Диэлектрические характеристики пресного природного льда на сверхвысоких частотах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Ч

Крылов Сергей Дмитриевич

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕСНОГО ПРИРОДНОГО ЛЬДА НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Специальность 01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Читинском институте природных ресурсов СО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Бордонский Г.С.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Ильин В.А.

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита состоится "25" октября 1998 г. в/5 часов на заседании диссертационного совета К 200.66.01 в Отделе физических проблем при Президиуме Бурятского научного центра СО РАН по адресу: 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, д.8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БНЦ СО РАН

кандидат физико-математических наук, профессор Бобров П.П.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, к. ф.-м.н.

Жамсуева Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Изучение поверхности Земли аэрокосмическими методами является эффективным инструментом исследования природной среды. Возможности дистанционного зондирования позволяют получать громадные объемы информации. Тем не менее, имеются трудности в расшифровке данных дистанционного зондирования. Они связаны как с некорректностью обратных задач дистанционного зондирования, так и с недостаточным знанием электромагнитных параметров природных сред. Например, до недавнего времени пресный лед, как объект изучения методами дистанционного зондирования, особого интереса не вызывал из-за представления о нем, как о среде с фиксированным значением диэлектрических характеристик. Под радиозондированием льда понималось дистанционное определение толщины и изучение строения ледяных покровов различных акваторий [1]. Однако, в последнее время появился ряд работ, позволивших расширить круг задач радиозондирования криогенных объектов [2]. Они основаны на более глубоком изучении электромагнитных свойств льда. Выяснилось, что криогенные природные объекты являются индикаторами разнообразных природных процессов при СВЧ-дистанци-онных измерениях [3].

Работы по радиозондированию криогенных сред представляют особый интерес для условий России, где практически вся территория находится в зоне отрицательных зимних температур и идут активные криогенные процессы, связанные с сезонным таянием и промерзанием поверхности и подповерхностных объектов. Активные взаимодействия криогенных структур с объектами других геосфер приводят к существенным изменениям электромагнитных свойств мерзлых сред. В них появляются и подвергаются метаморфизму жидкие, твердые и газовые включения, возникает анизотропия кристаллического строения, происходит изменение физических свойств под воздействием химических, световых и механических сил. Эти процессы в настоящее время изучены недостаточно. Поэтому представляется актуальным продолжение изучения многообразия электромагнитных свойств природного пресного льда.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы связана с исследованием диэлектрических характеристик пресного льда в природных условиях при воздействии на криогенные структуры со стороны окружающей среды. Ставятся следующие задачи:

- дальнейшее изучение электромагнитных свойств чистого льда из Н20 и Э20;

- изучение диэлектрических характеристик льда, содержащего химические примеси;

- исследование процессов, происходящих в природных ледяных покровах и изменений диэлектрических свойств природного льда с течением времени;

- изучение влияния внешних факторов на электромагнитные свойства ледяных покровов (например, механических напряжений). НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований связана с изучением:

- диэлектрических потерь чистого льда в коротковолновом участке миллиметровых волн;

- диэлектрических свойств льда из ОгО на частотах от 7 до 90 ГГц;

- зависимости диэлектрических потерь загрязненного солями льда в сантиметровом и миллиметровом диапазонах от времени в лабораторных условиях;

- механизма изменения диэлектрических потерь льда ледяных покровов природных водоемов от времени;

- влияния внешних воздействий на распространение электромагнитного излучения в пресном ледяном покрове. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается:

а) в получении новых данных о радиофизических свойствах льда 1Ь, в том числе, тяжелого льда, что расширяет знание в области физики льда;

б) в возможности получения дополнительной информации из данных радиолокационных и радиометрических измерений о состоянии криосферных образований;

в) в формулировании новых задач дистанционного зондирования, основанных на изучении ранее не известных особенностях поведения диэлектрических характеристик криогенных сред, например, вариациях и гистерезисе электромагнитных потерь, влияния волн сжатия и рас-

тяжения в ледяном покрове озер и др;

г) в возможности использования радиофизических методов измерений параметров разнообразных природных объектов по электромагнитным свойствам льда в других областях, например, в лимнологии, гидрологии, строительстве и др.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения:

- экспериментальное подтверждение, что диэлектрические потери чистого льда в коротковолновом участке миллиметровых волн не зависят от температуры;

- результаты по измерению диэлектрических свойств льда из БгО на частотах от 7 до 90 ГГц;

- экспериментальное подтверждение, что лед с незначительной концентрацией солей имеет гистерезис диэлектрических потерь в СВЧ-диапазоне;

- результаты измерений диэлектрических потерь и радиояркостной температуры ледяных покровов естественных водоёмов с различной концентрацией солей;

- экспериментальные результаты,показывающие, что внешние воздействия влияют на распространение электромагнитных еолн в пресном ледяном покрове.

Публикации по работе и ее апробация. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Основные результаты работы докладывались на 16-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн в 1590 г. в г. Харькове; на Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн в 1996 г. в г. Улан-Удэ; на Международном симпозиуме "Проблемы региональных и локальных гео-сфер.чых исследований" в 1997 г. в г. Чите и других конференциях и симпозиумах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 93 страницы, 36 рисунков, 3 таблицы, цитируемых источников - 76.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и основные задачи исследовании, показана ее но-

визна, изложена структура и краткое содержание работы.

В первой главе "Диэлектрическая проницаемость пресного льда в СВЧ-диапазоне" даются теоретические представления и приводятся экспериментальные данные о диэлектрических свойствах льда. Отмечается, что если для пресного льда, льда с малым количеством солей, значение действительной части комплексной диэлектрической проницаемости имеет вполне определенную величину в СВЧ-диапазоне, то для мнимой части экспериментальные данные разных авторов различаются в 10 раз [4]. При использовании данных по диэлектрическим параметрам льда в задачах дистанционного зондирования требуется более точное знание процессов, происходящих в ледяных структурах. На основании обзора литературы сформулированы цель и задачи данного исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов экспериментального исследования льда, применявшися в данной работе. Выбор методов определялся свойствами льда и условиями измерений, когда образцы льда необходимо было исследовать сразу же после их извлечения из ледяного покрова. Для измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости S был использован резонаторный метод при полном заполнении прямоугольного резонатора типа Н:о; исследуемым веществом. Для измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости £ использовался радиометрический метод [4]. В данном методе измерялась интенсивность радиотеплового излучения неба, прошедшего через образец, и интенсивность создаваемая самим образцом. Образцы льда представляли из себя диски диаметром 14 см и толщиной 4 см. В качестве регистрирующих приборов использовались СВЧ-радиометры на длину волны 5,6 см, 2,3 см, 0,88 см и 0,34 см. Для уменьшения отражений на границе лед - воздух измерения производились на вертикальной поляризации под углом, близким к углу Брюстера (61°). Расчёт производился по формуле

, Z^cosS. Т0-Ти

£ --In—1--

2 тй Т0-Тя

где Л - длина волны излучения в свободном пространстве; £ - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости;

тяжения в ледяном покрове озер и др;

г) в возможности использования радиофизических методов измерений параметров разнообразных природных объектов по электромагнитным свойствам льда в других областях, например, в лимнологии, гидрологии, строительстве и др.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ следующие положения:

- экспериментальное подтверждение, что диэлектрические потери чистого льда в коротковолновом участке миллиметровых волн не зависят от температуры;

- результаты по измерению диэлектрических свойств льда из ОгО на частотах от 7 до 90 ГГц;

- экспериментальное подтверждение, что лед с незначительной концентрацией солей имеет гистерезис диэлектрических потерь в СВЧ-диапазоне;

- результаты измерений диэлектрических потерь и радиояркостной температуры ледяных покровов естественных водоёмов с различной концентрацией солей;

- экспериментальные результаты,показывающие, что внешние воздействия влияют на распространение электромагнитных волн в пресном ледяном покрове.

Публикации по работе и ее апробация. По теме диссертации опубликовано 9 работ. Основные результаты работы докладывались на 16-й Всесоюзной конференции по распространению радиоволн в 1990 г. в г. Харькове; на Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн в 1996 г. в г. Улан-Удэ; на Международном симпозиуме "Проблемы региональных и локальных гео-сфериых исследований" в 1997 г. в г. Чите и других конференциях и симпозиумах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Объем диссертации составляет 93 страницы, 36 рисунков, 3 таблицы, цитируемых источников - 76.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и основные задачи исследований, показана ее но-

визна, изложена структура и краткое содержание работы.

В первой главе "Диэлектрическая проницаемость пресного льда в СВЧ-диапазоне" даются теоретические представления и приводятся экспериментальные данные о диэлектрических свойствах льда. Отмечается, что если для пресного льда, льда с малым количеством солей, значение действительной части комплексной диэлектрической проницаемости имеет вполне определенную величину в СВЧ-диапазоне, то для мнимой часта экспериментальные данные разных авторов различаются в 10 раз [4]. При использовании данных по диэлектрическим параметрам льда в задачах дистанционного зондирования требуется более точное знание процессов, происходящих в ледяных структурах. На основании обзора литературы сформулированы цель и задачи данного исследования.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов экспериментального исследования льда, применявшися в данной работе. Выбор методов определялся свойствами льда и условиями измерений, когда образцы льда необходимо было исследовать сразу же после их извлечения из ледяного покрова. Для измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости £ был использован резонаторный метод при полном заполнении прямоугольного резонатора типа Н101 исследуемым веществом. Для измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости £ использовался радиометрический метод [4]. В данном методе измерялась интенсивность радиотеплового излучения неба, прошедшего через образец, и интенсивность создаваемая самим образцом. Образцы льда представляли из себя диски диаметром 14 см и толщиной 4 см. В качестве регистрирующих приборов использовались СВЧ-радиометры на длину волны 5,6 см, 2,3 см, 0,88 см и 0,34 см. Для уменьшения отражений на границе лед - воздух измерения производились на вертикальной поляризации под углом, близким к углу Брюстера (61°). Расчёт производился по формуле

2 тй т0-т/

где Л - длина волны излучения в свободном пространстве; £ - действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости;

I -толщина образца; 8 - угол преломления; Та. термодинамическая температура образца; Тн - температура неба; Тя. измеренное значение радиояркостной температуры. При тщательном выполнении измерений погрешность определения £ не превышала 10%, а при относительных измерениях находилась на уровне единиц процентов.

В третьей главе приведены результаты лабораторных исследований радиофизических характеристик льда. Выполнены измерения £ химически чистого льда на длине волны 0,34 см. Концентрация солей в образце льда составила 7 мг/кг (для сравнения, обычная дистиллированная вода имеет 10 мг/кг). Значение £ для чистого льда оказалось равным 5,6 х Ю-3, в то время как расчетное значение для температурь? -10° С равно 7,6 к 10°. Измерения производились в диапазоне температур -15° С - -0,5° С. В данном диапазоне зависимость £ от температуры не обнаружена.

Выполнены продолжительные наблюдения, в течение трех месяцев, за изменениями £ для льда из дисгиллированной воды и для льда из дистиллированной воды с добавлением солей МШС1, N82504, НаС! в количестве десятков миллиграмм на килограмм. Установлено, что при длительном хранении образцов льда в температурных условиях, близких к природным, наблюдаются изменения £ при изменении температуры (рис.1). В результате имеет место гистерезис электромагнитных потерь £ для всех исследованных примесей. В случае, когда лед близок к идеально чистому, гистерезисные явления уменьшаются. Из трех исследованных солей, использованных в качестве примесей, наиболь-ши электромагнитные потери наблюдались для МШС1, наименьшие для ИагБОд.

Помимо этого, исследовались диэлектрические характеристики льда из тяжелой воды ВгО из тех соображений, что дейтериевая вода является примесью в воде НгО. Измерения выполнены резонаторным и радиометрическими методами в диапазоне 7-90 ГГц. Установлено, что в пределах экспериментальных ошибок микроволновые свойства "тяжелого" и "легкого" льдов совпадают. В результате, нет оснований считать "тяжелый" лед своеобразной примесью, которая может заметно влиять на диэлектрические свойства природного льда.

В четвертой главе представлены результаты исследований естественных ледяных покровов трех озер Читинской области. Свойства

Температура, °С

Рис. 1. Зависимость мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости льда от температуры на частоте 37,5 ГГц. Лед содержит примесь Ь1Н4С1 с концентрацией 100 мг/кг. Последовательность

11 12 1 2

месяц

Рис. 2. Изменение мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости льда на длине волны 0,8 см для слоев ледяного покрова на глубинах 10 см и 40 см с течением времени.

Изменение с течением времени концентрации солей на тех же глубинах. (Озеро Селитряное, 1996-1997 г.)

льда природных объектов часто существенно отличаются от свойств льда приготовленного в лабораторных условиях. Были выбраны три озера с различной концентрацией солей в исходной воде: Арахлей -100 мг/кг; Кенон - 400 мг/кц Селитряное - содовое, 10 г/кг.

Проведены измерения £ и концентрации солей по высоте ледяного покрова, а так же, радиояркостной температуры ледяного покрова. Измерения проводились в течение зимы. Для исследований высверливались керны льда диаметром 14 см, которые затем распиливались на диски высотой 4 см. Эти образцы и использовались для измерений. Измерения выполнены на длинах волн 5,6 см, 2,3 см, 0,88 см и 0,34 см. Из результатов измерений следует, что распределение £ по высоте имеет сложную зависимость. В ряде случаев кривые распределения по высоте имеют экстремумы на некоторой глубине и максимумы вблизи верхней и нижней поверхности льда. Соленый водоем, оз. Селитряное, имеет большее значение £ .

Концентрация солей в ледяном покрове озер менялась в течение зимы, Ледяной покров пресных озер опреснялся и, в середине зимы, при достижении толщины ледяного покрова 1 м, наблюдалось характерное распределение концентрации солей по высоте с минимумом в центральной части ледяного покрова. К концу зимы, с потеплением, концентрация солей в ледяном покрове увеличивалась. Для ледяного покрова оз. Селитряное (с высоким содержанием солей) наблюдалось увеличение концентрации солей в течение зимы. Из сравнения результатов по измерению £ и концентрации солей для оз. Селитряное следует, что концентрация солей в ледяном покрове в продолжении зимы возрастала, а £ уменьшалось (рис.2). Возрастание концентрации солей происходило из-за миграции жидких включений в ледяной покров из жидкой среды, а одновременное уменьшение £ , возможно, связано с тем, что в толще льда накапливаются чисто солевые компоненты, а жидкие включения при низких температурах вымерзают. Этот результат подтверждает вывод, сделанный в работе [4], что значение £ определяется жидкими включениями.

Для тех же участков ледяного покрова, для которых призводились измерения концентрации солей и £ , проведены измерения радиояркостной температуры ледяного покрова на горизонтальной поляризации и угле наблюдения 40°. Как показали результаты измерений, на

длине волны 0,34 см имеются слабые вариации радиояркостной температуры, связанные с шероховатостью поверхности и изменениями термодинамической температуры верхнего слоя. Более значительные вариации на длине волны 0,88 см. Однако и этот диапазон длин волн несет информацию о поверхностных слоях ледяного покрова. Информацию о внутреннем состоянии ледяного покрова можно получить при использовании длин волн 5,6 см и 2,3 см. Радиояркостная температура ледяного покрова оз. Арахлей при достижении толщины льда 70 см становится ниже радиояркостной температуры оз. Кенон, что связано с различием коцентрацин солей в ледяном покрове. Это особенно выражено на длине волны 2,3 см при толщине льда 100 - 120 см (рис.3). Такое своеобразие поведения радиояркостных температур указывает на то, что имеется возможность на длинах волн 2,3 см и 5,6 см дистанционно отличать более соленый лед от менее соленого при систематических наблюдениях.

В главе 4 рассматриваются также перспективы изучения электромагнитных свойств льда. В криогенных структурах происходят не только химические явления, но и разнообразные процессы, связанные с воздействием со стороны природной среды. Результатом таких воздействий может быть появление механических сил, возникающих из-за разнообразных причин: при изменении температуры слоев, при приливных и волновых воздействиях, при фазовых переходах. Регистрация изменений свойств льда при внешних воздействиях может использоваться при разработке новых методик дистанционного определения параметров природной среды.

С целью обнаружения изменения электромагнитных потерь при возникновении механических напряжений и деформаций были выполнены измерения прохождения СВЧ-сигналов в пресном ледяном покрове на частотах 5,3 ГГц и 13,4 ГГц. Непосредственно в лед, в выдолбленные углубления, устанавливались излучатель и приемник на расстоянии 20 - 40 м друг от друга. Измерялись интенсивность прошедшей волны, температура льда и регистрировались подвижки льда. Измерения проводились на различных линейных поляризациях. Наблюдалось десятикратное изменение принимаемой интенсивности сигнала для случая излучения и приема на вертикальной поляризации. Вариации интенсивности можно связать с суточным ходом температуры

Рис. 3. Результаты измерений радиояркостной температуры ледяного покрова озер Арахлей и Кенон с различной концентрацией солей в ледяном покрове. Угол наблюдения 40п, поляризация горизонтальная.

Рис. 4. Записи: а - зависимости изменения мощности сигнала на частоте 5,3 ГГц от времени; б - зависимости от времени деформации контрольного участка длиной 3 м на трассе между передатчиком и приемником.

льда, однако, прямой связи потерь с температурой нет. Наблюдалось изменение знака приращения потерь в зависимости от изменения градиента температуры в верхнем слое ледяного покрова, что свидетельствует в пользу предположения о влиянии механических напряжений на мощность принимаемого сигнала, а не абсолютного значения температуры среды.

Удалось наблюдать непосредственное влияние механических движений льда на частоте 5,3 ГГц на электромагнитные потери (рис.4). При относительном сжатии льда 10'5 наблюдалось уменьшение потерь на 1 дБ. Рассчитанный из экспериментальных данных коэффициент корреляции двух величин - вариаций передаваемой мощности СВЧ- излучения и деформации ледяного покрова - составил 0,7. Можно предположить, что имеется несколько механизмов возникновения вариаций интенсивности принимаемого сигнала. Одна из причин связана с возрастанием потерь во льду при достижении предела текучести, при появлении квазижидких слоев, обладающих большим значением потерь электромагнитной энергии. Другой механизм связывается с проникновением в лед по капиллярам и трещинам воды. Для монохроматического сигнала может возникнуть интерференция при двойном лучепреломлении, вызванном электрической анизотропией при механических напряжениях в среде. Б случае миграции жидкости по капиллярам из-за изменения их объема при медленных сжатиях и растяжениях ледяного покрова возможно обнаружение весьма малых деформаций из-за значительного отличия диэлектрических проницаемостей льда и воды. Поэтому, имеется принципиальная возможность регистрации медленных волновых движений по поверхности водоема, например, приливных волн. Расчеты, на основании простых формул для СВЧ-излучения трехслойной среды, показывают возможность регистрации сжатия и растяжения ледяных полей пресных водоемов методами СВЧ-радиометрии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В данной работе были исследованы некоторые аспекты электромагнитных свойств льда и отмечены дальнейшие направления исследований.

Основные результаты работы следующие:

- впервые исследована температурная зависимость электромагнитных потерь образца чистого природного льда в коротковолновой части миллиметрового диапазона волн (частота 90 ГГц); показано, что фактор потерь не зависит от температуры в интервале температур -15° С - -0,5° С;

- впервые измерены диэлектрические характеристики льда из тяжелой воды в диапазоне частот от 7 ГГц до 34 ГГц; установлено, что диэлектрическая прницаемость льда из тяжелой воды и обычного льда совпадают в пределах ошибок измерений;

- экспериментально подтверждено, что лед с небольшим количеством солей на частотах 37,5 ГГц, 13,5 ГГц и 5,2 ГГц испытывает гистерезис мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости по отношению к температуре при выдержке в течение нескольких суток, при этом исследован лед с примесью солейТМШО, ЫаС1 и ЫагЗОд; наблюдались, приблизительно, двухкратные вариации фактора потерь при одном значении температуры;

- изучена миграция солевых включений в ледяных покровах, изменяющая фактор потерь льда в СВЧ-диапазоне; установлено, что в условиях резко континентального климата при невысоком снежном покрове происходит дополнительное опреснение льда и уменьшение электромагнитных потерь;

- обнаружена миграция солей в верхние слои ледяного покрова для содового озера, причём рост солености сопровождался уменьшением

х мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости, что связано с накоплением во льду чисто солевых компонент и вымерзанием жидких включений;

- впервые показано, что концентрацию солей пресных водоемов, расположенных в одной климатической зоне, можно определять из СВЧ- радиометрических измерений ледяного покрова; в двух сантиметровом диапазоне наблюдалась разница радиояркости ледяных покровов ~ 20 К для водоёмов с концентрацией солей от 100 до 400 мг/л;

- показано, что нестационарные процессы в ледяных структурах могут приводить к изменениям электрофизических характеристик; например, возможна регистрация волновых движений поверхности водоёма, приводящих к появлению механических напряжений во льду.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Влияние механических напряжений на диэлектрические свойства льда на сверхвысоких частотах. - Деп. ВИНИТИ, 1994,- № 1136 - В 94. - От 11.05.94. - 12 с.

2. Бордонский Г.С., Венславский В.Б., Крылов С.Д. Измерение электромагнитных потерь льда на СВЧ// Радиофизика и исследование свойств вещества: Республиканский сб. Министерства образования РФ.-Омск, 1994.-С. 17-21.

3. Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Мониторинг состояния озер по радиотепловому излучению ледяного покрова// География и природные ресурсы.-1994. - № 1. - С. 170-175.

4. Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Распространение СВЧ-излучения внутри пресного ледяного покрова// Тез. докл. Российской научно-технической конференции по дифракции и распространению волн. Улан-Удэ. - 1996. - с. 173-174.

5. Крылов С.Д. Неоднозначность диэлектрических потерь льда, содержащего солевые примеси, на сверхвысоких частотах. - Деп. ВИНИТИ, 1996. - № 2849- В 96. - от 20.09.96. - 14 с.

6. Бордонский Г.С., Крылов С.Д., Рябова Л.Д., Савиных A.M. Влияние механических деформаций на электромагнитные потери пресного ледяного покрова в сантиметровом диапазоне// Исследование Земли из космоса. - 1996. - № 1. - С. 34-39.

7. БордонскийГ.С., Крылов С.Д., Савиных A.M. Возможность регистрации деформации ледяных покровов по их радиотепловому излучению. -Деп. ВИНИТИ, 1997. - № 3490 - В 87. - От 28.11.97. - 12 с.

8. Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Диэлнктрические потери и минерализация ледяных покровов озер Забайкалья. - Деп. ВИНИТИ, 1997. - № 159- В 97. - От 21.01.97. - 16 с.

9. Bordonski G.S., Krylov S.D. Loss factor behavior of fresh-water ice at 13,5 and 37,5 GHz // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - March. 1998. - Vol. 36. - № 2. - P. 678-680.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богородский В.В. Радиозондирование льда. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-63 с.

2. Бордонский Г.С. Электромагнитное излучение криогенных природных сред: Дис____д-ра физ.-мат. наук. - Чита, 1994. - 321 с.

3. Мелентьев В.В., Йоханнессен О.М., Кондратьев К.Я. Бобылев Л.П., Тихомиров А.И. Опыт спутниковой радиолокационной диагностики ледяного покрова озёр: Экология и история // Исследование Земли из космоса. - 1998. - № 2. - С. 91-101.

4. Matzler С., Wegmuller U. Dielecric properties of fresh-water ice at microwave frequencies //J. Phys. D.: Appl. Phys. (UK). - 1987. -P. 1623-1630.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Читинский институт природных ресурсов

На правах рукописи

КРЫЛОВ СЕРГЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕСНОГО ПРИРОДНОГО ЛЬДА НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

01.04.03 - радиофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук, БОРДОНСКИЙ Г.С.

Чита -1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................... 3

ГЛАВА 1. Диэлектрическая проницаемость пресного льда

в СВЧ-диапазоне................................................ 7

Заключение и постановка задачи..........................................24

ГЛАВА 2. Методы экспериментального исследования..............26

2.1. Методы лабораторных измерений.........................26

2.2. Методы измерений параметров льда в условиях, близких к натурным...........................................29

ГЛАВА 3. Лабораторные исследования радиофизических

характеристик льда.............................................36

3.1. Измерения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости чистого льда.........36

3.2. Измерения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости льда, содержащего солевые примеси..............................40

3.3. Диэлектрические характеристики льда, образованного из тяжелой воды (020)...................46

ГЛАВА 4. Изучение естественных ледяных покровов................ 53

4.1. Измерения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости по высоте ледяного покрова................................................53

4.2. Миграция солевых включений

в ледяных покровах............................................60

4.3. Изучение радиояркостной температуры

ледяного покрова................................................65

4.4. Перспективы изучения электромагнитных

свойств льда......................................................73

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.................................84

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА...................................................86

ПРИЛОЖЕНИЕ................................................................87

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................... 88

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕСНОГО ПРИРОДНОГО ЛЬДА НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Изучение поверхности Земли аэрокосмическими методами является эффективным инструментом исследования природной среды. Возможности дистанционного зондирования позволяют оперативно получать громадные объемы информации, а использование СВЧ-диапазона из-за проникающей способности радиоволн, дает возможность производить подповерхностное зондирование [ Арманд и др., 1977,1980; Шутко, 1986]. Вместе с тем имеются трудности в расшифровке данных дистанционного зондирования. Они связаны как с некорректностью обратных задач дистанционного зондирования, так и с недостаточным знанием электромагнитных параметров природных сред. Например, до недавнего времени пресный лед, как объект изучения методами дистанционного зондирования, особого интереса не вызывал из-за представления о нем, как о среде с фиксированным значением диэлектрических характеристик [Warren, 1984]. Под радиозондированием льда понималось дистанционное определение толщины и изучение строения ледяных покровов различных акваторий и ледников [Богородский, Рудаков, 1962; Финкелыптейн, 1984; Ефимов и др., 1990; Богородский, 1968,1975]. Из практических нужд транспортной навигации в арктических морях значительная часть работ была связана с изучением морского льда [ Богородский, Хохлов, 1978; Vant et al., 1978; Hoekstra, 1970]. Однако в последнее время появился ряд работ, позволивших расширить круг задач радиозондирования криогенных объектов [Бордонский, 1990, 1994]. Они основаны на более глубоком изучении электромагнитных свойств льда.

Выяснилось, что криогенные природные объекты являются индикаторами разнообразных природных процессов при СВЧ-дистанционных измерениях [Бордонский и др., 1989,1994; ВоЫопэку а1., 1991; Мелентьев и др., 1998]. Работы по радиозондированию криогенных сред представляют особый интерес для условий России, где практически вся территория находится в зоне отрицательных зимних температур и идут активные криогенные процессы, связанные с сезонным таянием и промерзанием поверхности и подповерхностных объектов. Активные взаимодействия криогенных структур с объектами других геосфер (биосферой, гидросферой и т.д.) приводят , как отмечалось в [Бордонский, 1994], к существенным изменениям электромагнитных свойств мерзлых сред. В них появляются и подвергаются метаморфизму жидкие, твердые и газовые включения, возникает анизотропия кристаллического строения, происходит изменение физических свойств под действием химических, световых и механических сил [ Богородский, Гаврило, 1980; Зыков и др., 1989]. Эти процессы в ледяных объектах в настоящее время изучены недостаточно. Поэтому представляется актуальным продолжение изучения многообразия электромагнитных свойств природного пресного льда.

Цель работы связана с исследованием диэлектрических характеристик пресного льда в природных условиях при воздействиях на криогенные структуры со стороны окружающей среды.

Ставятся следующие задачи:

- дальнейшее изучение электромагнитных свойств чистого льда из Н20 и Б20;

- изучение диэлектрических характеристик льда, содержащего химические примеси;

- исследование процессов, происходящих в природных ледяных покровах, и изменений диэлектрических свойств природного льда с течением времени;

- изучение влияния внешних факторов на электромагнитные свойства ледяных покровов (например, механических напряжений).

Новизна и практическая значимость. Научная новизна исследования связана с изучением:

- диэлектрических потерь чистого льда в коротковолновом участке

миллиметровых волн;

- диэлектрических свойств льда из ОгО на частотах от 7 ГГц до 90 ГГц;

- зависимости диэлектрических потерь загрязненного солями льда

в сантиметровом и миллиметровом диапазонах от времени в лабораторных условиях;

- механизма изменения диэлектрических потерь ледяных покровов природных водоемов от времени;

- влияния внешних воздействий на распространение СВЧ- излучения в пресном ледяном покрове.

Указанные положения выносятся на защиту. Практическая значимость работы заключается:

а) в получении новых данных о радиофизических свойствах льда Ш , в том числе тяжелого льда (ЭгО), что расширяет знание в области физики льда;

б) в возможности получения дополнительной информации из данных радиолокационных и радиометрических измерений о состоянии криосферных образований;

в) в формулировании новых задач дистанционного зондирования, основанных на изучении ранее не известных особенностях поведения диэлектрических характеристик криогенных сред, например, вариациях и гистерезисе электромагнитных потерь, влиянии волн сжатия и растя-жения в ледяном покрове и др.;

г) в возможности использования радиофизических методов измерений параметров разнообразных природных объектов по электромагнитным свойствам льда в других областях, например, в лимнологии, гидрологии, геологии, строительстве и др.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы диссертации

93 стр., включая 36 рисунков, 3 таблицы, цитируемых источников из_76_наименований.

Во введении ставятся цель работы, и дано ее краткое описание.

В первой главе приведен аналитический обзор по диэлектрическим свойствам льда 1Ь (" Диэлектрическая проницаемость пресного льда в СВЧ-диапазоне").

Во второй главе "Методы экспериментального исследования" приводится описание методов измерений диэлектрических характеристик льда в лабораторных условиях и образцов льда в условиях, близких к натурным.

Третья глава " Лабораторные исследования радиофизических характеристик льда" состоит из трех разделов. В первом разделе приводятся результаты измерений электромагнитных потерь чистого льда в коротковолновой части миллиметрового диапазона. Во втором разделе приводятся результаты измерений потерь льда в СВЧ-диапазоне, содержащего солевые включения различного вида. Проведен анализ результатов длительных измерений электромагнитных потерь льда. В третьем разделе изложены результаты лабораторных измерений диэлектрических характеристик тяжелого льда в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

В четвертой главе "Изучение естественных ледяных покровов" на примере пресных ледяных покровов озер Забайкалья выполнено измерение особенностей электромагнитных потерь льда в течение зимнего периода (первый и второй раздел). В третьем разделе на основе полученных данных выполнен расчет радиояркостной температуры, и проведено сравнение с данными натурных измерений радиояркости для трех озер с различной соленостью. В четвертом разделе рассматриваются новые задачи дистанционного зондирования, основанные на изучаемых особенностях поведения электромагнитных свойств льда, наблюдаемых в натурных условиях.

В заключении перечисляются основные результаты, полученные в ходе исследований.

Основные материалы диссертации докладывались на двух международных и иных симпозиумах и конференциях (1984-1997). По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Глава 1. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ

ПРОНИЦАЕМОСТЬ ЛЬДА В СВЧ-ДИАПАЗОНЕ

Дистанционное зондирование земных покровов в СВЧ-диапазоне основано на приеме и анализе интенсивности как собственного теплового излучения, так и отраженного или рассеянного объектом зондирующего сигнала [Богородский, Козлов,1985; Мельник, 1980]. Интенсивность принимаемого радиолокационного сигнала определяется электромагнитными параметрами сред - комплексной относительной

и л. w

диэлектрическои проницаемостью s и комплексной относительной магнитной проницаемостью ju *. Магнитные свойства льда выражены слабо, и его магнитные характеристики можно не учитывать [ Кикоин, 1976]. Комплексную относительную диэлектрическую проницаемость обычно представляют в виде

s*=s'-js", (1.1)

где s' - реальная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости; е" - мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости или фактор потерь. Реальная часть г' характеризует фазовую скорость распространения волны в среде, мнимая часть а" характеризует поглощение электромагнитной энергии в среде. Для описания затухания электромагнитной волны часто используют тангенс угла диэлектрических потерь

= 4 (1.2)

£

В оптическом диапазоне чаще используют комплексный коэффициент преломления

t • п

п = п — jn ,

где П = 47; S' = п'2 - п"2 ; е" = 2п'п".

(1.3)

Лед является кристаллическим телом. Известны десять кристаллических модификаций льда и его аморфное состояние [Богородский, Гаврило, 1980; Маэно, 1988]. Большинство кристаллических модификаций существуют при очень высоких давлениях и наблюдаются только в лабораторных условиях. Обычный лед - это лед с гексагональной упаковкой атомов. Он образуется при замерзании воды при 0° С и давлении 98100 Па. Это так называемый лед Ш.

Лед Ш относится к полярным диэлектрикам. Процесс поляризации в диэлектриках до частот 1010 -1011 Гц носит релаксационный характер, и диэлектрическая проницаемость чистого льда в интервале температур от 0° С до -70° С удовлетворительно описывается дисперсионными формулами Дебая для диэлектриков, состоящих из полярных молекул с одним временем релаксации [Хиппель, 1960; Паундер, 1967; Дебай, 1931]

1+Д2

Л

(1.4)

„ А. £,-£,

S =

А 1 +

ЛУ

(1.5)

где Л - длина электромагнитной волны ; = lim е' -высокочастотный предел е'\ ss = lim е' - значение s' в квазистационарном электромагнитном поле; Л„ = с/- критическая длина электромагнитной волны; с -скорость электромагнитных волн в вакууме; fs - частота релаксации, характеризует вращательную поляризацию полярных молекул. Частота релаксации связана со временем релаксации

1

х - ■

ty, . (1.6)

Температурная зависимость времени релаксации выражается формулой

Е

т = г0ехр/ЙГ', (1.7)

где т0 - постоянная; Е - энергия активации; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура в градусах Кельвина. Значения г0 иЕ находятся экспериментально, и данные работы [Auty, Cole, 1952] считаются наиболее надежными.

Для чистого обычного льда Е = 55,47х 103 Дж/моль и т0 =5,3х 1016 с. Для льда из D2O Е = 56,3 х 103 Дж/моль и r0= 7,7х 1016 с. Идеальный дебаевский спектр для е' и s" изображен на рис. 1.1. Для данного спектра релаксационная частота дисперсии / = 10 кГц при температуре льда -10° С. Высокочастотная относительная проницаемость < = 3 [Moore, Fujita, 1993].

В данной работе рассматривается диапазон частот от 1 до 300 ГГц. В этом диапазоне s' считалась постоянной, не зависящей от температуры и равной 3,17. Однако, как отмечено в работе [ Matzler, Wegmuller, 1987], большинство авторов температурной зависимости s' не замечало, эта зависимость выражена слабо и имеет вид

где Т - в градусах Цельсия. Зависимость е' от температуры усреднена для частот 2,4 и 9,6 ГГц. Аналогичная температурная зависимость для чистого льда обнаружена и японскими исследователями в 1992 году [ ¥щИа, БЫгшбЫ, Мае, 1992].

Такая слабо выраженная температурная зависимость е' наблюдается для льда с малой концентрацией солей. Естественный лед содержит разнообразные примеси. Наличие солей во льду в значительной степени определяет его физические свойства. Соленость образовавшегося льда зависит от солености воды, из которой он образовался, условий его образования и существования. Соотношение между начальной соленостью льда 8, и соленостью воды из которой он образовался, может быть выражена как

3,1884 + 0,00091 Т,

(1.8)

(1.9)

10'

103

105

107 f, Гц

Рис. 1.1. Зависимости действительной части комплексной диэлектричес-

nf - г-"

кои проницаемости £ , мнимои £ и тангенса угла диэлектрических потерь tg c) örчастоты f для льда по теории Дебая. Температура льда -10° С. fr - частота релаксации. [Moore, Fujita, 1993.]

3,35 о 0,620 г/кг /

3,30 * 0,436 г/кг • 0,178 г/кг 1

3,25 о 0,051 г/кг ft Of" л

3,20

3,15 X ^ у ^ А ' /г • « 'о II и ц L^ 0"~TO

> - 1 ■ 1 1

-40

-20

0 t,°C

Рис. 1.2. Зависимость реальной части комплексной диэлектрической проницаемости £ льда с примесью ИаС1 от температуры [Ма1зиока е! а!., 1993].

[ Tucker et al., 1992], где Kc/. - коэффициент, зависящий от скорости роста льда. Однако данная зависимость применялась для морского льда с большой концентрацией солей и не применялась для пресного льда. В естественных условиях концентрация солей во льду и воде имеет самые разнообразные значения. Характерные величины концентрации солей следующие. Средняя соленость мирового океана 34 г/кг, а минимальное значение солености, которая наблюдается в Северном Ледовитом океане, составляет 20 г/кг [ Аллисон, 1984]. В процессе замерзания морской воды соли вытесняются, и лед имеет меньше солей, чем исходная вода. В дальнейшем, в процессе роста ледяного покрова, происходит его опреснение, и содержание солей в морском льду в верхнем слое уменьшается до 5 г/кг, в средней части до 4 г/кг, в нижнем слое до 9 г/кг [Финкелынтейн и др., 1970]. Для сравнения, содержание солей в дистиллированной воде 0,01 г/кг. Соленость воды озера Арахлей, расположенного в Читинской области и непосредственно изучавшегося в данной работе, составила 0,12 г/кг, а вода изо льда этого озера из середины ледяного покрова содержала 0,006 г/кг. То есть в процессе образования, роста ледяного покрова, воздействия переменных отрицательных температур в течение зимы происходит опреснение льда, и минерализация его достигает очень низких величин.

На рис. 1.2 приведены температурные зависимости s' для четырех образцов льда с различной концентрацией соли NaCl [ Matsuoka et al., 1993]. Из рисунка видно, что действительная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости увеличивается при температурах, близких к 0° С, и большей s' обладает лед с большей концентрацией соли. Кроме того, вблизи температуры -21° С наблюдается резкий излом. Эта температура соответствует точке эвтектики раствора NaCl. Такие перегибы, связанные с присутствием солей во льду, наблюдались и ранее в соленом льду [ Богородский, Хохлов, 1970]. Эти перегибы на графиках зависимости s' от Т соответствовали температурам эвтектики растворенных солей. В работе [ Богородский, Хохлов, 1970] обнаружено,

что при замораживании растворов солей даже с очень малой скоростью наблюдается гистерезис е' (рис. 1.3). Этот результат интерпретировался как ошибка измерений из-за больших теплот фазовых переходов. Все эти явления : увеличение е' с увеличением концентрации солей и изломы в области температур эвтектики - объясняются наличием во льду жидких включений, которые при понижении температуры исчезают, а при повышении появляются вновь, причем исчезновение и появление включений может происходить при разной температуре [ Ма1г1ег, 1987]. Необходимо отметить, что все это наблюдалось для льда со значительной концентрацией солей, сравнимой с концентрацией солей в морском льду.

Естественный лед представляет собой поликристалл. Расположение кристаллов во льду определяется процессом его образования и зависит от скорости роста при замерзании воды [ Черепанов, Страхов, 1989; Федотов, Черепанов, 1991; Лед и снег..., 1966] . Вблизи поверхности ориентация кристаллов такова, что их