итоговый отчет

Следует отметить, что при размораживании пробы межфазная граница нефть-вода эволюционирует не менее интересно. На рисунке 17.4 представлена панорама обратного движения «протуберанца» нефти в оттаивающем льде. По мере оттаивания граница вода-

нефть вследствие высокого значения поверхностного натяжения опять приобретает первоначальную форму с четко выделенной поверхностью. На рисунке 17.4. виден пузырек водяного пара, образующийся при превращении льда в воду, обусловленный различием плотностей льда и воды.

Рисунок 17.4 − Динамика межфазной границы нефть-вода/лед в области дилатационной трещины при размораживании пробы.

181

18. ПОДГОТОВКА РЕКОМЕНДАЦИЙ К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО МОНИТОРИНГА НЕРАВНОВЕСНОЙ СРЕДЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ ЛЕД

Изучение природы электромагнитных явлений, сопровождающих динамические процессы во льде, имеет важное практическое значение, связанное с проблемами навигации в условиях северных широт, а также с проблемой прогнозирования некоторых катастрофических явлений с участием больших масс льда: движение и сход ледников, снежных лавин, распространения трещин в мерзлых грунтах и ледяных покровах водоемов и пр. Эти явления неравновесны и динамичны по своей природе и представляют собой естественное сочетание различных процессов структурной релаксации: пластической деформации, разрушения, плавления и кристаллизации. Поскольку динамика этих процессов сопровождается генерированием всплесков радиоизлучения, существует практический интерес к непрерывному электромагнитному мониторингу природной среды, содержащей большие массы льда, склонные к катастрофическим сдвигам. Вопросы их прогнозирования сталкиваются с необходимостью идентификации по электромагнитному сигналу указанных процессов структурной релаксации в сложном природном явлении. В настоящем проекте было осуществлено создание «чистых» модельных ситуаций в лабораторных условиях, в которых такая идентификация не вызывает сомнения.

Таким образом, импульсное радиоизлучение, сопровождающие динамические процессы во льде является отображением на одну степень свободы (временной ряд – потенциал электрического поля) сложной пространственной эволюции структуры среды, содержащей большие массы льда и снега. Это позволит разрабатывать методы зондирования, в том числеспутникового, геофизических систем, изучение сложной эволюции которых требует обработки больших массивов данных.

183

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения запланированных работ подготовлена аналитическая

документация и получены следующие результаты:

1.Проведен поиск литературных источников по тематике проекта, создана их база данных, которая включает монографии и статьи в отечественных реферируемых журналах (Кристаллография, Криосфера Земли, Физика твердого тела, Материаловедение, Деформация и разрушение материалов, Доклады РАН, Успехи физических наук и др.) и

зарубежных журналах (Nature, Physical Review, Physical Review Letters, Journal of Crystal Growth, Physica A, Atmospheric Research, International Journal of Fracture, и др.).

2.По результатам литературного поиска подготовлен и написан аналитический обзор (статей, монографий и т.д.) по проблеме исследования неустойчивых процессов структурной релаксации в диэлектриках (в том числе во льде) в условиях деформирования, разрушения и роста.

3.Разработан обоснованный план реализации поставленных задач, решение которых позволит установить соответствие между параметрами сигнала электромагнитной эмиссии и: 1) динамикой дислокационных скоплений и трещин в моно- и поликристаллическом льде; 2) кинетическими кривыми кристаллизации, пластической деформации и разрушения; 3) динамикой и морфологией неравновесного роста льда, а также разработать принципы идентификации активных дефектов и структурнокинетических элементов структуры льда по электромагнитному сигналу и оценивать in situ их роль в дефектообразовании кристалла льда при механическом или тепловом воздействии.

4.Протестирован электромагнитный метод исследования неустойчивой пластической деформации и трещинообразования в диэлектрических материалах и льде.

5.Разработан поляризационно-оптический метод регистрации дефектообразования во льде.

6.Разработана методика in situ исследования кинетики и морфологии межфазной границы лед-вода.

7.Разработаны и апробированы методы фрактального анализа изображений (структур разрушения и/или неравновесных форм роста льда) и сигналов акустической или электромагнитной эмиссии.

8.Выполнены работы по идентификации распространяющихся дислокационных скоплений и трещин в деформируемом льде по электромагнитному и акустическому сигналу. Обнаружено, что две группы сигналов электромагнитной эмиссии (ЭМЭ) –

184

импульсы I и II типа – отражают два основных нестационарных (в полосе частот ~10–105 Гц) процесса в деформируемом кристалле: скачкообразную пластическую деформацию и разрушение.

9.Проведено исследование динамики и статистики дислокационных лавин и трещин в деформируемом льде на основе электромагнитного мониторинга. Установлено, что вследствие существенного различия мгновенных скоростей пластического сдвига и распространения микротрещин, а, следовательно, характерных времен этих процессов, гистограмма передних фронтов импульсов ЭМЭ имеет седлообразный вид. Существование интервала «запрещенных» значений длительностей фронтов импульсов (седловая область гистограммы) может быть использовано для более точного разделения сигналов на импульсы I и II типов. Статистический анализ массива импульсов ЭМЭ I типа показывает, что с ростом деформации статистика скачков, связанных с зарождением полос скольжения или «простреливанием» дислокационных скоплений, постепенно эволюционирует от хаотической, с почти гауссовым распределением скачков-лавин, к «критической», со степенным законом распределения, которая свидетельствует о возникновении дальнодействующих корреляций дислокационной мезодинамики деформируемого поликристаллического льда. Обнаруженная корреляция функций суммарной площади трещин и суммарной амплитуды импульсов ЭМЭ II типа позволяет исследовать связь пространственных картин разрушения, выявляемых оптическим методом, и временной структурой сигнала ЭМЭ второго типа.

10.Проведены исследования хаоса и пространственно-временной самоорганизации трещин во льде. Установлено, что, так как сигнал ЭМЭ II типа вызван эволюцией трещин, то фрактальные пространственные картины разрушения связаны с фрактальностью соответствующего временного ряда – сигнала ЭМЭ.

11.На основе анализа картин разрушения и автокорреляционных характеристик электромагнитного сигнала-предвестника разрушения установлено, что эволюция пространственно-временной структуры мезо- и макротрещин в деформируемом поликристаллическом льде демонстрирует тенденцию к состоянию самоорганизующейся критичности, которое характерно для таких явлений, как землетрясения. Поэтому стремление к состоянию самоорганизующейся критичности сигнала ЭМЭ может быть использовано для предсказания развития катастрофической эволюции системы.

12.Проведены поляризационно-оптические исследования неравновесных форм роста льда в переохлажденной пресной и морской воде. Установлено большое разнообразие структур неравновесного роста в обоих случаях. Рассмотрен факт существенного влияния на морфологию и подвижность межфазной границы растворенных в воде солей.

185

Подвижность межфазной границы лед-морская вода существенно ниже по сравнению с пресной, а сама граница более неустойчива, что отражается большей нестационарностью в сопутствующем электромагнитном сигнале.

13.Экспериментально протестированы механизмы ветвления дендритов льда: механизм селективного усиления теплового шума и механизм собственных осцилляций вершины дендрита. Установлено, что ветвление вызывается флуктуациями формы вершины дендрита (кривизны и скоростей точек фазовой границы в окрестности вершины), которые обусловлены флуктуациями направления роста вершины.

14.Изучена взаимосвязь электромагнитного сигнала со структурными особенностями растущего льда. Установлены основные формы электромагнитных откликов на формирование мезоскопической структуры льда при кристаллизации в переохлажденной воде.

15.Разработан механизм генерировании генерирования электромагнитного излучения при неравновесной кристаллизации водного раствора электролита на основе теории ВорксанаРейнольдса. Источником нестационарного электрического поля является неустойчивое поведение двойного электрического слоя, образующегося на движущейся межфазной границе.

16.Разработана методики непрерывного оптического, акустического и электромагнитного мониторинга ледяного покрова в условиях контакта с нефтью.

17.Проведены in situ исследования кинетики и морфологии роста льда в нефте-водной смеси при отрицательных температурах. Установлено, что при замерзании воды на первоначально гладкой межфазной границе нефть-лед возникает дтиффузный слой, состоящий из нефти, воды и льда, который растворяется при размораживании.

18Выработаны рекомендации к использованию результатов проекта для решения вопросов мониторинга геофизических систем, содержащих большие массы льда и снега, склонных к катастрофическим срывам.

186

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1Dunegan Н., Harris D. Acoustic emission – a new nondestructive testing tool // Ultrasonics. 1969. V. 7. № 1. P. 160-166.

2James D.R., Carpenter S.H. Relationship between acoustic emission and dislocation kinetics in crystalline solids // J. App. Phys. 1971. V. 42. № 12. P. 4685-4697.

3Грешников В.А., Дробот Ю.Б. Акустическая эмиссия. М.: Издательство стандартов. 1976. 276 с.

4Гусев С.В. Акустическая эмиссия при деформировании монокристаллов тугоплавких металлов. М. Наука. 1982. 167 с.

5Бойко B.C., Гарбер Р.И., Кривенко Л.Ф. Динамика образования макроскопического скопления дислокаций в неоднородном поле и ее приложение к анализу звуковых импульсов // ФТТ. 1974. T. 16. № 5. C. 1451-1456.

6Бойко B.C., Гарбер Р.И., Кившик В.Ф. Синхронная регистрация перемещения дислокаций и генерируемого ими звукового излучения // ФТТ. 1975. Т. 17. № 5. С. 15411543.

7Бойко B.C., Нацик В.Д. Элементарные дислокационные механизмы пластической эмиссии / Элементарные процессы пластической деформации кристаллов. Киев. Наукова думка. 1978. С. 159-189.

8Бибик З.И. Акустическая эмиссия при деформации чистых монокристаллов алюминия // ФММ. 1987. Т. 63. № 4. C. 811-815.

9Косевич A.M. Дислокации в теории упругости. Киев. Наукова думка. 1978. 219

с.

10Нацик В.Д., Чишко К.А. Динамика и звуковое излучение дислокационного источника Франка-Рида. Формирование дислокационного скопления / Препринт ФТИНТ АН УССР. Харьков. 1967. 26 с.

11Нацик В.Д., Чишко К.А. Динамика и звуковое излучение дислокационного источника Франка-Рида // ФТТ. 1975. Т. 17. № 1. С. 342-435.

12Нацик В.Д. Излучение звука дислокацией, выходящей на поверхность кристалла // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 8. № 3. С. 198-200.

13Нацик В.Д., Чишко К.А. Звуковое излучение при аннигиляции дислокаций //

ФТТ. 1972. Т. 14. № 11. С. 3126-3132.

14Бойко B.C. Динамика плоских скоплений дислокаций / Динамика дислокаций. Киев: Наукова думка. 1975. С. 161-168.

15Криштал М.А., Мерсон Д.Л., Алехин В.П. Распространение пластической деформации по сечению образца и акустическая эмиссия при одноосном растяжении меди

//ФММ. 1987. Т. 63. № 5. C. 1011-1016.

187

16Нацик В.Д., Чишко К.А. Акустическая эмиссия дислокаций, выходящих на поверхность кристалла // Акустический журнал. 1982. Т. 26. № 3. С. 421-429.

17Бойко В.С., Кившик В.Ф., Кривенко Л.Ф. Условия регистрации импульсов акустической эмиссии, генерируемых при выходе на поверхность отдельных дислокаций

//ЖЭТФ. 1982. Т.82. № 2. С. 504-508.

18Нацик В.Д., Чишко К.А. Теория экспериментальных механизмов акустической эмиссии / Акустическая эмиссия материалов и конструкций. Ростов-на-Дону. Изд. Ростовского университета. 1989. С. 10-18.

19Борщевская Д.Г., Бигус Г.А., Эвина Т.Я., Тремба Т.С. Исследование неравномерности пластической деформации в сплаве АМг6М методом акустической эмиссии // ФММ. 1989. Т. 68. № 1. С. 192-196.

20Vinogradov A., Nadtochiy M., Hashimoto S., Miura S. Correlation between spectral parameters of acoustic emission during plastic deformation of Cu and Cu-Al single and polycrystals // Mater. Transactions. JIM. 1995. V. 36. № 3. P. 426-431.

21Vinogradov A., Merson D., Patlan V., Hashimoto S. Effect of solid solution hardening and stacking fault energy on plastic flow and acoustic emission in Cu-Ge alloys // Mat. Sci. Engineering A. 2003. V. A341. P. 57-73.

22Ильина С.Г., Забильский В.В., Мерсон Д.Л. Акустическая эмиссия вблизи предела текучести отпущенных сталей // ФММ. 1997. Т. 83. № 5. С. 143-151.

23Caceres C.H., Rodriguez A.H. Acoustic emission and deformation bands in Al- 2,5%Mg and Cu-30%Zn // Acta Met. 1987. 1987. V. 35. № 12. P. 2851-2863.

24Криштал М.М. Взаимосвязь макролокализации деформации, прерывистой текучести и особенностей акустической эмиссии алюминиево-магниевых сплавов // ФММ. 1996. Т. 81. № 1. С. 155-162.

25Криштал М.М., Мерсон Д.Л. Влияние геометрических параметров образца на механические свойства и акустическую эмиссию при прерывистой текучести в алюминиево-магниевых сплавах // ФММ. 1991. № 10. С. 187-193.

26Бойко В.С., Гарбер Р.И., Кривенко Л.Ф. Звуковая эмиссия при аннигиляции дислокационного скопления // ФТТ. 1974. Т. 16. № 4. С. 1233-1235.

27Вайнберг В.Б. Акустическая эмиссия при деформации образцов сталей с различными скоростями и с переменой знака // Дефектоскопия. 1975. № 5. С. 133-135.

28Chmelik F., Trojanova Z., Prevorovsky Z., Lukac P., Pink E. Acoustic emission from Al-3%Mg alloy deformed at room temperature // Acta Univ. Carol. Math. Phys. V. 32. № 1. 1991. P.61-67.

29Рожанский В.Н. Неравномерности пластической деформации кристаллов //

УФН. 1958. Т. 65. № 3. С. 387-406.

188

30Bertotti G., Celasco M., Fiorillo F., Mazzetti P. Study of dislocation dynamics in metals through current noise measurement // Scripta Metall. 1978. V. 12. P. 943-948.

31Neuhauser Н. Slip-line formation and collective dislocation motion / Dislocation in Solids. V. 6. Edited by F.R.N. Nabarro. Amsterdam: North–Holland Company. 1983. P. 319–440.

32Neuhauser H., Arkan О.В. Dislocation motion and multiplication in Cu-Ni single crystals // Phys. stat. sol. (a). 1987. V. 100. № 2. P. 441-449.

33Arkan O.B., Neuhauser H. Dislocation velocities in Cu-Ni alloys determined by the stress pule-etch pit technique and by slip line cinematography // Phys. stat. sol. (a). 1987. V. 100.

№2. P. 385-397.

34Hampel A., Neuhauser H. Investigation of slip line growth in f.c.c. Cu alloys with high resolution in time // Phys. stat. sol. (a). 1987. V. 100. № 1. P. 441-449.

35Авдеенко А.М., Кузько Е.И., Штремель М.А. Развитие неустойчивости пластического течения как самоорганизация // ФТТ. 1994. Т. 36. № 10. С. 3158-3161.

36Шпейзман В.В., Песчанская H.H., Степанов В.А. Неоднородность пластической деформации на начальной ее стадии // ФТТ. 1984. Т. 26. № 8. С. 2387-2489.

37Песчанская Н.Н., Якушев П.Н., Шпейзман В.В., Синани А.Б., Берштейн В.А. Спектры скоростей малых деформаций твердых тел // ФТТ. 1999. Т. 41. № 5. С. 848-850.

38Песчанская Н.Н., Якушев П.Н., Егоров В.М., Берштейн В.А. Bokobza L.

Скачкообразная деформация и морфология полимеров // ФТТ. 2002. Т. 44. № 9.

С. 1609-1613.

39Фролов К.В., Панин В.Е., Зуев Л.Б., Махутов Н.А., Данилов В.И., Мних Н.М. Релаксационные волны при пластической деформации // Изв. ВУЗов. Физика. 1990. № 2.

С. 19-35.

40Данилов В.И., Зуев Л.Б., Мних Н.М., Панин В.Е., Шершова Л.В. Волновые эффекты при пластическом течении поликристаллического Al // ФММ. 1991. № 3. С. 188194.

41Зуев Л.Б., Данилов В.И., Карташова Н.В. Пространственно-временная самоорганизация пластической деформации ГЦК монокристаллов // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. № 7. С. 538-540.

42Зуев Л.Б., Данилов В.И., Горбатенко В.В. Автоволны локализованной деформации // ЖТФ. 1995. Т. 65. № 5. С. 91-103.

43Зуев Л.Б., Данилов В.И. О природе крупномасштабных корреляций при пластическом течении // ФТТ. 1997. Т. 39. № 8. С. 1399-1403.

44Зуев Л.Б., Баранникова С.А., Зариковская Н.В., Зыков И.Ю. Феноменология волновых процессов локализованного пластического течения // ФТТ. 2001. Т. 43. № 8. С. 1423-1427.

189

45Zuev L.B., Danilov V.I. A self-excited wave model of plastic deformation in solids // Phil. Mag. A 1999. V. 79. № 1. P. 43–57.

46Zuev L.B. Wave phenomena in low-rate plastic .ow of solids // Annalen der Physik. 2001. V. 10. № 11–12. P. 965–984.

47Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A. Pattern formation in the work hardening process of single alloyed g-Fe crystals // Int. J. Plasticity 2001. V. 17. № 1. P. 47–63.

48Miguel M.C., Vesplignanl A., Zapperi S., Weiss J., Grasso J.-R. Intermittent dislocation flow in viscoplastic deformation // Nature. 2001. V. 410. № 4. P. 667-671.

49Koslowski M., Le Sar R., Thomson R. Avalanches and scaling in plastic deformation

//Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. № 12. P. 125502.

50Weiss J., Grasso J.-R. Acoustic emission in single crystals of ice // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 32. P. 6113-6117.

51Weiss J., Lahaie F. Grasso J.-R. Statistical analysis of dislocation dynamics during viscoplastic deformation from acoustic emission // J. Geophys. Res. 2000. V. 105. P. 433-442.

52Miguel M.C., Vespignani A., Zapperi S., Weiss J., Grasso J.-R. Complexity in dislocation dynamics: model // Cond. Mat. 2001. V. 1. № 5. P. 1-4.

53Хирт Дж., Лоте И. Теория дислокаций. М.: Атомиздат. 1972. 599 с.

54Lepinoux J., Kubin L.P. The dynamic organization of dislocation structures // Simul. Scr. Metall. 1987. V. 21. P. 833-838.

55Amodeo R.J., Ghoniem N.M. Dislocation dynamics. A proposed methodology for deformation micromechanics // Phys. Rev. B. 1990. V. 41. P. 6958-6967.

56Groma I., Pawley G.S. Computer simulation of plastic behaviour of single crystals // Phil. Mag. A. 1993. V. 67. P. 1459-1470.

57Fournet R., Salazar J.M. Formation of dislocation patterns: Computer simulations // Phys. Rev. B. 1996. V. 53. P. 6283-6290.

58Baker I. Observation of dislocations in ice // J. Phys. Chem. B. 1997. V. 101. № 32. P. 6158-6162.

59Petrenko V.F., Whitworth R.W. Physics of Ice. Oxford. Oxford University Press. 1999.

373 p.

60Kusunose K., Lei X., Nishizawa O., Satoh T. Effect of grain size on fractal structure of acoustic emission hypocenter distribution in granitic rock // Phys. Earth Planetary Interiors. 1991. V. 67. P. 194-199.

61Jensen H.J. Self-Organized Criticality. Cambridge Univ. Press. Cambridge. 1998. 153

p.

62Bak P., Tang C., Wiessenfeld K. Self-organized criticality // Phys. Rev. A. 1988. V. 38. № 1. P. 364-374.

190