Фактори та параметри навколишнього середовища

Перший пов’язаний з вимірюванням енергії, що вивільнюється під час геофізичного процесу. Для цього використовують шкалу Ріхтера. Інтенсивність землетрусів змінюється в широких межах - від тих, що викликають легкі тремтіння земної кори, які реєструються лише чутливими приладами, до тих, що спричиняють руйнування будинків. Енергія вимірюється сейсмографом -приладом, шкала якого побудована у логарифмічному масштабі. Шкалу Ріхтера наведено в табл. 5.2.

 Так, інтенсивність 2 бали звичайно  відповідає мікро-землетрусам; вони  не відчуваються людиною, а лише  апаратурою. Землетруси інтенсивністю 4,5 бала й більше реєструються  сейсмографами у всьому світі. Великі землетруси мають інтенсивність 8 балів і більше. Але шкала Ріхтера не враховує пошкоджень й руйнувань, спричинених землетрусом. Крім того, логарифмічний масштаб, покладений в основу шкали Ріхтера, призводить до певних непорозумінь за спроби інтерпретувати землетруси населенням: так, землетрус інтенсивністю 6 балів може бути оцінений як вдвоє більший, ніж землетрус інтенсивністю 3 бали.

Інший підхід враховує не параметри саме землетрусу, а його вплив на людей. У даному випадку використовується модифікована шкапа Меркаллі.

Схему типового приладу для оцінки землетрусів (сейсмографа) наведено на рис. 5.5. Основу приладу складає котушка, приєднана до тіла маятника, що рухається у магнітному полі. Цей рух супроводжується виникненням у котушці електричного струму, що вимірюється.

Модифікація сейсмографа передбачає застосування допоміжної котушки, всередині якої розміщено дзеркальце гальванометра (рис. 5.6), на яке подається світловий промінь. За виникнення електричного струму дзеркальце обертається, що викликає зміну кута відбивання світлового променя. Таким чином, коливання рухомої частини сейсмографа фіксуються системою реєстрації приладу у вигляді сейсмограми, яка демонструє значне підсилення амплітуди коливань під час землетрусу.

 

 

2. Шуми

 

2.1. Визначення і характеристики шуму

Є кілька визначень терміну шум.

Перше визначення: шум - це звукові коливання, інтенсивність і частота яких змінюються несподівано та аперіодично.

Згідно з другим визначенням, шум є звук, що накладається на інший звук і взаємодіє з ним, тобто він небажаний для нашого слуху.

За третім визначенням - це будь-який звук, що заважає людині. Наприклад, звуки музики корисні для музиканта і є шумом (згідно з другим визначенням) для людей, що розмовляють, або шумом у третьому визначенні для людини, котра хоче заснути.

Величина миттєвої амплітуди шуму описується нормальним (гаусовим) розподілом (рис. 5.7).

Якщо середня потужність (сума інтенсивностей всіх гармонік, що складають шум) є сталою величиною в певному частотному діапазоні, такий шум називають білим. У цьому випадку шум містить усі звукові частоти. Якщо шум переважно складається з високочастотних звукових коливань, він називається фіолетовим (за аналогією з світловими коливаннями). Коли ж домінують низькочастотні звукові коливання, шум називають рожевим.

Важливим параметром шуму є рівень інтенсивності звуку L, яка вимірюється в децибелах (дб).

 

 

Шум буває побутовим, виробничим, промисловим, транспортним, авіаційним. Рекомендовані норми шуму в приміщеннях і на територіях становлять: 30...35 дб - на територіях заповідників; 34...37 дб - в спальних приміщеннях (будинки, лікарні, квартири); 56...66 дб - в приміщеннях магазинів, заводів тощо.

Якщо діють два або більше нескорєльованих джерел шуму, сумарний шум визначається розрахунковим методом.

Шумове забруднення навколишнього середовища стало великою загрозою для здоров’я людини. Протягом дня мешканці великих міст змушені терпіти шумові перевантаження на рівні 65...70 дб і більше. Є прямий зв’язок між інтоксикацією шумом і серцевими хворобами. В районах великих аеропортів, де рівень шумів досягає 100 дб, збільшився продаж снотворних ліків, а діти цих районів гірше засвоюють навчальний матеріал. Шум у 90 дб викликає різноманітні фізіологічні порушення. Верхня межа для людини становить 140 дб, при 160...170 дб відбувається руйнування барабанної перетинки вуха людини. Крім того, шум може бути причиною руйнування органу Корті, бо найбільш уразливими серед усіх елементів слухового аналізатора від дії шуму високої інтенсивності є волоскові клітини внутрішнього вуха. Причому, якщо волоскові клітини зазнають серйозного пошкодження, вони вже не здатні відновлювати своїх функцій і бути заміщеними іншими клітинами. Наслідком цього буває часткова або повна втрата слуху.

 

Для кількісної оцінки впливу шуму на слух використовують параметр, що характеризує зміну слухової чутливості - індукований шумом пороговий зсув (ІШПЗ), що визначається шляхом вимірювання порогу слухової чутливості до і після дії шуму. Цей зсув може бути тимчасовим або постійним, залежно від параметра шуму (інтенсивності, тривалості, частотного складу). Як правило, проміжку часу в 4 хв. достатньо, щоб визначити характер ІШПЗ у людини.

Слух має здатність відновлюватися після припинення дії шуму на рівнях інтенсивності, що не перевищують 30 дб, вже через 16...24 хв. Слід зазначити, що для помірних рівнів шумового впливу процес відновлення слуху характеризується лінійною залежністю від часу у логарифмічному масштабі. Вплив більших рівнів інтенсивності викликає незворотні пошкодження волосових клітин, що призводять до сталого пирогового зсуву. Експерименти на тваринах, які зазнали впливу акустичного шуму різної частоти, з наступним гістологічним аналізом кількості пошкоджених волосових клітин у внутрішньому вусі свідчать про те, що поріг слухової чутливості зменшується в межах 103...104 Гц. Кількість волосових клітин, що залишилися, може досягати при цьому лише 40 відсотків від норми.

Звичайно вплив шуму на людину залежить як від рівня інтенсивності звуку, так і тривалості дії джерела шуму.

 

2.2. Вимірювання рівнів шуму

Для оцінки рівнів шуму використовують шумоміри і аналізатори шуму. Принцип дії шумоміра полягає в перетворенні звукового тиску в електричний сигнал мікрофоном. Цей сигнал підсилюється і калібрується. Типовий діапазон рівнів інтенсивності, що оцінюються шумоміром, становить 30...140 дб. Розглянемо основні конструкції мікрофонів, призначених для вимірювання шумів.

Конденсаторний мікрофон складається з двох пластин, одна з яких займає фіксоване положення, а друга є діафрагмою (рис. 5.8). Під впливом звукової хвилі діафрагма вигинається, відстань між пластинами і ємність конденсатора відповідно змінюються, що викликає зміну електричного сигналу в системі реєстрації.

П'єзоелектричний мікрофон також містить діафрагму, але вона з’єднана з п'єзокристалом, що під впливом звукової хвилі перетворює механічні коливання діафрагми на електричний сигнал.

 

Електретний мікрофон ґрунтується на використанні електрета - діелектрика, що довго зберігає поляризований стан після зняття зовнішньої дії, яка викликає поляризацію. Таким електретом у даній конструкції мікрофона є полімерна плівка, з’єднана з металізованим електродом, що утворює з фіксованим електродом конденсатор (рис. 5.9). Під впливом звукової хвилі величина заряду на обкладинках конденсатора завдяки електретному ефекту, змінюється, що зумовлює відповідну зміну електричного сигналу.

 

Електричне поле - часткова форма виявлення (нарівні з магнітним полем) електромагнітного поля, яка визначає дію на електричний заряд (з боку поля) сили, що не залежить від швидкості руху заряду.

Основною кількісною характеристикою електричного поля є напруженість електричного поля Е, яка в даній точці простору визначається відношенням сили F, що діє на заряд, розміщений у цій точці, до величини заряду q: Е = F/q.

У системі СІ напруженість електричного поля вимірюється в В/м.

 

1. Електричні поля природного  походження

 

До складу атмосфери входять іони кисню, азоту та інших газів, а також вільні електрони. В нижній тропосфері кількість іонів обох знаків невисока - близько 500...700 пар/см3. Іони виникають в основному за радіоактивного випромінювання урану й радію, що знаходяться в земній корі. Але ці іони обліплені нейтральними молекулами води і рухливість їх мала. Вільні електрони існують недовго, бо приєднуються до інших частинок.

На великих висотах кількість іонів збільшується завдяки впливу космічного випромінювання, ультрафіолетового та корпускулярного випромінювання Сонця. Так, на висоті 20...25 км (стратосфера) спостерігається перший максимум іонізації, а саме - близько 104 пар/см3. Далі концентрація іонів зменшується, але на висоті 30 км (мезосфера) їх кількість становить теж 104 пар/см3. Причому кількість негативних іонів мала; в основному переважають позитивні іони та електрони. Приблизно з цієї висоти починається іоносфера - природне утворення розрідженої слабко іонізованої плазми, що перебуває у магнітному полі Землі і піддається впливу іонізуючого випромінювання Сонця. Іоносфера складається з кількох шарів, розташованих на різних висотах: верхній шар F відповідає основному максимуму іонізації; вночі він знаходиться на висоті 300...400 км, а вдень роздвоюється на шари F1 (160…200 км) іF2 (220…320 км). На висотах 90...450 км розміщений шар Е, а нижче 90 км - шар D. Іонний склад іоносфери відповідає трьом стадіям існування іонів - їх утворенню, перетворюванню та знищенню.

 

Блискавки

Наявність грозових хмар впливає на розподіл електричних зарядів. Згідно з сучасним уявленням, структура грозової хмари - тризарядна: в центрі хмари розташована основна зона негативного заряду, над нею - позитивного заряду, а під нею - інша, менша, але теж позитивно заряджена зона (рис. 6.1).

 

Найбільш характерною особливістю зони негативного заряду хмари є те, що вона являє собою плаский (товщиною 1 км) шар на висоті 6 км, де температура повітря становить мінус 15оС (так звана температура реверсу). На цій висоті вода існує в трьох фазах - у вигляді рідини, льоду і пари. Верхня позитивно заряджена зона може мати товщину кілька кілометрів і досягати тропопаузи (13 км). Нижня зона настільки мала, що її впливом на формування електричного поля біля поверхні Землі можна знехтувати. В атмосфері за типових температурних режимів існують кристалики льоду та важкі частинки снігової крупи. Лабораторні дослідження показали, що при температурах більших ніж температура реверсу (висоти <6 км) частинки крупи, що падають, взаємодіють з кристаликами льоду і набувають позитивного заряду, а при температурах менших від температури реверсу (висоти >6 км) вони заряджаються негативно.

Вважається, що саме частинки крупи беруть участь у формуванні нижньої зони в тризарядній хмарі. Перед грозою напруженість електричного поля в неї може досягати 50000 в/м, а під час грози - 100000...300000 в/м.

Істотну роль в електризації грозових хмар відіграє конвекція - рух кристаликів льоду та снігової крупи вгору; причому, кристалики підіймаються швидше, що еквівалентно падінню крупи. Висхідний потік переносить переохолоджені краплини води вище граничної зони, забезпечуючи збільшення крупи. Як тільки хмара накопичить достатньо електричного заряду, при якому електричне поле здатне подолати діелектричну «міцність» атмосфери, виникає блискавка - іскровий розряд.

Блискавки переважно утворюються всередині основного негативного заряду.

У випадку розряду між хмарою та земною поверхнею блискавка складається з двох розрядів: один (лідер) прямує до земної поверхні, а інший (стример) поширюється вгору.

Цікаво навести параметри блискавки: середня тривалість – 10-3сек., електричний струм - до 100 000 А, температура в розряді - 27600°С, довжина блискавки - 3...16 км, діаметр - 1,3...2,5 см.

 

Північне сяйво

У 1958 р. команда дослідників, очолювана Джеймсом ван Алленом, використовуючи дані супутника «Експлорер 1», виявила наявність радіаційних поясів, що оточують земну кулю. Ці пояси утворюються зарядженими частинками (електронами й протонами), захопленими неоднорідним магнітним полем Землі. Траєкторії руху частинок мають спіралеподібну форму. Всі заряджені частинки надходять від Сонця або зірок; загальна назва їх - космічні промені. На полюсах ці частинки стикаються з іншими атомами, утворюючи випромінювання світла, яке називають північним сяйвом (Aurora Borealis на Північному полюсі, Aurora Australis - на Південному).

2. Вимірювання електричних полів

 

Методи вимірювання електричних полів в атмосфері можна поділити на три класи:

І. Оцінка напруженості поля за різницею потенціалів між електродами, що перебувають у полі.

ІІ. Вимірювання величини заряду, що індуктується полем на поверхні провідника:

          Е= πσ,         (6.1)

де σ- поверхнева густина заряду.

ІІІ. Аналіз впливу поля на рух електронів або іонів.

 

Розглянемо основні методи вимірювань електричних полів природного походження.

Ракетний сенсор застосовується для вимірювання зовнішнього електричного поля. Ракета довжиною 1,5 м і діаметром 70 мм (рис. 6.2) обертається навколо поздовжньої осі; корпус ракети, таким чином, являє собою ротор.

 

Електричне поле замикається крізь вікна на корпусі ракети на тонких електродах, що виконують функції статорів. Сигнали з кожної пари протилежно розташованих електродів надають інформацію щодо напруженості електричного поля.

Циліндричний сенсор, що установлюється на літаку в носовій та боковій частинах фюзеляжу, складається з двох напівциліндрів, розділених тефлоновим ізолятором. Під час польоту сенсор обертається, і електричне поле викликає появу змінних зарядів на обох циліндрах; ці заряди сприяють появі електричного струму, який через ємність підсилюється, обробляється та аналізується. Система здатна вимірювати електричні поля в діапазоні 10 В/м....500 кВ/м.