CC BY
46
УДК 551.321.5 ББК В22
Георгий Степанович Бордонский
доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией геофизики криогенеза, Институт природных ресурсов экологии и криогенеза Сибирского отделения РАН (Чита, Россия), e-mail: [email protected]
Возможность наблюдения механических напряжений в ледяных покровах радиолокационным методом 1
Приведены результаты экспериментов по радиопросвечиванию ледяных покровов в микроволновом диапазоне. Установлено, что при возникновении во льду механических напряжений и пластической деформации в ледяных структурах возникают некогерентные добавочные электромагнитные волны. Их использование позволяет наблюдать тече-ние ледяной структуры. Рассмотрен метод регистрации течения среды с использованием метода двухпозиционной радиолокации.
Ключевые слова: лёд, электромагнитные волны, добавочные волны, пластическая деформация
Georgiy Stepanovich Bordonskiy
Doctor of Physics and Mathematics, Chief of the Laboratory of Cryogenesis Geophysics, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryogenesis,
Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Chita, Russia), e-mail: [email protected]
The Possibility of Observing Mechanical Stress in Ice Covers by the
Radiolocation Method
The article presents the results of the experiments in radiotransparency of ice covers in the microwave range. It is found that at plastic deformation under mechanical stress, there appear noncoherent additional electromagnetic waves in the ice structures. These waves could be used for observing ice structures flowing. The method of two-position radiolocation is considered for registering ice flowing.
Keywords: ice, electromagnetic waves, additional waves, plastic deformation.
Введение
При радиозондировании ледников и ледяных покровов в ряде работ были обнаружены ано-малии их электромагнитных свойств [1; 2]. В статьях [2; 3] было показано, что многие аномалии объясняются возникновением в ледяных телах добавочных электромагнитных волн. Эти волны во льду бывают двух типов - когерентные и некогерентные. Когерентные волны возникают, например, в тонком плоском слое, расположенном между двумя полубесконечными средами, при распространении излучения параллельно границам раздела сред, и возникают вследствие многократных отражений от границ [6]. Некогерентные добавочные волны, как было представлено в [3], возникают из-за рассеяния на неоднородностях, связанных с течением (процессом пластической деформацией) кристаллов по базисным плоскостям. Течение носит прерывистый характер при достижении в среде предела текучести.
Точный механизм рассеяния излучения в среде с механической неустойчивостью ещё не установлен. Предполагается, что он связан с некоторым усилением излучения на неоднородностях, имеющих вид квазижидких плёнок, по которым происходит течение среды.
Цель настоящей работы - обобщить имеющиеся экспериментальные данные и рассмотреть принципиальную возможность регистрации механических напряжений в ледяных покровах радио-локационным методом.
1 Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проект №02-10-00088а). © Г. С. Бордонский, 2012
Экспериментальные данные
Эксперименты по изучению влияния механических напряжений на электромагнитные свойства льда в микроволновом диапазоне проводились нами в работе [5]. Схема эксперимента приведена на рис. 1. В эксперименте радиопередатчик малой мощности и микроволновый радиометрический приемник устанавливали в углублениях ледяного покрова на некотором расстоянии друг от друга. Предполагалось, что суточные изменения температуры воздуха приведут к переменным механическим напряжениям и изменениям электромагнитных потерь, что и было зарегистрировано в этих экспериментах. В двухсантиметровом диапазоне было зафиксировано изменение мнимой части диэлектрической проницаемости, ответственной за поглощение электромагнитной энергии, на значение 0,01 процента.
Рис. 1. Схема расположения аппаратуры для радиопросвечивания ледяного покрова.
О — СВЧ-генератор, И — приёмник излучения, О — датчики деформации льда и температуры
Последующие эксперименты неожиданно выявили высокую чувствительность к медленным волновым воздействиям на прохождение зондирующего сигнала через л!д в конце зимнего периода. Было обнаружено влияние приливной волны (в экстремальный момент в фазе полнолуния) на ин-тенсивность проходящего излучения - рис. 2. Однако не было ясно, почему наблюдалось различие характера сигнала на двух используемых поляризациях. Эффект наблюдали только на горизонтальной поляризации (ГП - для волны с электрическим вектором в горизонтальной плоскости). При этом средняя интенсивность излучения на горизонтальной поляризации была заметно выше, чем на вертикальной (ВП). Излучение в данном эксперименте осуществляли на круговой поляри-зации, т.е. интенсивность сигнала на двух линейных ортогональных поляризациях должна была бы быть одинаковой.
Рис. 2. Измеренная мощность излучения Р (в относительных единицах), прошедшего через ледяной покров на длине волны 2,2 см на двух ортогональных поляризациях:
1 - на горизонтальной; 2 - на вертикальной.
Стрелками отмечены моменты максимумов приливов, соответствующие экстремальным положениям Луны и Солнца для данной местности во время полнолуния Поляризация излучаемой волны — круговая. Время местное
Рис. 3. Регистрация прохождения уединенной волны в ледяном покрове 26.02.98 на длине волны 2,3 см в 10.05 МСК (отмечено стрелкой) по изменению принимаемой мощности излучения.
I’ll - сигнал на горизонтальной поляризации, ВП - сигнал на вертикальной поляризации.
Штриховая линия - сигнал на поляризации 45 (по часовой стрелке от вертикальной).
Мощность Р в относительных единицах
Была предпринята попытка зарегистрировать также относительно быстрые уединённые волны, возникающие при землетрясениях и других импульсных воздействий на водную среду и ледяной покров. Эти эксперименты проводили в сейсмичном районе на льду Баргузинского залива оз. Бай-кал в феврале 1998 г. В один из дней было зафиксировано событие, относящееся к прохождению уединённой волны - рис. 3. Вероятное происхождение волны - разгрузка ледяного покрова от механических напряжений, вызванных тепловым расширением льда в дни потепления. Уединённая волна непосредственно ощущалась по колебаниям ледяного покрова и по сопутствующему звуково-му эффекту в виде сильного гула над акваторией залива. В этом эксперименте также использовали излучение с круговой поляризацией и регистрацию на двух ортогональных линейных поляризациях.
Как и для предыдущего наблюдения (для приливной волны, рис. 2), полученные результаты (рис. 3) не удалось удовлетворительно объяснить. Необычность результатов заключалась в следую-щем. Во-первых, сигнал на I’ll в момент прохождения уединённой волны резко уменьшился, а затем стал медленно нарастать, достигнув исходного уровня. Во-вторых, сигнал на ВП скачком незначительно вырос, при этом сигналы на двух поляризациях практически сравнялись по уровню, а затем сигнал на ВП несколько упал. Если бы возникли разрушения ледяной структуры, можно было бы ожидать одновременного понижения уровней сигнала на двух поляризациях, что не наблюдали.
Качественная теория эффекта
В работах [3, 4] представлены аргументы, объясняющие аномалии электромагнитных свойств ледяных покровов, связанные с представлением о появлении в них когерентных и некогерентных добавочных волн. Когерентные волны, как показали эксперименты, приводят к медленным изменениям общей интенсивности проходящего через лёд электромагнитного излучения, в то время как некогерентные могут быть ответственными как за медленные, так и быстрые вариации суммарной интенсивности излучения. Предполагается, что некогерентные волны возникают на плёнках, где происходит разрыв водородных связей молекул воды в структуре льда и возникает отрица-тельная дифференциальная вязкость среды. Эффект быстрого нарастания деформации хорошо известен для кристаллов льда [7]. Поскольку молекулы воды представляют из себя электрические диполи, можно предположить возникновение отрицательного дифференциального сопротивления таких областей среды. Как известно, токи в цепи с отрицательным сопротивлением могут быть несколько усилены и создать рост интенсивности электромагнитного поля при его переизлучении. Из-за хаотического распределения областей течения кристаллов в объёме ледяного тела возникает некогерентное поле, для которого складываются не амплитуды волн, а их интенсивности.
Однако этот эффект может быть заметен только для среды с ориентированными определённым образом оптическими осями кристаллов льда. Пространственная упорядоченность главных опти-ческих осей кристаллов льда (С-осей) характерна для озерного льда [7], что было подтверждено
для объектов, на которых выполнялись эксперименты [3]. Оказалось, что С-оси, начиная с глубин 20-30 см ориентированы преимущественно вертикально. Это означает, что базисные плоскости кри-сталлов расположены параллельно поверхностям покрова. Известно, что кристаллы льда наиболее легко деформируются путём сдвига вдоль базисных плоскостей [8]. Следовательно, в изучаемых объектах должна была происходить пластическая деформация преимущественно в плоскостях параллельных границам раздела льда с окружающей средой.
Предложенные качественные представления позволяют полностью объяснить наблюдаемые яв-ления в экспериментах по радиолокационному зондированию ледяных покровов. Так, на рис. 2 слабое течение среды (ползучесть) при экстремуме приливной волны также достигало максимума и порождало некоторое усиление сигнала на ГП, так как именно на горизонтальной поляризации вектор электрического поля волны совпадал с базисной плоскостью кристаллов среды. Поскольку экстремумов приливной волны два за сутки - наблюдали два максимума интенсивности электромагнитного поля на ГП. Один суточный экстремум на ВП объясняется естественным ходом изменения свойств льда из-за. вариаций дневной и ночной температуры.
Особенности графиков на рис. 3 объясняются следующим образом. При возникновении в ле-дяном покрове механических напряжений и появлении течения кристаллов среды вдоль базисных плоскостей, сигнал на ГП возрастает по сравнению с сигналом на ВП. В момент разгрузки напряжения из-за. прохождения уединённой волны, течение среды прекращается и сигналы на двух поляризациях выравниваются. Последующий медленный рост интенсивности излучения на ГП определя-ется накоплением напряжений на данном участке ледяного покрова. Небольшой рост сигнала на ВП может объясняться тем, что некоторая часть кристаллов льда ориентирована базисными плоско-стями вертикально. Таким образом, по характеру изменения сигнала можно определять динамику изменения механических напряжений в структурированном льду.
Предлагаемая методика регистрации напряжений
Полученные результаты показывают возможность регистрации механических напряжений в любых ледяных телах с преимущественной пространственной ориентацией С-осей при использовании метода двухпозиционной радиолокации, аналогичного представленной на схеме рис. 1. Ес-ли такая преимущественная ориентация кристаллов известна, то по поляризационным измерениям (лучше на нескольких линейных поляризациях, например на 12-ти, распределённых через 15 градусов) при просвечивании объекта можно наблюдать картину развития течения ледяного тела. Если использовать излучатель, создающий волну на круговой поляризации, то течение будет проявляться в искажениях поляризационной диаграммы мощности.
Детали метода требуют уточнений, так как природные объекты содержат разнообразные примеси - соли, жидкие и газовые включения, а также иметь сложную геометрию и кристаллическое строение. В этих случаях, наряду с поляризационными исследованиями, требуется изучение спек-тральных характеристик, позволяющие выбрать оптимальные длины волн зондирующих излучений. Важным является и знание электрических характеристик включений в лёд, поскольку будет необходима предварительная информация о свойствах такого льда. Для количественного определения напряжений может потребоваться привлечение других методов измерений для калибровки данных.
При использовании предлагаемой методики принципиально возможна и оценка анизотропии кристаллического строения ледяного тела, а также наблюдение динамики развития процесса пластической деформации.
Выводы
Предполагается, что метод радиопросвечивания ледяных тел на основе использования неко-герентных добавочных волн позволяет оценить характер внутренних механических напряжений и течение среды по поляризационным радиолокационным измерениям. По-видимому, измерения возможны не только при двухпозиционной локации, но и при использовании совмещенных в про-странстве приёмнике и передатчике:
Список литературы
1. Богородский В. В., Бентли 4., Гудмансен II. Радиогляциология. Л.: Гидрометео-издат, 1983. 318 с.
2. Бордонский Г. С., Гурулев А. А. Возможные ошибки при интерпретации данных радиозондирования ледяных покровов // Исследование Земли из космоса. 2007. № 4.
С. 3-7.
3. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Крылов С. Д., Орлов А. О., Цыренжапов С. В. Поляризационные аномалии микроволнового излучения и добавочные электромагнитные волны в деформируемых ледяных покровах // Журнал технической физики. 2011.
Т. 81. Вып. 9. С. 93-99.
4. Бордонский Г. С., Гурулев А. А., Крылов С. Д. Влияние температурных напряжений на микроволновые поляризационные характеристики ледяных покровов // Со-временные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2011. Т. 8. № 2.
С.18-25.
5. Бордонский Г. С., Крылов С. Д., Рябова Л. Д.. Савиных А. М. Влияние механических деформаций на электромагнитные потери ледяного покрова в сантиметровом диапазоне // Исследование Земли из космоса, 1996. Т. 14. № 1. С. 33-40.
6. Бреховских JI. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.
7. Паундер Э. Р. Физика льда. М.: Мир, 1967. 192 с.
8. Petrenko V., Whitworth R.W. Physics of ice. Oxford Univ. Press, 2002. 347 p.
Статья поступила в редакцию 21.01.2012 г.
