса в час. Обычно цуг начинается наиболее мощным импульсом амплитудой до 50 нТл, за ним следует с интервалом через несколько минут несколько менее мощных импульсов. Заканчивается цуг несколькими небольшими всплесками амплитудой несколько нТл.

Физические процессы образования сильного импульсно-периодического магнитного поля (инерционный магнитометр сглаживает тонкую структуру импульса) связаны с фазовыми переходами льдов I-группы во льды II-группы в отдельных частицах, в процессе которых происходит спонтанное намагничивание кристаллов фазы (время спонтанного намагничивания tнс ~ 10-6 с) и образование "гигантских" магнитных импульсов магнитного поля (время сверхпроводящего намагничивания tнсп ~ 10-13 10-14 с), обусловленного сверхпроводящим и сверхизлучающим состоянием.

Физическое состояние пространства внутри МДС характеризуется высокими локальными плотностями плазмы (образующейся в результате неравновесного фазового перехода ассоциатов в аэрозольных частицах) и изменением равновесной концентрации сосуществующих аэрозольной и паровой фазы.

В результате распада первоначально наиболее крупных активных частиц (d ~ 2 ... 0, 5 мкм) происходит образование ионизирующих частиц и последующая электрохимическая активация частиц меньшего размера, что обеспечивает последующее участие в распаде более мелких частиц. Остаточная намагниченность (tнс ~ 10-6 с) ассоциатов в процессе фазовой трансформации и электрохимическая активация частиц обеспечивает самоподдержание МДС.

Образование МДС особенно активно происходит при положительных температурах (до 20oС) и критических изотермах 0.4oС, - 6oС, - 10oС, - 16oС, - 20oС, - 34oС, - 40oС, соответствующих (иногда с небольшим превышением, обусловленным изменением фазовой прочности кристалла в атмосферном электрическом поле) критическим точкам фазовых переходов аллотропных форм льда (0.16oС-Y-жидк.-YI; - 6oС, - 10oС-IY-Y; - 16oС-III-жидк.-Y; - 20oС-III-IY; - 34oС-I-II-III; - 40oС-IY-Y) [24].

По нашему мнению, подобные МДС способны активно передавать энергию магнитного поля как диэлектрикам, приводя к их намагничиванию, так и проводникам посредством индукционных токов. Силы магнито-дипольного взаимодействия, как показывают оценки, могут достигать миллионов джоулей, что обусловливает, по нашему мнению, возникновение как региональных так и местных (локальных) подъемов поверхности земли, регистрируемых в виде толчков различной интенсивности. Подобные процессы происходят в том числе и на АЭС (Балаковская АЭС испытывает периодические толчки, что привело к опусканию ее уровня на 1, 5 м; аварии на ЧАЭС, как утверждают сейсмологи, также предшествовал сейсмический толчок).

Подъем массы вещества также отмечается при таких атмосферных процессах как сейши (волновые всплески на спокойной водной поверхности, приводящие к затоплению рыбацких судов) и смерчи (перемещающие в пространстве по воздуху такие объекты как железнодорожные цистерны ) и др.

Для экспериментального подтверждения возможности формирования над объектами пирамидальной формы холодно-плазменных образований была проведена серия опытов по СВЧ-наблюдению над пирамидой Платона, находящейся в пос. Раменское. Наблюдение проводилось при различных метеоусловиях (при ясной погоде, низкой облачности, мелком моросящем дожде, в дневное и ночное время, при отрицательных и положительных температурах). Результатами радиолокационных экспериментов установлено, что независимо от метеоусловий над пирамидой находится устойчивое пульсирующее холодно-плазменное образование факельной формы. При этом в зависимости от влажности и температуры атмосферного воздуха наблюдаются вариации ЭОП и высоты "факела". Уменьшение относительной влажности и температуры воздуха приводит к снижению ЭОП и высоты "факела".

На основании полученных экспериментальных данных по ЭОП над радиационно-опасными объектами, участками радиоактивного загрязнения местности, объектами пирамидальной формы и данных, полученных со спутников серии "Космос", можно утверждать, что холодно-плазменные образования формируются преимущественно над объектами, характеризующимися Значительными градиентами электронно-ионной концентрации, которые образуют активные пространственные формы типа пирамид и конусов. Пространственные искажения со стороны поверхности Земли особенно интенсивны на открытых песчаных грунтах, характеризуемых особо сильной протонной эмиссией из грунтовых вод (на 4 порядка большей по сравнению с открытой водной поверхностью) [20], а также при радиоактивном загрязнении местности гамма-активными нуклидами, имеющими большие длины свободного пробега. В отличие от поверхностных активных фигур искажения конусоидальной формы в верхней атмосфере имеют, как правило, космическое происхождение. Образование обращенных вниз куполов в диэлектрических характеристиках воздуха происходит в результате стратосферного вторжения радиоактивных изотопов, в том числе бета-активного изотопа 7Be [23].

Следует также отметить, что к естественным генераторам низкочастотных излучений может быть отнесен и человек. Человек обладает собственным электрическим, магнитным и электромагнитным полем, которое может при определенных условиях влиять на поведение МДС, вызывая изменения в метеорологических процессах. Наиболее сильно это проявляется при ведении боевых действий. Например, проигранные сражения англо-французского корпуса в кампаниях 1914-1916 гг связаны с резким изменением метеоусловий в самом начале (в день наступления или на следующие сутки) сражений. К такому выводу также располагают данные о повышенной электрохимической активности аэрозолей в первой половине весенне-летнего периода. МДС возникают также над культовыми объектами во время проведения религиозных ритуалов, что может быть зарегистрировано как по образованию характерных просветов сферической формы в естественной облачности, так и инструментальными методами (по флуоресценции, поляризации аэрозоля, СВЧ- и лазерной гетеродинной локацией).

Таким образом, экспериментальные данные подтверждают образование в атмосфере самоорганизующихся индуцируемых внешними электрическими полями плазменных образований МДС, которые возможно обнаружить преимущественно средствами СВЧ-зондирования.

Кроме радиотехнических методов для наблюдения МДС в атмосфере могут быть использованы оптические методы (регистрация люминесценции *ОН-радикалов на длине волны l=340 нм), поляризационные измерения в рассеянном свете (использование т.н. "микролептонных" регистраторов [24], измерения заторможенной в пределах МДС турбулентности путем регистрации аэрозольного рассеяния с помощью гетеродинных СО2 - локаторов, а также прямые измерения параметров наведенных электрических и магнитных полей.

Приведенные выше теоретические положения и полученные экспериментальные результаты позволяют найти объяснение многим процессам, происходящим в природе, и использовать их в практических целях. Одним из таких наиболее разработанных направлений практического использования данных положений является метод дистанционного радиационного контроля объектов, местности и атмосферы на основе радиолокации нестационарных микроплазменных образований в атмосфере.

Рассмотренные выше представления электрохимической активации и образования МДС могут быть научной основой комплекса новых технологий в энергетике, промышленности, медицине. Применение данных положений к проблеме атмосферного переноса тепла позволяет найти глобальные катаклизмы. Физические представления о воде как структурированной жидкокристаллической среде позволяют с новых позиций подойти к роли воды в биологических системах. Вода не является инертной средой, а выполняет роль энергоинформационного регулятора как на клеточном (включая белок и нуклеиновые кислоты), так и на органном уровнях.

Список литературы

1.Стехин А.А., Яковлева Г.В., Ишутин В.А, Рахмамин Ю.А. Вода как коллоидная система. "Проблемы водоподготовки и водоотведения" /Тезисы докладов научно-технического семинара. Франция, Париж, 22-29 июня 1997 г.125 с.

2. Зенин С.В., Тяглов Б.В. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах /Журнал физической химии, 1994 г. Т. 68. ? 3, 500-503 с.

3. Антонченко В.Я., Давыдов А.С., Ильин В.В. Основы физики воды. Киев, "Наукова думка", 1991 г. 667 с.

4. Water and aqueous solutions/Ed/ by R.A. Horne. New York-London. 1972. 837 p.

5. Water. A comprehensive treatise, V.I. The Phisics and Physical Chemistry of Water/Ed. By F. Franks. New York-London. 1972. 596 p.

6. Гальперин А.С., Кулешов Г.Г. Локальные параметры фазового перехода первого рода в электромагнитном поле/ЖФХ. 199 г. Т. 65. ? 8. 2195 с.

7. Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. М.-Л., Гостехиздат, 1949 г.

8. Седова Г.Л., Черный Л.Т./Изв. АН СССР. Сер. МЖГ.1986 г. ? 1.

9. Конюхов В.К., Тихонов В.И. Адсорбция молекул воды на поверхности кластеров в условиях ЯМР для протонов в слабых магнитных полях./ Краткие сообщения по физике 1, 2 ФИАН им. П.Н. Лебедева. 1995 г. 12-18 с.

10. Лейбффид Г. Мкроскопическая теория механических и тепловых свойств кристаллов. М., Физматгиз, 1963 г. 312 с.

11. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. М., Изд. Моск. Ун-та, 1987 г. 171 с.

12. С. Сингер. Природа шаровой молнии. М., Изд. "Мир", 1973 г.

13. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. М., Энергоатомиздат, 1985 г. 208 с.

14. Hill E.L. Ball lightning as a physical phenomenon/ J. Geophys. Res., 1960 Vol. 65. N 7. 1947 p.

15. Леонов Р.А. Загадка шаровой молнии. М., Наука, 1965 г.108 с.

16. Боярчук К.А., Кононов Е.Н., Ляхов Г.А. Радиолокационное обнаружение областей локальной ионизации в приземных слоях атмосферы/Письма в ЖЭТФ. 1993 г. Т. 19. В. 6. 67-71 с.

17. Кононов Е.Н. Отчет по НИР шифр "Выброс-Р-МКЭБ", 1996 г. Курочкин А.К., Смородов Е.А, Валитов Р.Б., Маргулис М.А. Исследование механизма сонолюминесценции. I Фаза возникновения ультразвукового свечения жидкости/Журнал физ.химии, 1986 г. Т. L.X. ? 3.

18. Кюркчан А.Г, Стерпин Б.Ю., Шаталов В.Е. Особенности продолжения волновых полей/УФН, 1996 г. Т. 166. ? 12. 1285-1308 с.

19. Бучаченко А.Л., Ораевский В.Н. и др. Ионосферные предвестники землетрясений /УФН, 1996 г. Т. 166. ? 9. 1053-1059 с.

20. Балдачан М.Я. О разделении зарядов при испарении воды с земной поверхности/ДАН СССР, 1991 г. Т. 316. ? 6. 1358-1361 с.

21. Наумов А.П. Аномалии вариаций геомагнитного поля в Крыму как источник сейсмопрогноза /ДАН, 1997 г. Т. 356. ? 1. 105-109 с.

22. Шакина Н.П., Кузнецова И.Н. Повышение суммарной бета-активности в приземном слое воздуха в результате стратосферных вторжений/ДАН, 1997 г. Т. 356. ? 3. 390-392 с.

23. Охатрин А.Ф., Стехин А.А., Яковлева Г.В., Кононов Е.Н. и др. Отчет о НИР "Поиск возможностей использования микролептонных технологий для обнаружения полей ионизирующих излучений, вредных примесей в атмосфере", М., ВАХЗ, 1997 г. 90 с.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.fund-intent.ru/