исходные гидрохимические характеристики вод, гео-, гелиофизиче-ские и космические факторы, возможность электризации жидкости. Между тем, эти факторы приводят в ряде случаев к необычайно широкой вариации свойств природных вод, к трудностям в интерпретации и прогнозе метеорологических и гидрологических эффектов, к сложностям при технологическом использовании природных вод. В электромагнитной гидрофизике реализуется подход к природным водам не как к водам с примесями ; а как к сложной многофазной открытой нестационарной системе.

3. Физико-химическая микрогидродинамика

Основные представления. Как известно, общим методом подхода к исследованию движения материальных тел является построение феноменологической макроскопической теории, основанной на общих, добытых из опыта закономерностях и гипотезах. В основе этой теории лежит гипотеза сплошности жидкости, учет ее свойств как непрерывной среды. При рассмотрении элемента жидкости, в котором сохраняются свойства континуума, принимается, что все размеры в объеме жидкости считаются большими по сравнению с межмолекулярными расстояниями. Это предположение используется далее всюду, даже при рассмотрении предельно малых расстояний от ограничивающих стенок. Это значит также, что все свойства жидкости, такие, как плотность и вязкость, меняются непрерывно. Свойством вязких жидкостей континуумного типа является прилипание на жестких границах, что приводит к нулевой относительной скорости на граничных поверхностях.

Большинство экспериментальных результатов указывает на отсутствие проскальзывания. Однако в [178] показано, что если твердая поверхность химически обработана таким образом, что она становится несмачиваемой для протекающей жидкости, то возможно заметное проскальзывание.

Таким образом, линейные размеры элементарного объема должны быть достаточно большими по сравнению с длиной свободного пробега молекул газа или амплитудой колебательного движения молекул жидкости и достаточно малыми по сравнению с линейными размерами, характеризующими движение (диаметр трубы и др.). Это свойство характеризуется числом Кнудсена

Кп [113]

Кп = 6<1, (3)

где / - длина пробега молекул, амплитуда колебания молекулы жидкости или ее трансляционного перехода; 6 -линейные размеры течения.

Однако для гидрологии при всей большей ценности феноменологической макроскопической гидродинамики при рассмотрении

течений в морях, океанах, реках, озерах не менее важен и процесс течения в тех случаях, когда условие (3) не выполняется, или Кп становится хотя бы порядка 10-10~. К этим вопросам относятся течения почвенных и !Подземных вод, ряд биофизических проблем. В этом случае необходим учет не только механических представлений, но и целого ряда дисциплин молекулярного уровня.

Бэтчелор [37] отмечает, что существенное и характерное свойство гидродинамики заключается в том, что она охватывает различные механические процессы, и хотя каждый из них в отдельности можно считать вполне понятным в смысле фундаментальной физики, в целом они могут порождать многие неожиданные эффекты.

Так, для течений по крайней мере с одним линейным размером 0,01 мкм б 100 мкм законы феноменологической гидродинамики становятся не всегда корректными и необходим учет дополнительных физических факторов, влияющих на течение в этом случае.

По-видимому, учитывая трудности теории в этих пограничных областях, Бэтчелор для потоков с масштабами от 0,01 до 100 мкм предложил называть эту новую область гидродинамики - м н к -ро гидродинамикой [38]. Однако, учитывая необходимость одновременного изучения гидродинамических и поверхностных физико-химических явлений, а также структуры жидкости в пограничных слоях, нами было предложено, с учетом [49, 67, 68, 87, 88, 125, 126, 135, 141, 142, 161, 171] назвать эту новую область физико-химической микрогидродинамикой [28, 49].

Для рассмотрения особенностей физико-химических процессов в слоях толщиной 6, по-видимому, полезным окажется привлечение представлений о трехслойной модели структуры движущейся жидкости вблизи границ раздела [22, 162]. Но, учитывая направленность данной монографии, рассматриваемые в дальнейшем вопросы будут относиться не ко всей этой области, а к одному из ее разделов, согласно введенному определению, электромагнитной микрогидродинамике .

Электромагнитная микрогидродинамика. Аналогично вводимым в гидродинамике представлениям об элементарном объеме жидкости, где еще справедливы представления феноменологической теории, в электромагнетизме также фактически имеют место ограничения объемов, для которых справедливы представления феноменологической теории электромагнетизма. Нижняя граница линейного размера подобных объемов порядка 6~ Ю--н 10- см [129], т. е. та же граница верхнего предела, что и в микрогидродинамике. В этих областях следует учитывать микроскопический характер электрических и магнитных взаимодействий и тот факт, что напряженности и градиенты электрических и магнитных полей (Е, VE, В, VB), обусловленные поверхностными явлениями или воздействиями внешних полей, например в области краевых эффектов, могут на однн-два порядка превосходить их значения

в объемах. Кроме того, при столь малых масштабах начинает сказываться иррегулярность поверхности раздела фаз, необходимым становится учет отличий свойств жидкости в граничных фазах от их значений в объеме [62, 67, 68, 161, 162]. Для характеристики отношения гравитационных сил к капиллярным введено число Бонда [113]

Bo = pgll/a, (4)

где а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости. При g-t-Q, Во->0. Однако Во->0 и при малом /о, где /о -характерный параметр длины.

Для иллюстрации приведем оценочный расчет. Если р=:1 r/cм Во=10-2, а = 7,2-10-* Н/см, то io 0,03 см, т. е. в этом случае в слоях, где применимы законы микрогидродинамики, вес жидкости может не учитываться.

Несмотря на то что течению жидкости при малых числах Рей-нольдса, которым соответствует малое /о, уделено большое внимание, особенности таких течений с учетом физических процессов практически не рассматривались, что нередко приводит к трудностям и расхождениям в результатах эксперимента и теоретических расчетов. В последующем мы постараемся в некоторой степени восполнить этот пробел.

Одним из основных вопросов микрогидродинамики, который до настоящего времени изучен еще недостаточно, является учет влияния электрических зарядов межфазных поверхностей на прилегающие слои жидкости. Бэтчелор отмечает: Неоспоримо, однако, что электрические эффекты могут оказывать сильное влияние на мелкомасштабные движения среды, и мы должны научиться принимать их во внимание [38].

Микрогидродннамика в целом и электромагнитная микрогидро-дннамика в частности чрезвычайно обширны и включают в себя явления, касающиеся столь далеких друг от друга предметов, как теория коллоидов, гидрология, гидродинамика, химическая технология, биофизика живой клетки и др.

Глава 1. Физические основы действия электромагнитных полей на природные воды (при отсутствии вынужденной конвекции)

1.1. О микроскопической природе гидродинамических явлений в электрических и магнитных полях

Изменение импульса иона в объеме электролита. Феноменологический подход к водным средам как к жидкостям, отличающимся лишь относительно низкой проводимостью, при решении ряда теоретических, экспериментальных и особенно прикладных задач становится недостаточным, что обусловливает необходи-