CC BY
4
Радиационно-температурная зависимость воды на миллиметровых длинах волн
С.Н. Гаврилин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет
Аннотация: Экспериментально исследована радиационно-температурная зависимость для пресной воды в интервале температур 30-50 градусов Цельсия. Установлено, что радиационная температура водной поверхности на волнах миллиметрового диапазона определяется исключительно эффективной температурой скин-слоя.
Ключевые слова: радиационная температура, скин-слой, вода, излучательная способность.
Исследования фундаментальных физических процессов взаимодействия излучения с веществом в твёрдом [1-3] и жидком [4] состоянии, процессов энергетического обмена между атмосферой и водной поверхностью, являются чрезвычайно важными с точки зрения понимания законов природного теплового баланса [5] и влияния таких процессов на экологию. Отражательная способность и собственное излучение воды в различных диапазонах длин волн [6] является объектом пристального теоретического и экспериментального изучения [7-8].
Радиационно-температурная зависимость для пресной воды была исследована нами на длине волны 8 мм в интервале температур от 30 ^ до 50°С Использовался абсолютный метод измерения интенсивностей распределённых излучений [9-10]. В качестве антенны применялся рупор с раскрывом 30х30 мм. В волновой зоне рупора, на расстоянии 250 мм, устанавливались излучающие тела, полностью перекрывавшие диаграмму направленности рупора.
Приёмная аппаратура имела чувствительность (флуктуационный порог) 0,2 К при постоянной времени т = 1 сек. При измерениях сигнал регистрировался по отношению к температуре калибровочного эталона,
длительность записи сигнала составляла 1 минуту. В результате, случайная ошибка измерений составляла около 0,03 К, систематическая ошибка определялась погрешностями измерений температур эталонов, которая составляла 0,15 К. Во всех измерениях систематические погрешности оставались одинаковыми.
Калибровка интенсивности принимаемого излучения осуществлялась по собственному излучению абсолютно черного тела [11] при разных температурах. Для этого поглощающее покрытие охлаждалось в морозильной камере до температуры -16°С и устанавливалось перед рупором. После этого оно нагревалось естественным образом до температуры окружающего воздуха. В эксперименте изменение температуры абсолютно чёрного тела равнялось 44 ^ Затем перед рупором вместо поглощающего тела устанавливалась кювета с водой, температура которой измерялась погружённым термометром. Отсчёты при измерении температуры радиоизлучения воды делались относительно уровня излучения чёрного тела, находившегося при 1 = 34°С. Водная поверхность была плоской, не искажённой взволнованностью.
В таблице 1 приведены результаты измерений и теоретических значений измеряемых величин.
Таблица № 1
Результаты измерений и теоретических значений измеряемых величин.
, °г ' воды С п, мм 1-я воды , К (измерено) воды , К -я воды , К (вычислено)
29,9 116,5 164,87 0 163,68
35.5 116 165,48 0,61 166,23
40,3 115,5 166,09 1,22 168,42
50,6 114 167,92 3,05 173,12
п, мм -приращение амплитуды сигнала от воды в мм относительно чёрного тела, имевшего температуру 34 калибровочный множитель:
£=1,22 О / мм.
^я воды , К = А1я воды С С) - ^я воды (30О С)
В эксперименте использовалась пресная вода.
В условиях эксперимента существовала подсветка водной поверхности излучением окружающего фона, включая излучение атмосферы:
Тя воды = Тводы(1 -Я) + ЯТф (*)
Кроме того, рупор имеет достаточно широкую диаграмму направленности и, следовательно, коэффициенты отражения могут отличаться от расчётных для нормального падения. С целью выяснения влияния этих факторов были сделаны дополнительные измерения с металлическим листом. Излучение Tф , отражённое от листа, принималось рупором:
Тч.т. (34 ОС) - Тф = 260 К Тф = 47 К
Заметим, что температура неба в зените была измерена в это время:
Татм(зенит) (27 ±0 ,2) К
то есть, принимается ещё дополнительно 20 K за счёт переотражения окружающего излучения листом.
При температуре воды, равной температуре окружающего воздуха, для яркостной температуры, в соответствии с (*), имеем: Тя воды (35 ОС) = 166К ,
что совпадает полностью с измеренной радиационной температурой. Температурные изменения коэффициента отражения, в соответствии с расчетом, не превосходят (3 ^ 5) •Ю- , поэтому изменение яркостной температуры при нагреве воды не превосходит 0,2- 0,3 ^ что не превосходит погрешности отсчёта уровней сигнала при записи.
В последнем столбце таблицы 1 приведены вычисленные в соответствии с (*), яркостные температуры при реальных измеренных величинах Тф. На рис.1 представлен график отклонений от равновесных радиационных температур воды, измеренных и вычисленных. Из графика видно, что реальная способность собственного излучения воды при нагреве существенно меньше ожидаемой. По результатам проведённого эксперимента можно сделать вывод, что
Рис. 1. - Зависимость отклонения яркостной температуры от температуры нагрева воды (красная линия - теория, синяя - эксперимент). радиоизлучение водной поверхности формируется в тонком приповерхностном слое на границе воздух-вода, скин-слое. На Х= 8 мм толщина скин-слоя воды составляет около 0,3 мм. Вычислим с помощью (*) температуру воды, соответствующую наблюдаемой яркостной температуре собственного излучения.
Измерение радиационно-температурной зависимости проводились в безветренную сухую солнечную погоду при t = 34ОС воздуха. При температуре воды 29,9 ОС эффективная температура скин-слоя оказалась выше (32,5 ОС) за счёт нагрева поверхности.
и
Таблица № 2
Температура воды, соответствующая наблюдаемой яркостной температуре
собственного излучения.
АГЯ ,К
10 8 6 4 2 0 -2
т 1 воды С (1воды С) скин-слой
29,9 32,50 ^ (305,50 ф
35,5 33,84 ^ (306,84 ф
40,3 35,18 ^ (308,18 ф
50,6 39,19 ^ (312,19 ф
29 ,9 35 ,5 40 ,3 5С ,6
4 Ос
4 воды, с
Рис. 2. - Зависимость отклонения яркостной температуры от температуры нагрева воды. Красная линия - для яркостной температуры воды (теория), зелёная линия - для яркостной температуры скин-слоя (теория), синяя
линия - яркостная температура образца (эксперимент). При последующем увеличении температуры воды (выше температуры воздуха) эффективная температура скин-слоя воды повышается медленно. В интервале температур воды:
At воды = 40,3 - 35,5 (°С) эффективная температура скин-слоя растет 0,28 градуса на градус нагрева воды, в интервале:
At воды = 50 - 40 (°C) эта величина составляет 0,4 °C на 1 °C нагрева.
Вывод
Таким образом, радиационная температура водной поверхности на волнах миллиметрового диапазона определяется не температурой воды, измеряемой в приповерхностном слое с помощью любого термометрического измерителя, а эффективной температурой скин-слоя, формируемой под влиянием теплообмена с атмосферой.
Литература
1. Гаврилин С.Н. Бистабильность нелинейной циркулярно-поляризованной волны в антиферромагнетике, помещённом в магнитное поле. Нелинейные волны - 2022 (ХХ научная школа). Тезисы докладов. Нижний Новгород: ИПФ РАН. 2022. С.63-64. URL: nonlinearwaves.ipfran.ru/images/NW-2022.pdf
2. Вукович С., Гаврилин С. Н., Никитов С. А. Нелинейные электромагнитные волны в антиферромагнитной пластине, помещенной во внешнее магнитное поле // ЖЭТФ. 1990. Т. 98, № 5(11). С. 1718 - 1725.
3. Вукович С., Гаврилин С. Н., Никитов С. А. Бистабильность электромагнитных волн в легкоосном антиферромагнетике, помещенном в постоянное магнитное поле. // ФТТ. 1992. Т. 34. № 11. С. 3412-3416.
4. Бубукин И.Т., Станкевич К.С. Измерение отражательной способности и диэлектрической проницаемости воды в плёночном слое морской поверхности в миллиметровом диапазоне // Радиотехника и электроника. 2013. Т.58. №10. С. 660-668.
5. Хайруллин А.Р. Хайбуллина А.И., Синявин А.А. Теплогидравлическая эффективность пористых сред в потоке воздуха и воды при симметричных и несимметричных пульсациях. // Инженерный вестник Дона, 2022, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2022/7561.
6. Машков Ю.А. Дистанционное определение температур естественных поверхностей в инфракрасной области спектра. // Инженерный вестник Дона, 2022. №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7766.
7. Бубукин И.Т., Станкевич К.С. Радиометрия температурной плёнки морской поверхности // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. №11. С.39-55.
8. Бубукин И.Т., Станкевич К.С. Дистанционная диагностика плёночного слоя морской поверхности в инфракрасном диапазоне // Радиотехника и электроника. 2012. Т.57. №10. С. 1089-1098.
9. Klein L.A., Swift C.T. An improved model for the dielectric constant of sea water at microwave frequencies. IEEE Trans. Antennas Propag. 1977. V. AP-25. №1. pp. 104-111.
10. Salmon N. Outdoor Passive Millimeter-Wave Imaging: Phenomenology and Scene Simulation/ IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. №2. pp. 897-908.
11. Dietlein Ch., Popovic Z., Grossman E. Aqueous blackbody calibration source for millimeter-wave/terahertz metrology. Appl. Opt. 2008. №47. pp. 56045615.
References
1. Gavrilin S.N. Nonlinear waves - 2022 (XX scientific school. Abstracts of reports). Nizhny Novgorod, 2022, pp.63-64. URL: nonlinearwaves.ipfran.ru/images/NW-2022.pdf
2. Vukovich S., Gavrilin S. N., Nikitov S. A. ZETP. 1990. V. 98. №5 (11). pp.1718 - 1725.
3. Vukovich S., Gavrilin S. N., Nikitov S. A. FTT. 1992. V. 34, №11. pp. 3412-3416.
4. Bubukin I.T., Stankevich K.S. Journal of Communications Technology and Electronics.2013. № 58. pp. 673-681.
5. Khairullin A.R. Khaybullina A.I., Sinyavin A.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7561.
6. Mashkov Yu.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2022, №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2022/7766.
7. Bubukin I.T., Stankevich K.S. Successes of modern radio electronics. 2006. №11. pp. 39-55.
8. Bubukin I.T., Stankevich K.S. Journal of Communications Technology and Electronics .2012. №57. pp. 1094-1102.
9. Klein L.A., Swift C.T. IEEE Trans. Antennas Propag. 1977. V. AP-25. №1. pp. 104-111.
10. Salmon N. IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2018. V. 66. №2. pp. 897-908.
11. Dietlein Ch., Popovic Z., Grossman E. Appl. Opt. 2008. №47. pp. 5604-5615.
