Исследование состояния электрического поля атмосферы в районе карьера открытых горных разработок

Введение. Выбросы промышленных предприятий, открытых горных разработок, автотранспорта и др. способны изменить электрические свойства приземного слоя атмосферы и иметь нежелательные экологические последствия для окружающей среды и технических объектов. Исследования электрического состояния атмосферы в ясную погоду проводились в районе Мукуланского карьера на Северном Кавказе. В ходе исследования наблюдались повышенные значения напряженности электрического поля, обусловленные по-видимому процессом электризации аэрозольных частиц разных размеров, образующихся в процессе механического разрушения и дробления частиц горной породы.

Материалы и методы исследований. Измерения напряженности электрического поля атмосферы, который является одним из важных параметров атмосферного электричества, проводились с помощью флюксметра ротационного типа, на высоте 2542 м. При этом особое внимание уделялось достоверности полученных результатов в ходе этих измерений. Применялась методика проведения атмосферно-электрических измерений, исключающая ошибки, вносимые различными факторами, такими как способ размещения измерительной аппаратуры, неоднородность рельефа местности, метеоусловия пункта наблюдения, который находился в слое обмена воздушных масс и турбулентной диффузии.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ полученных результатов в дни с невозмущенной ясной погодой показал, что единственным фактором, влияющим на унитарный ход напряженности поля на такой высоте, остается карьер открытых горных разработок, где в такие дни постоянно идет интенсивное пылеобразование и связанная с ним электризация аэрозольных частиц разных размеров. Если процессы электризации протекают достаточно интенсивно и длительно, то в приземном слое атмосферы накапливается избыточный объемный заряд, который способствует формированию повышенных значений электрического поля у поверхности земли. Среднее значение напряженности электрического поля составил 600-700 В/м, которая превышает на порядок, результаты измерений, проведенные на таких высотах другими исследователями в условиях невозмущенной погоды. Отмечены также локальные изменения напряженности поля при подходе к измерительной площадке, визуально наблюдаемого облака пыли, что проявилось в синхронных изменениях напряженности поля, при котором ее значение снижается и достигает иногда отрицательных значений и восстанавливается через некоторое время до своих средних значений. Локальные изменения поля вызваны действием отрицательного объемного заряда сосредоточенного в облаке пыли, состоящим из крупных частиц, средний размер которых оценивался по скорости оседания аэрозольных частиц и составил около 30 мкм. Обнаружено, что существует прямая связь между напряженностью поля и концентрацией аэрозольных частиц, образующихся при механическом разрушении горных пород, в результате которого происходит электризация частиц.

Выводы. Исследования электрического состояния, проведенные в районе Мукуланского карьера, показали, что в условиях хорошей погоды наблюдается электризация в приземном слое атмосферы. Аэрозольные частицы приобретают заряд в процессе механического разрушения частиц горных пород и нарушения контакта между ними. Одновременно происходит селективная зарядка и захват легких аэроионов воздуха в зависимости от их размеров и макроразделение в поле гравитационных сил, с одной стороны, быстрое оседание крупных частиц, заряженных отрицательно на поверхность земли, а с другой стороны мелкие частицы, которые могут сутками находится во взвешенном состоянии в атмосфере, заряженные положительным знаком, что приводит к уменьшению проводимости воздуха и соответственно росту напряженности поля в районе карьера.

1. Аджиев А.Х., Вакалов И.А., Куповых Г.В., Мартынов А.А., Шварц Я.М. Наблюдения за атмосферным электричеством на высокогорном пункте пик Чегет // Тезисы докладов 4-го Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Нальчик, 1990. 380 с.

2. Зекореев Р.Х., Камбиев М.М., Машуков Х.Х. Некоторые результаты исследования параметров атмосферного электричества в районе Мукуланского карьера (Северный Кавказ) // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, 2010. Вып. 3. С. 43–46.

3. Имянитов И.М., Чубарина Е.В. Электричество свободной атмосферы. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1965. 240 с.

4. Имянитов И.М., Чубарина Е.В., Шварц Я.М. Электричество облаков. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1971. 93 с.

5. Колоколов В.П. и др. Измерения электрического поля над Атлантическим и Индийским океанами // Метеорологические исследования. Москва: Изд-во МГК, 1982. № 27. С. 10– 16.

6. Левин Л.М. Исследования по физике грубодисперсных аэрозолей. АН СССР. Москва: 1961. 267 с.

7. Огуряева Л.В., Шварц Я.М. Анализ многолетнего хода величины атмосферного электричества в приземном слое. Регулярные измерения электропроводности воздуха // Метеорологические исследования. Москва: Изд-во МГК, 1982. № 27. С. 35–48.

8. Петров А.И., Петрова Г.Г., Панчишкин И.Н., Кудринская Т.В., Петров Н.А. Результаты многолетних экспедиционных атмосферно-электрических исследований в приземном слое // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, 2010. Спецвыпуск. С. 73–76.

9. Пудовкина И.Б. Некоторые результаты изучения аномалий электрического поля атмосферы в районе Баксанского ущелья // Труды Эльбрусской экспедиции. 1961. № 215.

10. Райст П. Аэрозоли. Москва: Мир. 1987. С. 134–145.

11. Редин А.А., Клово А.Г., Куповых Г.В., Морозов В.Н. Генерация объемного заряда вблизи поверхности земли с учетом взаимодействия аэрозольных частиц с аэроионами // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки, 2010. Спецвыпуск. С. 81–85.

12. Седунов Ю.С. К теории диффузионного заряжения частиц произвольной формы // Инженерно-физический журнал. 1959. № 12. 57–63.

13. Смирнов В.В. О физической природе эффекта селективного взаимодействия аэроионов и аэрозолей // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1990. Т. 26. № 6. С. 622–626.

14. Степкина М.Ю., Кудряшова О.Б., Антонникова А.А. Экспериментальное исследование дисперсности заряженных частиц в потоке и на поверхности при электростатическом распылении // Наука. Инновации. Технологии. 2016. № 3. С. 89–95.

15. Филиппов А.Х., Кречетов А.А., Зарифова Н.Г. Результаты исследования атмосферного электричества в Восточной Сибири // Труды 2-го Всесоюзного симпозиума по атмосферному электричеству. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1984. 279 с.

16. Фукс Н.А. О величине зарядов на частицах атмосферных аэроколлоидов // Изв. АН СССР, сер. геогр. и геофиз., 1947. №4. С. 341–348.

17. Чалмерс Дж. А. Атмосферное электричество. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1974. 420 с.

18. Шварц Я.М., Огуряева Л.В. Многолетний ход величин атмосферного электричества в приземном слое // Метеорология и гидрология. 1987. № 7. С. 59–64.

19. Hoppel W.A., Gathman S.G. Determination of the eddy diffusion coefficients from atmospheric electrical measurements // J. Geoph. Res., 1971. Vol. 76. No. 6. P. 1467–1477.

20. Rudg W.A.D. On some sources of disturbance of the normal atmospheric potential gradient // Proc. Roy. soc. 1914. A. Vol. 90. P. 571–582.