УДК
537.222.22
ВОЗМОЖНОСТЬ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТОКОВ ИОНОВ СОЛЕЙ В СТВОЛАХ ДЕРЕВЬЕВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Ранее нами было показано
[4],
что в результате неоднородности температурного поля, возникающей при
понижении
температуры окружающей среды на ΔT, в стволе дерева в силу
пироэлектрических [1] и
пьезоэлектрических свойств целлюлозы [2] (основной составляющей
древесины [3])
может возникнуть электрическое поле в радиальном направлении. Моделируя
ствол
дерева бесконечно длинным (поскольку высота дерева в десятки раз
превышает
радиус ствола) цилиндром радиуса r0,
считая, что пьезомодули ,
компоненты тензора диэлектрической проницаемости (
)
и пироэлектрического
коэффициента древесины (
)
не зависят от координат, было получено выражение для
напряженности электрического поля в радиальном направлении
.
(1)
Здесь
Е0
-
модуль максимального значения напряженности электрического поля в
момент
времени t,
определяется выражением
(2)
и зависит от
пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств древесины.
Общеизвестно, что радиус
ствола уменьшается с высотой. На рисунках 1 и 2 представлено
распределение
неоднородности электрического поля термического происхождения по
радиальной
составляющей в стволе дерева в течение длительного промежутка времени
для
различных пород древесины.
Анализируя данные
зависимости, легко заметить, что поле неоднородно и в вертикальном
направлении.
Как известно [5], все сильно
полярные жидкости, такие
как вода, являются в большей или меньшей степени ионными
полупроводниками. Их
электропроводность обусловлена движением ионов, образованных
диссоциацией
основных молекул жидкости. Учитывая достаточно большую собственную
электропроводность воды и ее большую диэлектрическую проницаемость (),
можно утверждать, что наличие
загрязнений и солей
резко увеличивает ее электропроводность, т.к. при большом значении
диэлектрической проницаемости жидкости степень диссоциации примеси
велика.
Поэтому в стволе дерева в полостях, заполненных водой [6], может
возникнуть
ионный ток, являющийся переносчиком солей. В [5] приводится следующий
механизм
движения иона соли в воде при наличии электрического поля. Ион
прилипает к
молекуле, входит в общий с ней комплекс и закрепляется. Однако, из-за
теплового
движения, он может с определенной вероятностью оторваться от молекулы
(при этом
его энергия расходуется на работу против сил сцепления с молекулой, то
есть на
энергию активации
)
и, преодолев некоторый путь (сравнимый с размером
молекулы), прилипнуть к новой молекуле. Исходя из распределения
Больцмана и
ограничиваясь первой степенью приближения, легко получить выражение для
плотности ионного тока, возникающего в электрическом поле с
напряженностью E
.
(3)
Здесь -
общее число молекул в единице объема,
-
заряд иона,
-
частота собственных колебаний иона в месте закрепления,
-
путь, проходимый ионом в направлении поля после
закрепления, Т
– температура
жидкости. Подставляя (2) и (1) в (3), получим зависимость плотности
тока ионов
от радиуса ствола через 2 часа после того, как температура поменялась,
.
(4)
Здесь -
зависит от вязкости и плотности воды. Поскольку радиус
ствола дерева уменьшается с высотой, а характер этого уменьшения
зависит от
особенностей дерева, то и плотность тока будет изменяться с высотой. На
рисунках 3 и 4 приведены графические зависимости плотности тока от
высоты для
дуба и сосны, полученные с использованием данных таксации.
Предложенный механизм
возникновения
токов ионов солей в стволах деревьев может служить объяснением большой
высоты
деревьев в областях с резко континентальным климатом.
Библиографический список.
1.
Ландау
Л.Д., Лифшиц Е.М.
Электродинамика сплошных сред./
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М.- М.:
Наука. 1982.- 620с.
2.
Баженов
В.А.
Пьезоэлектрические свойства древесины./ Баженов
В.А. М.: Академия наук. 1959. 200с.
3.
Матвеев
Н.Н., Постников
В.В., Саушкин В.В. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся
полимерах./ Под
ред. проф. Н.Н. Матвеева, Воронеж: ВГЛТА. 2000. 170с.
4.
Камалова
Н.С., Евсикова
Н.Ю., Лисицын В.И., Матвеев Н.Н., Постников В.В., Саврасова Н.А.,
Саушкин
В.В.//Воронеж: ВГЛТА 2005, Т 1. С.294-297.
5.
Сажин
Б.И. Электрические
свойства полимеров./ Под ред. Б.И. Сажина, Л.: Химия,1986- 224с.
6.
Чудинов
Б.С.
Вода в древесине/
Чудинов Б.С.- М: Наука.1984-268с.
УДК 537.222.22
На
основании модели, представляющей дерево как цилиндр, радиус которого
изменяется
с высотой, получены графики зависимости от времени напряженности
электрического
поля, возникающего в стволе дерева из-за изменения температуры
окружающей
среды, на разных высотах. Расчеты проводились с использованием данных
лесной
таксации для дуба и сосны. Выяснилось, что напряженность электрического
поля
изменяется с высотой. На основании этих расчетов и теории ионного
тока в жидкостях сделано предположение о механизме движение ионов солей
в
стволе дерева под действием электрических полей термического
происхождения.