SURFACE AIR SPACE CHARGE, REVERSAL ELECTRODE EFFECT AND MECHANICAL REGISTRATION OF ATMOSPHERIC ELECTRIC FIELD

ПРИЗЕМНЫЙ ОБЪЕМНЫЙ ЗАРЯД ВОЗДУХА, РЕВЕРСИВНЫЙ ЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭФФЕКТ И МЕХАНИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Научная статья

Шулейкин В.Н.*

Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (shvn1947[at]Yandex)

Аннотация

Отрицательный объемный заряд зоны реверсивного электродного эффекта приводит к расталкиванию с отрицательно заряженным горизонтальным коленом Г-образной рамки, что усиливается рычагом, плечи которого расстояние от точки приложения до оси вращения и радиус вертикального колена. Угол поворота поддается регулировки весом, длиной, площадью горизонтального колена и радиусом вертикального. Комплексные измерения атмосферного электрического поля и углов поворота позволяют перевести их в единицы напряженности атмосферного электрического поля.

Ключевые слова: реверсивный электродный эффект, отрицательный заряд, сила расталкивания, угол поворота, напряженность атмосферного электрического поля.

SURFACE AIR SPACE CHARGE, REVERSAL ELECTRODE EFFECT AND MECHANICAL REGISTRATION OF ATMOSPHERIC ELECTRIC FIELD

Research article

Shuleikin V.N.*

Oil and Gas Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

* Corresponding author (shvn1947[at]yandex)

Abstract

The negative space charge of the zone of the reverse electrode effect leads to a repulsion with a negatively charged horizontal elbow of the L-shaped frame, which is enhanced by a lever whose shoulders are the distance from the point of application to the axis of rotation and the radius of the vertical elbow. The angle of rotation can be adjusted by weight, length, horizontal elbow area and vertical radius. Complex measurements of the atmospheric electric field and rotation angles make it possible to convert them into units of atmospheric electric field intensity.

Keywords: reverse electrode effect, negative charge, repulsion force, rotation angle, atmospheric electric field intensity.

Введение

Уже более 4-х тысячелетий лозоходство используется для поисков воды, рудных и нефтяных месторождений, областей разуплотнения земной коры [1], [5], [7]. В качестве чувствительного элемента используется лоза или прут, удерживаемый за тонкий конец. О подобных приспособлениях упоминается в египетских папирусах; китайский император Юй, живший в 2205 – 2197 годах до нашей эры, разыскивал подземную воду; упоминания о лозоходстве встречаются у Плиния Старшего, Парацельса.

На 1 съезде в Ганновере в 1911 г. был организован Международный союз лозоискателей. Сегодня существуют союзы рудоискателей и водоискателей в США, Великобритании, Франции, ФРГ, Новой Зеландии. На 2 съезде лозоискателей России в 1913 г. В. Айгнером была высказана гипотеза атмосферно-электрического механизма движения рамки – над месторождением полезных ископаемых в атмосфере имеет место повышенная концентрация заряженных частиц – ионов, которая и вызывает движение рамки.

Существует версия о упоминании этого явления в Библии – «Народ Мой вопрошает дерево и жезл его дает ему ответ …». Поэты, в том числе и Ф.И. Тютчев, обращались к водоискателям в своем творчестве.

Иным достался от природы Инстинкт пророчески-слепой Они им чуют, слышат воды И в темной глубине земной.

И мнит, что слышит струй кипенье, Что слышит ток подземных вод, И колыбельное их пенье, И шумный из земли исход!..

 Последние десятилетия заменили лозу Г-образной металлической рамкой, вертикальное колено которой зажимается в руке оператора, а горизонтальное способно отклониться от исходного положения при внесении в объем воздуха над исследуемой неоднородностью. Перечисленные геологические неоднородности характеризуются наличием слоя отрицательного объемного заряда в приповерхностном воздухе [6], [9] – реверсивный электродный эффект. При профильных наблюдениях атмосферного поля, АЭП над подобными неоднородностями наблюдается провал поля или рост обратной величины – полярных проводимостей воздуха [9], [10]. Причина изменений – повышенная эксхаляция почвенного радона, основного ионизатора приземного воздуха.

Внесение в область реверсивного электродного эффекта Г-образной рамки, несущей на себе отрицательный заряд, равный по плотности заряду земли [14], приводит к возникновению сил расталкивания. Рамка, как механическое устройство, представляет собой рычаг, плечи которого – расстояние от точки приложения сил к горизонтальному колену до оси вращения и радиус вертикального колена. Рассмотрим возможности изменения устройства Г-образной рамки для превращения ее в измерительный инструмент, позволяющий регистрировать напряженность атмосферного электрического поля над геологической неоднородностью.

Мобильные профильные наблюдений АЭП были начаты в 1986 году; пройдено более 3000 км профилей. К сожалению, практически на каждой исследуемой территории находились участки, недоступные для постановки аппаратурных измерений с борта автотранспортного средства или колесной тележки. Это заболоченные территории, колхозные поля и частные огороды, кусты нагнетательных скважин и т. д. Для получения неразрывной картины распределения поля в труднодоступных местах актуально проведение наблюдений с Г-образной рамкой, углы поворота которой откалиброваны в единицах напряженности АЭП.

Геологические неоднородности, характеризуемые зоной реверсивного электродного эффекта

Близкий подход к поверхности земли водоносных горизонтов неизбежно вызывает спад АЭП. Наличие на малых глубинах глинистого водоупора, содержание материнского вещества в котором всего лишь в два раза меньше чем в гранитах [5], неизбежно приводит к избыточной ионизации приземного воздуха [9,10]. Влияние уровней водоносных горизонтов z на поле можно видеть по спаду АЭП в предгрозовой период (спад давления) и при мороси (разнонаправленные изменения давления). Коэффициенты корреляции измеренных значений поля Е(t) и их расчет
E(z) – k_подъем = [E(t);E(z)] = 0,98, k_{вариации} = [E(t);E(z)] = 0,91 [24,25,27]. Динамика уровней водоносных горизонтов управляет эксхаляцией почвенного радона.

Наличие карстовых полостей или подземных инженерных сооружений (линий метрополитена) увеличивает полярные проводимости приземного воздуха [9]. Здесь наблюдается избыточный сброс в атмосферу водорода и метана – газов-носителей радона, а, следовательно, и радона в приповерхностную атмосферу, что приводит к повышенной ионизации приземного воздуха.

Провал АЭП (E ~ 90 В/м) уверенно наблюдается над железно рудным месторождением [10]. Причина – избыточный сброс в приземную атмосферу водорода (газа-носителя радона), возникающего в результате электрохимических процессов в шапке рудного тела.

Те же эффекты наблюдаются над нефтяным месторождением [9] и над подземными газохранилищами в искусственно выбранных пластах-коллекторах, но уже за счет многолетнего накопления метана в приповерхностных слоях грунта. По данным наблюдений 1999 года на Щелковском ПХГ спад АЭП над пластом-коллектором E = 273 В/м, в 2000 году – E = 191 В/м.

Избыточная ионизация воздуха над перечисленными неоднородностями характеризуются в приземном воздухе наличием слоя отрицательного объемного заряда – реверсивным электродным эффектом.

Задача электродного эффекта над отрицательно заряженной поверхностью земли решалась с середины ХХ века. Сегодня получено решение для конвективно-турбулентного приземного слоя атмосферы с учетом многократно заряженных аэрозольных частиц [6]. Согласно расчетам максимум плотности отрицательного объемного заряда воздуха приходится на высоты 1-2 м относительно земли. В тот же диапазон высот попадает рамка в руке оператора. Даже при сильном турбулентном перемешивании устойчивый реверсивный электродный эффект наблюдается при плотности нейтральных ядер конденсации N ~ 5*10⁹ м^-3; по статистике плотность тяжелых ионов в реальной атмосфере близка этой величине.

Объемный заряд воздуха с одной стороны определяет АЭП, с другой – задает угол поворота рамки в руке оператора. Представленные примеры доказывают атмосферно-электрическую природу сил расталкивания, а их многократное увеличение за счет рычага объясняют причину поворота Г-образной рамки. Провал АЭП в зоне реверсивного электродного эффекта над геологической неоднородностью понятен с физической точки зрения. С учетом атмосферно-электрической природы сил расталкивания рассмотрим возможности доработки классической Г-образной рамки, методики измерений угла поворота и дополнительной калибровки, позволяющие интерпретировать углы поворота устройства в понятных единицах напряженности атмосферного электрического поля.

Силы, действующие на горизонтальное колено рамки

В исходном положении горизонтальное колено рамки имеет незначительный наклон к горизонту α. При повороте рамки на угол α происходит подъем горизонтального колена, приводящий к возникновению возвращающей силы тяжести F(P) = Р*sinα*sinα, где Р – вес горизонтального колена [3].

Помимо возвращающей силы тяжести, повороту рамки будет препятствовать сила трения вертикального колена в руке оператора – первые проценты от веса горизонтального колена, которую не будем принимать во внимание.

Очевидно, что основное влияние на силы расталкивания оказывает рычаг. Поэтому для увеличения чувствительности рамки к повороту следует минимизировать радиус ее вертикального колена и увеличивать длину горизонтального. Более того, поскольку в расталкивании участвует отрицательный объемный заряд горизонтального колена рамки, дальнейшего роста сил можно достичь увеличением площади, в первую очередь дальней части ее горизонтального колена. При этом увеличение площади следует делать с минимальным увеличением веса, используя легкую насадку с большей площадью, чем боковая площадь перекрываемого ей горизонтального колена. Плотность объемного заряда приземного воздуха, затянутого в шлейф уходящей рамки, будет расти с удалением от оси вращения и с увеличением ее площади.

В августе 2017 года над зоной инфильтрации талых вод и осадков проводились комплексные наблюдения АЭП и угла поворота α железной рамки длиной L = 30 см и диаметром d = 2 мм, угол наклона горизонтального колена α ~ 2⁰ [2]. Средний угол поворота рамки на 9 наблюдательных пикетах α_ср = 39⁰; возвращающая сила тяжести
F(P) = 1,57*10^-3H препятствуют повороту и заставляют ее остановиться при достижении угла α_ср = 39⁰.

Оценим силу расталкивания горизонтального колена и затянутого в шлейф отрицательного заряда обволакивающего воздуха F при повороте на угол α_ср = 39⁰ по закону Кулона.

Рамка в руке оператора совершает колебательные движения – вертикальное колено круглое, величина которых согласно эксперименту с лазерной указкой ~ 0, 013 рад. В результате положительный объемный заряд стекает по телу оператора на землю, а оставшийся отрицательный затягивается в шлейф уходящего горизонтального колена. Ввиду высокой скорости ионизации будем считать, что плотность отрицательного объемного заряда равна плотности нейтральных ядер конденсации N = 5*10⁹ м^-3.

Разделим горизонтальное колено на 30 отрезков длиной 1 см каждый и рассматривая заряды отрезков и воздуха, затянутого в шлейф уходящей рамки, как точечные, отстоящие друг от друга на 1000 диаметров легких ионов
r = 1,3*10^-6 м [8]. Для первого 1 см отрезка рамки при движении освобождается объем треугольного сечения и толщиной, равной диаметру рамки; для второго – к объему треугольного сечения добавиться объем прямоугольного сечения; для третьего к объему треугольного сечения – два объема прямоугольного сечения и т. д. На рис. 1 представлены результаты расчетов сил расталкивания и возвращающей силы тяжести для рамок различных конфигураций.

Рис. 1 – Результаты расчетов сил расталкивания 1 cм отрезков:
рамки длиной L = 30 см, диаметром d = 2 мм – 0,5F(2); рамки с легкой насадкой диаметром 8 мм и длиной 0,5L = 15 cм, установленной у оси вращения F(8-2); рамки с легкой насадкой, установленной на конце горизонтального колена F(2-8). Результаты расчетов суммарных сил расталкивания α(2), α(8-2) и α(2-8);
возвращающей силы тяжести для заданной рамки при углах наклона α = 1⁰, 2⁰ и 3^{0 –} α(1), α(2) и α(3).

Представленные кривые наглядно иллюстрируют, что даже для железной рамки диаметром d = 2 мм суммарных сил расталкивания будет достаточно для поворота на расчетный средний угол α_ср = 39⁰. Как и следовало ожидать, увеличение площади части длины горизонтального колена рамки приводит к заметному увеличению сил расталкивания, в первую очередь при установке легкой насадки на конце горизонтального колена F(2-8).

Использование легких насадок на горизонтальном колене рамки, по сути дела является регулировкой чувствительности рамки. В рассмотренном примере боковая площадь насадки была в 4 раза больше боковой площади половины длины горизонтального колена. Плавного и более широкого диапазона увеличения регулируемой чувствительности Г-образной рамки можно добиться использованием насадок, площадь которых в 2 или 3 раза больше боковой площади части горизонтального колена той же длины. Проиллюстрируем возможности управления чувствительностью Г-образной рамки на материалах лабораторных экспериментов.

Лабораторные эксперименты с рамкой различной геометрии

Проверим сделанные выводы на материалах лабораторных опытов с простейшим источником ионизации – керосиновой лампой с открытым огнем.

Источник ионизации устанавливался на начало рулетки; положение рамки относительно источника фиксировалось по отвесу от оси вращения рамки. Перед началом измерений проводится рекогносцировка расстояний от источника, на которых угол поворота менялся в диапазоне информативного угла поворота горизонтального колена α = 0^{0 –} 90⁰. Угол наклона горизонтального колена выдерживался на уровне a = 2⁰. Во избежание «ошибок оператора» отвес вертикального колена случайным образом устанавливался в выявленный в ходе рекогносцировки диапазон расстояний от источника. На рис. 2 представлены углы наклона рамки α(8-2) и α(2-8) и их линеаризация.

Рис. 2 – Зарегистрированные углы отклонения рамки d = (8-2) мм и d = (2-8) мм и их линейное приближение в зависимости от расстояния от источника ионизации

Как и следовало ожидать разброс данных измерений для рамки d = (8-2) мм больше, чем для рамки d = (2-8) мм – достоверность линейных аппроксимаций R²(8-2) = 0,76, R²(2-8) = 0,92. Меньшая достоверность линейной аппроксимации для рамки диаметром d = 8 – 2 мм вызвана близостью к источнику ионизации и его нестабильностью. Та же нестабильность не позволяет надежно зарегистрировать угол поворота рамки α больше 70⁰. Угла поворота α = 90⁰ удалось достичь только с рамкой диаметром горизонтального колена d = (2-8) мм.

Эксперимент повторялся с рамками из березы длиной L = 40 см и диаметром d = 4 мм, и из пенопласта той же длины, но диаметром d = 15 мм (удельный вес березы r_Б = 600 кГ/м³, удельный вес пенопласта r_П = 27 кГ/м³). Вертикальное колено изготовлялось из железной проволоки диаметром d = 1 мм. Уменьшение веса, увеличение длины горизонтального колена и уменьшения диаметра вертикального колена минимизировали возвращающую силу тяжести и увеличили силы расталкивания рис. 3

Рис. 3 – Углы отклонения рамок длиной L = 40 см из березы d = 4 мм, из пенопласта d = 15 мм и их линейное приближение α(1) и α(2) в зависимости от расстояния от источника ионизации

Разброс данных измерений для березовой рамки d = 4 мм и рамки из пенопласта d = 15 мм заметно меньше; достоверность линейной аппроксимации R²[α(1)] = 0,94, R²[α(2)] = 0,97. Несмотря на малую точность измерений угла поворота α пенопластовой рамки диаметром горизонтального колена d = 15 мм, увеличение сил расталкивания и уменьшение возвращающей силы тяжести привели к явному уменьшению разброса данных измерений.

Рис. 3 позволяет ответить на вопрос о целесообразности уменьшения веса горизонтального колена рамки. Приближение березовой рамки ближе 75 см к источнику ионизации, пенопластовой – ближе 143 см, неизбежно приведет к повороту более чем 90⁰. Это значит, что углы поворота уходят за пределы информационной рабочей шкалы 90⁰.

Поворот пенопластовой рамки на 90⁰ происходит при перемещении рамки всего на 10 см с удаления 153 см сторону источника ионизации. Рамка крайне чувствительна по ряду причин – очень малый вес, большая площадь боковой поверхности и большая длина горизонтального колена. На практике подобная рамка может быть использована только в рекогносцировочных работах – для оконтуривания зоны реверсивного электродного эффекта. То же можно сказать и про березовую рамку. И в одном, и в другом случае рамки имеют очень большую чувствительность.

Из результатов, представленных на рис. 1 следует, что возвращающая сила тяжести весьма чувствительная к углу наклона горизонтального колена рамки. Однако из описаний методики проведения лабораторных экспериментов и достоверностей аппроксимаций рис. 2 и 3 следует, что на практике угол наклона горизонтального колена успешно удается сохранить в заданном положении α = 2⁰.

Обсуждение результатов

Суммарный положительный и отрицательный объемный заряд приземного воздуха определяет локальное АЭП и в зоне реверсивного электродного эффекта приводит к спаду контролируемого параметра из-за повышенной плотности отрицательного заряда. При работе в зоне реверсивного электродного эффекта с Г-образной рамкой тот же объемный заряд с доминирующим вкладом отрицательных ионов приведет к возникновению сил расталкивания, которые будут дополнительно усиливаться за счет стока обволакивающего положительного заряда по телу оператора на землю. Другими словами, и при аппаратурной регистрации АЭП и при измерении угла поворота рамки отслеживаются изменения плотности объемного заряда приземного воздуха.

Основная ошибка при практическом использовании Г-образной рамки возникает из-за разброса повторяемости угла наклона горизонтального колена от пикета к пикету. Для минимизации этой ошибки трубку следует устанавливать с контрольным пузырьковым уровнем на массивном основании, вес которого автоматически выводит его в горизонтальное положение. Угол наклона горизонтального коленаα’ задается внутренним диаметром трубки и диаметром вертикального колена, заточенный нижний конец которого устанавливает в конусе, рассверленном в основании. До установки электронной регистрации угла поворота горизонтального колена α’ его регистрация ведется по транспортиру в верхней части трубки. При производстве измерений для стабилизации угла наклона горизонтального колена устройство удерживается рукой оператора за верхнюю часть трубки.

Угол поворота рамки не информативен для физической оценки уровня реверсивного электродного эффекта на наблюдательном пикете. Поскольку и АЭП и поворот рамки определяются плотностью объемного заряда приземного воздуха, рассмотрим возможность калибровки угла поворота в единицах напряженности АЭП. Для этого воспользуемся результатами измерений работы [2] этих параметров над зоной инфильтрации талых вод и осадков, опубликованной в 2017 году, за три года до формулировки гипотезы атмосферно-электрической природы лозоходства. Измерения проводились с описанной выше металлической рамкой; по счастливой случайности максимальный зарегистрированный угол поворота рамки α = 60⁰ не вышел за пределы информативной шкалы, рис. 3.

Рис. 4 – Измеренные значения АЭП – Е, расчетные значения поля, как функция угла поворота Е(уг) и возвращающаяся сила тяжести F(P) на 9 наблюдательных пикетах

Коэффициенты корреляции между измеренными и расчетными значениями поля k[E;E(уг)] = 0,91.Величина возвращающей силы тяжести в работе [3] введена физически и математически корректно, и именно она ограничивала угол поворота рамки α’ в описанном эксперименте. С учетом веса, длины и диаметра горизонтального колена она представлена на графике рис. 4, как функция угла поворота на каждом наблюдательном пикете. Коэффициент корреляции между измеренными значениями АЭП и возвращающей силой тяжести k[E;F(P)] = -0,92.

Заключение

За 25 лет мобильных наблюдений АЭП было пройдено более 3000 км профилей. К сожалению, не на всех участках исследуемых территорий измерения удавалось провести с борта автотранспортного средства, саней-волокуш или с тележки. Это кусты нагнетательных скважин подземных газохранилищ, заболоченные территории, разломная зона реки Ташла и аварийное газопроявление хутора Пелагиада Северо-Ставропольского ПХГ, колхозные и частные посевные площади. Здесь очевидна актуальность получения информации о напряженности поля с «руки оператора» с использованием Г-образной рамки.

Методика проведения измерений с описанной выше доработанной Г-образной металлической рамкой с комплектом легких насадок, увеличивающих в 2-4 раза площадь части горизонтального колена, сводится к следующему. На труднодоступной территории проводятся рекогносцировочные работы по выбору необходимой чувствительности рамки подбором необходимой насадки и ее положения на горизонтальном колене для достижения максимального угла поворота до 90⁰; положение насадки фиксируется. При последующем аппаратурном АЭП профилировании подлежащей исследованию площади с зоной реверсивного электродного эффекта проводится калибровка углов поворота рамки выбранной чувствительности в единицах напряженности поля. Построенная по парам полученных значений аппроксимация позволяет перевести углы поворота рамки на труднодоступной территории в физически понятные единицы напряженности АЭП.

Выполненные эксперименты и изложенная методика измерений после согласования с физическими единицами, принятыми на картах АЭП, переведут Г-образную металлическую рамку в разряд измерительных инструментов.

Благодарности В заключении автор считает своим приятным долгом высказать благодарность профессору ВКА им. А.Ф. Можайского Г.Г. Щукину и заведующему кафедрой вычислительной математики ЮФУ Г.В. Куповых за полезные дискуссии в ходе написания статьи.

Acknowledgement In conclusion, the author considers it his pleasant duty to express gratitude to Professor VKA them. A.F. Mozhaisky G.G. Shchukin and the head of the Department of Computational Mathematics of the Southern Federal University G.V. Kupovyh for helpful discussions during the writing of the article.

 

Конфликт интересов Авторы работ [1], [5], [7] и соавтор работы [2], проповедующие «человеческую» природу лозоходства.

Conflict of Interest The authors of the works [1], [5], [7] and the co-author of the work [2], who preach the «human» nature of dowsing.