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.