Электромагнитное излучение. 4

1. Электромагни́тное излуче́ние (электромагнитные волны) — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля (то есть, взаимодействующих друг с другом электрического и магнитного полей).

Среди электромагнитных полей вообще, порожденных электрическими зарядами и их движением, принято относить собственно к излучению ту часть  переменных электромагнитных полей, которая  способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.

Электромагнитное  излучение подразделяется на

• радиоволны (начиная со сверхдлинных),
• инфракрасное излучение,
• видимый свет,
• ультрафиолетовое излучение,
• рентгеновское излучение и жесткое (гамма-)излучение (см. ниже, см. также рисунок).

Электромагнитное излучение способно распространяться в вакууме (пространстве, свободном от вещества), но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном  веществом (несколько изменяя при  этом свое поведение).

Характеристики электромагнитного  излучения

Основными характеристиками электромагнитного  излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

Длина волны прямо связана с  частотой через (групповую) скорость распространения  излучения. Групповая скорость распространения электромагнитного излучения в вакууме равна скорости света, в других средах эта скорость меньше. Фазовая скорость электромагнитного излучения в вакууме также равна скорости света, в различных средах она может быть как меньше, так и больше скорости света.

Описанием свойств и параметров электромагнитного излучения в  целом занимается электродинамика, хотя свойствами излучения отдельных областей спектра занимаются определенные более специализированные разделы физики (отчасти так сложилось исторически, отчасти обусловлено существенной конкретной спецификой, особенно в отношении взаимодействия излучения разных диапазонов с веществом, отчасти также спецификой прикладных задач). К таким более специализированным разделам относятся оптика (и ее разделы) и радиофизика. Жестким электромагнитным излучением коротковолнового конца спектра занимается физика высоких энергий; в соответствии с современными представлениями, при высоких энергиях электродинамика перестает быть самостоятельной, объединяясь в одной теории со слабыми взаимодействиями, а затем — при еще более высоких энергиях — как ожидается — со всеми остальными калибровочными полями.

Существуют различающиеся в  деталях и степени общности теории, позволяющие смоделировать и  исследовать свойства и проявления электромагнитного излучения. Наиболее фундаментальной из завершенных и проверенных теорий такого рода является квантовая электродинамика, из которой путём тех или иных упрощений можно в принципе получить все перечисленные ниже теории, имеющие широкое применение в своих областях. Для описания относительно низкочастотного электромагнитного излучения в макроскопической области используют, как правило, классическую электродинамику, основанную на уравнениях Максвелла, причём существуют упрощения в прикладных применениях. Для оптического излучения (вплоть до рентгеновского диапазона) применяют оптику (в частности, волновую оптику, когда размеры некоторых частей оптической системы близки к длинам волн; квантовую оптику, когда существенны процессы поглощения, излучения и рассеяния фотонов; геометрическую оптику — предельный случай волновой оптики, когда длиной волны излучения можно пренебречь). Гамма-излучение чаще всего является предметом ядерной физики, с других — медицинских и биологических — позиций изучается воздействие электромагнитного излучения в радиологии. Существует также ряд областей — фундаментальных и прикладных — таких, как астрофизика, фотохимия, биология фотосинтеза и зрительного восприятия, ряд областей спектрального анализа, для которых электромагнитное излучение (чаще всего — определенного диапазона) и его взаимодействие с веществом играют ключевую роль. Все эти области граничат и даже пересекаются с описанными выше разделами физики.

Некоторые особенности электромагнитных волн c точки зрения теории колебаний и понятий электродинамики:

• наличие трёх взаимно перпендикулярных (в вакууме) векторов: волнового вектора, вектора напряжённости электрического поля E и вектора напряжённости магнитного поля H.
• электромагнитные волны — это поперечные волны, в которых вектора напряжённостей электрического и магнитного полей колеблются перпендикулярно направлению распространения волны, но они существенно отличаются от волн на воде и от звука тем, что их можно передать от источника к приёмнику в том числе и через вакуум.

2. Классификация сред распространения электромагнитных волн

Наиболее простой средой с точки  зрения эффектов, сопровождающих распространение  электромагнитных волн, является вакуум. Вакуум представляет собой единственную среду распространения электромагнитных волн, в которой нет дисперсии и потерь, а скорость распространения электромагнитных волн не зависит от частоты. Волновое число определяет пространственную периодичность (длину волны ) электромагнитной волны частоты в направлении своего распространения:

Отметим, что из этой формулы следует  фундаментальный вывод о связи  пространственной и временной периодичности (периода ) волны, определяемой своей частотой. Фундаментальность этого вывода связана тем, что это является лишь частным случаем проявления взаимосвязи временных и пространственных характеристик электромагнитных волн более сложной структуры, чем плоские.

На практике вакуум может являться достаточно адекватной моделью распространения  электромагнитных волн в сухом воздухе  и в разреженных газообразных средах.

В диэлектриках, не являющихся проводниками электричества, при постоянных электрических и магнитных полях проводимостью можно пренебречь. При малых частотах электромагнитного поля значение диэлектрической и магнитной проницаемости можно считать не зависящими от частоты и равными статическим значениям, имеющим место для постоянных полей. В этом случае пространственная и временная периодичности электромагнитной волны имеют качественно такой же характер связи, как и в вакууме. Количественное отличие касается зависимости величины фазовой скорости распространения волны от оптической плотности среды , в результате которой длина волны электромагнитной волны в среде оказывается в раз меньше волны в вакууме:

Это свойство электромагнитной волны  при распространении на некоторое  расстояние в среде с оптической плотностью позволяет определить оптическую длину пути , проходимого волной в среде, определяемую следующим выражением:

Понятие оптической длины пути и  связанное с ним понятие оптической разности хода волн лучей широко используется для объяснения многих оптических явлений и понимания принципов работы оптических приборов.

При распространении электромагнитной волны в среде изменяется по сравнению  с вакуумом также соотношение  между амплитудами её векторов напряженностей электрического и магнитного полей  ввиду зависимости величины волнового  сопротивления среды от отношения  электрической и магнитной проницаемостей.

При увеличении частоты необходимо учитывать зависимость комплексных  значений электрической и магнитной  проницаемостей среды от частоты, вследствие особенностей физических процессов  поляризации или/и намагничивания среды при распространении электромагнитной волны в диэлектрике / магнетике.

Для примера можно указать статическое  значение относительной диэлектрической проницаемости воды для постоянных полей . Для волн инфракрасного диапазона, соответствующих длине волны , значение комплексной диэлектрической проницаемости . Объяснение особенностей зависимости воды от частоты исходит из представлений о воде, как о полярном диэлектрике, поляризация которого происходит вследствие поворота имеющих большую инерцию молекул воды под действием переменного электрического поля электромагнитной волны. Особенно сильная дисперсия резонансного характера отмечается для частот сантиметрового диапазона электромагнитных волн (длина волны ).

Сильную дисперсию имеет водяной  пар в диапазоне миллиметровых волн ( ) .

Как правило, сильная дисперсия  в некотором диапазоне частот сопровождается значительными потерями энергии распространяющихся электромагнитных волн из-за резонансного характера  взаимодействия электромагнитной волны  с атомами и молекулами среды.

Для неполярных диэлектриков, как то - воздух, бензол, водород, гелий, неон и др. инертные газы, сера , алмаз, соотношение

определяемое статическими значениями относительных диэлектрических  и магнитных проницаемостей, остаётся справедливым вплоть до оптического  диапазона электромагнитных волн ( частота 10¹⁴ ... 10¹⁵ герц ).

Объяснение этого факта основано на том, что в неполярных диэлектриках поляризация происходит за счёт деформации электронной оболочки составляющих их атомов и молекул. Ввиду малой инерционности электронов вектора смещения и напряженности электрического поля колеблются практически в одной фазе вплоть до весьма высоких частот электромагнитных волн, что и приводит к малой дисперсии неполярных диэлектриков.

Можно показать, что резонансный характер взаимодействия электромагнитных волн с электронами атомов и молекул неполярных диэлектриков приводит к следующей характерной зависимости их комплексной диэлектрической проницаемости от частоты:

где - резонансная частота; - коэффициент, учитывающий потери электромагнитной волны на поляризацию диэлектриков.

В реальных диэлектриках, как правило, комплексная диэлектрическая проницаемость может иметь несколько резонансных частот , которым будет соответствовать сумма в выражении для :

Следующий рассматриваемый класс  сред распространения составляют металлы, являющиеся проводниками электричества.

Для неферромагнитных материалов их электродинамические свойства определяются исключительно проводимостью вещества. Как показывает опыт, проводимость металлов во всем диапазоне электромагнитных волн радиочастотного диапазона вплоть до миллиметровых волн сохраняет своё значение, имеющее место для статических полей (при постоянном токе). В оптическом диапазоне, начиная с инфракрасного диапазона, электродинамические свойства имеют более сложный характер в зависимости от частоты электромагнитных волн.

Характерной особенностью комплексной диэлектрической проницаемости металлов является значительное превосходство по величине мнимой части над действительной , которой по этой причине обычно пренебрегают, т.е. полагают в соответствии с формулой (3.14), что:

Величина проводимости для хороших  и плохих проводников могут отличаться на два порядка. В качестве примера  рассмотрим медь с величиной удельной проводимости ом^-1метр^-1, относящуюся к хорошим проводникам , и висмут, являющийся полуметаллом ом^-1метр^-1.

Найдем значения модулей мнимых частей комплексной диэлектрической  проницаемостей для рассмотренной  пары металлов по формуле (3.18) для световых волн (частота гц):

Отсюда следует, что для всех металлов во всем диапазоне радиочастот  и отчасти в оптическом диапазоне  . Это оправдывает пренебрежение действительной части по сравнению с мнимой при расчёте комплексной диэлектрической проницаемости по формуле (3.18).

Из других проводников отметим электролиты, проводимость которых обусловлена ионами. Проводимость электролитов при низких частотах электромагнитных волн весьма высокая. Однако с ростом частоты проводимость падает и для большинство электролитов для оптического диапазона прозрачны. Отметим, что факт прозрачности вещества говорит об отсутствия поглощения электромагнитных волн из-за наличия мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости, обусловленной в основном проводимостью. Для поваренной соли проводимость снижается уже в метровом диапазоне электромагнитных волн.

Отметим, что в зависимости от диапазона электромагнитных волн не только проводники могут становиться изоляторами, как в примере с поваренной солью, но и наоборот - изоляторы могут становиться проводниками, как это имеет место для этилового спирта, который начинает эффективно поглощать электромагнитные волны в диапазоне длин волн 3 см - 20 см.

Магнитные свойства ферромагнитных веществ весьма сильно изменяются с частотой. Так для ферромагнитных сердечников используемых в радиотехнике значение магнитной проницаемости резко уменьшается с ростом частоты, начиная со звуковых частот (10 - 20 Кгц ) электромагнитных волн.

Специальные магнитные материалы - ферриты , приготовленные на основе порошковой технологии из ферромагнетиков , сохраняют большие значения магнитной проницаемости, характерные для обычных ферромагнетиков для статических полей, и для радиочастот, вплоть до сверхвысокочастотного диапазона электромагнитных волн.

Интересными электродинамическими особенностями  обладает плазма. Для не слишком интенсивных электромагнитных полей в первом приближении плазму можно считать средой с магнитной проницаемостью и диэлектрической проницаемостью , которая может быть вычисляемой по формуле:

где - т.н. плазменная частота, - концентрация свободных электронов.

Из формулы (3.19) следует, что электромагнитные волны в плазме, частота которых меньше плазменной частоты не распространяются, поскольку диэлектрическая проницаемость плазмы для таких частот отрицательна и, следовательно, показатель преломления и волновое число чисто мнимое.

Понятие комплексной диэлектрической  проницаемости среды позволяет  рассмотреть с единых позиций  комплексных уравнений Максвелла  распространение электромагнитных волн в различных средах, что заслуженно имеет большое научно-практическое значение для решения широкого круга  естественно - научных и технических  задач.

3. Диапазоны электромагнитного излучения

Электромагнитное излучение  принято делить по частотным диапазонам (см. таблицу). Между диапазонами нет резких переходов, они иногда перекрываются, а границы между ними условны. Поскольку скорость распространения излучения (в вакууме) постоянна, то частота его колебаний жёстко связана с длиной волны в вакууме.

Радиоволны. Ультракороткие радиоволны принято разделять на метровые, дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые (микрометровые). Волны с длиной λ < 1 м (ν > 300 МГц) принято также называть микроволнами или волнами сверхвысоких частот (СВЧ). Деление радиоволн на диапазоны см. в статьях Радиоизлучение и Диапазон частот.

Ионизирующее электромагнитное излучение. К этой группе традиционно относят рентгеновское и гамма-излучение, хотя, строго говоря, ионизировать атомы может и ультрафиолетовое излучение, и даже видимый свет. Границы областей рентгеновского и гамма-излучения могут быть определены лишь весьма условно. Для общей ориентировки можно принять, что энергия рентгеновских квантов лежит в пределах 20 эВ — 0,1 МэВ, а энергия гамма-квантов — больше 0,1 МэВ. В узком смысле гамма-излучение испускается ядром, а рентгеновское — атомной электронной оболочкой при выбивании электрона с низколежащих орбит, хотя эта классификация неприменима к жёсткому излучению, генерируемому без участия атомов и ядер (например, синхротронному или тормозному излучению).

4. Акустические поля, геофизические поля, гравитационные поля.
1. Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

·        звуковым давлением p_зв, Па;

·        акустическим сопротивлением   z_А, Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического  поля являются:

·      интенсивность I, Вт/м²;

·      мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического  поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически  до бесконечности, то такое поле  называют свободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении)  распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн. 

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии. 

Если в помещении начинает действовать  источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения  звука акустическая интенсивность  звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически  считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10⁶ раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

2. Геофизические поля представляют собой особую форму материи, обеспечивающую связь в Земле макрообъемов массивов горных пород в единые системы геологических тел, осуществляющую передачу действия одних геологических тел на другие, удерживающую гидросферу и атмосферу, поддерживающую процессы энергопереноса, необходимые для существования жизни на Земле. Согласно определению, имеющемуся в "Геологическом словаре", геофизическим полем или физическим полем Земли называется множество значений физических величин (параметров), количественно характеризующих естественное или созданное в Земле искусственное физическое поле (или отдельные его элементы) в пределах определенной области или территории Земли.

Удобно разделение физических полей  Земли на два класса - естественного  и искусственного происхождения.

К естественным физическим полям Земли относятся: гравитационное (поле силы тяжести), геомагнитное, температурное, электромагнитное, сейсмическое (поле упругих механических колебаний) и радиационное (поле ионизирующих излучений). Через физические поля осуществляется взаимодействие Земли как планеты с Солнцем и со всем остальным макрокосмическим пространством. В пределах Земли и ее ближайших окрестностей природные физические поля принято называть геофизическими, что подчеркивает их непосредственную связь, генетическую и структурную, с нашей планетой. Особо следует подчеркнуть прямую связь полей, которые мы называем геофизическими, именно с литосферой, с другими глубинными "сферами" земного шара и лишь опосредованную связь с процессами, происходящими в ближнем и дальнем космосе. Это значит, что все рассматриваемые геофизические поля обусловлены особенностями строения литосферы и Земли в целом (например, гравитационное и геомагнитное поля) либо характером геодинамических, физических и химических процессов (например, сейсмическое, радиоактивное, температурное, электромагнитное поля).

Искусственные неуправляемые поля (техногенные физические поля) обусловлены работой механизмов и машин, энергетических установок, транспортных средств, средств связи и других источников антропогенной деятельности.

Все названные естественные (природные) и искусственные (техногенные) геофизические  поля являются неуправляемыми, т.е. они существуют помимо воли исследователей, использующих их для решения тех или иных задач по изучению оболочек Земли, в том числе и с экологическими целями. Специально же для геофизических исследований Земли, поисков и разведки полезных ископаемых, решения инженерных, технических и экологических задач широко используются управляемые поля, которые создаются искусственно с помощью разных источников: возбудителей упругих волн (взрывных или невзрывных), батарей и генераторов постоянного или переменного тока, источников гамма-излучения и нейтронов и др.

Как отмечалось выше, экологически аномальные проявления природных физических полей могут быть названы экогеофизическими, а техногенных - экофизическими. Общая гравитационная, магнитная и температурная обстановка на Земле в процессе эволюции биосферы обеспечила возможность устойчивого существования, точнее, приспособления живых организмов вплоть до переживаемых нами исторического и геологического отрезков времени. В то же время неуклонно возрастающее техногенное энергетическое воздействие на все живые организмы на Земле, обусловленное увеличивающимся уровнем электромагнитного загрязнения среды в очень широком частотном диапазоне, и особенно в области радио- и более высоких частот, может оказать непредсказуемое влияние на биосферу. Роль техногенного электромагнитного воздействия оказывается весьма существенной и заслуживает особого внимания еще и потому, что большинство процессов, происходящих в живых организмах и регулирующих их деятельность, относятся к классу электрохимических и электрофизических. Физические поля всех видов, действующие в пределах литосферы или на ее границе с другими "сферами", преобразованные, аккумулированные и распределенные под влиянием ее пространственно-временной структуры и свойств, могут быть отнесены к геофизическим вне зависимости от их природы. Следует также иметь в виду, что естественные геофизические и техногенные физические поля не существуют раздельно, а накладываются друг на друга в соответствии с принципом суперпозиции. Согласно этому принципу суммируемые поля, создаваемые отдельными источниками, в нашем случае естественными и техногенными, взаимно независимы, т.е. любое из этих полей в присутствии остальных является таким же, как при их отсутствии. Иными словами, речь идет о сложении полей, при котором отсутствует влияние полей друг на друга (линейные эффекты). Однако в физических полях Земли наблюдаются и нелинейные эффекты, когда изменение интенсивности одного поля приводит к изменениям тех или иных параметров как этого, так и других физических полей (например, сейсмоэлектрический, пьезоэлектрический эффекты и др.). Что же касается экогеофизических и экофизических аномалий, то приставка "эко" обусловлена необходимостью подчеркнуть то обстоятельство, что они могут оказывать воздействие на природные и природно-технические экосистемы.

3. Гравитационное поле

Гравитационное поле (поле силы тяжести), природа которого и сегодня остается для ученых загадкой, является очень важным жизненным фактором, так как благодаря ему на Земле удерживается гидросфера, атмосфера, да и литосфера. Гравитационное поле Земли характеризуется сложностью структуры и пространственной изменчивостью, которые определяются особенностями плотностного разреза, взаимным расположением и размерами гравитирующих тел на фоне общего планетарного поля силы тяжести.

Измеряемыми параметрами гравитационного поля (поля силы тяжести) являются ускорение, которое для краткости называют "силой тяжести" (g), и его градиенты (g_x, g_y, g_z). Величина g определяется в основном ускорением свободного падения тел за счет ньютоновского притяжения и в меньшей степени ускорением центробежной силы вращения Земли. Этими двумя факторами определяется так называемое "нормальное поле силы тяжести". Вследствие неравномерности распределения плотности горных пород, слагающих земную кору, и вещества верхней мантии появляется аномальное поле силы тяжести. Таким образом, полное значение силы тяжести складывается из нормального и аномального полей. Если путем расчетов выделить аномальное поле, то оно определяется лишь плотностной неоднородностью Земли в районе измерений g.

Нормальные значения ускорения силы тяжести изменяются в пределах от 9,78 м/с² на экваторе до 9,83 м/с² на полюсах. В гравиметрии за единицу измерения силы тяжести принимается миллигал (мГал): 1 мГал = 10^-3 Гал = 10^-5 м/с². Гравитационные аномалии, имеющие геологическую природу, достигают (3 - 30) · 10^-4 м/с². Временные вариации, обусловленные приливным воздействием космических тел, и в первую очередь Луны и Солнца, приводящим к периодическим изменениям высоты земной поверхности, а также к медленному перераспределению гравитирующих масс внутри земного шара, могут составлять 3,4 · 10^-4 м/с², а возможная величина вековых изменений силы тяжести в течение года - менее 1,0 · 10^-4 м/с².

Изменения силы тяжести на поверхности литосферы, которые обусловлены инженерной деятельностью человека: извлечение из недр Земли значительного количества ископаемого сырья, искусственное снижение или повышение уровня подземных вод, создание обширных водохранилищ, строительство крупных городских агломераций, сравнимы с временными вариациями. Сила тяжести может меняться при протекании экологически значимых геологических процессов, таких, например, как сейсмотектонические подвижки, обвальные явления, оползне и карстопроявление, процессы, связанные с проседанием земной поверхности, переработкой берегов крупных водохранилищ и т.п.

В практике гравиметрии чаще измеряются не абсолютные (g), а относительные значения (или приращения) ускорения силы тяжести по отношению к какому-нибудь опорному пункту (Δg). Для этого применяются разного рода гравиметры (см. разд. 4.2). Для определения градиентов силы тяжести, называемых вторыми производными потенциала, используются вариометры и градиентометры.

Точность измерений разными  типами гравиметров на суше составляет 0,01 - 0,5 мГал, на море и в воздухе - 1 мГал, а при измерении вариометрами и градиентометрами - около 1 E (этвеш), 1 E = 1 мГал/км.

Специальными приемами глобального  изучения поля силы тяжести являются альтиметрические наблюдения, позволяющие посредством определения орбит спутников (форм и высоты) рассчитывать аномальные гравитационные поля и изучать их динамику.