• 5

6.1. Макроскопические электромагнитные свойства морской воды

Спектр электромагнитных волн в природе необычайно широк. Его частотный диапазон простирается от 3- Ю-2 до 3-1021 Гц. Собственные электромагнитные поля Земли, включая магнито­сферу, ионосферу, атмосферу, гидросферу и литосферу, характе­ризуются сверхдлинными волнами, обладающими самыми низ­кими частотами (менее 3-104 Гц).

Распространение электромагнитных волн в океане тесно свя­зано с электромагнитными свойствами морской воды, которые вследствие особенностей ее молекулярной структуры весьма существенно отличаются от электромагнитных свойств других сред.

Электромагнитные свойства любой среды характеризуются следующими параметрами: диэлектрической проницаемостью е, магнитной проницаемостью ц и удельной электропроводностью у. Первые два параметра характеризуют способность среды из­менять свою электрическую и магнитную индукцию под влия­нием электрического и магнитного внешних полей. Третий пара­метр характеризует перенос электрических зарядов в среде под действием внешнего электрического поля.

Из курса физики известно, что диэлектрическая и магнит­ная проницаемость среды связана с электрической %е и магнит­ной Хт восприимчивостью следующими простыми соотношени­ями:

Диэлектрическая и магнитная восприимчивость среды в свою очередь зависит от вектора электрической поляризации Ре, век­тора намагничивания Рт, создаваемыми внешними электриче­ским и магнитным полями, а также от векторов электрической Е и магнитной Н напряженности результирующих полей:

•-1+Х* +Х«.

(6.1)

v           " «      v          " И» -

Хе— воЕ t Ля— н •

(6.2)

Ф/м — электрическая постоянная. Цриэтом

где е0 =

4я-9- 10е

диэлектрическая воприимчивость Хе принимает лишь положи­тельные значения, поскольку вектор поляризации Рв в изотроп­ной среде всегда направлен вдоль электрического поля Е. По­этому диэлектрическая проницаемость всегда больше единицы, т. е. Хе > 0, в < 1. Магнитная восприимчивость %т может быть как положительной, так и отрицательной. Поэтому магнитная проницаемость р. может быть как больше, так и меньше еди­ницы. Для морской воды, как диамагнитной среды, %т < 0 и, следовательно, р. < 1.

С учетом (6.2) выражения (6.1) принимают вид:

Очевидно, что значения электромагнитных параметров е и [1 зависят от строения и свойств молекул среды, а также от . способности среды поляризоваться и намагничиваться во внеш­нем электромагнитном поле. Кроме того, эти параметры зависят также от частоты переменных электромагнитных полей, распро­страняющихся в среде в виде электромагнитных волн.

Рассмотрим более подробно электромагнитные свойства морской воды и их зависимость от температуры, солености, гид­ростатического давления и частоты электромагнитных волн.

Диэлектрическая проницаемость. Морская вода обладает аномально высокой диэлектрической проницаемостью, сущест­венно превышающей диэлектрическую проницаемость воздуха. Именно поэтому океаны и моря оказываются практически не­прозрачными для радиоволн, обеспечивающих основные ком­муникации в атмосфере Земли. В океане интенсивность радио­волн частотой 3- 10е Гц уменьшается в 10 раз уже на глубине 0,5 м.

Высокие значения диэлектрической проницаемости воды (табл. 16) обусловлены полярностью ее молекул, приводящей к образованию ковалентных связей между молекулами.

Для морской воды характерны три вида поляризации: элек­тронная, дипольно-релаксационная и ионная, т. е.

где ссэ, ад, ая — коэффициенты соответствующих видов поляри­зации.

Электронная поляризация обусловливается смещением элек­тронов относительно ядра при воздействии внешнего электриче­ского поля. При смещении электронов возникает дипольный мо­мент атома, однако он невелик. Коэффициент электронной

 

(6.3)

е = е0(1+а9+ад+аи),

(6.4)

Таблица 16

Диэлектрическая проницаемость пресной воды при разной температуре и частоте электромагнитных воли (по А. Хиппелю [9])

т°с

Частота, Гп

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10»

10*

10»

3-10»

3-10»

10'®

2,5.10"

1,5

87.0

87,0

87,0

87,0

86,5

80,5

38,0

15,0

5,0

 

85,5

—.

85,2

80,2

41,0

17,5

25,0

78,2

78,2

78,2

78,0

77,5

76,7

55,0

34,0

45.0

           

71,5

—.

71,0

70,7

59,0

46,0

65,0

64,8

64,5

64,0

59,0

50,5

85,0

58,0

58,0

58,0

58,0

57,0

56,5

54,0

поляризации Оэ связан с радиусом г атома следующим образом:

аэваг>,           (6.5)

где а — размерный коэффициент.

Электронная поляризация воды невелика и при Т = 1,5°С Оэ = 0,77.

Дипольно-релаксационная поляризация связана с тем, что молекула воды имеет некоторую асимметрию внутримолекуляр­ных сил. При этом «центры тяжести» положительных и отрица­тельных зарядов молекулы не совпадают друг с другом и мо­лекула представляет собой «жесткий» диполь даже при отсут­ствии внешнего электрического поля. Однако тепловое движение молекул приводит к тому, что их дипольные моменты ориенти­рованы в пространстве хаотично. В присутствии внешнего элек­трического поля дипольные моменты ориентируются в направ­лении поля. Тепловое движение молекул стремится нарушить эту ориентацию. В результате этих противоположных воздейст­вий все же устанавливается преимущественная ориентация ди- польных молекул в направлении внешнего поля. Коэффициент дипольно-релаксационной поляризации зависит от суммы диполь- ных моментов молекул воды Ро и температуры 7к:

р2

где k _ —постоянная Больцмана.

Ь

Этот вид поляризации вносит основной вклад в величину диэлектрической проницаемости (так, при Т = 1,5°С ад = = 85,23). С увеличением температуры ад резко уменьшается.

Ионная поляризация вызывается смещением ионов раство­ренных в морской воде солей во внешнем электрическом поле. При этом положительные ионы смещаются в направлении поля, а отрицательные — против поля. Результирующий дипольный момент направлен вдоль внешнего электрического поля. Значение

коэффициента ионной поляризации Оц связано с зарядами ионов ге расстоянием между двумя равновесными ионами Ь и температурой 7к следующим образом:

„ _ ЫЕ»

12Лб7-к

(6.7)

Обнаружено, что в интервале частот 101—108 Гц ссд>аа. Этим объясняется высокое значение диэлектрической проницае­мости воды при сравнительно низких частотах. Когда частота электромагнитных волн становится настолько большой (v > > 10е Гц), что ориентация дипольных моментов молекул не ус­певает следовать за изменением напряженности электрического поля, коэффициент ад, а следовательно, и диэлектрическая про­ницаемость е начинают уменьшаться. В оптическом диапазоне частот (v > 1011 Гц) ссд стремится к нулю, а диэлектрическая проницаемость

е^е0(1,77+аи).          (6.8)

Особенно сложной является зависимость диэлектрической проницаемости воды от температуры. При увеличении темпера-* туры уменьшается молекулярная вязкость воды, что создает более благоприятные условия для ориентации дипольных мо­ментов молекул воды и приводит к росту е. Одновременно уси­ление теплового движения молекул препятствует ориентации ди­полей и снижает е. Влияние этих двух факторов хорошо видно из табл. 16. С ростом частоты температурный максимум сдви­гается в сторону высоких температур, при увеличении темпе­ратуры частотный максимум сдвигается в сторону высоких частот.

Большой интерес представляет зависимость диэлектрической проницаемости морской воды от концентрации растворенных в ней солей. Оказывается, что с ростом концентрации раствора электролита диэлектрическая проницаемость сначала медленно возрастает, а затем, достигнув некоторого предела, начинает резко падать. При этом величина максимума и скорость умень­шения диэлектрической проницаемости тем больше, чем тяжелее ионы электролита. Незначительное увеличение е в слабокон­центрированных растворах (морская вода) объясняется тем, что к дипольно-релаксационной и электронной поляризации добав­ляется еще ионная поляризация. Однако при этом ионы электро­лита концентрируют вокруг себя дипольные молекулы воды, что и приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости при больших концентрациях солей.

Магнитная восприимчивость. Для воды и всех ее модифика­ций магнитная восприимчивость очень мала и слабо зависит от температуры (табл. 17). Выше было показано, что для воды Xm<0 и р.<1. Это означает, что морская вода является диа­магнитной средой. В ней происходит экранирование внешнего

магнитного поля встречным внутренним магнитным полем, ко­торое в свою очередь возникает за счет индуцированных неза­тухающих электрических макроскопических вихревых токов. Физическая природа этих токов связана с тем, что электроны в атомах и нуклоны в ядрах приобретают добавочную угловую скорость под действием внешнего магнитного поля и прецесси- руют вокруг него. Добавочный магнитный момент пропорциона­лен полю и направлен всегда против него (по правилу Ленца).

Таблица 17

Зависимость магнитной восприимчивости х« от температуры

Среда

Фазовое состояние

Температура, К

Магнитная воспри­имчивость Хт'

Вода (Н20)

Жидкое

293

-12,97 "

Жидкое

273

-12,93

 

Твердое

273

-12,65

Дейтерий

Жидкое

276,8

-12,76

(DjO)

" Твердое

276,8

-12,54

Из формулы (6.1) следует, что ц очень мало отличается от единицы. Поэтому магнитную проницаемость морской воды при различных частотах, температурах и концентрациях солей счи­тают практически величиной постоянной и равной единице

(И = П.

Удельная электропроводность. В табл: 18 приводятся значе­ния удельной электропроводности морской воды в сравнении с другими средами. Видно, что морская вода является средой, проводящей электрический ток. Ее электропроводность на че­тыре—семь порядков превышает электропроводность дистилли­рованной воды и льда.

Таблица 18

Удельная электропроводность (в См/м) различных сред

Известняк

Почва

Дистил­

Морская вода

Лед

сухая

влажная

лирован­ная вода

10-е _ ю-7

10-4 _ Ю-5

Ю-2 - 10-»

2-10-*

3-7

З.Ю-«-4.10-т

Электропроводность морской воды определяется двумя фак­торами: концентрацией носителей тока и их подвижностью. Для воды собственными носителями зарядов являются ионы Н+ и ОН", причем подвижность протона и гидроксила отличается по­чти в 2 раза. Кроме того, электрические заряды переносятся

13 Заказ № 499

193

также свободными ионами растворенных в морской воде солей. Ионная проводимость морской воды является аддитивным свой­ством и слагается из проводимости растворов основных электро­литов, входящих в состав морской воды. Если обозначить че­рез а коэффициент активности раствора, S — концентрацию раствора, я— валентность ионов, Uq — подвижность ионов, то ионная проводимость определяется по формуле

7=Sa/iS(tto++tto_).   (6.9)

 

Рис. 54. Зависимость удельной электропроводно­сти морской воды (в См/м).

а — от температуры н солености; б — от гидростатиче­ского давления.

Из выражения (6.9) следует, что электропроводность мор­ской воды наряду с прочими факторами зависит от подвижно­сти ионов. Как известно, подвижность ионов увеличивается с ростом температуры (уменьшается молекулярная вязкость среды), а также с повышением концентрации солей (увеличи­вается степень диссоциации ионов). Все это приводит к увели­чению удельной электропроводности морской воды (рис. 54 а). Изменение гидростатического давления также сказывается на значении у. При этом увеличение гидростатического давления приводит к росту электропроводности, и эффект давления ока­зывается бблыним в области меньших температур (рис. 54 б). Это совокупное влияние термодинамических характеристик среды на электропроводность в общем виде может быть выра­жено эмпирическим соотношением

7=a17,+&1S+c17,S+rflt       (6.10)

где Т — температура в °С, S — соленость в %о, а константы,

определенные для диапазона температур 7—30°С и солености 24—38%о, имеют следующие значения: а1=4,0.10-2 См/(мХ Хград), bi = 7,9- 10-2 См/(м-%о), с1 = 2,2.10"3 См/(мХ Хград • %0), к = —3,0 • 10"2 См/м.

Эта существенная зависимость электропроводности от кон­центрации солей, а также постоянство соотношений основных солевых компонентов, входящих в состав морской воды, позво­ляют производить измерение солености по электропроводности морской воды.

Авторы: 1379 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 1908 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я