Достаточно сильно распространен метод газоразрядной визуализации ГРВ [1]. В основе метода ГРВ лежит стимулированная фотоэлектронная эмиссия и спонтанное оптическое излучение во внешнем высокочастотном (порядка 1–20 МГц) электрическом поле высокой напряженности. Метод ГРВ применяется для обследования биологических объектов [5]. Методом-наследником и дополнением ГРВ является метод с использованием прибора ИПЧ (измерителя поверхностных частот). Прибор ИПЧ позволяет отслеживать изменение электропроводности объектов исследования, поэтому удобен для мониторинга состояния биологических объектов, в том числе и деревьев.

Данная работа — это первый шаг в исследовании деревьев методом измерения интегральной суммы токов высокой частоты и в выработке критерия оценки состояния здоровья дерева.

Целью данной работы является рассмотрение вопроса возможности оценки физического состояния деревьев при помощи прибора ИПЧ.

Задача: проведение полевых исследований состояния деревьев при помощи прибора ИПЧ с целью выявления особенностей и отработки методики определения состояния деревьев.

Методы полевых исследований

Для проведения полевых исследований использовался прибор ИПЧ — измеритель интегральной суммы токов высокой частоты в диапазоне 2–4 МГц. Принцип действия прибора следующий. Высоковольтный генератор (рис. 1) вырабатывает пакет импульсов высокой частоты. С периодом следования 1 кГц высоковольтный потенциал (регулируется от 0 до 12 кВ) подается на электрод 3 отделенный стеклом 4 от титанового «тест-объекта» 1. Между «тест-объектом» 1 и электродом 3 существует емкостная связь, благодаря которой высоковольтный потенциал попадает на «тест-объект». Далее напряжение от «тест-объекта» с помощью проводника подводится к дереву.

При подключении электрода к дереву получается электрическая схема, в упрощенном виде представленная на рис. 1, где 2 — точка подключения к стволу дерева, Z1 — эквивалентное комплексное сопротивление нижней части ствола корневой системы и земли, Z2 — эквивалентное комплексное сопротивление верхней части ствола и кроны, С — емкостная связь кроны с землей. Замыкание цепи происходит благодаря емкостной связи высоковольтной части прибора на землю. В результате поверхностного эффекта основная плотность высокочастотного тока концентрируется вблизи внешнего слоя проводника, в данном случае дерева.

Счетная часть прибора содержит аналого-цифровую схему, позволяющую подсчитать интегральную сумму тока, протекающего через дерево. В результате получается число, соответствующее интегральной сумме тока в относительных единицах.

Используемая в полевых экспериментах методика с применением прибора ИПЧ для определения состояния деревьев основана на предпосылках об изменении электропроводности тканей дерева в результате их поражения различными заболеваниями или физического повреждения. Также вполне возможно ожидать различной для здоровых и больных деревьев динамики ответного реагирования на воздействие высокочастотного тока, проявляющейся в изменении электропроводности. Параметры электрической проводимости дерева, безусловно, будут варьироваться в зависимости от влажности воздуха и внешнего пробкового слоя коры, погодных условий, сезонного движения соков. Контакт с землей зависит от состояния корневой системы, а также от наличия воды и солей в почве. На протекание токов высокой частоты также может оказывать влияние крона, от ее пышности будет зависеть емкостная связь с землей.

Подключения цилиндрического электрода к дереву производились введением в ствол на глубину 35–40 мм с южной или северной сторон. При этом высота точек подключения равнялась соответственно h1 = 50 см и h2 = 90 см (рис. 2).

Приборы и материалы

В проведении серии полевых экспериментов использовались следующие приборы и материалы:

• прибор измеритель поверхностных частот ИПЧ;
• заостренный электрод для введения в дерево, диаметр электрода 2 мм, длина 50 мм;
• персональный компьютер.

Для каждого подключения снимался ряд значений сигналов ИПЧ в течение 5 минут, с интервалом между пакетами импульсов 5 сек., длительностью пакета 0.3 сек., напряжением на электроде ИПЧ 9 кВ.

Результаты экспериментальных данных

Состоялись две выездные экспериментальные сессии в петергофском парке Александрия 31 июля и 16 октября 2005 года. Были исследованы соответственно 10 и 7 дубов в возрасте примерно от 30 до 200 лет. Все деревья были разбиты на четыре группы здоровья: очень здоровые, здоровые, с дефектами, очень больные. Разбиение по группам проводилось на основании опыта многолетнего ухода и наблюдения за флорой данного парка.

Приведем наиболее характерные данные, полученные в результате исследований (рис. 3, 4).

На графиках показаний ИПЧ во времени (рис. 3, 4) можно отметить следующие особенности:

• Динамические кривые для различных по здоровью групп деревьев имеют различный характер: для здоровых в основном отмечается большая вариабельность кривой во времени.
• Наблюдается хорошее соответствие графиков в группах разделения по здоровью. Исключение составляют графики для дубов 8 и 5, соответственно группы очень здоровых и здоровых. Для дуба 8 отличие динамики графика от 6, возможно, объясняется его молодостью, возраст этого дуба составляет примерно 25–30 лет. Показания ИПЧ для дуба 5 выделяются из динамической тенденции графиков для дубов 1, 3. Можно предположить, что у дуба 5 имеется значительный скрытый дефект, например, гниение сердцевины.
• Характер динамических кривых для летнего и осеннего периода измерений различен.
• Наблюдается понижение средней амплитуды показаний ИПЧ при повышении уровня точки подключения к дереву (рис. 4) и соответственно — увеличение эквивалентного комплексного сопротивления нижней части ствола Z1 (рис. 1).
• Проявление динамического различия показаний ИПЧ из семи деревьев, обследованных 16 октября 2005 для подключений север/юг, наблюдается у дуба 3, не наблюдается у дуба 4.
• Интересно также отметить, что в период осеннего измерения общая вариабельность показаний ИПЧ меньше, чем в период летнего. Это, возможно, является следствием замедления жизненных процессов, происходящих у дерева осенью.

Обсуждение

Максимальное количество солнечного света и тепла дерево получает с южной стороны, поэтому там менее благоприятные условия для развития грибов и микроорганизмов, чем с северной стороны. Такая закономерность преимущественно проявляется при невысокой густоте окружающих деревьев, что позволяет проникать свету к основанию ствола. Таким образом, выбрав одинаковые направления подключения для всей группы, можно ожидать различные показания ИПЧ для здоровой или болеющей части дерева.

По сосудам древесины (рис. 5) от корня к листьям передвигаются вода и растворенные минеральные соли, ситовидные трубки обеспечивают перенос органических веществ от листьев к корням ([2], стр. 46). По сердцевидным лучам происходит горизонтальное движение питательных веществ в направлении: сердцевина, древесина, луб. Сердцевидные лучи имеют крупные прямоугольные клетки, вытянутые в направлении поперечной оси.

При гниении или ином повреждении ствола, особенно слоев, содержащих сосуды древесины, ситовидные трубки, происходит нарушение нормального движения соков в дереве. По показаниям ИПЧ вполне естественно ожидать наиболее заметного различия больных клеток древесины от здоровых весной, в период наиболее активного движения соков. А для слоя, содержащего ситовидные трубки, — в период наиболее активного движения соков от листьев к корням, т.е. во вторую половину лета или ранней осенью.

Таким образом, можно предположить, что иногда внешне схожие повреждения дерева, но затрагивающие разные слои, могут дать различные результаты показаний ИПЧ в зависимости от периода жизненной активности дерева.

Выводы

Проведенные пробные исследования состояния деревьев не достаточны для однозначных выводов и заключений. В то же время отмеченные особенности позволяют предположить, что показания ИПЧ могут представлять интерес для оценки динамического состояния дерева или группы деревьев. Полученные данные стимулируют интерес к дальнейшему изучению вопроса оценки состояния деревьев при помощи ИПЧ.

Примерный план предстоящих работ

• Совершенствование методов исследования и разработка методики исследования состояния дерева.
• Длительное регулярное наблюдение группы деревьев в период от начала весеннего движения соков до осеннего листопада с целью выяснения сезонных колебаний показаний прибора ИПЧ, в зависимости от физического и сезонного состояния дерева.
• Проверка гипотезы о связи между собой деревьев, произрастающих на незначительном удалении друг от друга (до 100 метров).
• Проверка гипотезы о взаимовлиянии человека и дерева.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коротков К. Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. СПб.: Изд-во СПб ГУИТМО (ТУ), 2001.
2. Заяц Р. Г., Рачковская И. В., Стамбровская В. М. Биология. Минск: "Вышэйшая школа", 2000.
3. Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия. Москва: Компания "Кирилл и Мефодий", 2005.
4. Гелстон А., Девис П., Сэттер Р. Жизнь зеленого растения. М.: "Мир", 1983.
5. Kononenko I., Sedej M., Sadikov A. GDV Measures Vitality // Eighteenth IEEE Symposium on COMPUTER-BASED MEDICAL SYSTEMS. 23–24 June 2005. Dublin, Ireland.

Опубликовано:
"Наука. Информация. Сознание." X Международный научный конгресс по ГРВ биоэлектрографии. СПб: Изд-во "Университетские телекоммуникации", 2006. С. 103–107.