Influence of meteorological conditions (temperature) on SW-MW-LW propagation.pdf Чародейкою зимою Околдован, лес стоит -И под снежной бахромою; Неподвижною, немою, Чудной жизнью он блестит. И стоит он околдован, -Не мертвец и не живой,-Сном волшебным очарован... Ф.И. Тютчев Любая система передачи энергии состоит из трех основных частей: источника, линии передачи и приемника энергии. При распространении электромагнитного поля от радиовещательных излучателей линией передачи является естественная окружающая среда (земная и водная поверхности, атмосфера, в широком смысле этого слова), которая, как правило, не контролируется человеком. Естественная среда подвержена различного рода изменениям: под влиянием солнечной энергии меняются температура воздуха и поверхности Земли, давление, влажность, ионизация воздуха и другие параметры. Процессы, происходящие на самой земной поверхности (образование морского льда, промерзание грунтов, наличие растительного и снежного покровов) являются производными от них. При распространении электромагнитного поля по естественным волноводам из-за рассеяния и поглощения происходит постоянное уменьшение плотности энергии с расстоянием. Мониторингом напряженности радиополя в одной точке наблюдения установлены температурные вариации сигнала в дневное время суток, что обусловлено изменением электропроводности земной поверхности, в частности растительного покрова. При исследовании данной проблемы контроль за уровнем напряженности радиополя выполнялся для удаленных радиостанций, работающих на частотах 170 (171) кГц (Новосибирский радиопередающий центр (РПЦ), п. Ояш), 218 кГц (Красноярский РПЦ, г. Красноярск), 270 (272) кГц (Новосибирский РПЦ, г. Новосибирск), 281 кГц (Алтайский РПЦ, г. Горно-Алтайск), 576 и 675 кГц (Новосибирский РПЦ, п. Ояш), 1026 кГц (Новосибирский РПЦ, г. Новосибирск). Измерения напряженности радиополя проводились поверенным комплектом аппаратуры FSM-6 на магнитную антенну. Значения температуры снимались со спиртового термометра с контролем по данным гидрометеорологической станции г. Томска, откуда ежедневно поступала информация о температуре, влажности и атмосферном давлении воздуха; температуре на поверхности почвы; температуре почвы на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,2; 1,6; 2,4; 3,2 м; высоте снежного покрова; глубине промерзания почвы. Электропроводность древесины лиственных (черемухи, березы) и хвойных (сосны) пород деревьев определялась при помощи стационарной симметричной установки Шлюмберже AMNB, где AB - питающая линия, позволяющая измерять силу тока, подаваемого в ствол дерева; MN - приемная линия, измеряющая разность потенциалаов, создаваемую электрическим током в линии AB. Расстояние между питающими электродами равно 0,1 м, между приемными электродами - 0,03 м. В качестве электродов использовались сантиметровые медные стержни диаметром 2 мм, которые забивались в ствол дерева. Приемная (MN) и питающая (AB) линии, выполненные из изолированного медностального провода марки ГПСМПО, припаивались к медным электродам и «уводились» в помещение, где выполнялись измерения [1]. Для определения электропроводности верхнего слоя земной поверхности разработана стационарная установка вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), позволяющая фиксировать изменение во времени как кажущейся элетропроводности для различных питающих линий AB/2 (от 0,05 м до 30 м), так и геоэлектрического разреза в целом до глубины 5 м (изменение во времени мощности и удельной электрической проводимости каждого выделенного слоя) [2]. Изменения физического состояния подстилающей поверхности Земли влияют на уровень напряженности электромагнитного поля, распространяющегося по естественным волноводам. Постоянным контролем уровня напряженности радиополя в одной точке наблюдения установлены температурные вариации сигнала в дневное время суток, что обусловлено изменением электропроводности земной поверхности в целом и растительного покрова в частности. Годичный цикл жизни растения включает в себя два периода: вегетации, при котором происходят процессы видимого роста вегетативных и генеративных органов и осуществляется непрерывная ассимиляционная деятельность листьев, и покоя, когда приостанавливается рост вегетативных органов, отсутствуют прорастания ростовых, генеративных и зимующих почек. Способность погружаться в состояние покоя выработалась у растений в ходе эволюции - это важное приспособление к периодическому наступлению неблагоприятных внешних условий, в частности к зимнему похолоданию. При понижении температуры ниже нуля накопленный в вегетационный период крахмал преобразуется в жиры, водорастворимые сахара и спирты, в частности в глицерин, который при смешении с водой не только уменьшает объем раствора (контракция), но и понижает температуру замерзания, являясь биоантифризом (водно-глицериновая смесь, содержащая 66,7% глицерина, замерзает при температуре -46,5°С). Установлена прямая взаимосвязь температуры воздуха с содержанием водорастворимых сахаров: чем ниже опускается температура воздуха, тем быстрее идет процесс накопления сахаров (рис. 1) [3]. Pob - Не затрагивая механизма преобразования глицерина из крахмала, отметим, что крахмал и водорастворимые сахара, из которых образуется глицерин, ведут себя как антиподы - в зимнее время количество водорастворимых сахаров резко увеличивается, в то же время количество крахмала уменьшается вплоть до полного отсутствия; в летнее время, наоборот, количество крахмала увеличивается, водорастворимые сахара почти полностью отсутствуют (рис. 2). Согласно наблюдениям, полученным Е.Ю. Ребровой [4], накопление сахаров в зимний период находится в прямой зависимости от морозоустойчивости вида. Наиболее морозоустойчивыми по данному показателю являются сосны (максимум содержания сахара в зимний период составляет 20 баллов). У морозоустойчивых видов в период подготовки к зиме снижается количество крахмала до полного отсутствия (у ели обыкновенной - P. abies, пихты бело-корой - A. nephrolepis, кедрового стланика -P. Pumila). У менее морозоустойчивых видов в тканях побегов в течение зимы сохраняется некоторое количество запасного полисахарида, не превышающее 1-3 баллов [Там же]. Повышенное содержание глицерина в растворе приводит к увеличению электрического сопротивления раствора, так как удельное электрическое сопротивление чистого глицерина при 20°С равно 1.6^ 105 Ом •м. Процесс преобразования крахмала в глицерин неустойчив - при каждом повышении температуры излишнее количество глицерина снова переходит в крахмал, уменьшая таким образом электрическое сопротивление раствора. В теплое время года электрическое сопротивление дерева составляет первые сотни Ом^м (рис. 3), что сопоставимо с сопротивлением почвы (рис. 4). Однако электрическое сопротивление центральной части дерева на порядок ниже сопротивления коры (рис. 5). 20 18 16 14 12 10 5 2Л г-.-1-1-1-I-1-г Рис. 1. Содержание водорастворимых сахаров в клетках тканей годичных побегов древесных видов рода Picea L.: Pc - ель канадская (P. canadensis); Ppg - ель колючая (P. pungens); Pm - ель черная (P. mariana); Pg - ель Глена (P. glehnii); ель сибирская (P. obovata); Pen - ель Энгельмана (P. engelmannii); Pas - ель шероховатая (P. asperata); Paj - ель аянская (P. ajanensis); Pk - ель корейская (P. koraiensis); Pab - ель обыкновенная / европейская (P. abies) [3]. 123456739 101112 123456739 101112 месяц Рис. 2. Динамика содержания водорастворимых сахаров (сплошная линия) и крахмала (пунктирная линия) в ели аянской - P. ajanensis Lindl. & Gordon, в баллах (графики построены по данным [4]) 6 2 О Согласно исследованиям специалистов Института физического материаловедения СО РАН (г. Улан-Удэ) у всех деревьев наблюдается одна и та же картина -чем больше диаметр ствола, тем большим сопротивлением обладает внешняя часть дерева. Центральная часть ствола обладает меньшим сопротивлением по сравнению с периферией (корой) - менее 50 Омм. Для каждой группы деревьев с разными радиусами стволов кривые зависимости кажущегося удельного электрического сопротивления от полуразноса питающих электродов АВ/2 выходят на асимптоту. Так, для сосны р = 31 Ом^м, для лиственницы р = 19,6 Омм для черемухи р = 11 Ом^м, для березы р = 7 Ом^м, для ильма р = 6 Ом^м и тополя р = 1,1 Ом^м [5]. Рис. 3. Изменение кажущегося электрического сопротивления древесины черёмухи обыкновенной (Prunus padus) в зависимости от температуры воздуха (полуразнос питающей линии АВ/2 = 10 см) 21 23 25 27 ноябрь 1988 года Рис. 4. Изменение кажущегося электрического сопротивления почвы (рк) в осенний период времени (г. Томск). Полуразнос питающей линии АВ/2 обозначен цифрами Такие значения электрического сопротивления центральной части стеблей деревьев соответствуют теории осмоса, т.е. способности молекул воды (растворителя) уходить из менее концентрированного (земля) в более концентрированный раствор (стебель дерева). Так как более концентрированный раствор обладает меньшим электрическим сопротивлением, то эту фразу можно изложить по-иному: способность АВ/2,см Рис. 5. Кривые ВЭЗ на стволах деревьев (а - сосна) при различных значениях радиуса ствола. Радиусы ствола (см) обозначены цифрами [5] У сосудистых растений передвижение веществ осуществляется по двум системам: ксилеме (вода и минеральные соли) и флоэме (органические вещества). Передвижение веществ по ксилеме направлено от корней к наземным частям растений; по флоэме питательные вещества движутся от листьев. И ксилема, и флоэма находятся в центральной части ствола дерева (рис. 6). В интервале температур +5-0°С электрическое сопротивление дерева и почвы имеют примерно равные значения - момент перехода дерева в состояние покоя (получается, что дерево, теряя минерализацию, увеличивает свое сопротивление, и осмостический механизм прекращает работать). Еще в середине прошлого столетия установлено аномальное поведение в зимний период времени напряженности радиополя СВ-ДВ диапазонов. Согласно имеющимся в то время представлениям о распространении радиоволн, напряженность электромагнитного поля в зимнее время должна быть меньше летней. Экспериментальные наблюдения показывали противоположное поведение радиополя (рис. 7). F.R. Gracely [7] связывал флуктуацию в дневное время радиосигнала СВ диапазона с температурой. В.Е. Кашпровский и Ф.А. Кузубов [8], исключив значения напряженности радиополя, полученные F.R. Gracely в переходные периоды года, пришли к выводу об отсутствии роста напряженности радиополя с понижением температуры, объясняя такое поведение напряженности поля влиянием лесной растительности (рис. 8). «Если нанести на график значения Е в зависимости от температуры t только для летнего и зимнего периодов, как это сделано на рис. 2, и тем самым исключить влияние переходных процессов в деревьях, то не удается обнаружить закономерной связи между ними, несмотря на довольно значительные пределы изменения температуры» [8. С. 101]. «Поскольку свойства земной поверхности (электропроводность, рельеф, растительность, геологическое строение) остаются неизменными в течение длительного времени, то возможной причиной флуктуации сигнала в дневное время может быть только влияние атмосферы» [Там же. С. 99]. молекул воды уходить из среды с большим электрическим сопротивлением (земля) в среду с меньшим электрическим сопротивлением (стебель дерева). Таким образом, вариации подразделяются на се- ны переходными процессами в деревьях, а суточные -зонные и суточные, имеющие совершенно разные наличием ионизированного слоя в атмосфере на вы-причины образования: сезонные вариации обусловле- соте 2,0-2,5 км. Рис. 6. Стебель сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в поперечном разрезе: 1 - пробка, 2 - паренхима первичной коры, 3 - флоэма, 4 - камбий, 5 - ксилема, 6 - весенние трахеиды, 7 - осенние трахеиды, 8 - смоляной ход, 9 - сердцевина, 10 - сердцевинный луч (по: [6] с добавлениями авторов) Рис. 7. Изменение напряженности радиополя E по месяцам [7] Рис. 8. Сопоставление значений напряженности поля (E, мВ/м) и температуры (t, °С) по данным для летнего [7] и зимнего [8] времени Как показали более поздние исследования, приро- которая, в свою очередь, изменяет уровень радиосиг-да этих вариаций одна - температура, так как любое нала (рис. 9) [7]. Изучение опубликованных и полученных в Научизменение температуры воздуха приводит к изменению электропроводности подстилающей поверхности, но-исследовательском институте радио (г. Москва) данных позволило В. А. Чернову [10] сделать вывод, что изменения напряженности поля на большом временном интервале характеризуются таким понятием, как размах (Н, дБ), т.е. разностью между наибольшим месячным значением в зимний период и наименьшим значением в летний период (рис. 10). 68 72 76 80 т-I-I-I-ГТ "Г" Е. dB .л 1 2 5 10 20

Скачать электронную версию публикации