Ритмические колебания в географической оболочке

Рис. 3 Радиоизотопный датчик обледенения РИО-3

Рис.10 Индуктор

Рис.9 Схема электроимпульсной ПОС

Рис. 6 Устройство обогрева носков крыла самолёта Boeing-737-500

Рис. 5 Обогреваемая обечайка воздухозаборника

Электротепловые ПОС

Электротепловые системы (рис.7) применяются для защиты от обледенения воздушных винтов, лобовых стекол фонаря каби­ны пилотов и наряду с воздушно-тепловыми системами - для обогрева крыла, стабилизатора и киля.

Электрообогрев достигается пропусканием электрического тока через материал с большим омическим сопротивлением. Токопроводящий слой выполняется в виде отдельных проволо­чек, сетки или пленки, которые заделываются с обеих сторон слоями изоляции. На крыле и оперении внешний слой изоляции имеет хорошую теплопроводность, внутренний слой - высокие теплоизоляционные свойства. Противообледенительное уст­ройство носовой части крыла показано на рис.7. На лопастях воздушных винтов нагревательные элементы защищены от повреждений накладками из нержавеющей стали или титано­вого сплава.

Обогрев с применением прозрачной токопроводящей плен­ки применяется для лобовых стекол фонаря кабины пилотов (рис.8).

Рис. 8. Окна пилотской кабины Boeing-737-500

Пленку наносят на внутреннюю поверхность внешнего стекла методом напыления. Пленочный обогрев применяется иногда на тонком крыле, стабилизаторе, киле. В этом случае на обшив­ку методом напыления наносят электротеплоизоляционный слой, а на него - токопроводящую пленку. Сверху пленку по­крывают слоем изоляции и защищают абразивостойким покры­тием.

Электротепловые системы могут быть непрерывного и циклического действия. Системы циклического действия крыла и оперения имеют обычно тепловые ножи. На лопастях воздушных винтов тепловые ножи не предусматриваются, так как подтаявший лед легко сбрасывается с них действием цент­робежных сил

Механические ПОС

Принцип действия механических систем основан на скалы­вании льда механическим путем. Такое удаление льда приме­няется на крыле и оперении. Существует два вида механичес­ких систем: пневматическая и электроимпульсная.

Пневматическая система имеет на защищаемой поверхнос­ти протектор из эластичного материала (резины, прорезиненной ткани) со встроенными в нем продольными или поперечными камерами. Протектор разбит на ряд секций, в которые поочеред­но подается сжатый воздух под давлением 120 - 130 кПа. Воздух раздувает камеры протектора, скалывая лед, который уносится воздушным потоком. При выключении подачи воздух из камер отсасывается эжектором и сбрасывается в атмосферу.

Пневматическая ПОС имеет небольшую массу, простую конструкцию и при циклической работе не требует большого расхода воздуха, однако протектор увеличивает профильное сопротивление крыла (оперения) не только в рабочем, но и в нерабочем состоянии, особенно в системах с продольными камерами. Протектор имеет ограниченный ресурс, так как его материал от действия динамических нагрузок и атмосферных условий постепенно теряет свои свойства.

Пневматические системы применяют на самолетах, летаю­щих со скоростями не более 600 км/ч, поскольку на более высо­ких скоростях протектор самопроизвольно деформируется под действием аэродинамических сил.

Электроимпульсная система (рис.9) находит все более широ­кое применение на современных самолетах для защиты от обледенения крыла и оперения.

1- предкрылок; 2- индуктор; 3- стабилизатор (киль); 4- блок конденсаторов.

Рабочие элементы системы - индукторы (рис. 10), закрепленные с внутренней стороны обшивки вдоль передней кромки защищаемой поверхности. Индуктор представ­ляет собой катушку из медной проволоки, на которую с высоко­вольтных конденсаторов подаются кратковременные импульсы тока высокого напряжения. Электрический заряд создает в индукторе кратковременное магнитное поле, индуцирующее вихревые токи в обшивку. Создаваемая таким

образом сила отталкивания вызывает упругую деформацию обшивки с малой амплитудой и большим ускорением и проявляется в форме удара, который производит раскалывание льда на поверхности обшивки.

1- каркас; 2- болт клеммный; 3- оболочка; 4- катушка возбуждения.

Система работает циклически. Для этой цели индукторы разбиты на группы, включаемые в работу последовательно. На каждую группу индукторов подается два-три импульса энергии с промежутком в 2 - 3 с, необходимым для подзарядки конден­саторов. Включение системы в работу осуществляется автома­тически от сигнализатора обледенения и вручную.

Рис.11 Установка индукторов в носке крыла

Система экономична, имеет небольшую массу, не создает барьерного льда, образующегося в тепловых системах при расте­кании воды. Недостаток системы - большой шум при работе.

Жидкостные ПОС

Жидкостные системы используются в качестве вспомога­тельного средства, предназначенного для удаления льда с лобовых стекол фонаря кабины пилотов, в некоторых случаях применяются для удаления льда с лопастей воздушных винтов. В качестве рабочей жидкости используется этиловый спирт, подаваемый на стекла через форсунки или другие распредели­тельные устройства, а на лопасти вращающегося винта под действием центробежных сил.

Спирт, смешиваясь с переохлажденными каплями воды, понижает температуру их замерзания и предотвращает образо­вание льда. Со стекла смесь удаляется стеклоочистителями, с винтов - центробежными силами.

Жидкостные системы в настоящее время применяются в основном в профилактических целях, поскольку малоэффек­тивны при наличии льда на защищаемой поверхности.

Эффективность противообледенительных систем во многом зависит от своевременности обнаружения начала обледенения. Для этого ВС имеют сигнализаторы обледенения. Датчики сигна­лизаторов устанавливают в воздухозаборниках двигателей и в местах с наименьшим искажением воздушного потока. Сигна­лизаторы обледенения могут быть автономными приборами или входить в состав противообледенительных систем. Сигнализаторы делятся на две группы - прямого и косвен­ного действий.

Сигнализаторы прямого действия реагирует на слой льда, образовавшегося на датчике (РИО, ДСЛ). Он имеет пониженную чувствительность, так как для нарастания льда на датчике требуется время.

Сигнализатор косвенного действия реагирует на состояние внешней воздушной среды. Простейший сигнализатор прямого действия представляет собой штырь, установленный в поле зрения пилотов. По такому указателю приближенно можно определить начало обледене­ния и толщину льда. Широко распространены радиоизотопные сигнализаторы прямого действия. Их работа основана на ослаблении радиоак­тивного излучения при прохождении через слой льда, образую­щегося на поверхности датчика. Такой сигнализатор дает возможность установить начало и конец обледенения, непре­рывно определять толщину льда и интенсивность обледенения. Датчик радиоизотопного сигнализатора (рис.3) в верхней части штыря имеет герметичный патрон с радиоактивным изотопом, облучающим газоразрядный счетчик. По всей высоте штыря намотан нагревательный элемент для периодического нагревания экрана и сбрасывания образовавшегося льда с целью обнаружения момента прекращения обледенения. Датчик радиоизотопного сигнализатора дает возможность автома­тического включения в работу противообледенительной систе­мы. Сигнализаторы обледенения косвенного действия реаги­руют на присутствие в атмосфере переохлажденных капель воды путем измерения теплоотдачи, электропроводности, электросопротивления и других характеристик воздуха. Такие сигнализаторы имеют высокую чувствительность, но не всегда отличают обычные капли воды от переохлажденных. Для иск­лючения ложных срабатываний при положительных температу­рах воздуха в них устанавливают датчики температуры.

1- радиоактивное вещество; 2- стенка штыря; 3- нагревательный элемент; 4- счетчик частиц;

5- окно

Географическая оболочка и ее компоненты направ­ленно развиваются во времени. В этом процессе им свойственны ритмические колебания, при которых состояния геосистем периодически повто­ряются.

Понятие о ритмах. Ритмическими колебаниями (ритмикой) называют повторяемость во времени ком­плекса явлений, которые каждый раз развиваются в одном направлении. Ритмика – это всегда процесс, одна из закономерностей существования и развития природы, проявляющаяся в изменчивости всех геогра­фических объектов и явлений. Ритмика подразумевает волнообразное изменение их характерных параметров во времени – это колебательный процесс.

В естественных науках целесообразно различать два вида ритмических колебаний: периодические и циклические. Под периодами понимаются ритмы оди­наковой длительности (например, время оборота Зем­ли вокруг оси или период обращения ее вокруг Солнца). Ритмы различной продолжительности именуются циклами. Цифры временных интервалов у циклов оз­начают только среднюю продолжительность изменчи­вости явления (например, 11-летний цикл колебания солнечной активности). Таким образом, периодичность означает равновеликий характер временных интерва­лов, а цикличность – возвращение системы в исход­ное состояние через определенные промежутки вре­мени. Ритмичность, следовательно, включает в себя свойства и цикличности, и периодичности, одновремен­но не обладая хронологической строгостью, и не воз­вращая систему в исходное состояние.

Трудность изучения ритмических явлений заклю­чается в том, что ритмов много, продолжительность их разная, происхождение не одинаково, и в действитель­ности мы всегда имеем дело с ансамблем колебаний.

Проявляясь одновременно, ритмы нередко накла­дываются друг на друга.

Классификация ритмических колебаний. При классификации ритмических колебаний обычно исхо­дят из понятия о длительности протекания процессов, изменчивость которых определяется соответствующи­ми пространственно-временными масштабами (от несколь­ких сотен миллионов лет (гигациклы) до периодов слу­чайных флуктуации длительностью в минуты, секунды и их доли).

Геологические циклы. Геологические циклы – са­мая крупная единица установленной ритмики. Они отразились в смене режимов осадконакопления, вул­канизма и магматизма; эпохах расчленения и вырав­нивания рельефа; в чередовании морских трансгрессий и регрессий; в изменении палеоклимата планеты и содержания основных газов атмосферы – СО₂ и О₂; в чередовании ледниковых и межледниковых эпох; в палеонтологических находках, изме­нении облика Земли.

Вся известная нам геологическая история Земли обнаруживает циклы в несколько сотен миллионов лет. Наиболее продолжительным астрономи­ческим периодом является галактический год – вре­мя между двумя последовательными прохождениями Солнца через одну и ту же точку галактической орби­ты. Этот период составляет 160-200 млн лет, и с ним связывают эпохи тектонической активизации: каледон­ской, герцинской, мезозойской, альпийской. Колеба­тельными движениями земной коры и обусловленным ими изменением распределения суши и моря опреде­ляется геологическая цикличность с ритмом порядка 35-45 млн лет, который положен в основу подразде­ления геологических эр – периодов. Указанные отрез­ки времени представляют собой своеобразные «сезо­ны» галактического (космического) года, к которому приурочены различные феномены функционирования планетной системы: крупные тектоно-магматические циклы, эпохи трансгрессий и регрессий, выравнивания или расчленения суши, возникновение гло­бальных ледниковых эпох и т.п.

При некотором различии в длительности эти эта­пы обладают общими чертами, которые позволяют го­ворить о цикличности: начало каждого этапа ознамено­вано общим опусканием земной коры, а завершение – ее поднятием. В эпоху опускания господствуют морской режим и более однообразный климат, в эпоху поднятий широко распространены суша, мощные складкообразовательные и горообразовательные движения, диффе­ренциация климата. Средняя продолжительность этих этапов в 170-190 млн. лет примерно соответствует дли­тельности галактического года.

Сверхвековые ритмы. Продолжительность сверх­вековой ритмики заключена в диапазоне от несколь­ких сотен до нескольких тысяч лет. Особенно хорошо выражен ритм продолжительностью 1800-1900 лет (например, смена влажного и засушливого климата Сахары).

В 1930 г. югославский геолог Милутин Миланкович установил, что Земля при своем обращении вокруг Солнца испытывает три глобальных колебания за счет: 1) качания оси вращения, способствующей прецессии (предварению равноденствия) и изменению положения географических полюсов; 2) изменения наклона земной оси от 22° до 24,5°, происходящего каждые 41 тыс. лет; 3) пульсации эллиптичности (эксцентриситета) земной орбиты каждые 100 (точнее, 92) тыс. лет, которое вли­яет на общее количество поступающей на Землю сол­нечной радиации (в связи с изменением расстояния между Солнцем и Землей), и на продолжительность се­зонов года. Эти циклы подтвержда­ются при анализе океанских осадков; в колебании климата; при определении возраста льда.

Внутривековые ритмы (межгодовая или многолетняя изменчивость). Внутривековые ритмы имеют космическое про­исхождение, поскольку они обнаруживаются в функцио­нировании Солнечной системы и отдельных небесных тел (гелио-геофизическими связями). Для межгодовых колебаний системы атмосфера - океан - суша обычен следующий набор близких к вековому периоду изменчивости циклов, каждый из которых имеет свою природу: 111 лет, 80-90 лет, 44 года, 35-40 лет, 22 года, 19 лет, 11 лет, 6-7 лет, 3-4 года, 2 года.

Причин у вышеназванных периодичностей может быть несколько.

1. Основная причина связана с солнечной активностью (за счет усиления каждого восьмого 11-летнего солнечного цикла).

2. Установлены ритмы, обусловленные изменениями приливообразующей силы за счет разного положения Земли, Луны и Солнца.

3. Нестабильность вращения Земли (изменения ско­рости ее вращения и колебания земной оси) порожда­ет в океане и атмосфере полюсной прилив, который, в свою очередь, влияет на движения атмосферы и оке­ана и протекающие в них процессы. Его амплитуда в океане порядка 0,5 см и зависит от величины смеще­ния полюса. В итоге в системе атмосфера - океан - суша наблюдаются нелинейные колебания: атмосфера и океан раскачивают Землю, а Земля влияет на коле­бания атмосферы и океана, и нутационные движения Земли, атмосферы и океана упорядочиваются и усиливаются. Таким образом, вся система Земля - атмосфе­ра - океан совершает согласованные колебания. По крайней мере два ритма объясняются нутацией полю­сов Земли периодичностью в 3 и 6 лет.

Внутригодовые ритмы. Годовая (точнее внутригодовая) или сезонная ритмика отражает влияние вне­шних (космических, главным образом от Солнца) фак­торов на Землю и ответную реакцию геосфер на вне­земное воздействие. Этот тип ритмики проявляется в смене времен года, временном ходе климатических эле­ментов, гидрологических явлений (ледостав, ледоход, половодье), почвообразовательных и геоморфологических процессов (активизация термокарста летом и его за­мирание зимой, изменение эрозии в разные времена года), периодах вегетации, сезонных миграциях живот­ных, рыб, птиц и др. Эта изменчивость свойственна любой географической зоне, но она определяется раз­личными причинами: в умеренных широтах – преиму­щественно ходом температуры, в субэкваториальных областях – режимом увлажнения, в полярных райо­нах – световым режимом. Сезонная ритмика наибо­лее выражена в высоких и умеренных широтах, сла­бо – в низких (всего два сезона: сухой и сезон дождей).

Внутримесячная ритмика. Внутримесячная ритмика имеет несколько причин, главная из кото­рых связана с изменчивостью периода обращения Солнца, который колеблется от 25 до 36 суток. Изменение фаз и склонений Луны обусловливает соответствующие колебания ат­мосферных, гидрологических и биологических процессов. Внутримесячные колебания скорости враще­ния Земли обнаруживают периодичности в 27, 14 и 9 суток.

Суточная (внутрисуточная) ритмика проявля­ется в изменениях всех гидрометеорологических па­раметров (температуры, влажности, атмосферного дав­ления), приливо-отливных явлениях, фотосинтезе, био­логической активности животных и др. Нагревание горных пород днем и остывание их ночью создает суточный ритм физического выветривания. Такой же ритм присущ и процессам почвообразования. Бризы и горнодолинные ветры – это проявление суточной ритмики движения воздуха, вызванной изменением его плотности под действием нагревания и охлаждения.

Общие замечания о ритмах. Закон целостности географической оболочки исключает возможность су­ществования изолированной ритмики отдельных ком­понентов, не затрагивающей другие компоненты. Рит­мичность явлений – это форма своеобразного «дыха­ния» географической оболочки как целостной системы.

Вследствие пространственной изменчивости своей структуры ГО реагирует неодинаково даже на синхронные и периодические внешние воздействия. Поэтому фактически наблюдается сдвиг фаз ритмов во времени и про­странстве, то есть гетерохронность (неравномерное развитие во времени) и метахронность (неравномерное развитие от места к месту) их проявления.

Ритмические явления, как и круговороты вещества, не замк­нуты в себе (деревья, сбрасывая листву, растут; равнина до лед­ника и после него).

Всякий географический ландшафт изменяется с возрастом, всё равно, исчисляется ли этот возраст сутками или тысячелетия­ми. Поэтому ритмические явления, протекающие на фоне непре­рывного развития ГО, не могут повторить в конце ритма то состояние, какое было в его начале – каждый географический процесс повторяется только один раз.