итоговый отчет

С ростом концентрации примеси эффект сначала растет а затем падает вследствие роста примесной проводимости, так что типичная концентрационная зависимость имеет колоколообразный вид (Рисунок 2.7).Нелинейной оказалась и зависимость максимального потенциала замерзания Um от скорости плоского фронта кристаллизации υ (Рисунок 2.8).

В [245] сделан вывод о том, что потенциал замерзания возникает в случае, когда произведение исходной концентрации примеси бинарного электролита, разности межфазных коэффициентов распределения примесных катионов и анионов и скорости фронта кристаллизации достигнет критического значения, зависящего от pH раствора.

Наиболее последовательная картина разделения зарядов при кристаллизации водных растворов дана в работах А.А. Чернова и др., [242-245]. Согласно [245] в начале затвердевания раствора бинарного электролита вблизи фазовой границы во льду формируется слой пространственного заряда одного знака вследствие разницы межфазных коэффициентов распределения катионов и анионов. Противоположный избыток заряда аккумулируется в жидкой фазе по другую сторону фазовой границы.

Катионная и анионная примесь во льду затем нейтрализуется подвижными ионизационными дефектами OH- и H3O+, которые образуются в результате термической диссоциации молекул H2O во льду. Нескомпенсированные ионизационные дефекты,

оставшиеся после нейтрализации, двигаются под действием электрического поля к межфазной границе, сталкиваясь и нейтрализуя ионы раствора. Таким образом, слой пространственного заряда примеси следует за растущим фронтом, в то же время противоположно заряженный слой перемещается перед фронтом кристаллизации в жидкой фазе. Разность потенциалов между «обкладками» этого межфазового двойного электрического слоя и есть межфазная разность потенциалов или потенциал замерзания.

Теория Бронштейна-Чернова [245] качественно объясняет условия возникновения потенциала замерзания, его зависимость от содержания примеси и скорости плоского фронта кристаллизации в области 1 – 50 мкм/с. Кроме того, в [245] показано, что миграция собственных носителей заряда в электрическом поле межфазового двойного электрического слоя приводит к изменению pH раствора, оставшегося незамерзшим. Это изменение пропорционально логарифму отношения площади фазовой границы к объему незамерзшей воды. Химические реакции, вызывающие такие изменения pH, названные авторами этой статьи кристаллизационным гидролизом, способны, как предполагается,

вызывать повреждение биологических клеток при низкотемпературном хранении.

71

обсуждалось несколько возможных механизмов электромагнитного излучения при развитии трещины в ионных кристаллах, связанных с газоразрядными явлениями между берегами трещины [271, 272], перераспределением точечных дефектов [262], механолизом поверхности разрушения [264], динамикой заряженных дислокаций в упругом поле быстрой трещины [273-275].

Исследования электромагнитной эмиссии при разрушении льда [276, 277]

показали, что источником излучения является заряжание поверхности трещины вследствие псевдопьезоэлектрического эффекта [277] – восходящей диффузией протонных носителей заряда в неоднородном упругом поле вершины трещины. Авторы

[253] предположили, что импульсное радиоизлучение при кристаллизации воды обусловлено газоразрядными явлениями между берегами микротрещин, которые вскрываются и схлопываются во льде вблизи фронта кристаллизации. Электрическое поле, возникающее в результате эффекта Воркмана-Рейнольдса, способствует, согласно

[253], зажиганию разряда в микротрещине из-за скачка диэлектрической проницаемости на ее поверхности. Однако, эта весьма сложная цепь гипотез не подтверждена ни модельными экспериментами, ни аналитическими расчетами. В работе [261] обнаружено,

что при кристаллизации некоторых коллоидно-химических систем (цемент-вода, известь-

вода, гипосульфит натрия-вода) в них возникает низкочастотный переменный ток,

обусловленный, по мнению авторов, динамикой коллоидных частиц.

Лед H2O имеет, как известно, одну из наиболее сложных фазовых диаграмм: при различных давлениях и температурах наблюдается не менее двенадцати кристаллических и четырех аморфных модификаций, в которых молекулы воды соединены водородными связями в тетраэдральные структуры [278]. Лед обладает полиморфизмом не только на атомном уровне, т.е. в традиционном значении этого понятия, но и «макроскопическим полиморфизмом» – множественностью макроскопических форм кристаллов с определенной атомной структурой, выращенных в сильно неравновесных условиях.

Классическим примером такого макрополиморфизма является многообразие форм снежинок [279]. Большое разнообразие демонстрируют также и фигуры плавления сильно перегретого льда, называемые звездами Тиндаля, которые обнаружены еще в середине

19 века. Важно отметить, что многообразие неравновесных форм роста характерно не только для кристаллов льда, но встречается в природе довольно часто в случае роста кристаллов из расплавов и растворов в сильно неравновесных условиях (высокие

73

3.ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЯТОГО НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ИСПОСОБОВ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА ПРОЕКТА)

Проект направлен на решение следующих проблем.

1.Проблема мониторинга и предсказания катастрофической динамики природных масс льда. Известно, что движение ледников сопровождается не только сейсмическими сигналами, но и импульсным радиоизлучением. Важно также отметить, что и перед заметными перемещениями ледника наблюдаются всплески радиоизлучения, которые не сопровождаются сейсмическими сигналами и являются, электромагнитными предвестниками катастрофических сдвигов ледника. (Подобные электромагнитные сигналы-предвестники наблюдаются и в случае землетрясений, сходе селей, снежных лавин и т.д.). Исследование сигналовпредвестников, выделение их на фоне электромагнитных помех позволит разрабатывать методы предупреждения катастрофических последствий, связанных с динамикой природных ледяных масс. Эти исследования включают в себя изучение физических механизмов электромагнитного излучения в ходе динамических процессов, вызывающих и/или подготавливающих нестационарное движение ледника. Наиболее важными здесь являются процессыпластическойдеформации, разрушения, тренияирежеляции, т.е. плавленияльдапод давлением и последующей кристаллизацией. Для исследования в лабораторных условиях механизмов разделения зарядов во льду, вызывающих электромагнитное излучение льда необходимо создавать экспериментальные условия, когда преобладает один из процессов структурной релаксации (пластическая деформация, разрушение и т.д.) с целью изучения возможности выделения этих процессов и оценки доли их участия в сложном природном явлении по электромагнитному сигналу. Проблема предсказания катастрофического разрушения включает в себя изучение на основе статистического, спектрального, динамического, автокорреляционного и мультифрактального анализа временных рядов различной природы (сигналы акустического и электромагнитного излучения), генерируемых в ходе процессов трения, пластической деформации, разрушения, кристаллизации и плавления льда. Исследование в этом направлении позволит создать физические основы для разработки методов непрерывного электромагнитного мониторинга природных объектов, содержащих большие массы льда и снега, склонных к катастрофическим срывам.

2.Механическая прочность льда в условиях контакта с нефтью и проблема ликвидации разлитой нефти в арктических условиях. В связи с расширением разведки и добычи нефти на

шельфе Северного ледовитого океана и трансарктических перевозок, увеличение которых

75

частично связано с уменьшением ледяного покрова, увеличиваются риски нефтяных разливов в арктических регионах. Это ставит проблему мониторинга нефтяных разливов в северных морях, проблему механической прочности льда, контактирующего с нефтью, что важно для судоходства в зоне разлива, и проблему ликвидации последствий разлива в условиях низких температур. В проекте предполагается проведение в лабораторных условиях исследования механической прочности льда в условиях контакта с нефтью, экспериментального моделирования прокачки нефте-водной смеси через трещину во льде и создание научной основы для разработки методов непрерывного мониторинга ледяного покрова в условиях контакта с нефтью.

3. Проблемы беспроводной связи в арктических условиях. Структурно-чувствительная часть спектра поглощения льда, особенно в микроволновой области, определяется, в частности, характерной масштабной шкалой микросегрегации примесей по границам зерен, которая в значительной степени зависит от развития неустойчивостей межфазной границы лед-вода впроцессе кристаллизации в виде боковых ветвей дендритов, игольчатых структур и т.д. В проекте предусмотрено проведение систематических исследований кинетики и морфологии неравновесного роста льда в сильно переохлажденной пресной и морской воде, а также собственного электромагнитного излучения растущего льда, способного создавать помехи радиосвязи.

Технологическая карта проекта «Непрерывный электромагнитный

мониторинг нестационарных процессов деформации, разрушения и роста льда и

электромагнитные предвестники разрушения»

76

77

78

электромагнитных сигналов несет информацию о степени коллективного участия этих элементов в процессе структурной релаксации и т.д.

Электромагнитные сигналы, вызванные распространением отдельных полос

скольжения и трещин. В работах [273-275] проводились исследования на

монокристаллических образцах LiF. Зарождение и распространение одиночной полосы

скольжения или трещины в монокристаллах LiF инициировалось с помощью ударного

нагружения.

На рисунок 4.1. представлены временные изменения дипольного момента образца

P (1), обусловленные зарождением от поверхностного источника типа концентратора

напряжения и распространения односторонней незавершенной полосы скольжения и

временные зависимости ее длины Ld (2) и скорости головной группы дислокаций υh (3).

Анализ более ста экспериментов с синхронной записью сигнала ЭМЭ показал, что P(t)

и Ld (t) совпадают с точностью не хуже 40 мкс. Полярность сигнала ЭМЭ согласуется с отрицательным зарядом дислокаций в испытуемых кристаллах и зависит от

механического знака дислокаций, преобладающего в незавершенной полосе скольжения

(Рисунок 4.2).

Рисунок. 4.1 − Сравнение результатов исследования кинетики незавершенной полосы скольжения в LiF электромагнитным и фотоупругим методами. Временные зависимости:

1 – дипольного момента P(t) кристалла с движущейся полосой скольжения (электрический сигнал); 2 – длины полосы Ld (t); 3 – скорости головной группы дислокаций υh (t) в полосе при нагружении прямоугольным импульсом сжатия с амплитудой τm = 5 MПа, длительностью плато t =10-3 с и длительностью фронта около 10-4 с (τm = σm 2 - приведенное касательное напряжение в плоскости скольжения).

80