Введение к работе
Актуальность темы. Дисперсные системы, содержащие большое количество газовых пузырьков, встречаются часто в природе и технике. По данным разных авторов, в длительно отстоявшейся воде содержатся пузырьки, имеющие радиусы в пределах при их объемной концентрации . Некоторые авторы сообщают о том, что им удалось обнаружить сверхмалые пузырьки радиусом с концентрацией . Однако вопрос о стабильном существовании в воде таких пузырьков до настоящего времени остается нерешенным.
Наличие большого количества пузырьков в жидкости оказывает существенное влияние на электрические свойства дисперсных систем, находящихся как в постоянных, так и в высокочастотных электрических полях; они оказывают также влияние на величину напряжения зажигания разряда в воде; реологические и релаксационные свойства газожидкостных систем во многом определяются наличием в них мельчайших газовых пузырьков.
В последние годы обнаружено, что пузырьки газа, присутствующие в водных растворах, играют большую роль в геофизических процессах. Так, например, они являются решающими в возникновении больших разностей потенциалов при кристаллизации воды; заряженные пузырьки, выделяющиеся с поверхности градин и частиц крупы в процессе их коагуляционного роста, служат мощным источником грозового электричества. Заряженные пузырьки, выделяющиеся с поверхности морей и океанов во время штормов, уносят в окружающее воздушное пространство большое количество зарядов, что в какой-то степени способствует поддержанию заряда земли.
Вместе с тем электрические свойства дисперсионных систем, содержащих большое количество пузырьков, недостаточно изучены; мало изучены также вопросы, касающиеся геофизических аспектов таких систем.
Поэтому теоретические и экспериментальные исследования физических характеристик дисперсных систем с пузырьками газа при различных внешних воздействиях представляет большой научный и практический интерес в атомной промышленности и в некоторых технологических процессах, а явление выделения заряженных пузырьков с поверхности ледяных частиц, находящихся в потоке переохлажденного водного аэрозоля, может служить одним из важнейших механизмов генерирования зарядов в грозовых облаках.
Цели и задачи исследования:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование диэлектрических свойств дисперсных систем с пузырьками газа, находящихся в переменных электрических полях, и изучение влияния заряда пузырьков на эти свойства;
-
Исследование кинетики процесса выделения газовых пузырьков в переохлажденной облачной воде в процессе снятия переохлаждения;
-
Разработка нового эффективного механизма генерирования грозового электричества, основанного на явлении выделения заряженных газовых пузырьков с поверхности градин и частиц крупы в процессе их коагуляции с переохлажденными облачными каплями.
-
Разработка теоретической модели генерирования и разделения зарядов в мощных конвективных облаках, основанной на новом механизме генерации зарядов в облаках.
Научная новизна полученных результатов:
-
Впервые получены аналитические формулы для действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической постоянной как чистых водных растворов электролитов, так и при наличии в них заряженных пузырьков.
-
Разработана экспериментальная установка для изучения кинетики проводимости различных проб воды с пузырьками газа.
-
Впервые исследована кинетика роста пузырьков в переохлажденных облачных каплях при быстром снятии переохлаждения и получена аналитическая формула, устанавливающая связь между размерами пузырьков и их концентрацией в капле.
-
Предложен новый механизм генерирования грозового электричества, который по мощности превосходит все известные механизмы генерации зарядов в облаках, и получена аналитическая формула, устанавливающая связь между мощностью генерирования зарядов и водностью облака.
-
Построена упрощенная теоретическая модель генерирования и пространственного разделения зарядов в мощных конвективных облаках, которая в будущем может служить основой для построения более общей модели грозового облака.
Практическая ценность полученных результатов.
Результаты работы могут быть использованы при расчете радиолокационной отражаемости от обводненных градин, при разработке теоретической модели грозового облака. Разработанные экспериментальные установки могут быть использованы в учебном процессе в качестве лабораторных работ по изучению электрических свойств дисперсных систем.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Формулы, выражающие зависимость диэлектрических проницаемостей водных растворов электролитов, содержащих множество пузырьков, от частоты внешнего электрического поля.
-
Экспериментальная установка для исследования влияния переменного электрического поля на диэлектрические свойства воды с пузырьками газа.
-
Формула, устанавливающая связь между концентрацией и размерами пузырьков, образующихся в облачных каплях в момент снятия переохлаждения.
-
Новый механизм генерирования и разделения зарядов в мощных конвективных облаках.
-
Принципиальная схема построения теоретической модели грозового облака.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на конференциях различных уровней: на Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых и аспирантов «Перспектива–2004», «Перспектива–2006» (ЭНУБ КБГУ, п.Эльбрус), на IX конференции молодых ученых, (КБНЦ РАН, 2008 г.), на научных семинарах кафедры геофизики и экологии КБГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 13 работ, из них пять статей - в журналах, рекомендованных ВАК.
Личный вклад автора. Автор принимал участие в выводе формул для расчета действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической постоянной растворов электролитов, находящихся в переменном электрическом поле, самостоятельно нашел приближенное решение задачи о рэлеевском рассеянии электромагнитных волн двухслойными сферическими частицами, решил задачу об электрических колебаниях пузырька газа в жидкости; автором самостоятельно разработана экспериментальная установка по исследованию влияния пузырьков на диэлектрические свойства воды в переменном электрическом поле и провел экспериментальные исследования. Автор принимал непосредственное участие в расчетах зарядов, генерирующихся в грозовых облаках, на основе нового механизма генерирования зарядов в конвективных облаках; принимал участие в выводе системы уравнений в упрощенной модели грозового облака и провел численные расчеты.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. Объем работы составляет 124 страницы, в том числе 15 рисунков и 10 таблиц. Список цитированной литературы включает 63 наименований.
