CC BY
53
УДК 53.096 ББК 22.3
Ксения Андреевна Щегрина
аспирант,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: [email protected] Олег Игоревич Петров аспирант,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: [email protected] Сергей Дмитриевич Крылов кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: [email protected]
Особенности микроволновых свойств льда с солевыми включениями в диапазоне температур -20° С------------------------------190° С 1
Выполнены исследования микроволновых свойств солёного льда с содержанием NaCl, Na2CO3 и природного льда из ледяного покрова оз. Доронинское в диапазоне температур -20° C------190° C. Применялись следующие методики: диэлектрические из-
мерения образцов льда, помещённых в волновод, на частоте 15 ГГц, а также измерение собственного радиотеплового излучения охлаждаемого льда на фоне безоблачного неба на частотах 5 ГГц, 13,5 ГГц и 37,5 ГГц. Впервые получены зависимости действительной е' и мнимой е'' частей относительной диэлектрической проницаемости образцов солёного льда для температур ниже -60° C. Экспериментально определена температура вымерзания жидкости в порах солёного льда -145° C.
Ключевые слова: микроволновая спектроскопия, солёный лёд.
Kseniya Andreevna Shchegrina
Postgraduate Student, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
(Chita, Russia), e-mail: [email protected] Oleg Igorevich Petrov Postgraduate Student, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Chita, Russia), e-mail: [email protected] Sergey Dmitrievich Krylov Candidate of Physics and Mathematics, Senior Reseacher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology,
Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Chita, Russia), e-mail: [email protected]
Features of Microwave Properties of Ice with Salt Inclusions in the Temperature
Range from -20° C to -190° C
The research of the microwave properties of salty ice containing NaCl, Na2CO3 and natural ice from the ice lake Doroninskoye at temperatures ranging from -20° C to -190° C was carried out. We used the following techniques: dielectric measurement of ice samples placed in a waveguide at a frequency of 15 GHz, as well as measuring the radio thermal radiation of ice against a cloudless sky at 5 GHz, 13.5 GHz and 37.5 GHz. Dependences of the real e' and е'' imaginary parts of the relative permittivity of the samples of salted ice for the temperatures below -60° C were found for the first time. The temperature of freezing liquid in the pores of the salty ice was experimentally determined as -145° C.
Keywords: microwave spectroscopy, salty ice.
-'-Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №12-02-31237 и Интеграционного проекта СО РАН №56.
146
© Ш^егрина К. А., Петров О. И., Крылов С. Д., 2013
Введение. Микроволновый диапазон позволяет оценить фазовое состояние жидкости в капиллярах льда, в том числе при содержании в нём примесей в виде солей. При температурах ниже -40° С во льду начинаются процессы перехода жидких включений в новые фазовые состояния, которые могут привести к значительным изменениям диэлектрических свойств образцов [8]. Исследование микроволновых свойств соленого льда является актуальной задачей для решения проблем интерпретации данных дистанционного зондирования поверхности океана и внутренних солёных водоемов в зимний период времени [4]. В соленом льду существуют капилляры, содержащие рассолы, которые оказывают существенное влияние на температуру и время процесса замерзания и таяния льда [9]. Радиофизические методы позволяют «взглянуть» на внутреннее строение таких образцов без непосредственного контакта с ними.
Методы исследования. В работе применялись следующие методики исследования льда: диэлектрические измерения образцов льда, помещённых в волновод, на частоте 15 ГГц, а также измерение собственного излучения охлаждаемого льда на фоне безоблачного неба на частотах 5 ГГц, 13,5 ГГц и 37,5 ГГц. Длина волновода при измерениях составляла 6 и 12 см. Совместное использование вышеуказанных методов позволяет подробно рассмотреть процессы, протекающие в порах образцов льда в лабораторных условиях в диапазоне температур -20° С----190° С.
Образцы помещались в специальные кюветы и охлаждались с помощью паров азота от температуры -20° С до -190° С. После отключения охладителя образец постепенно нагревался до исходной температуры -20° С. Температура измерялась с помощью термопары с точностью 0, 3° С и частотой 100 записей в секунду. Весь цикл охлаждения - нагревания образца занимал 2 ч при волноводных измерениях и до 8 ч при экспериментах по радиометрии. Это связано с тем, что при радиометрических измерениях образцы льда медленнее изменяют температуру из-за их больших размеров.
Образцы льда для исследования извлекались из ледяного покрова содового озера Доронинское (Восточное Забайкалье) в зимний период 2012-2013 гг. Процентное содержание соды (Ма2СОз и МаИСОз) в исходной воде в 3 раза выше, чем ^С1. Образцы с солевыми включениями МаС1 и Ма2СОз изготавливались в лабораторных условиях. Содержание солей в образцах составляло 3 г/кг - 5 г/кг.
Экспериментальные данные. При лабораторных исследованиях образцов льда с содержанием хлорида натрия [7], соды и образцов, полученных из природного льда содового озера До-ронинское (Забайкальский край), со сложным минеральным составом [3] в диапазоне температур -20° СЧ-190° С, были выявлены некоторые особенности прохождения СВЧ-излучения на частотах 5 ГГц; 15,5 ГГц; 37,5 ГГц.
Состав воды и льда оз. Доронинское отличается от морской воды [2], хотя общая минерализация исходных морских вод и вод озера близка к 35 г/кг. Экспериментальные данные о диэлектрических свойствах льда (е' - действительной и е" - мнимой части относительной диэлектрической проницаемости) с содержанием солей при более низких температурах (~ -60° С Ч—190° С) получены нами впервые при диэлектрической спектроскопии образцов, помещенных в волновод на частоте 1=15 ГГц (рис. 1, 2).
Из графика, приведенного на рис. 1 для погонного затухания Ь, следует, что при достижении температуры образца -100° С в его порах еще остается остаточная жидкость, о чём свидетельствует Ь=3,3 дБ/м. Полное вымерзание жидкости зафиксировано при температуре -145° С на частоте 1=15 ГГц. Небольшой перегиб графика при -22° С отмечает точку эвтектики хлорида натрия, который преобладает в составе солей во льду оз. Доронинское. Зависимость диэлектрической проницаемости е' от температуры, приведенная на рис. 2, также свидетельствует о том, что полное вымерзание жидкости достигается при температуре -145° С, когда е' достигает значения 2,4. Ниже этой температуры наклон графика не изменяется. Дальнейшее понижение температуры оказывает меньшее влияние на диэлектрические свойства исследуемых образцов.
Результаты радиометрических исследований образцов льда приведены на рис. 3.
В целом, для двух образцов с разным составом солевых включений температурный ход мощности теплового излучения Р аналогичен. Выявлены некоторые особенности электромагнитных свойств льда с содержанием МаС1. При температуре -22° С зафиксирована точка эвтектики хлорида натрия. Некоторое падение мощности излучения при температуре -80° С, возможно, соответствует точке образования квазижидких плёнок в капиллярах льда [10]. В диапазоне температур -130° С Ч—140° С для образца с хлоридом натрия наблюдается слабо выраженное снижение, а затем увеличение мощности излучения образца, которое также подтверждает возможное изменение
Рис. 1. Зависимость затухания мощности электромагнитного излучения в образце льда (Ь) из ледяного покрова озера Доронинского. Соленость образца Я=3 г/кг. Частота ±'= 15 ГГц. Отбор проб - февраль 2013 г
А <■>"'3,8
3,2 ,/3,5
2,69 2,95
2,2 .,45
С
4.5 4
3.5 3
2.5 2
1.5 1
0,5
0
-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20
Рис. 2. Изменение действительной части относительной диэлектрической проницаемости е' образца льда из ледяного покрова оз. Доронинское. Соленость образца Я=3 г/кг. Частота 1=15 ГГц. Отбор проб -
февраль 2013 г.
фазового состояния жидкости в порах льда, которое может приводить к механической неустойчивости образцов льда под давлением [5; 6].
Выводы. Полученные данные диэлектрической спектроскопии о динамике действительной части относительной диэлектрической проницаемости е' позволяют предположить, что рассол внутри капилляров льда не вымерзает в двухчасовом цикле охлаждения - нагревания образцов, сохраняя жидкую воду до температуры -145° С. Эта температура отмечена в работах [5; 6] как температура механической неустойчивости для льда с содержанием хлористого натрия.
Зависимость диэлектрической проницаемости образцов льда содового озера от температуры совпадает с описанной в литературе для морского льда [1] до температур около -40° С.
Данные радиометрии хорошо согласуются с данными диэлектрических волноводных измерений относительно области температур -140° С Ч—145° С, а также выделяют температуру образования квазижидких плёнок внутри капилляров льда и их вымерзания. Зафиксированные процессы идут
V. V _- ✓ \ \ \ \
\ 1 \ 1 \|
А |\
I
-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0
Рис. 3. Зависимость мощности теплового излучения (в относительных единицах) на частоте 13,5 ГГц от температуры. Сплошная линия соответствует образцу с содержанием хлорида натрия. Пунктирная линия соответствует образцу, изготовленному из ледяного покрова оз. Доронинское. (Февраль 2013 г.) Соленость
образцов Я=5 г/кг
при температурах гораздо ниже эвтектических для солевых включений исследуемого состава.
В условиях Земли экстремальные температуры могут наблюдаться в её холодных областях (Арктика и Антарктида). Также данные об электромагнитных свойствах загрязненного солями льда могут использоваться при дистанционном зондировании других планет, например, спутников Сатурна и Юпитера. Следовательно, полученные результаты о динамике мощности проходящего и собственного СВЧ-излучения представляют интерес для специалистов в области исследования разнообразных криогенных объектов.
Список литературы
1. Богородский В. В., Гаврило В. П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. Л.: Гидрометиздат, 1980. 385 с.
2. Борзенко С. В. Формы сероводорода в минеральных содовых водах озера Доронинское (Восточное Забайкалье) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2009. № 1. Вып.
13. С. 54-57.
3. Гурулёв А. А., Харин Ю. В., Щегрина К. А., Лукьянов П. Ю. Особенности свойств ледяного покрова содового озера на частоте 13,7 ГГц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: ИКИ РАН. 2012. С. 289-293.
4. Репина И. А. Электродинамическая модель излучения арктического ледяного покрова для решения задач спутниковой микроволновой радиометрии / И. А. Репина,
B. В. Тихонов, Т. А. Алексеева [и др.] // Исследование Земли из космоса. 2012. № 5.
C. 29-36.
5. Фатеев Е. Г. Аномально низкая упругость ХаС1-И20 льда при низких температурах // ЖТФ. 2010.Т. 80. № 7. С. 46-52.
6. Фатеев Е. Г. Сверхнизкая упругая стабильность солёных льдов при низких температурах // ЖТФ. 2012. Т. 82. № 6. С. 35-43.
7. Щегрина К. А., Петров А. О., Крылов С. Д. Микроволновые свойства льда, легированного хлористым натрием // Сб. матер. XII Междунар. науч.-практ. конф. Чита. ЗабГУ, 2012. С. 67-70.
8. Щегрина К. А., Петров О. И. Влияние солевых включений на микроволновые свойства льда в диапазоне температур от 0° С до -190° С // Тез. док. VI конф. молодых ученых Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичёва ДВО РАН «Океанические исследования». 15-19 апреля 2013 г. Владивосток: ТОИ ДВО РАН. 2013.
С. 34.
9. Kim J. S., Yethiraj A. The effect of salt on the melting of ice: A molecular dynamics simulation study // The Journal of Chemical Physics. 129. 2009. P. 124504.
10. Xing W., Miranda P.B., Shen Y.R. Surface Vibrational Spectroscopic Study of Surface Melting of Ice // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 86. № 8. P. 1554-1557.
References
1. Bogorodsky V. V., Gavrilo V. P. Led. Fizicheskiye svoystva Sovremennye metody glyatsiologii. L.: Gidrometizdat, 1980. 385 s.
2. Borzenko S. V. Formy serovodoroda v mineralnykh sodovykh vodakh ozera Doroninskoye (Vostochnoye Zabaykalye) // Vestnik KRAUNTs. Nauka o Zemle. 2009 № 1. Vyp. S. 54-57.
3. Gurulev A. A., Kharin Yu. V., Shchegrina K. A., Lukyanov P. Yu. Osobennosti svoystv ledyanogo pokrova sadovogo ozera na chastote 13, 7 GGts // Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa. M.: IYEI RAN. 2012. S. 289-293.
4. Repina I. A. Elektrodinamicheskaya model izlucheniya arkticheskogo ledyanogo pokrova dlya resheniya zadach sputnikovoy mikrovolnovoy radiometrii / I. A. Repina, V. V. Tikhonov, T. A. Alekseyev [i dr.] // Issledovaniya Zemli iz kosmosa. 2012. № 5. S. 29-36.
5. Fateyeva Ye. G. Anomalno-nizkaya uprugost NaCl-H2O lda pri nizkikh temperaturakh // ZhTF. 2010. T. 80. № 7. S. 46-52.
6. Fateyev Ye. G. Sverkhnizkaya uprugaya stabilnost solyonykh ldov pri nizkikh temperaturakh // ZhTF. 2012. T. 82. № 6. S. 35-43.
7. Shchegrina K. A., Petrov A. O. Krylov S. D. Mikrovolnovye svoystva lda, legirovannogo khloristom natriyem // Sb. material. XII Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. Chita. ZabGU, 2012. S. 67-70.
8. Shchegrina K. A., Petrov O. I. Vliyaniye solevykh vklyucheny na mikrovolnovye svoystva lda v diapozone temperatur ot 0° C ai -190° C // Tez. dokl. VI konf. molodykh uchenykh Tikhookeanskogo okeanologicheskogo instituta im. V. I. Ilyichyova: DVO RAN «Okeanicheskiye issledovaniya». 15?19 aprelya 2013 g. Vladivostok. TOI DVO RAN. 2013.
S. 34.
9. Kim J. S., Yethiraj A. The effect of salt on the melting of ice: A molecular dynamics simulation study // The Journal of Chemical Physics. 129. 2009. P. 124504.
10. Xing W., Miranda P. B., Shen Y. R. Surface Vibrational Spectroscopic Study of Surface Melting of Ice // Phys. Rev. Lett.
Статья поступила в редакцию 15.05.2013
