Количественное исследование связей водорода, метана, радона…

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА. 2018. T. 17, № 1. С. 30–44. DOI 10.21455/GPB2018.1-2

КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЯЗЕЙ
ВОДОРОДА, МЕТАНА, РАДОНА
И АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Институт проблем нефти и газа РАН, г. Москва, Россия

По результатам экспериментальных наблюдений построено модельное представление связей водорода, метана, радона и атмосферного электрического поля. Пузырьковые образования водорода и метана являются единственными носителями радона в приповерхностные слои грунта и атмосферу. В результате ионизации образуются легкие ионы, которые, соединяясь с нейтральными ядрами конденсации, образуют тяжелые ионы, влияющие на атмосферное электрическое поле. Вне углеводородных скоплений водород и метан связаны между собой экспоненциальной зависимостью. В стабильных метеоусловиях радон атмосферы и обратная ему величина атмосферное электрическое поле коррелируют с содержанием радона грунта через плотность газов-носителей. По причине меньшего молекулярного веса водород, при сравнимых концентрациях летучих газов, является основным носителем радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу. При отношении концентраций водорода и метана Н2/СН4 ~ 6.4 летучие газы в равной мере участвуют в транспортировке ионизатора. При среднем отношении их концентраций (~ 47) основным газом – носителем радона выступает метан. С ростом концентраций газов-носителей чувствительность атмосферного электрического поля к изменениям их концентраций возрастает. Полученный результат заметно повышает точность косвенного контроля за содержанием метана в грунте по данным наблюдений за атмосферным электрическим полем и содержанием водорода и радона в атмосфере.

Ключевые слова: атмосферное электрическое поле, концентрации, радон, водород, метан.

Цитируйте эту статью как: Шулейкин В.Н. Количественное исследование связей водорода, метана, радона и атмосферного электрического поля // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17, № 1. С. 30–44. DOI: 10.21455/GPB2018.1-2

Баранов В.И. Радиометрия. М.: Изд-во АН СССР, 1956. 343 c.

Войтов Г.И., Рудаков В.П., Шулейкин В.Н., Козлова Н.С., Баранова Л.В. Эманационные и электрические эффекты в атмосфере подпочв над Калужской кольцевой структурой // Рос. журн. наук о Земле. 1999. Т. 1, № 6. С. 503–510.

Войтов Г.И., Гусев А.С., Шулейкин В.Н. и др. Эманационные (водород-радоновые) и электрические эффекты над сложнопостроенными тектоническими структурами (на примере Александровской зоны предразломных поднятий, Белоруссия) // Докл. РАН. 2000. Т. 370, № 1. С. 105–108.

Гергедава Ш.К., Бузинов С.Н., Шулейкин В.Н., Рудаков В.П., Войтов Г.И. Нетрадиционная геофизика для подземных хранилищ газа // Нефть, газ и бизнес. 2001. № 5 (43). С. 2–7.

Зубарев А.П., Шулейкин В.Н. Комплексный геофизический и геохимический контроль при эксплуатации подземных газохранилищ. М.: Изд-во ООО «Газпром ПХГ», 2009. 264 с.

Имянитов И.М., Чубарина Е.В. Электричество свободной атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 240 с.

Кудринская Т.В. Экспериментальные исследования процессов ионизации в атмосферном приземном слое: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2013. 20 с.

Николаев И.Н., Литвинов А.В. Методика измерений малых концентраций H2 и H2S над поверхностью воды // Измерительная техника. 2004. № 5. С. 54–60.

Николаев И.Н., Литвинов А.В., Халфин Т.М. Автоматизированные газоанализаторы водорода в диапазоне объемных концентраций 10–6–1.0 % // Измерительная техника. 2004. № 7. С. 54.

Редин А.А. Математическое моделирование электродинамических процессов в приземном слое в условиях аэрозольного загрязнения атмосферы: Автореф. дис. … канд. физ.-мат. наук. Таганрог, 2011. 19 с.

Редин А.А., Куповых Г.В., Болдырев А.С. Электродинамическая модель турбулентного приземного слоя при наличии многократно заряженных аэрозольных частиц // VII Всерос. конф. по атмосферному электричеству. СПб., 2012а. Т. 1. С. 199–201.

Редин А.А., Куповых Г.В., Болдырев А.С., Букантис А.А. Электродинамическая модель конвективно-турбулентного приземного слоя атмосферы // VII Всерос. конф. по атмосферному электричеству. СПб., 2012б. Т. 1. С. 202–203.

Руководство по наземным наблюдениям за элементами атмосферного электричества. Л.: Изд-во ГГО им. А.И. Воейкова, 1960. 95 с.

Семенов К.А. Хорошая погода и элементы атмосферного электричества // Тр. ГГО им. А.И. Воейкова. 1982. Вып. 455. С. 112–119.

Сидорин А.Я. О возмущениях градиента электрического потенциала атмосферы на Гармском полигоне в 1949–1950 гг. // Электрическое взаимодействие геосферных оболочек. М.: ОИФЗ РАН, 2000а. С. 148–165.

Сидорин А.Я. Возмущения атмосферного электрического потенциала и землетрясения на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2000б. Вып. 33. С. 78–95.

Сисигина Т.И. Измерения эксхаляции радона с поверхности горных пород // Вопросы ядерной метеорологии. М.: Госатомиздат, 1962. С. 104–111.

Сисигина Т.И. Эксхаляция радона с поверхности нескольких типов почв Европейской части СССР и Казахстана // Радиоактивные изотопы в атмосфере и их использование в метеорологии. М.: Атомиздат, 1965. С. 40–48.

Стыро Б.И. Вопросы ядерной метеорологии. Вильнюс: Гидрометеоиздат, 1959. 418 с.

Тверской П.Н. Курс метеорологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1951. 887 с.

Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества. М.: Кн. дом «ЛИБРОКОМ», 2009. 152 с.

Шулейкин В.Н. Результаты наблюдений полярных проводимостей почвенного воздуха в черте городской застройки // Развитие методов и средств экспериментальной геофизики: Сб. ст. М., 1996. Вып. 2. С. 235–240.

Шулейкин В.Н. Перенос радона в приповерхностные слои грунта и приземную атмосферу // Геофизические процессы и биосфера. 2013а. Т. 12, № 2. С. 57–66.

Шулейкин В.Н. Реверсивный электродный эффект – расчеты и эксперимент // Наука и технологические разработки. 2013б. № 2. С. 17–27.

Шулейкин В.Н. Пары воды, атмосферное электричество и поступление радона в приповерхностные слои грунта и атмосферу // Геофизические процессы и биосфера. 2014. Т. 13, № 3. С. 67–75.

Шулейкин В.Н., Щукин Г.Г., Куповых Г.В. Развитие методов и средств прикладной геофизики – атмосферно-электрический мониторинг геологических неоднородностей и зон геодинамических процессов. СПб.: ЦОПРГГМУ, 2015. 206 с.

Milne J. Earthquakes in connection with electric and magnetic phenomena // Trans. Seismol. Soc. Jap. 1890. V. 15. P. 135–164.

Shuleikin V.N. Radon transport to the near surface soil and air layers // Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics. 2013. V. 49, N 8. Р. 853–859.

ШУЛЕЙКИН Владимир Николаевич – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, Институт проблем нефти и газа РАН. 119333, г. Москва, ул. Губкина, д. 3. Тел.: +7 (903) 511-91-36. E-mail: shvn1947@yandex.ru

QUANTITATIVE STUDY OF THE RELATIONSHIPS
OF HYDROGEN, METHANE, RADON
AND ATMOSPHERIC ELECTRIC FIELD

Abstract. Based on the results of experimental observations, a model representation of the relationships of hydrogen, methane, radon, and the atmospheric electric field was constructed. Bubble formations of hydrogen and methane are the only carriers of radon in the near-surface layers of the soil and atmosphere. As a result of ionization, light ions are formed, which, when combined with neutral condensation nuclei, form heavy ions that affect the atmospheric electric field. Outside the hydrocarbon clusters, hydrogen and methane are related by an exponential relationship. In stable weather conditions, the radon of the atmosphere and its inverse atmospheric electric field will correlate with the radon content of the ground and the density of carrier gases. At comparable concentrations of volatile gases due to a lower molecular weight, hydrogen is the main carrier of radon in the near-surface layers of the soil and the surface atmosphere. In the case of the ratio of hydrogen concentration to methane H2/CH4 ~ 6.4, volatile gases are equally involved in the transportation of the ionizer. For the average ratio of methane to hydrogen CH4/H2 ~ 47, the main carrier gas of radon is methane. With increasing concentrations of carrier gases, the sensitivity of the atmospheric electric field to changes in their concentrations increases. The obtained result significantly increases the accuracy of the indirect control of the methane content of the soil from the observations of the atmospheric electric field, hydrogen and radon.

SHULEIKIN Vladimir N. – Ph. D. (phys. and math.), chief researcher, Oil and Gas Research Institute, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (903) 511-91-36. E-mail: shvn1947@yandex.ru

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И БИОСФЕРА 2018 Т. 17 № 1