CC BY
41
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Акулов, А.Ю. Огнезащитное покрытие на основе минеральных термостойких заполнителей для металлических конструкций [Текст] / А.Ю. Акулов, В.А. Иванов, A.B. Аксенов // Научно-технические ведомости СПбГПУ,- 2010. № 4,- С. 263-266.
2. ГОСТ 17177—94. Материалы и изделия строительные теплоизоляционные. Методы испытаний |TeKCTj.— Введ. 1996-04-01.— М.: Изд-во стандартов, 1981.— 19 с.с
3. ГОСТ 15140—78. Материалы лакокрасочные. Методы определения адгезии [Текст].— Введ. 1979-01-01,— М.: Изд-во стандартов, 1981,— 7 с.
4. Денисов, A.C. Теплоизоляционные жаростой-
кие торкрет-массы на основе вермикулита [Текст] : учебник / A.C. Денисов, В.А. Швыряев.— М.: Стройиздат, 1973.— 104 севВАТеплоизол.
5. ГОСТ Р 53295-2009. Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности [Текст].— Введ. 2009-02-18.— М.: Изд-во стандартов, 2008.— 14 с.
6. Российская Федерация. Законы. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности |TeKCTj : федер. закон: [принят Гос. Думой 4 июля 2008 г. : одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 r.J- Ц-е изд.].- М. : Проспект, 2009,- 114 с.
УДК622.035
В.А. Боровиков, В. К.Сластенко
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ МЕТОДОМ ПОДВОДНОГО ВЗРЫВА
На современном этапе развития горнодобывающей промышленности, гидротехнического и гражданского строительства, топливно-энергетического комплекса и других отраслей широко используется энергия взрыва. Резко возрос объем потребления и ассортимент промышленных взрывчатых веществ (ПВВ), в том числе ВВ простейшего состава и водоэмульсионных ВВ, при производстве взрывных работ на суше, под водой и в городских условиях при разрушении старых фундаментов, зданий и инженерных сооружений, включая условия плотной городской застройки и чрезвычайные ситуации. Тип ВВ существенно влияет на технико-экономические показатели, эффективность и безопасность производства взрывных работ, включая минимизацию вредного действия по факторам сейсмо-взрывных, ударных воздушных волн и разлету осколков.
Проблема оценки эффективности использования ПВВ в конкретных условиях возникла еще в начале шестидесятых годов прошлого века при широком внедрении простейших и водоэмульсионных ПВВ. В то время стандартные характе-
ристики — бризантность, работоспособность, скорость детонации, теплота и энергия взрыва — стали недостаточными для выбора рационального типа ПВВ. Именно тогда в США появились первые публикации по оценке эффективности использования ПВВ методом подводного взрыва [1, 2]. Этот метод базировался на фундаментальных трудах зарубежных (Р. Коул [3], Дюваль [2]) и отечественных (Ф.А. Баум [4], Ю.С. Яковлев [5] и др.) ученых.
Сущность способа оценки эффективности различных типов ПВВ методом подводного взрыва заключается во взрывании в воде заряда, массу которого выбирают из условия обеспечения стабилыюйдетонацииВВ,т. е. величинадиаметра заряда должна быть равна или больше критического диаметра испытуемого ВВ. При этом проводят измерения параметров подводной ударной волны и газового пузыря, характеризующих действие волны напряжений и продуктов взрыва, которые образуются в полости зарядной камеры. Преимущество этого способа — в использовании воды в качестве окружающей заряд среды, обладающей одинаковыми свойствами во
всех направлениях, и достаточно хорошо разработанной теории взрыва в воде, которая позволяет разделить энергии ударной волны и газового пузыря. В результате можно провести аналогию с энергией волны напряжений, обусловливающей предразрушение породы, и энергией продуктов взрыва в полости зарядной камеры, завершающей процесс разрушения и перемещение взорванной горной массы. Эффективность действия ВВ в этом случае оценивают сравнением суммы полученных энергий с потенциальной энергией взрыва. Основной недостаток этого метода — достаточно большое различие в условиях взрывания заряда ВВ в воде и в породе, т. е. различие в граничных и начальных условиях передачи энергии взрыва среде на границе заряд — среда. Сравнение оценок эффективности действия ВВ в воде и породе показывает, что имеет место существенное различие в характере нагру-жения и передачи окружающей среде энергии взрыва, которая увеличивается с ростом акустической жесткости среды.
Для учета физико-механических свойств твердых сред и диссипативных потерь энергии при их разрушении горное бюро США разработало количественный метод оценки измерения деформаций в волне напряжений [2], позволяющий производить сравнительную оценку эффективности ПВВ. Существенными недостатками этого способа были высокая трудоемкость размещения тензодатчиков в шпурах или в скважинах разрушаемого массива и невозможность обеспечения высокой точности результатов измерения.
Преодоление этих недостатков достигнуто путем регистрации параметров волны напряжений по методу преломленной в воду волны, который предложен профессором А.Н. Ханукаевым [6]. Этот метод заключается в формировании в массиве горных пород котлована с вертикальными стенками, заполняемого водой, или погружении в воду прямоугольных блоков; бурении параллельно свободной поверхности на заданном от нее расстоянии шпуров или скважин, в которых размещаются заряды, испытуемых типов ВВ. На расстоянии 2—4 мм от стенки, напротив эпицентра заряда, устанавливаются пьезоэлектрические датчики давления, регистрирующие преломленную в воду волну. Запись показаний датчика — эпюра давления в функ-
ции от времени — фиксируется с помощью катодного осциллографа на фотопленку. Процесс преломления с высокой степенью точности описывается в акустическом приближении. Экспериментальные эпюры «напряжение — время» для удлиненных зарядов аммонита № 6, взорванных в гранитном массиве на относительных расстояниях 7 = 70 /?о3 (/?о3_радиус заряда), приведены в работе [6] — рис. 55 на стр. 59. В результате для указанных масс зарядов произведена количественная оценка амплитудно-временных параметров и установлена закономерность снижения амплитуды волны напряжения с ростом величины относительного расстояния при увеличении длительности положительной фазы волны напряжения. Эта методика позволила профессору А.Н. Ханукаеву прогнозировать увеличение эффективности дробления горных пород при увеличении мощности ВВ. Этот вывод хорошо согласуется с результатами работы профессора А.Ф. БеляеваиЛ.Н. Азбукиной [7], в которой установлено увеличение выхода мелких фракций при дроблении бетонных блоков более мощными ВВ.
Тем не менее оценка эффективности ВВ по методике преломленной в воду волны требует дальнейшего совершенствования, поскольку результаты базируются на измерениях, получаемых в средней и дальней зонах взрыва, где различия в параметрах волны напряжений существенно сглаживаются.
В связи с этим акцент в совершенствовании методики оценки эффективности ВВ делается на измерении параметров волны напряжений в ближней зоне взрыва, где четко прослеживаются различия в интенсивности волн напряжений при применении различных типов ВВ. Кроме того, при таком подходе представляется возможность оценивать показатель степени дробления по выходу кусков мелких фракций.
В основу нового способа оценки свойств ПВВ положена концепция измерения параметров волны напряжений в ближней зоне взрыва (10 /?0з), где наиболее существенны диссипатив-ные потери энергии, а также различия параметров волны и интенсивности дробления. Кроме того, в этом случае появляется возможность определять гранулометрический состав взрываемых образцов методом ситового анализа разрушенной массы с оценкой показателя дробления по среднему размеру куска:
Рис. 1. Схема (а) и общий вид (б) полигонных испытаний: 1 — бетонный блок; 2 — заряд ВВ; 3 — промежуточный детонатор; 4 — линия подрыва электродетонатора; 5 — пьезоэлектрический датчик
" М
К) =Т—<1к„
где М) — масса /-й фракции; М— масса всех фракций; с/А,- — средний размер /-й фракции; я — число отобранных фракций.
В качестве модельной среды использовался бетон марки 300, плотность которого составляла
о
2,2—2,3 г/см" при средней скорости распространения звука 3500 м/с. Схема проведения опытов и общий вид размещения бетонного блока и пьезоэлектрических датчиков в воде приведены на рис. 1.
Сравнительная оценка эффективности промышленных ВВ малоплотного гранулита-ПЖ и гранулита-Ж нормальной плотности проводилась в бетонных моделях размером 0,3x0,4x1м. В центре модели формировался шпур диаметром 0,04 м при глубине 0,7 м. Длина заряда гранули-та-Жравнялась 0,2 м, а для гранулита-ПЖ была в два раза больше. Инициирование ВВ осуществлялось от штатного электродетонатора с помощью промежуточного заряда из пластита мас-
_ _
сой 10—20 г. Устье шпура заполнялось песчано-глинистой забойкой. Для обеспечения сохранности датчиков они размещались на расстоянии 0,3 м от граней блока, строго напротив эпицентра взрыва. В каждом эксперименте использовалось по два пьезодатчика, размещенных напротив смежных граней модели. Нарис. 2 приведена схема измерительного комплекса, состоящая из предусилителя типа ЗПУ-5П с большим входным сопротивлением и коэффициентом усиления Кус = 6, пьезоэлектрических преобразователей (датчиков давления) и кабельной линии.
Сигнал поступал на запоминающий осциллограф С8—13 и фотографировался (рис. 3).
Строгая калибровка обеспечивала высокую степень точности измерения амплитудно-временных параметров.
Экран осциллографа снабжен масштабной сеткой. Коэффициенты вертикального отклонения (В/дел.) и временной развертки (мкс/дел.) строго фиксированы и проверяются перед регистрацией путем калибровки от внутреннего источника.
Рис. 2. Схема измерительного комплекса
Давление преломленной в воду волне рассчи тывается по формуле
U „ат С'
Р=-
С
^дат
(1)
где и — напряжение на выходе пьезодатчика, В; С2 — суммарная емкость, подключенная к датчику, пф; 5 — чувствительность пьезо-
датчика,
В-пф
,2 '
КГС/см
Суммарная емкость состоит из емкости кабеля С^ и входной емкости предусилителя Свх:
= ^каб + Свх- (2)
Поскольку Скаб » Свх, то С2 = Скаб В свою очередь, напряжение на входе датчика определяется зависимостью вида
и,
гт — оси ат к
(3)
С другой стороны, напряжение на входе осциллографа — (10СН равно
(4)
где /с — амплитуда сигнала на осциллограмме, выраженная в делениях по вертикали; тп — масштаб коэффициента вертикального отклонения,
дел
С учетом выражения (2) и (4) формула (1) примет вид
_ /с/%СТ КГС
Р =
^ус^дат
СМ"
(5)
Аналогичным образом определяются временные параметры:
X =1, ШЕ, (6)
где 1( — расстояние между метками на осциллограмме по горизонтали в делениях шкалы;
мкс
82
54
25
1
f \
>4
!
О 50 100 150 200 250 300 г, мкс
Рис. 3. Типичные осциллограммы — «напряжение—время»: 1 — при взрыве гранулита-Ж, 2 — при взрыве гранулита-ПЖ
амплитудно-временных параметров преломленных в воду волн для двух указанных выше типов ВВ. Приведенные на рис. 3 типичные осциллограммы Р =f{t) для зарядов гранулита-Ж и гра-нулита-ПЖ полученны при взрывах в бетонных блоках. Проведенная расшифровка осциллограмм позволила произвести оценку максимальных амплитуд волны напряжений и длительности действия положительной фазы волны. Для равных условий проведения экспериментов (масса заряда, расположение зарядов относительно границы раздела «бетон — вода» и расстояние расположения пьезодатчика до вертикальной грани блока) установлено, что амплитуда волны напряжения при взрыве малоплотного гранулита-ПЖ составляет примерно 65 % от значения амплитуды волны, генерируемой зарядом гранулита-Ж. При этом длительности действия положительных фаз волн напряжений близки.
т, — масштаб времени развертки,
дел
Значение емкости кабеля Скаб определялось путем зондирования измерительной линии короткими импульсами с регистрацией времени между зондирующим и отраженным сигналами. В зависимости от условий проведения опытов длина кабеля /каб принималась в диапазоне 30— 100 м. На первом этапе проведена расшифровка
Рис. 4. Общий вид взрыва заряда гранулита-Ж при взрыве бетонного блока
Анализ формы эпюр «давление — время» и выполненных расчетов амплитуд и длительностей положительных фаз волны напряжений показывает существенный рост напряжений, генерируемых зарядами ВВ с более высокой плотностью (гранулит-Ж). С другой стороны, градиент спада напряжения за фронтом волны существенно ниже у малоплотного гранулита-ПЖ. Эти эксперименты в полной мере подтверждают сделанный в работе [8] вывод о квазистатическом характере действия взрыва малоплотных ВВ. При этом интенсивность дробления бетонных моделей, взорванных гранулитом-Ж, будет существенно выше, а у взорванных гранулитом-ПЖдробление характеризуется наличием более крупных фракций. Таким образом, изложенная методика позволяет четко определить область эффективного использования различных типов ВВ, а именно: более мощные ВВ рекомендуется использовать для повышения степенидробления, а малоплотные ВВ — для щадящего взрыва при добыче кристаллосырья, выколке блочного камня и осторожного взрывания в условиях плотной городской застройки.
Подводя итоги работы, можно утверждать:
1. Усовершенствован способ оценки эффективности ПВВ методом подводного взрыва, отличающийся размещением заряда в блоке или керне горных пород — твердых сред с параметрами, которые позволяют обеспечивать нормальный режим детонации и учитывать диссипатив-ные потери энергии взрыва в породах различной акустической жесткости.
2. Диаметр испытуемого заряда должен быть больше или равным критическому диаметру детонации испытуемых ВВ, а размеры модели принимаются из условия с/мод =10 /?о3 (/?0з — радиус заряда).
3. Выполнена сравнительная оценка интенсивности параметров волны напряжений для типов ПВВ, существенно отличающихся плотностью заряжания.
4. Установлено существенное снижение амплитуды и интенсивности волны напряжений зарядов малоплотного гранулита-ПЖ по сравнению с зарядами гранулита-Ж нормальной плотности.
5. Показана область эффективного использования малоплотных ВВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Седвин, Л.Д. Оценка взрывчатых свойств ВВ методом подводного взрыва. Разрушение и механик! горных пород [Текст] / Л.Д. Седвин, С.М. Кулей, С.И. Портер, Р.Х. Стреео.— М.: Гоеуд. науч-но-техн. изд-во по горному делу, 1962.
2. Томас, С. Сравнение двух методов оценки свойств взрывчатых веществ. Разрушение и механика горных пород |ТекетJ / С. Томас, Атчисон |и др.].— М.: Гоеуд. научно-техн. изд-во по горному делу, 1962.
3. Коул, Р. Подводные взрывы. Издательство иностранной литературы. 1950.
4. Баум, Ф.А. Физика взрыва [Текст] / Ф.А. Баум,— М.: Наука, 1975.
5. Яковлев, Ю.С. Гидродинамика взрыва [Текст] / Ю.С. Яковлев.— Л.: Изд-во судостр. промышленности, 1961.
6. Ханукаев, А.Н. Энергия волн напряжений при разрушении горных пород [Текст] / А.Н. Ханукаев.— М.: Госгортехиздат, 1962.
7. Беляев, А.Ф. Влияние свойств заряда ВВ на разрушение блоков цементного раствора [Текст] /
A.Ф. Беляев, Л.Н. Азбукина // Сб.: «Взрывное дело».— М.: Госстройиздат, 1960.
8. Боровиков, В А. Параметры волны напряжений при взрыве малоплотных В В [Текст] /
B.А. Боровиков, A.A. Рыскунов, В.К. Сластенко / / Сб.: Взрывное дело. М„ 1999,- М> 92/49.
-►
МОДЕЛИРОВАНИЕ. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
УДК521:523.4:524.83:524.88
В.Ф. Космач
КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ АБСОЛЮТНОЙ ШКАЛЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО ЛЕТОИСЧИСЛЕНИЯ ЗЕМЛИ
В работах [1,2] показана принципиальная возможность квантово-механического анализа геологической истории Земли как составной квантовой частицы, являющейся членом Солнечной системы, которая, в свою очередь, также квантовая.
Непривычность методики анализа не может быть причиной излишне осторожного к ней отношения, так как, во-первых, классическую механику можно рассматривать как одну из составных частей квантовой и, во-вторых, применение новой и более общей квантовой методики анализа позволяет, как правило, получать новые результаты. Так, например, применение квантовой методики [2] позволило в настоящей работе установить, что ядро Земли имеет спин 5= 24. Это означает, что магнитная ось Земли не только пре-цессирует вокруг географической, но и участвует в процессе нутации. Поэтому экспериментально обнаруженные постепенные смещения магнитных полюсов на поверхности Земли [3] — это, вероятно, частичное следствие прецессии и нутации магнитного момента нашей планеты, так как угол между спинами ядра и Земли составляет 11,5° в современной геологической эпохе.
В настоящее время выполнить достаточно строгий квантово-механический расчет геологической истории Земли не представляется возможным, так как, во-первых, такой расчет — задача чрезвычайной сложности вследствие неоднозначности знаний физических основ ее решения и, во-вторых, современная геофизика не имеет покадостаточных для такого решения экспериментальных данных о физике процессов, протекающих внутри нашей планеты. В то же время ход этих процессов имеет настораживающий характер, который требует незамедлитель-
ного анализа, пусть и приблизительного, но позволяющего понять физику процессов, которые происходят сейчас в ядре и мантии Земли, и сделать физически обоснованные выводы, а возможно, и прогнозы.
В предлагаемой статье впервые выполнен такой анализ на основе современной квантовой механики [4] и экспериментально установленной абсолютной шкалы геологического летоисчисления Земли (табл. 1) [3]. В табл. 1 индекс / соответствует номеру геологической эпохи начиная с Кембрийской (/ = 1), в столбцах с индексами к = 1 и к = 2 приведено время начала/ конца эпохи, если за нуль отсчета принять время начала Кембрийской эпохи, и длительность () эпохи / соответственно. Единицей измерения времен, приведенных в столбцах А = 1 и А = 2, принято ?0=Ю6 лет. Сейчас человечество живет в Новейшей эпохе (/= 18), которая началась приблизительно 104 лет назад [3] с Ледникового периода в Северном полушарии и «великой тряски и большой воды» в Южном [2].
В столбце к = 3 (табл. 1) приведены величины у = 1/т,- , которые являются средними плотностями вероятности перехода эпохи / к следующей (/41 )-й, а зависимость у.(/) представляет собой гистограмму со ступенями высотой у и шириной т(.. Средняя длительность эпох равна приблизительно 30?0 , и переход от одной эпохи кдругой осуществляется очень быстро (квантовым образом) с учетом планетарного масштаба перехода [2], но только после окончания времени т(.. Такое возможно, если полагать, что в течение времени т(. средняя плотность вероятности распада эпохи (у) должна быть равна средней плотности вероятности ее восстановления.
Таблица 1
Абсолютная шкала геологического летоисчисления (/ = 1-18; к = 1,2).
У к
1 2 3 4 5
Кембрийская 1 1 0/80 80 0,0125 40 85
Ордовикская 1 2 80/140 60 0,0167 140 57
Силурийская 1 3 140/200 60 0,0167 140 57
Девонская 1 4 200/240 40 0,0250 220 41
Миссисипская 1 5 240/270 30 0,0333 270 31
Пенсильванская 1 6 270/300 30 0,0333 270 31
Пермская 2 7 300/350 50 0,0200 25 54
Триасовая 2 8 350/390 40 0,0250 70 40
Юрская 2 9 390/425 35 0,0286 107,5 32
Нижнемеловая 3 10 425/470 45 0,0222 22,5 43
Верхнемеловая 3 11 470/490 20 0,0500 55 21
Палеоцен 3 12 490/500 10 0,1000 80 11
Эоцен 3 13 500/510 10 0,1000 80 11
Олигоцен 3 14 510/520 10 0,1000 80 11
Миоцен 4 15 520/535 15
Неоген 4 15-16 520/540 20 0,0500 10 21
Плиоцен 4 16 535/540 5
Плейстоцен 4 17 540/550 10 0,1000 30 9
Новейшая 4 18 550/560 10 0,1000 30 9
Поэтому в дальнейшем у имеет двоякий смысл и употребляется в тексте статьи как в одном, так и в другом качестве, которое всегда понятно из контекста статьи.
Из табл. 1 для к = 3 следует, что функция у (?) имеет вид достаточно сложной гистограммы, отличительными особенностями которой являются: некоторая периодичность функции уд/), каждый последующий максимум которой находится на «пьедестале» правой нисходящей ветви предыдущего. Эти максимумы по оси / находятся в областях 5, 6; 8, 9; 12, 13, 14; 17, которые завершают цепочки от трех до шести следующих друг за другом эпох. Обозначим индексом у= 1, 2, 3, 4 номера цепочек, которые начинаются с эпох /1 =1, 7, 10, 15 и завершаются соответственно вышеуказанными максимумами (табл. 1). Для удобства дальнейшего анализа было принято, что ? означает время, которое изменяется в пределах от 0 до х1 каждой эпохи /, а ^ — это среднее время каждой ступеньки гистограммы у для цепочки у, отсчитываемое от начала первой эпохи (/1) этой цепочки (табл. 1, к = 4). Следует отметить, что встречаются группы эпох / (2, 3; 5,6; 12,13,14), в которых эпохи формально ничем не отличаются друг от друга. Для правиль-
ной обработки экспериментальной гистограммы у необходимо полагать, что каждая из указанных групп эпох принадлежит одной общей ступеньке гистограммы, и время является серединой этой ступеньки;
увеличение высоты максимумов гистограммы у с ростом /, которое особенно заметно при переходеот/= 10к/ = 12—14идалеек /= 17;
постепенное уменьшение средней продолжительности эпох с увеличением /. Эта продолжительность равна 50?0, 35?0, Ю/0 соответственно для эр палеозоя (1 < / < 7), мезозоя (8 < / < 11) и кайнозоя (12 < / < 18).
Попытки объяснить периодичность функции у (О с учетом вышеперечисленных особенностей с помощью известных периодических функций не увенчались физически значимым успехом. Для понимания физики поведения функции уд/) решающим обстоятельством стало то, что УД7) при />/1 с учетом дополнительной постоянной величины («пьедестала») могла быть с достаточной точностью и физически однозначным образом аппроксимирована для данного у нижеследующей зависимостью:
N20,1,0 =
= Ы2и, И, + (1 -е~-''< ) + М2( 1-е-*'') =
= то,п,гп)Щг1+у2г, (1)
где N20, Л, (п) = ^ "п /2 и V/ «1 ' V <<1 •
Высота пьедестала для каждого у сложным образом зависит от энергии, накопленной ядром за всю предыдущую историю своего возникновения и развития. Эта высота должна стать предметом специального исследования, так как для изучения истории возникновения и развития ядра Земли необходима соответствующая кван-тово-механическая модель, которая пока недостаточно актуальна для приближенного решения основной задачи настоящей работы. Следует, однако, отметить, что высота пьедестала постоянно возрастает с увеличениему, что однозначно свидетельствует об увеличении запасов энергии в ядре в процессе его эволюции.
Зависимость (1) свидетельствует о том, что в случае Земли как квантовой системы происходит накачка в течение эпохи / населенности N2 ~ у некого метастабильного уровня с постоянной скоростью У2 и различными начальными условиями для каждой эпохи цепочки у, которые монотонно изменяются со временем и скоростью К,: N20, и ^) = У\ "п/2 + ' I > Л • Анализ экспериментальной гистограммы у показал, что У2 = 0,1Д0 для всех эпох от / = 1 до / = 18; Ух =0,02//0 , У\ = 0,04//0 соответственно для цепочек у = 1; 2 иу=3; 4. Важно отметить, что указанные значения для Ух практически совпадают с величинами т"1, где х = х12, х = х34 — средние длительности ступенек гистограммы у для цепочек у = 1; 2 иу=3; 4 соответственно. Этот результат однозначно свидетельствует о том, что Ух (У2) имеет не абсолютный, а относительный смысл и, следовательно, такой же смысл имеют функции N2(у, /, ?) и N20, Л, (п). Поэтому в начале эпохи /1 каждой цепочки у значения этих функций выбирались равными нулю, чтобы уменьшить число параметров при анализе геологической истории Земли. О скорости У2 будет сказано позже, однако ее постоянство — очевидное следствие постоянства угловой скорости вращения Земли [3,6].
Физическая концепция геологического летоисчисления Земли
В настоящей статье предлагается следующая концепция геологической истории Земли:
Ядро Земли смещено на 1140 км в сторону Тихого океана [3], и, следовательно, гравитационный потенциал Земли в области ее ядра не обладает сферической симметрией из-за разной толщины коры и мантии на континентальном и океанском полушариях Земли. Вращение Земли как симметрического ротатора неизбежно, вследствие кориолисового взаимодействия [4], вызывает колебания вещества ядра, мантии и коры в плоскостях, перпендикулярных оси вращения нашей планеты. Основной вклад в энергию этих колебаний и сопутствующих им токов вращения [4] вносит ядро как очень весомая, жидкая и самая динамичная часть Земли. Можно с уверенностью полагать, что эти колебания имеют квантовый характер, так как ядро обладает чисто квантовой характеристикой — спином. Меньший вклад в энергию вышеуказанных колебаний и сопутствующих им токов вращения вносят кора и мантия Земли. Колебания поверхности коры и мантии Земли имеют вертикальный характер и приводят к вертикальным перемещениям литосферных плит (континентов) Земли (геологическая модель — фик-сизм), а сопутствующие колебаниям токи вращения приводят к значительным горизонтальным перемещениям вещества мантии и литосферных плит (геологическая модель — мобилизм). В результате тектонические движения есть следствие вращения Земли как квантового симметрического ротатора. В дальнейшем будем анализировать колебания ядра Земли как наиболее значимого инициатора тектонических движений.
Наиболее вероятные колебания ядра — квад-рупольные [7], возникновение которых пространственно возможно, так как на глубине 2900 км между ядром и мантией имеется пограничная область Вихерта — Гутенберга [3,6]. Для квадрупольных колебаний характерна эквидистантная система уровней энергий возбуждения: £,(2+), £2(4+), £з(6+)..., где 2, 4, 6 ... являются спинами энергетических уровней квадрупольных колебаний Е2, Е3 соответственно. Теоретически число таких уровней должно быть равно 12.
Можно обоснованно полагать, что в первом приближении квантовые квадрупольные колебания вещества ядра представляют собой стоячие поперечные волны в плоскостях, перпендикулярных спину Земли. В этих же плоскостях протекают токи вращения по замкнутым траекториям
вокруг спина Земли и вызывают дифференциальные конвекционные токи, которые двигаются в плоскостях, перпендикулярных спину ядра, и создают магнитное поле Земли вследствие динамо-эффекта [5].
Примем для дальнейшего анализа гипотезу о том, что ядро Земли является импульсным квантовым усилителем (КУ) упругих (сейсмических) волн. Роль квазичастиц в этом КУ играют токи вращения активного вещества ядра. Будем полагать, что КУ имеет систему трех колебательных уровней: £1 (нижний уровень), Е2 (метастабиль-ныйуровень), ЕЗ (полоса поглощения). Полоса поглощения может, например, представлять собой совокупность уровней от (6+) и выше, которые уже начали объединяться друг с другом вследствие большой ширины, но, возможно, сохраняют еще свою квантовую индивидуальность. Выбор более сложных систем уровней КУ не имеет принципиального значения, а только необоснованно усложняет изложение методики решения основной задачи настоящей работы.
Накачка КУ происходит с постоянной скоростью (К2), пропорциональной частоте вращения Земли, в результате кориолисового взаимодействия между спинами ядра и Земли [4].
Согласно современным представлениям ядро — это шар, который обладает внутренней структурой [6], включая:
внутренний сферический слой с радиусами от 0 до 1217 км, проницаемый для поперечных упругих волн, скорость распространения которых равна приблизительно 3,5 км/с;
внешний сферический слой с радиусами от 1217до 3485 км, полностью непроницаемый для поперечных упругих волн, скорость распространения которых равна нулю.
Отличие в скоростях (0 и 3,5 км/с) может быть связано с возникновением стоячих волн во внешнем слое и их отсутствием во внутреннем. Следует отметить, что практически все вещество ядра сосредоточено в его внешнем слое и является активным для работы КУ. Возможный переход вещества внутреннего слоя ядра в активное состояние увеличит мощность КУ лишь на несколько процентов.
Накачка КУ происходит за счет энергии вращения Земли как симметрического ротатора. Эта энергия постоянно пополняется в результате действия сил гравитационного взаимодействия ротатора, обладающего квадрупольным моментом,
с Солнцем и планетами Солнечной системы. Компоненты ускорения свободного падения, касательные к поверхности Земли, экспериментально измерены [3,6] и, вероятно, частично связаны с действием вышеуказанных сил, которые включают в себя и силы «конфликта» [1, 2]. В случае непрерывной накачки лавинообразный рост интенсивности вынужденного излучения прекращается при недостаточной мощности источника накачки тогда, когда число квазичастиц в виде токов вращения на метастабилыюм (N2) и нижнем (М) уровнях выравнивается, так как коэффициент квантового усиления пропорционален (№.—N1) [5].
Необходимо отметить особенности ядра Земли как квантового усилителя. Ядро Земли не является единым КУ, так как относительно невелика скорость распространения взаимодействия, и разные области ядра находятся в различных начальных и внешних условиях накачки, а именно: радиус ядра равен приблизительно 3500 км, и, следовательно, время распространения взаимодействия в виде, например, движения продольных волн со средней скоростью 10 км/с [6] одновременно по радиусу и периметру ядра составляет от минут до 1 часа, что затрудняет его работу как единого КУ;
ядро смещено на 1140 км в сторону Тихого океана от центра Земли, и тяготеющие массы коры и мантии распределены вокруг ядра очень неравномерно, что изменяет внешние условия накачки для разных частей ядра.
Вышеуказанные причины позволяют обоснованно полагать, что ядро представляет собой набор локальных КУ, обладающих различной массой активного вещества. Если локальные КУ имеют приблизительно одинаковые массы, находятся в одинаковых начальных условиях и условиях накачки, тогда они образуют группы, в которых готовность к импульсному излучению достигается сравнительно одновременно. Накачка других локальных КУ происходит с различной эффективностью, что приводит к возникновению в них значительных флуктуаций 5/^1 и §N2 относительно средних по ядру значений N1 и N2. Эти флуктуации служат причиной возникновения в течение каждой эпохи / вынужденного излучения упругих (сейсмических) волн отдельными локальными КУ, что вызывает локальные землетрясения, очаги которых залегают на глубине 20—30 км в области поверхности
Мохоровича, пограничной между мантией и корой Земли. Согласно [3,6] единицей измерения энергии таких землетрясений принята магниту-да М. Землетрясение, магнитуда которого принята за единицу (М = 1), расходует энергию около 1012 эрг и является «очень слабым». Наиболее сильные землетрясения («катастрофические») как правило не превосходят М = 8,5, что соответствует энергии до 1027эрг. Прирост магниту-ды на 0,5 эквивалентен увеличению энергии землетрясения приблизительно в 10 раз. В табл. 2 приведены данные [3] о среднем числе землетрясений в год (п) со средними магнитудой М >3,5 и энергией Е (эрг) одного землетрясения. Сведения о землетрясениях с меньшей магнитудой получены в настоящей работе путем наиболее вероятной экстраполяции с помощью геометрической прогрессии.
Из табл. 2 следует, что ядро Земли можно представить в виде ансамбля КУ различной мощ-
о
ности числом до ~10 . Простые оценки показывают, что в среднем каждый КУ содержит такую массу активного веществаядра, которая приблизительно равна массе воды нескольких тысяч Ладожских озер.
Для удобства дальнейшего рассмотрения условно разобьем все КУ на три большие группы: малой(М<2,5),средней(2,5<М < 5)иболь->
с увеличением мощности возрастает масса активного вещества КУ, увеличивается время накачки до критического состояния и уменьшаются флуктуации 8Ш и §N2. В результате каждую из групп можно анализировать независимо от всех остальных.
КУ малой мощности (М< 2,5), которые излучают сейсмические волны практически непрерывно, являются, вероятно, основным источником следующего:
микросейсмических колебаний первого рода, которые представляют собой планетарные микроскопические колебания коры Земли с частотами от 0,03 до 100 Гц и хорошо изучены экспериментально [6]. Поэтому кору Земли можно представить себе как колокол, который постоянно излучает инфразвуковые волны. Необходимо отметить, что инфразвуковые волны большой мощности могут возникать и локально в случае воздействия импульсаупругих волн от локального КУ достаточно большой мощности. В результате поверхность Земли может стать локальным
Таблица 2
Данные о числе п землетрясений в год, их средних магнитудах М и энергиях Е
п м Е
108 0,5 1011
107 1,5 1013
10% 2,5 1015
10$ 3,5 1017
104 4,5 101(
10" 5,5 1021
102 6,5 1023
10 7,5 1025
1 8,5 1027
источником инфразвуковых волн такой мощности, которая опасна для живых существ (в конце 2010 года СМИ США сообщали о массовой локальной гибели стай птиц. Последующее изучение выявило, что внутренние органы птиц имели повреждения, которые возникают в случае воздействия мощной инфразвуковой волны);
квазистационарного излучения радиоволн
о
с частотами от 10" Гц и выше вследствие квад-рупольных колебаний активного вещества КУ, которое является проводящим; оно может колебаться в пределах, разрешенных шириной полосы поглощения и уровнями £1 и Е2. Такие радиоволны, как и радиоволны, излучаемые КУ (М< 2,5), в процессе генерации сейсмических волн способны вызвать свечение верхних слоев атмосферы, которое по сообщениям СМИ уже наблюдалось на севере Канады во время полярной ночи 2010/2011 года и при этом не было полярным сиянием;
импульсного электромагнитного излучения большой мощности в случае возникновения импульса упругих волн от локальных КУ достаточной мощности.
Наблюдения вышеперечисленных явлений показывают, что количество энергии в ядре Земли постепенно возрастает с увеличениему, и, следовательно, увеличиваются частота излучения, частота импульсов излучения и энергия упругих волн КУ малой мощности. В настоящее время (/ = 18) это увеличение достигло уровня, который был замечен людьми и отмечен СМИ как непонятное покаявление.
Рассмотрим КУ средней и большой мощности (М> 3,5). Излучение сейсмических волн такими
КУ в течение эпохи опасно само по себе, но оно может вызвать еще и тектонические землетрясения. По сообщениям СМИ перед землетрясением в Японии (март 2011 года), отнесенным к классу «сильной катастрофы» [3,6], произошло более слабое, которое ввело в заблуждение японских сейсмологов, и в результате не был объявлен нужный уровень тревоги. Большинство КУ (М> 3,5) достигает критического состояния, необходимого для излучения упругих волн, к концу эпохи. И, следовательно, землетрясения, вызванные сейсмическими волнами КУ, являются причинами смены одной эпохи на другую. Следует
>
ют сейсмические волны, как правило, последовательно друг за другом в результате развития каскада переходов, который свойственен для квантовых систем (вспомним, например, механизм образования электронов Оже). Возникновение каскада землетрясений, который продолжался «много-много дней и много-много ночей», отмечено и в мифе австралийцев, анализ которого выполнен в работе [2]. Длительность одиночных землетрясений не превышает 10 минут. Если каскад землетрясений будет достаточно развит, тогда произойдет смена одной эпохи на другую, при этом сейсмические волны каскада могут вызвать еще и тектонические землетрясения. Смена одной эры на другую происходит подобным образом, но с выделением дополнительной энергии, которая накапливается в течение всей цепочки у в КУ большой мощности. Это накопление подтверждается экспериментальными данными в виде роста значений функции УД/) при /> 12 по сравнению с КЗ.
Результаты моделирования геологического летоисчисления Земли
Рассмотрим в качестве примера цепочку/' = 1, которая первична для всех последующих цепочек. Ранее нее находится позднедокембрийская эпоха, большая длительность которой (Ю50?0) показывает, что в эту эпоху не было особо значимых событий в геологической истории Земли, и поэтому в настоящей работе анализ был начат с кембрийской эпохи (/ = 1).
Последовательная смена эпох от / = 1 до / = 18 и цепочек от у = 1 до у = 4 происходила в результате каскадов землетрясений планетарного масштаба, энергия которых — величина случайная. Для расчетов этой сложной цепочки
последовательных квантовых переходов можно применить метод случайных испытаний, который и был реализован Землей, но она прошла все цепочки /иу'так, как получилось (табл. 1, к = 3). Для теоретических расчетов такой метод не может быть применен, так как неизвестны ни функции плотности вероятности для его реализации, ни способы их получения с учетом особой специфики рассматриваемых КУ.
Остается только надеяться на то, что Земля прошла свой путь наиболее вероятным и, следовательно, аналитически предсказуемым способом, в результате чего становится возможным применение зависимости (1). Такой метод сравнительно легко реализовать, так как, во-первых, время смены одной эпохи надругую приходило в среднем при одинаковых соотношениях между N1 и N2 для тех КУ, которые были инициаторами каскадов; во-вторых, в этих КУ N2 в среднем возрастало с постоянной скоростью накачки в течение эпохи /.
Величины V, (см. (1)) были оценены путем подробного попарного численного сравнения экспериментальных значений У(. (табл. \ ,к = 3) для каждой из цепочеку с обязательным соблюдением правил работы с гистограммами, а затем согласованы между собой с помощью графических построений в укрупненном масштабе, так как «лучше один раз увидеть...».
Согласно предложенной концепции функции Л^2(/, /, ?,•) и Л^2(/, /, 0 должны быть кусочно-непрерывными с разрывами конечной величины в точках перехода от эпохи / к / + 1 и от цепочки у ку + 1. Такая особенность этих функций хорошо подтверждается экспериментально (табл. 1, к = 3); она связана с накачкой КУ в течение одной эпохи и резким уменьшением населенности N2 в моменты перехода к другой эпохе или, тем более, кдругой цепочке.
Величины разрывов имеют случайный характер, относительно большие из них выходят за пределы вероятной экспериментальной ошибки (+0,05 [8]), а наиболее вероятные лежат в пределах этой ошибки, и, следовательно, в первом приближении можно полагать, что У2 ~0,1//0.
На первый взгляд, оценка скорости У2 — дело необычное, так как Ы2(], /, 0 ~ У,-, а У(. является постоянной величиной для данного /, т. е. скорость роста ее равна нулю. Однако накачка КУ происходит непрерывно в течение эпохи /, и, следовательно, М2(/, /, 0 должна обязательно возра-
стать, но этот рост маскируется экспериментальными ошибками, анализ которых и позволил оценить значение скорости У2.
Порог (вероятно, даже полоса) срабатывания КУ в среднем должен быть одинаков для всей
цепочки у и равен Л^ • = ^ #2(у, /, / = т,-) / Пр где
/
суммирование осуществляется по всем эпохам цепочки у, количество которых равно /у . Длительность каждой эпохи / легко рассчитать с помощью соотношения т,- =(Nj - №2(], /, Результаты расчетов с использованием вышеуказанных значений Ух и У2 приведены в табл. 1, к = 5. Из сравнения данных для к = 5 и к = 2 следует, что согласие с экспериментальными данными можно признать в общем удовлетворительным, если учесть случайный характер смены одной эпохи на другую.
Полученные результаты необходимо достаточно подробно прокомментировать.
1. Для изменения скорости Ух в случае у = 3,4 нужны очень весомые физические причины, которые могли бы повлиять на Землю, т. е. на большую планету, а не «воздушный шарик». Поиски физических причин увеличения Ух от 0,02//0 до 0,04//0 привели к следующим результатам:
малозначимой причиной представляется нагрев ядром окружающих его слоев мантии до состояния активного вещества КУ. Оценки показывают, что для наблюдаемого эффекта (Ух = = 0,04//0) нужно вовлечь в активное состояние такую массу мантии, которая должна быть сравнима с массой ядра. Но достаточного нагрева такой массы мантии не произошло, так как потепление климата и таяние льдов Арктики, Антарктиды, Гренландии не имеют пока признаков необратимых процессов. Интересно отметить, что в случае накопления энергии ядром не в квантовом виде, а в виде классической тепловой энергии ядро в эру кайнозоя стало бы газообразным телом, возможно, даже перегретым под высоким давлением со всеми вытекающими отсюда последствиями. Отсутствие последних в достаточно явном виде позволяет заключить, что именно квантовые свойства ядра и всей Земли [2] ограждают человечество от различных негативных явлений;
основной причиной служит, вероятно, электромагнитное взаимодействие токов вращения активного вещества КУ, которое является про-
водящим [5]. В течение всей геологической истории Земли до эпохи / = 11 в области уровня £1 КУ накапливались квазичастицы в виде этих токов, попавших туда в результате квантовых переходов с уровня Е2 и в процессе рождения и развития ядра. Во времена эпохи /=11 концентрация токов с энергиями £1 достигла порогового значения, при котором стало вероятным их объединение путем электромагнитного взаимодействия при определенных начальных условиях, подобных условиям электромагнитного взаимодействия витков с током в соленоиде. В результате ряда таких объединений увеличивается энергия токов вращения в рамках ширины уровня £1, и, наконец, после объединения наиболее энергичных токов у них появляется возможность перейти на уровень £2. Такой эффект имеет пороговый характер, который подтверждается экспериментально, так как УД/) (табл. 1, к = 3) возрастает приблизительно в пять раз при переходе от / = 10 к / = 14. Такого роста не наблюдается для цепочек у = 1 иу = 2, в течение которых электромагнитный способ накачки еще не стал достаточно эффективным, и у = 4, когда был достигнут возможный максимум роста функции УД/) во время неогена и плейстоцена (табл. 1, к = 3).
2. Рассмотрим цепочкуу = 4. Она уникальна по своему виду, так как в ней находится эпоха / = 16, длительность которой минимальна среди соседних эпох / = 15, 17 (табл. 1, к = 2). Такого минимума больше нет в другиху, которые в среднем удовлетворительно объяснены с помощью концепции, предложенной в настоящей работе. Для объяснения наблюдаемого единственного минимума в случае / = 16 в концепции настоящей работы необходимо предусмотреть возможность изменения хода времени для отдельной эпохи, что не может быть физически обосновано. Поэтому было сделано заключение о том, что суммарное время двух эпох (20/0) разделено между эпохами /= 15 и /= 16 ошибочно, иэтидве эпохи следует анализировать в рамках единого неогенового периода с длительностью 20/0 [8]. Интересно отметить аналогию по длительности неогенового периода и эпохи / = 17 с эпохами / = 11 и / = 12, которые находятся в начале последовательной смены трех эпох (/ = 12, 13, 14). Принимая во внимание очень вероятную цикличность процессов, происходящих в природе,
можно предположить, что новейшая эпоха будет иметь длительность Ю/0 , и затем проверить это предположение с помощью концепции настоящей работы. Результаты этой проверки в общем удовлетворительны (табл. 1, / = 18).
Электромагнитный механизм накачки — пороговый, он начался с / = Пи должен завершиться пороговым образом в будущем во время той эпохи, когда концентрация токов вращения на уровне £1 упадет ниже критической. Переход к этой эпохе может быть уникальным по своему
у
уменьшится до значений существенно меньших, чем до перехода, а это будет указывать на существенное сокращение запасов квантовой энергии в ядре. Такую возможность ядро Земли реализовало во время перехода от / = 14 к неогеновому периоду, но, к сожалению, за время это-
у
значений (/=17), которые наблюдались до перехода (/ = 13, 14). Это служит экспериментальным подтверждением того, что между населен-ностями N1 и N2 наступило динамическое равновесие без нарушения условий генерации упругих волн КУ.
Выполненный в настоящей работе анализ показывает, следующее:
1. Общепринятое деление эпох на эры несколько отличается от предсказаний квантово-ме-ханической концепции, согласно которой аналогом определенной эры является соответствующая цепочка/'. В настоящее время на Земле протекает не эра кайнозоя, а новая эра, которая началась в эпоху миоцена (/ = 15), а эра кайнозоя началась в начале нижнемеловой эпохи (/= 10) изаверши-лась в эпоху олигоцена (/ = 14). Указанные различия имеют только формальный характер и не являются физически значимыми, а следовательно, достаточно интересными.
2. Физически значимым представляется нижеследующий вывод, подтверждаемый экспериментально, о том, что во время цепочек у = 3,4 ядро Земли находилось в состоянии перегруженности как квантовой, так и классической (тепловой) энергией. Это привело к очевидным сокращению в среднем длительности эпох и увеличению энерговыделения при их смене для цепочек у = 3, 4 по сравнению с предыдущими /'=1,2. Указанные различия междуу = 1,2 иу = 3,
4 показывают, что в новейшую эпоху человечеству следует ожидать увеличения частоты и мощности катаклизмов:
вулканических процессов вплоть до излияний магмы из разломов коры Земли и кальдер;
сейсмических явлений, а также импульсов электромагнитного излучения и инфразвуковых волн вплоть до перехода от одиночных импульсов к практически стационарному режиму генерации;
климатических аномалий. 3. Для ядра как квантовой системы с колебательными уровнями конденсированного вещества применимо понятие температуры Дебая [5], превышение которой даже в отдельных областях ядра приведет к таким последствиям, какие трудно даже представить. Тем не менее вполне вероятно, что эти последствия человечество имеет возможность наблюдать в настоящее время на примерах Венеры и Марса, чья масса меньше массы Земли и ядра которых нагрелись до температуры выше дебаевской быстрее, чем это было возможно для ядра Земли, а поэтому совершили переход от квантового к классическому пути развития тоже раньше. Различие между Марсом и Венерой состоит лишь в том, что Марс старше Венеры [ 1] и поэтому к настоящему времени уже успел остыть и представляет собой планету, не имеющую особых перспектив своей эволюции. Отметим, что Марс и Венера не имеют значимой магнитосферы [8] и, следовательно, активных ядер, подобных ядру Земли. Обсуждаемая гипотеза о судьбах Венеры и Марса радикально вероятней предположения о том, что в нужные моменты времени Венера и Марс столкнулись с другими космическими телами, имеющими достаточную массу для того, чтобы прервать нормальный (квантово-механический) ход эволюции ядер этих планет. Анализ геологического летоисчисления Земли показывает, что эволюция Венеры и Марса не могла происходить непредсказуемым образом и принципиально отличаться от эволюции Земли, так как Венера и Марс — ближайшие соседи нашей планеты. Можно обоснованно полагать, что Земля и Венера — это планеты-близнецы, имеющие приблизительно одинаковые условия накачки на единицу массы ядер. Венера лишилась своего активного ядра относительно недавно, если принять во внимание температурные условия на ее
