ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Под радиационными параметрами в данной работе подразумеваются:

α-излучение –это поток α-частиц, образующийся при распаде неустойчивых ядер атомов. Альфа-частицы представляют собой блоки ядерных частиц, включающие в себя два протона и два нейтрона, аналогичные ядрам гелия. Энергия этих частиц относительно невелика, порядка нескольких МэВ. Вследствие большой массы эти частицы быстро теряют свою энергию, поэтому в воздухе их пробег составляет 8 – 9 см, а в живой ткани всего несколько десятков микрон. Однако, несмотря на небольшую проникающую способность, удельная ионизация очень велика и составляет на воздухе несколько десятков тысяч пар ионов на один см пути. Если источник этого излучения находится вне организма, то из-за незначительной проникающей способности он не представляет большой опасности, но при проникновении внутрь с воздухом или пищей, становится наиболее опасным из всех видов ионизирующего излучения. Примерно в 20 раз более опасным, чем γ-излучение.

β-излучение – это поток электронов, образующейся в ходе ядерного распада при расщеплении нейтронов на протон и электрон. Энергия этих частиц тоже порядка нескольких МэВ, но, обладая значительно меньшей массой, β-частицы имеют большую, чем α-частицы проникающую способность и пробегают в воздухе до 15 м, а в живых тканях до 2,5 см. Ионизирующая способность β-частиц много меньше, чем у α-частиц, и составляет всего несколько десятков пар на 1 см пробега.

Нейтронное излучение – это поток не имеющих электрического заряда нейтральных ядерных частиц, примерно такой же массы, как и положительно заряженные протоны. Нейтроны состоят из протона и электрона (поэтому их суммарный заряд равен нулю) и сами по себе не вызывают ионизации, но преобразуют свою энергию при соударении со встреченными на своём пути ядрами атомов. Результаты этих соударений могут быть различными. При неупругих взаимодействиях возможно возникновение вторичных излучений, которые могут иметь как заряженные частицы, так и волновую составляющую (γ-излучение). При упругих столкновениях возможна ионизация вещества. Проникающая способность нейтронов зависит от их энергии.

Рентгеновское излучение –это волновое излучение не ядерного происхождения, возникающее при воздействии β-частиц на атомы окружающего вещества. Энергия фотонов рентгеновского излучения составляет примерно 1 МэВ, обладает большой проникающей и малой ионизирующей способностью, и потому широко применяется в медицине.

γ-излучение –это ядерное волновое излучение такой же электромагнитной природы, как и рентгеновское и потому тоже имеет относительно небольшую ионизирующую способность при весьма значительной проникающей. Энергия фотона γ-излучения может достигать во много раз больших значений, чем фотон рентгеновского диапазона.

Повреждения, вызванные в живом организме радиацией, и изменения в облучаемых материалах, проводимые с целью получения новых свойств, будут тем больше, чем больше энергии излучение передает тканям или материалам. Количество такой переданной облучаемому объекту энергии характеризуют физической величиной, называемой дозой.

Дозу излучения организм может получить от любого радионуклида или их смеси независимо от того, находятся ли они вне организма или попали внутрь него с пищей, водой или воздухом.

Поглощенной дозой называется количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма). Но по величине поглощенной дозы еще нельзя предсказать последствия облучения. При одинаковой поглощенной дозе α-излучение гораздо опаснееβ- илиγ-излучений. Если принять во внимание этот факт, то дозу следует умножить на коэффициент, отражающий способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Пересчитанную таким образом дозу называют эквивалентной дозой, ее измеряют в зивертах (Зв).

Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма; она также измеряется в зивертах.

В дозиметрии определено еще и понятие мощность дозы – доза облучения (поглощенная или эквивалентная) за единицу времени. Длительные исследования действия излучений на организм человека позволили установить «безопасное» значение мощности эквивалентной дозы. Международной комиссией оно установлено равным 0,02 Зв в год для профессионалов, работающих с излучениями и проходящих регулярные медицинские обследования, и в четыре раза меньшим 0,005 Зв в год для остального населения. Эти значения безопасны в том смысле, что современная медицина не может обнаружить ни немедленных, ни отдаленных последствий такого облучения.

Активность радионуклида измеряется в беккерелях (Бк, Bq): 1 Бк соответствует 1 распаду в 1 с для любого радионуклида.

Поглощенная дозаравна количеству энергии, поглощенной единицей массы облучаемого тела, и измеряется в грэях (Гр, Gy): 1 Гр = 1 Дж/кг.

Эквивалентная дозаопределяется по поглощенной дозе умножением ее на коэффициент К, зависящий от вида излучения, и измеряется в зивертах (Зв, Zv): 1 Зв = K×1 Гр.

Приведем некоторые широко распространенные внесистемные единицы и их связь с единицами СИ:
кюри (Ки, Cu), единица активности изотопа:
1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк;
рад (рад, rad), единица поглощенной дозы излучения:
1 рад = 0,01 Гр;
бэр (бэр, rem), единица эквивалентной дозы:
1 бэр = 0,01 Зв.

3. Порядок выполнения работы.

Работа выполняется в два этапа.

Первый этап проводится в лаборатории и включает в себя:

- знакомство с прибором РКСБ – 104;

- освоение технологии измерений и определение в лаборатории радиационных параметров гамма-поля и радиоактивного загрязнения образцов грунта, пищевых продуктов или воды.

Второй этап проводится на территории прилежащей к зданию МГУДТ и имеет целью обследование радиационной обстановки у главного входа и на набережной, где имеются локальные аномалии ионизирующей радиации несколько превышающие фон. Эти аномалии предлагается найти, нанести на схему местности и оценить их экологическую опасность.

Этап I. Цель – освоить работу с прибором РКСБ-104, провести с его помощью измерения радиационного фона в лаборатории и проверить на радиоактивную загрязнённость представленные образцы.

4. Назначение и технические возможности прибора.

Прибор РКСБ-104 предназначен для индивидуального использования населением для оценки радиационной обстановки на местности, в жилых и рабочих помещениях и контроля радиационной загрязненности поверхности пищевых продуктов и бытовых предметов. Он выполняет функции как радиометра, позволяющего оценить радиационный фон и загрязнённость поверхности окружающих предметов наиболее распространенными радиоизотопами, так и дозиметра, автоматически сигнализируя превышение установленного потребителем уровня ионизирующего γ-излучения.

Прибор обеспечивает последовательное измерение:

1) мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения;

2) плотности потока бета-излучения в веществах;

3) удельной активности радионуклида цезия-137 в веществах.

Последние два вида измерений обеспечивают контроль наиболее распространённых антропогенных радиоизотопов, загрязняющих биосферу в результате испытаний ядерного оружия, использования «мирного» атома в энергетике и современных технологиях.

Кроме того, в режиме дозиметра, прибор обеспечивает подачу звукового сигнала при превышении порогового значения мощности эквивалентной дозы гамма-излучения, установленного потребителем.

Рабочие условия эксплуатации прибора:

Температура окружающего воздуха – от (-10) до 35 ºС.

Относительная влажность воздуха, при температуре 30 ºС – до 75%.

Атмосферное давление – 86 – 107 кПа.

При соблюдении рабочих условий и правил эксплуатации средняя наработка прибора на отказ – не менее 4000 часов.

4.1. Каткое описание прибора

Рис. 1. Прибор РКСБ-104

1. Корпус; 2. Крышка; 3. Отсек питания; 4. Крышка-фильтр;

5. Запирающая клавиша; 6. Жидкокристаллический экран; 7. Разъем для подключения внешнего детектора; 8. Газоразрядный счетчик

На лицевой стороне прибора имеются: жидкокристаллический экран (6); два переключателя режимов работы S2 и S3; переключатель включено-выключено – S1. На нижней стороне прибора имеются две крышки. Большая верхняя крышка-фильтр (4) открывает доступ к движкам-переключателям (S4) процессора и одновременно служит фильтром, экранирующим встроенное устройство детектирования излучений, состоящее из двух параллельно включённых газоразрядных счётчиков (8) типа СБМ20 – две желтые трубочки в прозрачных плёночных фильтрах-изоляторах.

Внимание! При работе со снятой крышкой следует соблюдать особую осторожность, чтобы случайно не повредить плёночные фильтры-изоляторы трубчатых счётчиков, т. к. во включённом состоянии эти счётчики находятся под напряжением 400 В!

Для того чтобы снять крышку-фильтр (4), надо последовательно сдвинуть вниз и слегка потянуть на себя запирающую клавишу (5), расположенную посередине верхнего края крышки.

Осторожно, при чрезмерном усилии клавиша легко отламывается!

Для того чтобы установить крышку-фильтр обратно, надо вставить под небольшим наклоном на место её нижний край и, сдвинув вниз запирающую клавишу, закрыть крышку и отпустить запирающую клавишу.

Маленькая нижняя крышка (3) открывает доступ в нишу для батареи питания типа «Корунд» и студентам самостоятельно её открывать не следует. В случае неполадок с питанием, о чём извещает символ «V» в правом нижнем углу экрана, следует обратиться к преподавателю.

Прибор хранится в пластмассовой коробке, состоящей из двух одинаковых половинок. Каждая из них может служить дополнительным фильтром при измерении 5.2 и кюветой для веществ, при измерениях 5.2 и 5.3.

5. Порядок выполнения работы в режиме радиометра.

Подготовьте следующую таблицу для записи результатов измерений.

Таблица 1 (на отдельной странице)

Результаты измерений

γ фоновое – мощность полевой эквивалентной дозы фонового γ-излучения;

γ` – поправка величины плотности потока β-излучения с поверхности, увеличивающаяся за счёт фонового γ-излучения;

γ + β – измеренная суммарная величина плотности потока β-излучения и фонового γ-излучения;

γ`` – поправка удельной активности, увеличивающаяся за счёт фонового γ-излучения;

α+β+γ – суммарная величина излучения от альфа, бета и гамма распада.

5.1. Измерение мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в помещении лаборатории (графа 2 таблицы № 1, положение переключателей – рис. 2).

5.1.1. Перед включением прибора снять заднюю крышку-фильтр. Для этого необходимо сдвинуть вниз и слегка потянуть на себя запирающую клавишу.

5.1.2. Установить движки кодового переключателя S4 как указано на рис. 2.

	Am	>
		>	Ф
	H	<
		<	БД
		<
		<
		<
		<
	+
	-

Рис. 2. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в помещении лаборатории

5.1.3. Установить на место крышку-фильтр.

5.1.4. Для начала измерения гамма-излучения достаточно положить прибор на парту и передвинуть тумблеры S2 и S3 вверх, затем включить прибор тумблером S1. При этом на табло начнут появляться последовательно возрастающие цифры. Примерно через полминуты цифры на табло перестают меняться, звучит прерывистый сигнал и в правом нижнем углу табло появляется символ F. Пока звучит сигнал, необходимо переписать значащие цифры табло в верхнюю строку второй графы таблицы № 1.

Через 14 секунд звуковой сигнал умолкает, и прибор сам начинает новое измерение (выключать прибор тумблером S1 до окончания серии измерений не следует). Измерительные циклы повторяются 12 раз с записью результатов измерения во вторую графу таблицы № 1. В таблицу записываются только значащие цифры (без нулей впереди). По окончании серии измерений прибор выключить тумблером S1.

5.2. Измерение загрязнённости поверхностей бета-излучающими радионуклидами (для граф 3 и 4 таблицы № 1 одинаковое положение переключателей – рис. 3).

5.2.1. Снимите крышку-фильтр и переведите движки кодового переключателя S4 в положение указанное на рис. 3.

	Am	>
		<	Ф
	H	>
		<	БД
		>
		<
		<
		>
	+
	-

Рис. 3. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении загрязнённости поверхностей бета-излучающими радионуклидами и гамма поправки к её расчётам

5.2.2. Установите крышку-фильтр на прежнее место.

5.2.3. Тумблеры S2 и S3 должны оставаться в верхнем положении.

5.2.4. Положите прибор в одну из половинок пластмассовой упако-вочной коробки и поместите поперёк кюветы с исследуемым веществом.

5.2.5. Включите прибор тумблером S1, при этом на табло будут появляться сменяющие друг друга цифры. Когда примерно через 18 с они остановятся, зазвучит прерывистый сигнал, и в правом нижнем углу появится символ F, следует записать результат измерения в третью графу таблицы № 1 и ждать окончания следующего цикла. И так 12 раз, не выключая прибора. В таблицу записываются только значащие цифры (без нулей впереди).

5.2.6. Выключите прибор.

5.2.7. Снимите заднюю крышку-фильтр, поместите прибор на прежнее место (в одну из половинок пластмассовой упаковочной коробки), включите его тумблером S1 и проведите повторную серию измерений, записывая результаты в четвертую графу таблицы № 1.

5.2.8. Выключите прибор.

5.3. Измерение загрязненности поверхностей альфа- излучающими радионуклидами (для граф 5 и 6 таблицы № 1 одинаковое положение переключателей – рис. 4).

5.3.1. Снимите заднюю крышку-фильтр.

5.3.2. Переведите движки кодового переключателя S4 в положения, показанные на рис. 4.

	Am	<
		>	Ф
	H	>
		<	БД
		<
		>
		<
		>
	+
	-

Рис. 4. Положение переключателей на задней панели прибора при измерении активности радионуклида цезия-137

5.3.3. Установите крышку-фильтр на прежнее место.

5.3.4. Установите прибор на кювету, как показано на рис. 5. (без половинки пластмассовой упаковочной коробки).

5.3.5. Включите прибор тумблером S1 и проведите 12 измерений, записывая результаты в графу 5 таблицы № 1.

5.3.6. После снятия всех отсчётов выключите прибор.

5.3.7. Снимите с прибора крышку-фильтр и установите его на прежнее место поперёк кюветы с контролируемым веществом.

5.3.8. Включите прибор и повторите серию из 12 измерений, записывая результаты в шестую графу таблицы № 1.

5.3.9. Выключите прибор и установите на место крышку-фильтр.

Рис. 5. Положение прибора над образцом при измерении активности радионуклида цезия-137

6. Расчёты.

6.1. Расчёт мощности полевой эквивалентной дозы гамма-излучения.

Во второй графе таблицы № 1 отбросить одно минимальное и одно максимальное значение.

Суммировать оставшиеся 10 значений и рассчитать среднее, поделив сумму на 10.

Полученный результат будет представлять собой мощность полевой эквивалентной дозы гамма-излучения в мкР/ч. Для пересчёта в мкЗв/ч необходимо полученный результат умножить на коэффициент 0,01.

6.2. Расчёт φ – загрязнённости поверхности бета-излучающими радионуклидами.

В третьей (γ ) и четвёртой (γ + β) графах таблицы № 1 отбросить по одному максимальному и одному минимальному значению и рассчитать средние значения, поделив каждую сумму на 10.

Рассчитать φ – плотность потока бета-излучения с поверхности, загрязнённой бета-излучающими радионуклидами, подставив полученные средние значения в формулу (1).

φ = 0,01[(γ + β) - γ`)] мкЗв/ч (1)

6.3. Расчёт удельной активности α-распада (радионуклида).

В пятой (γ``) и шестой (α+β+γ) графах таблицы № 1 отбросить по одному максимальному и одному минимальному значению.

Суммировать оставшиеся 10 значений и рассчитать средние значения, поделив каждую сумму на 10.

Рассчитать удельную активность α-распада, подставив полученные средние значения в формулу (2).

Аm = 20 [(α+β+γ) – (γ''+ φ)] Бк/кг (2)

Справочная информация:

В среднем по Москве естественный радиационный гамма-фон составляет 15 мкР/ч, колеблясь в пределах от 5 мкР/ч до 25 мкР/ч.

В других регионах этот показатель может очень сильно изменяться, от 5 мкР/ч на поверхности морей и океанов до 100 мкР/ч и более в горах.

Значение допустимых уровней содержания радионуклидов Cs-137 в продуктах питания и питьевой воде (Бк/кг, Бк/л):

7. Выводы

По полученным результатам сделайте выводы о радиационной обстановке в лаборатории и загрязнённости радионуклидами проверенных образцов.

Этап II. Проведение оценки радиационного фона и загрязнения на прилежащей к университету территории.

1. Цель работы на этом этапе – закрепление на практике полученных в лаборатории навыков и обучение работе с прибором на местности при измерении радиационных параметров на прилежащей к МГУДТ территории.

2. На заранее подготовленном плане местности намечаются точки измерения.

3. На каждой выбранной точке проводится полный комплекс отработанных в лаборатории измерений с аналогичной записью результатов в таблицу, тоже заранее подготовленную для каждой точки.

4. Для ускорения измерений на каждой точке следует работать по трое. При этом каждый студент обеспечивается персональным прибором и проводит самостоятельно порученный преподавателем вид измерений.

5. Полученные в таблицах цифры подвергаются такой же, как в лаборатории обработке. Результаты наносятся на план местности и делаются соответствующие выводы, исходя из нижеследующего.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

1. Цель работы – определение основных параметров приземного слоя атмосферы для оценки его ассимиляционной способности к антропогенным загрязнениям с помощью простейших метеоприборов.

2. Общие сведения.

Основные параметры атмосферы, определяющие её способность рассеивать загрязняющие вещества до безопасных концентраций (предельно допустимые концентрации – ПДК) это: температура, относительная влажность и скорость ветра. Процесс рассеивания загрязняющих веществ в специальной литературе называется ассимиляцией (от латинского assimilation – уподобление себе, усвоение). В данном случае подразумевается возвращение веществ в естественный биотический круговорот. Ассимиляционная способность воздушной массы во многом определяет общую ассимиляционную способность любой экосистемы. Не ассимилированные атмосферным воздухом загрязняющие вещества могут быть перенесены воздушными массами на значительные расстояния и, выпадая на земную поверхность с атмосферными осадками, будут вызвать вторичные загрязнения воды, почвы, наносить ущерб здоровью людей, животных, растений и даже вызывать их гибель.

В связи с этим обстоятельством во всём мире в настоящее время проводится контроль выбросов загрязняющих веществ в атмосферу и мониторинг состояния приземного слоя атмосферы – нижней тропосферы.

В тропосфере постоянно проходят сложные погодообразующие процессы, называемые метеорологическими. Наблюдения за ними ведут специальные синоптические службы, имеющие наблюдательную сеть по всему миру. Они обеспечивают население и заинтересованные организации синоптическими прогнозами и рекомендациями для решения вопросов от того, как одеться, выходя на улицу, до экологической оптимизации режимов работы промышленных предприятий, транспорта и связи. Очень часто неблагоприятные погодные условия вынуждают приостанавливать промышленные предприятия и транспорт и переводить на особый режим службы связи и МЧС.

Однако обсерватории, станции и наблюдательные посты наземной сети гидрометеорологических наблюдения дают только общую картину погодообразующих процессов и рассеивания выбросов в атмосфере. Поскольку ответственность за экологический ущерб несёт виновник выброса, превысившего ассимиляционные возможности экосистемы, на предприятиях для соблюдения установленных предельно допустимых выбросов (ПДВ) организуются свои экологические службы, обеспечивающие, в частности, и проведение самых необходимых локальных метеорологических наблюдений с целью самоконтроля за динамикой своих факелов выброса. В состав этих наблюдений, кроме контроля объёма и скорости выброса загрязняющих веществ, входят постоянные измерения таких основных параметров как: температура и относительная влажность воздуха, скорость ветра и атмосферное давление. Все эти показатели могут в городах и промышленных центрах значительно отличаться, как от полученных на метеорологических площадках метеослужбы, характеризующих состояние «свободной атмосферы» лишённой специфического, локального влияния промышленных объектов и городской инфраструктуры, так и, от полученных на территории двух предприятий или городских микрорайонов. Так в Москве, в районе Балчуга и в Измайловском парке, температура воздуха порой может отличаться на целых 10 °С.

Одна из основных задач экологический службы промышленного предприятия – обеспечивать своё руководство рекомендациями по экологически безопасным режимам работы каждой технологической линии и всего производства в целом и, делается это на основе собственных наблюдениях и синоптических данных гидрометеорологической службы.

С подписанием нашей страной «Киотского протокола» –международного соглашения, предусматривающего для каждого государства квоты на выбросы, такая служба приобретает новое эколого-экономическое значение.

Нормы ПДВ лимитируют общий объём за определённый срок, обычно за год. Однако это количество выбрасываемого загрязняющего вещества не может выбрасываться в атмосферу равномерно и независимо от характера погоды. Существуют благоприятные и неблагоприятные погодные условия ассимиляции. Причём, эти неблагоприятные условия часто могут быть очень локальными и, даже для соседних предприятий в одно и тоже время приемлемые для экосистемы выбросы будут существенно отличаться. Это зависит от рельефа местности, направления и силы ветра, вертикального распределения температуры воздуха и относительной влажности. Так, при высокой относительной влажности, выбросы могут провоцировать конденсацию и выпадение загрязнённых осадков.

Зависимость рассеивания выбросов от стратификации атмосферы.

По вертикальному градиенту температур выделяют три вида стратификации: конвекция, инверсия и изотермия.

Конвекцией называют такое состояние атмосферы, при котором температура воздуха монотонно убывает с высотой. Происходит это по известному закону физики в связи с падением с высотой давления. Средний градиент температур – минус 6 °С на каждые 1000 м высоты над земной поверхностью. В приземном слое этот градиент может быть несколько иным за счёт теплообмена с подстилающей земной поверхностью и адиабатических процессов. В наших широтах он обычно составляет один градус на 100 м.

При конвекционной стратификации температур и слабом ветре (не более 5 м/с) нагретые у подстилающей поверхности воздушные массы начинают подниматься до тех пор, пока их температура, за счёт падения давления и теплообмена, не сравняется с температурой воздуха на высотах. При этом в восходящих потоках воздух почти всегда содержит довольно значительное количество водяных паров. С подъёмом давление и температура падают и на определённой высоте начинается бурная конденсация водяных паров. При этом в восходящих потоках образуются характерные только для конвекции малоподвижные кучевые облака с плоской подошвой. Они могут то увеличиваться в размерах, то уменьшаться, но оставаться на одном месте как привязанные, т.к. держатся на стационарных восходящих потоках. Такие облака служат верным признаком конвекции а, следовательно, и благоприятной для ассимиляции выбросов погоды, при которой выбросы, подхваченные восходящими потоками, легко рассеиваются на больших высотах.

Рис. 1. Факел выбросов при конвекции

Инверсией (от латинского inversio - переворачивание) называют такое состояние атмосферы, когда монотонное убывание температуры воздуха с высотой нарушается тёплыми прослойками инверсионного задерживающего слоя. При этом монотонное убывание температуры нарушается, и слои более тёплого воздуха задерживают восходящие потоки. Под этими задерживающими инверсионными слоями тоже образуется облачность, но совсем иного характера. Здесь конденсация водяных паров происходит за счёт их скопления (концентрации) под задерживающим слоем воздуха, при этом образуются слоистые облака, часто с рваным неровным нижним краем и гладкой, слегка волнистой верхней поверхностью.

В случае низкой инверсии в приземном слое атмосферы могут создаваться крайне неблагоприятные условия для ассимиляции загрязняющих веществ. Концентрация вредных примесей в приземном слое может в этих условиях возрасти очень быстро до показателей, многократно превышающих ПДК.

Рис. 2 Факел выбросов при инверсии

Изотермией (от греч. изо…+ therme – теплота – «равнотёплый») называется такое состояние определённого слоя атмосферы, в котором температура воздуха не меняется с высотой. При этом вертикальная циркуляция не приостанавливается, а только несколько затрудняется, главным образом за счёт интенсивных горизонтальных потоков воздуха. В таких условиях формируется горизонтально вытянутый факел выброса и, при недостаточно высоких дымовых трубах и пересечённой местности, возникает опасность задымления высоких зданий и вершин соседних возвышенностей.

3. Состав и порядок выполнения измерений.

Работа состоит из двух этапов.

Этап I – знакомство с устройством метеоприборов и методикой измерений, а также проведение пробных измерений в лаборатории с обработкой полученных данных.

Этап II – выполнение метеонаблюдений во время практикума. Проводится на прилежащей к МГУДТ территории с использованием освоенных в лаборатории приборов.

В данной работе для измерения температуры воздуха и его относительной влажности используются аспирационный психрометр Ассмана. Для измерения скорости ветра – ручные анемометры двух модификаций: чашечный и крыльчатый.

4. Измерение температуры воздуха и его относительной влажности.

4.1. Аспирационный психрометр Ассмана. Устройство и принцип работы.

Принцип работы прибора основан на зависимости разности показаний сухого и смоченного термометров от влажности окружающего воздуха. Чем ближе содержание паров воды в воздухе к состоянию полного насыщения, тем медленнее идёт испарение воды с фитилька, обмотанного вокруг ртутного баллончика традиционно правого, смоченного термометра. При этом охлаждающий эффект испарения уменьшается и разность показаний сухого и смоченного термометров уменьшается. При относительной влажности 100 % – полное насыщение, испарение не происходит и оба градусника показывают одинаковую температуру.

Психрометр со стоит из двух одинаковых ртутных термометров 1, 2, закрепленных в специальной оправе 3, имеющей заводной механизм с вентилятором 4, протягивающим воздух около резервуаров термометров. Резервуар правого (влажного) термометра 1 туго обернут батистом в один слой и перед работой смачивается дистиллированной водой из специальной пипетки 5.

Резервуары термометра помещены в трубки защиты с воздушным зазором между ними. Их назначение – предохранять резервуары термометров от теплового излучения, в том числе и солнечного. Для этого наружная поверхность трубок полируется и никелируется. Сами трубки изолированы друг от друга теплоизолирующими шайбами.

Рис. 3. Аспирационный психрометр Ассмана

Трубки защиты соединены аспирационной чашкой с воздуховодной трубкой, на верхнем конце которой укреплена аспирационная головка. Пружина механизма, вращающего крыльчатку вентилятора, заводится ключом вращением по часовой стрелке.

Термометры защищены с боков термозащитами, предохраняющими их и от механических повреждений.

К психрометру прилагается ветровая защита, крюк для подвешивания. На метеоплощадках крюк крепится горизонтально к деревянному столбу.

Перед началом измерений резервуар правого термометра 1, обёрнутого батистовой салфеткой, смачивается чистой дистиллированной водой при помощи пипетки 5.

Вращающийся в аспирационной головке вентилятор всасывает воздух в психрометр, который, обтекая резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается им наружу через прорези в аспирационной головке. При этом сухой термометр показывает температуру окружающего воздуха, а показания смоченного термометра будут меньше сухого адекватно охлаждающему действию испарения воды с батистовой салфетки. При влажности 100 % испарение прекращается и оба градусника показывают одинаковую температуру. Чем суше воздух, тем интенсивнее испарение, а значит больше разность показаний. По этой разности и рассчитывается относительная влажность. На практике относительная влажность определяется по психрометрической таблице или психрометрическому графику.

4.2. Техническое обслуживание прибора.

Психрометр нельзя брать влажными руками. Особенно необходимо беречь никелированные трубки зашиты, так как их потемнение или коррозия выводят прибор из строя.

Из этих же соображений следует беречь прибор от отпотевания, для чего в холодное время года в помещении, прежде чем вынуть психрометр из футляра, следует дать ему возможность постепенно принять температуру окружающего воздуха.

После работы прибор тщательно протирают бархоткой.

Батистовый фитилёк на ртутном резервуаре влажного термометра необходимо содержать в чистоте и менять при постоянной работе не реже одного раза в две недели.

Работу часового пружинного механизма проверяют не реже двух раз в месяц. Для этого, заведя механизм как обычно до отказа, измеряют время одного оборота барабана, наблюдая за его вращением по специальной риске через круглое окошечко, расположенное на боковой стороне головки психрометра. Работа признаётся нормальной, если измеренное время отличается от указанного в паспорте прибора (обычно это около 90 с), не более чем на 10 с, а время вращения барабана от одной полной заводки составляет не менее 8 мин. В противном случае прибор подлежит ремонту.

4.3. Порядок работы с аспирационным психрометром Асcмана.

На первом этапе проводится измерение температуры и влажности воздуха в лаборатории. При этом преследуются две цели:

- научиться обращаться с прибором;

- определить температуру и относительную влажность воздуха на трёх уровнях – 1,5 м, 1 м и 0,1 м над уровнем пола;

- по полученным результатам выявить тип стратификации воздушной массы в лабораторном помещении и сделать выводы о том, нужны ли и какие именно мероприятия для нормализации микроклимата помещения.

За 4 минуты до начала измерений смачивают батист влажного термометра. Для этого берут резиновый баллон с пипеткой, заранее наполненный дистиллированной водой и лёгким нажимом доводят воду до уровня на 1 см ниже края пипетки. Удерживая её в таком положении зажимом, вводят пипетку во внутреннюю трубку защиты термометра и смачивают батист, обмотанный вокруг ртутного баллончика влажного термометра. Выждав некоторое время, не вынимая пипетки из трубки защиты, разжимают зажим, вбирая излишки воды в пипетку, и вынимают её из трубки.

Затем, заводят вентилятор почти до отказа (осторожно, можно сорвать пружину!).

Для того чтобы правильно снять отсчёт, необходимо помнить:

- цена деления шкалы градусников составляет 0,2 градуса Цельсия, но отсчёт берут с точностью до 0,1 градуса;

- для удобства отсчёта на градусниках применяется не совсем обычная оцифровка шкалы – нуль и десятки градусов (10, 20, 30 …) подписаны двумя знаками, расположенными по обе стороны шкалы, а 15, 25, 35…, – только цифрой 5, расположенной на правой стороне.

Полученные результаты записывают в таблицу № 1.

При определении влажности на открытом воздухе прибор выносят из помещения летом за 15 минут до начала наблюдений, а зимой не менее чем за 30 минут и закрепляют на специальном столбе. Затем, смачивают батист влажного термометра, летом за 4 минуты, а зимой за 30 минут до начала наблюдений.

Таблица 1.

Результаты психрометрических измерений

5. Измерение скорости ветра анемометром.

Движение атмосферного воздуха, называемое ветром, определяется неравномерностью распределения тепла по поверхности земного шара, что приводит к разности атмосферного давления. Чем больше эта разность, тем выше скорость ветра.

Скорость ветра является одной из важнейших характеристик состояния атмосферы, определяющей её ассимиляционные возможности по отношению к любым антропогенным выбросам. Для человека наиболее актуальна подвижность приземного слоя воздуха. Особенно это важно в мегаполисах и промышленных центрах. Из-за малой подвижности воздушной массы здесь может возникнуть опасная для здоровья концентрация вредных примесей. Современные комплексы автоматических приборов экологического мониторинга способны своевременно предупредить нас о неблагоприятной метеорологической ситуации, однако они, как и любая автоматика, требуют постоянной поверки и тарировки. В частности, для контроля автоматических дистанционных измерителей направления и скорости ветра служат давно применяющиеся в метеорологии приборы, называемые ручными анемометрами (от греческого anemos – ветер). При метеорологических наблюдениях применяются два вида ручных анемометров: крыльчатые и чашечные.

Крыльчатые анемометры предназначены для измерения скоростей воздушных потоков в пределах от 0,3 до 5,0 м/с и представляют собой миниатюрное подобие ветряной мельницы со счётчиком оборотов. Крыльчатка этих приборов выполнена из тонкой алюминиевой фольги и защищена стальной кольцевой насадкой. Счётчик оборотов имеет три циферблата. Стрелка большого циферблата показывает десятки и единицы оборотов. Стрелка левого малого циферблата показывает сотни, а стрелка правого малого – тысячи оборотов. Включение и выключение счётчика производится перемещением соответственно вправо или влево рычажка – арретира.

Прибор требует очень осторожного обращения. Тонкая крыльчатка и её ось не допускают воздействия воздушного потока со скоростью более 5 м/с, крыльчатку ни в коем случае нельзя трогать руками и уж тем более прибор нельзя ронять или подвергать даже слабым ударам.

Чашечные анемометры предназначены для измерения скоростей воздушных потоков в пределах от 1,0 до 30,0 м/с. Прибор представляет собой аналог предыдущей конструкции, но с более прочным ротором-вертушкой, выполненным в виде горизонтально расположенной крестовины с закреплёнными на ней четырьмя чашечками-полусферами. Вращение ротора происходит под воздействием разности давления воздушного потока на выпуклую и вогнутую сторону чашечек. На малых скоростях, особенно до 2 м/с чашечный анемометр, в силу особенностей конструкции ротора, не обладает высокой точностью. В связи с этим рекомендуется для малых скоростей применять крыльчатый вариант прибора. Однако, если есть хоть малейшее сомнение в том, что скорость ветра превышает 5 м/с, измерения следует начинать чашечным анемометром и, только убедившись, что ветер не превышает допустимого для крыльчатого анемометра предела в 5 м/с, можно с его помощью провести более точные замеры.

Измерение проводится последовательно чашечным, а затем, если скорость потока не превышает 5 м/с, крыльчатым анемометрами.

Перед началом измерений необходимо включить вентиляционную систему лабораторного климатрона.

5.1. Порядок работы с анемометрами.

1. Счётчики анемометров не устанавливается на нуль, поэтому, перед началом измерений снимают показания «нулевого отсчёта», записывая начальные показания всех трёх циферблатов в соответствующую графу таблицы № 2.

2. Вводят прибор в воздушный поток и, дав 10 – 15 с раскрутится крыльчатке, включают одновременно счётчик оборотов и секундомер (время измерения для крыльчатого 60 с, для чашечного 30 с).

3. При измерениях ось вращения ветроприёмника чашечного анемометра должна располагаться перпендикулярно направлению воздушного потока, а у крыльчатого – строго вдоль потока и крыльчаткой ему навстречу.

4. По истечении времени измерения, так же одновременно, выключают секундомер и счётчик оборотов и записывают в таблицу конечные показания всех трёх циферблатов.

5. Рассчитав число оборотов в секунду, путём деления разности конечного и нулевого отсчёта на время измерения, по таблице (для чашечного) или по графику (для крыльчатого) анемометров определяют скорость ветра в м/с.

Внимание! Таблицы и графики перевода оборотов в секунду в метры в секунду индивидуальны для каждого прибора. В связи с этим, прежде чем определять по ним скорость ветра, необходимо убедиться, что номера прибора и свидетельства поверки совпадают.

Таблица 2.

Результаты измерений скорости ветра крыльчатым анемометром

Во время практических занятий на прилегающей к университету территории, для получения полноценных результатов, необходимо выбрать достаточно открытое место и держать анемометр в вытянутой над головой руке.

В лаборатории, по результатам измерений температуры и влажности, необходимо определить тип температурной стратификации и соответствие относительной влажности комфортной зоне (40 % - 60 %).

Выводы должны содержать не только констатацию факта соответствия или не соответствия экологическим нормам, но и предложения по нормализации измеренных параметров окружающей среды.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ pH ПОЧВЫ

(pH – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода)

1. Цель работы.

На первом этапе, на примере исследования имеющихся в лаборатории образцов, освоить технологию измерений рН почвы с помощью специального рН-тестера.

На втором этапе провести с его применением исследование рН почвы на ближайших к зданию университета газонах и дать соответствующие рекомендации.

В экологии рН почвы используется как интегральный показатель состояния экосистем, подобный показателю температуры тела пациента в медицине. При нормальном функционировании обменных реакций, эти показатели остаются в привычных для экосистемы пределах. В определённой мере экосистемы могут стабилизировать рН, но когда возможности саморегулирования исчерпаны, начинается лавинообразное разрушение структуры и нарушение функциональных свойств экосистем. Меняется видовой состав растений и животных. Исчезают виды чувствительные к изменениям кислотности почвы. Особенно быстро могут реагировать на изменения рН среды водные организмы – гидробионты. Эти реакции связаны с тем, что изменения рН меняет химические свойства воды и в том числе свойства почвенной влаги. Поэтому любые резкие отклонения этого показателя от обычного среднего многолетнего значения вызывают деградацию экосистемы. Эта особенность давно известна в растениеводстве.

Как не удобряй, не культивируй и не поливай почву, высаживай лучшие семена, уничтожай «вредителей», часто всё равно не получаешь желаемого результата если почва либо слишком кислая, либо слишком щелочная для данной культуры.

Чтобы ответить на этот вопрос и знать, какие удобрения вносить, необходимо прибором pH-тестер измерить кислотность почвы. Количественной мерой кислотности является pH – отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода. Эта концентрация определяет скорость обмена химическими элементами между твёрдой и жидкой фазами почвы. В свою очередь, скорость перехода элементов-биогенов в раствор лимитирует питание растений, т. к. их корням доступны только растворённые вещества.

При рН от 3 до 4 почва считается сильнокислотной. При такой высокой концентрации ионов водорода в раствор, кроме биогенов, будут переходить такие ядовитые вещества, как окислы алюминия и соли тяжёлых металлов.

От 4 до 5 почва считается кислой, от 5 до 6 – слабокислотной, от 6 до 7 – нейтральной, от 7 до 8 – слабощелочной и от 8 до 10 – сильнощелочной, при которой биогены будут быстро выпадать в осадок и становиться недоступными растениям.

Для большинства плодовых, ягодных и овощных культур оптимальные значения pН составляют 5,5 – 6,5, т. е. почва должна быть от слабокислотной до почти нейтральной.

Снижение кислотности почвы достигается ее известкованием, а повышение кислотности – внесением органических удобрений: торфа, навоза, компоста. Для теплиц и цветковых горшков применяют разбавленные растворы лимонной или уксусной кислот.

2. Устройство и принцип работы.

pH-тестер представляет собой биметаллический стержень – электрод, на котором во влажной среде возникает гальванический ток пропорциональный концентрации ионов водорода. Этот ток измеряется миллиамперметром, закреплённым на верхнем конце стержня. Шкала измерительного блока градуирована в единицах рН.

При подготовке прибора к работе и в процессе измерения необходимо учитывать особенности функционирования его электрода:

- в результате окисления металла электрода изменяются его электрические свойства – электрод пассивируется, поэтому возникает необходимость очищать поверхность электрода от плёнки окисла перед каждым измерением;

- гальванический ток возникает только во влажной почве при непосредственном контакте электрода с почвенной влагой, следовательно, если почва недостаточно плотная, что часто бывает в пахотном слое, где почвенный слой содержит множество пустот, заполненных воздухом, его необходимо уплотнить вокруг введённого в почву стержня-электрода, а при недостаточной влажности почвы её поливают заведомо нейтральной дистиллированной водой.

2.1. Порядок работы с рН-тестером.

1. Убедитесь, что почва влажная и, если это необходимо, полейте место предполагаемого измерения нейтральной дистиллированной или кипячёной водой.

2. Очистите поверхность зонда индикатора прилагаемой наждачной бумагой и вытрите чистой сухой ветошью.

3. Воткните зонд индикатора в почву на глубину 4 см, уплотните почву и подождите 1 минуту для стабилизации стрелки индикатора. В зависимости от толщины почвенного слоя, его надо разбить на несколько слоёв (до четырёх) и проводить измерения в каждой точке на всех выделенных горизонтах.

4. Считайте и запишите значение pH в таблицу.

После каждого измерения, перед тем, как зачищать зонд шкуркой, необходимо тщательно вытереть его чистой ветошью, чтобы не загрязнить абразив остатками почвы от предыдущего измерения.

Повторите 3 и 4 пункты несколько раз.*

После пользования вытрите зонд ухой ветошью.

*Из-за неравномерности состояния состава почвы, показания индикатора могут несколько отличаться. Для получения среднего значения рН почвы замеры производятся несколько раз. Количество повторных измерений определяется отдельно для каждого случая в зависимости от наблюдаемого разброса показаний рН-тестера.

Справочная информация.

По отношению к кислотности почвы растения делятся на 5 групп:

- не переносящие кислых почв (требуют нейтральной или слабощелочнойреакции почвенной среды): свекла, капуста качанная, лук, чеснок, сельдерей, шпинат, пастернак, клевер красный, люцерна, горчица, смородина, астры, розы, хризантемы;

- нуждающиеся в слабокислой и близкой к нейтральной реакции почвы: брюква, турнепс, капуста кормовая, горох, вика, фасоль, кукуруза, пшеница, ячмень, клевер шведский, салат, лук порей, огурцы, капуста цветная, яблоня, слива, вишня, шиповник, колокольчик, примула;

- переносящие умеренную кислотность (положительно отзывающиеся на известкование): овес, рожь, тимофеевка, гречиха;

- переносящие умеренную кислотность (страдающие от избыточного известкования): лен, картофель, топинамбур, подсолнечник, морковь, репа, петрушка, редис, редька, тыква, кабачки, помидоры, ревень, малина, груша, земляника, крыжовник;

- предпочитающие кислую реакцию почвы: люпин, щавель, гортензия.

Оптимальный рН интервал садовых растений

Нормы внесения молотого известняка (1 кг/10 м²) для нейтрализации кислотности почвы при различных значениях pН

* Контрольные замеры pH почвы после ее известкования проводятся через 10-15 дней.

** Вместо известняка можно использовать доломитовую муку или гашеную известь, однако, при этом нормы внесения гашеной извести уменьшаются по сравнению с известняком в 1,35 раза.

На основании полученных результатов и руководствуясь справочной информацией сделайте выводы о пригодности почвы для тех или иных растений или предложите мероприятия по изменению рН.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ШУМОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

1. Цель работы:

- изучить метод измерения и оценки шума в помещениях;

- определить постоянный либо непостоянный шум в аудитории;

- оценить шумовой режим от проникающего транспортного шума;

- сравнить полученные результаты с допустимыми и сделать выводы.

2. Теоретическая часть.

Акустический шум – это звук (даже если нежелательный), то есть с физической точки зрения – это механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде. Характеристикой таких колебаний служит их частота (или частоты в случае шума), амплитуда и фаза.

Слуховой аппарат человека воспринимает не все механические колебания. Во-первых, для того чтобы быть слышимыми, колебания должны быть определенной силы и частоты. Слышимые колебания находятся внутри некоторой области, называемой областью слышимости. У каждого человека эта область различна, кроме того, она зависит от возраста человека, возможной потери слуха, физических условий и т. д.

Простейшие колебания – это чистый тон, представляющий собой синусоиду (рис.1) с частотой f = 1/Т. За единицу частоты принят Герц (Гц), равный одному колебанию в секунду. Принято считать, что ухо человека воспринимает колебания частотой от 20 до 20 000 Гц. Данный диапазон частот называется звуковым.

Рис. 1. Пример синусоидального колебания

Звуковой диапазон частот разбивают на 8 октавных полос. Октавой называют полосу, конечная частота которой в 2 раза, а среднегеометрическая – в раз больше начальной. Например, октава 180-355 характеризуется среднегеометрической частотой 250 Гц.

В зависимости от применяемых измерительных приборов, полосы могут быть как октавными (с отношением граничных частот равным 2), так и полуоктавными и третьоктавными, с отношением граничных частот, соответственно равным 1 и . Среднегеометрические частоты октавных полос анализа стандартизованы: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000.

2.1. Влияние шума на организм человека.

Чтобы понять, чем вреден шум, необходимо знать анатомию и физиологию органов слуха.

Слух – способность организма воспринимать и различать звуковые колебания. Эта способность воплощается слуховым анализатором.

Орган слуха (ухо) представляет собой воспринимающую часть звукового анализатора. Оно имеет три отдела: наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода, затянутого упругой барабанной перепонкой, отделяющей среднее ухо. Ушная раковина и слуховой проход служат для улучшения приема звука высоких частот. Они способны усиливать звук с частотой 2000 - 5000 Гц на 10...20 дБ и это обстоятельство определяет повышенную опасность звуков указанного диапазона. В полости среднего уха расположены, так называемые слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко, связанные как бы в одну цепь. Они служат для передачи звуковых колебаний от барабанной перепонки во внутреннее ухо, где расположен специальный воспринимающий звук орган, называемый кортиевым. В среднем ухе амплитуда колебаний уменьшается, а мышца среднего уха обеспечивает защиту от звуков низкой частоты. Полость среднего уха сообщается с полостью носоглотки с помощью евстахиевой трубы, по которой во время глотания воздух проходит в полость среднего уха.

Внутреннее ухо отличается наиболее сложным устройством. Оно состоит из трех частей: улитки, трех полукружных каналов и мешочков преддверия. Улитка воспринимает звуковые раздражения, а мешочки преддверия и полукружные каналы – раздражения, возникающие от перемены положения тела в пространстве.

Звуковые волны проникают в слуховой проход, приводят в движение барабанную перепонку и через цепь слуховых косточек передаются в полость улитки внутреннего уха. Колебания жидкости в канале улитки передаются волокнам основной перепонки кортиева органа в резонанс тем звукам, которые поступают в ухо. Колебания волокон улитки приводят в движение расположенные в них клетки кортиева органа. Возникающий нервный импульс передается в соответствующий отдел головного мозга, в котором синте

12
• Далее ⇒