Электромагнитное излучение

 

,

(3.19)

 

где - т.н. плазменная частота, - концентрация свободных электронов.

 

Из формулы (3.19) следует, что электромагнитные волны в плазме, частота которых меньше плазменной частоты не распространяются, поскольку диэлектрическая проницаемость плазмы для таких частот отрицательна и, следовательно, показатель преломления и волновое число чисто мнимое.

Понятие комплексной диэлектрической  проницаемости среды позволяет  рассмотреть с единых позиций  комплексных уравнений Максвелла  распространение электромагнитных волн в различных средах, что заслуженно имеет большое научно-практическое значение для решения широкого круга  естественно - научных и технических  задач.

3. Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение  принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазон частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

4. Акустические поля, геофизические поля, гравитационные поля.
1. Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

·        звуковым давлением p_зв, Па;

·        акустическим сопротивлением   z_А, Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического  поля являются:

·      интенсивность I, Вт/м²;

·      мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического  поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически  до бесконечности, то такое поле  называют свободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении)  распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн. 

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии. 

Если в помещении начинает действовать  источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения  звука акустическая интенсивность  звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически  считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10⁶ раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

2. Геофизические поля представляют собой особую форму материи, обеспечивающую связь в Земле макрообъемов массивов горных пород в единые системы геологических тел, осуществляющую передачу действия одних геологических тел на другие, удерживающую гидросферу и атмосферу, поддерживающую процессы энергопереноса, необходимые для существования жизни на Земле. Согласно определению, имеющемуся в "Геологическом словаре", геофизическим полем или физическим полем Земли называется множество значений физических величин (параметров), количественно характеризующих естественное или созданное в Земле искусственное физическое поле (или отдельные его элементы) в пределах определенной области или территории Земли.

Удобно разделение физических полей  Земли на два класса - естественного  и искусственного происхождения.

К естественным физическим полям Земли относятся: гравитационное (поле силы тяжести), геомагнитное, температурное, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих механических колебаний) и радиационное (поле ионизирующих излучений). Через физические поля осуществляется взаимодействие Земли как планеты с Солнцем и со всем остальным макрокосмическим пространством. В пределах Земли и ее ближайших окрестностей природные физические поля принято называть геофизическими, что подчеркивает их непосредственную связь, генетическую и структурную, с нашей планетой. Особо следует подчеркнуть прямую связь полей, которые мы называем геофизическими, именно с литосферой, с другими глубинными "сферами" земного шара и лишь опосредованную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обусловлены особенностями строения литосферы и Земли в целом (например, гравитационное и геомагнитное поля) либо характером геодинамических, физических и химических процессов (например, сейсмическое, радиоактивное, температурное, электромагнитное поля).

Искусственные неуправляемые поля (техногенные физические поля) обусловлены работой механизмов и машин, энергетических установок, транспортных средств, средств связи и других источников антропогенной деятельности.

Все названные естественные (природные) и искусственные (техногенные) геофизические  поля являются неуправляемыми, т.е. они существуют помимо воли исследователей, использующих их для решения тех или иных задач по изучению оболочек Земли, в том числе и с экологическими целями. Специально же для геофизических исследований Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерных, технических и экологических задач широко используются управляемые поля, которые создаются искусственно с помощью разных источников: возбудителей упругих волн (взрывных или невзрывных), батарей и генераторов постоянного или переменного тока, источников гамма-излучения и нейтронов и др.

Как отмечалось выше, экологически аномальные проявления природных физических полей могут быть названы экогеофизическими, а техногенных - экофизическими. Общая гравитационная, магнитная и температурная обстановка на Земле в процессе эволюции биосферы обеспечила возможность устойчивого существования, точнее, приспособления живых организмов вплоть до переживаемых нами исторического и геологического отрезков времени. В то же время неуклонно возрастающее техногенное энергетическое воздействие на все живые организмы на Земле, обусловленное увеличивающимся уровнем электромагнитного загрязнения среды в очень широком частотном диапазоне, и особенно в области радио- и более высоких частот, может оказать непредсказуемое влияние на биосферу. Роль техногенного электромагнитного воздействия оказывается весьма существенной и заслуживает особого внимания еще и потому, что большинство процессов, происходящих в живых организмах и регулирующих их деятельность, относятся к классу электрохимических и электрофизических. Физические поля всех видов, действующие в пределах литосферы или на ее границе с другими "сферами", преобразованные, аккумулированные и распределенные под влиянием ее пространственно-временной структуры и свойств, могут быть отнесены к геофизическим вне зависимости от их природы. Следует также иметь в виду, что естественные геофизические и техногенные физические поля не существуют раздельно, а накладываются друг на друга в соответствии с принципом суперпозиции. Согласно этому принципу суммируемые поля, создаваемые отдельными источниками, в нашем случае естественными и техногенными, взаимно независимы, т.е. любое из этих полей в присутствии остальных является таким же, как при их отсутствии. Иными словами, речь идет о сложении полей, при котором отсутствует влияние полей друг на друга (линейные эффекты). Однако в физических полях Земли наблюдаются и нелинейные эффекты, когда изменение интенсивности одного поля приводит к изменениям тех или иных параметров как этого, так и других физических полей (например, сейсмоэлектрический, пьезоэлектрический эффекты и др.). Что же касается экогеофизических и экофизических аномалий, то приставка "эко" обусловлена необходимостью подчеркнуть то обстоятельство, что они могут оказывать воздействие на природные и природно-технические экосистемы.

3. Гравитационное поле

Гравитационное поле (поле силы тяжести), природа которого и сегодня остается для ученых загадкой, является очень важным жизненным фактором, так как благодаря ему на Земле удерживается гидросфера, атмосфера, да и литосфера. Гравитационное поле Земли характеризуется сложностью структуры и пространственной изменчивостью, которые определяются особенностями плотностного разреза, взаимным расположением и размерами гравитирующих тел на фоне общего планетарного поля силы тяжести.

Измеряемыми параметрами гравитационного поля (поля силы тяжести) являются ускорение, которое для краткости называют "силой тяжести" (g), и его градиенты (g_x, g_y, g_z). Величина g определяется в основном ускорением свободного падения тел за счет ньютоновского притяжения и в меньшей степени ускорением центробежной силы вращения Земли. Этими двумя факторами определяется так называемое "нормальное поле силы тяжести". Вследствие неравномерности распределения плотности горных пород, слагающих земную кору, и вещества верхней мантии появляется аномальное поле силы тяжести. Таким образом, полное значение силы тяжести складывается из нормального и аномального полей. Если путем расчетов выделить аномальное поле, то оно определяется лишь плотностной неоднородностью Земли в районе измерений g.

Нормальные значения ускорения силы тяжести изменяются в пределах от 9,78 м/с² на экваторе до 9,83 м/с² на полюсах. В гравиметрии за единицу измерения силы тяжести принимается миллигал (мГал): 1 мГал = 10^-3 Гал = 10^-5 м/с². Гравитационные аномалии, имеющие геологическую природу, достигают (3 - 30) · 10^-4 м/с². Временные вариации, обусловленные приливным воздействием космических тел, и в первую очередь Луны и Солнца, приводящим к периодическим изменениям высоты земной поверхности, а также к медленному перераспределению гравитирующих масс внутри земного шара, могут составлять 3,4 · 10^-4 м/с², а возможная величина вековых изменений силы тяжести в течение года - менее 1,0 · 10^-4 м/с².

Изменения силы тяжести на поверхности литосферы, которые обусловлены инженерной деятельностью человека: извлечение из недр Земли значительного количества ископаемого сырья, искусственное снижение или повышение уровня подземных вод, создание обширных водохранилищ, строительство крупных городских агломераций, сравнимы с временными вариациями. Сила тяжести может меняться при протекании экологически значимых геологических процессов, таких, например, как сейсмотектонические подвижки, обвальные явления, оползне и карстопроявление, процессы, связанные с проседанием земной поверхности, переработкой берегов крупных водохранилищ и т.п.

В практике гравиметрии чаще измеряются не абсолютные (g), а относительные значения (или приращения) ускорения силы тяжести по отношению к какому-нибудь опорному пункту (Δg). Для этого применяются разного рода гравиметры (см. разд. 4.2). Для определения градиентов силы тяжести, называемых вторыми производными потенциала, используются вариометры и градиентометры.

Точность измерений разными  типами гравиметров на суше составляет 0,01 - 0,5 мГал, на море и в воздухе - 1 мГал, а при измерении вариометрами и градиентометрами - около 1 E (этвеш), 1 E = 1 мГал/км.

Специальными приемами глобального  изучения поля силы тяжести являются альтиметрические наблюдения, позволяющие посредством определения орбит спутников (форм и высоты) рассчитывать аномальные гравитационные поля и изучать их динамику.