Диэлектрические характеристики пресного природного льда на сверхвысоких частотах

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 СВЧизлучения 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 льдаб) в возможности получения дополнительной информации из данных радиолокационных и радиометрических измерений о состоянии криосферных образованийв) 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.

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.

— 15° ч—0,5° С;

— впервые измерены диэлектрические характеристики льда из тяжелой воды (БгО) в диапазоне частот от 7 ГГц до 34 ГГцустановлено, что диэлектрическая проницаемость тяжелого 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 солей из 1ЧН4С1, КаС1 и ИагБО^ наблюдались, приблизительно, двухкратные вариации фактора потерь при одном значении температуры;

— изучена миграция солевых включений в ледяных покровах, изменяющая фактор потерь льда в СВЧ-диапазонеустановлено, 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 содовых озер. Рост солености сопровождался уменьшением мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости. Это говорит о том, что происходит уменьшение количества жидких включений во льду и в толще льда накапливались чисто солевые компоненты, а не их растворы;

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

— показано, что нестационарные процессы в ледяных структурах могут приводить к изменениям электрофизических характеристикнапример, возможна регистрация волновых движений поверхности водоема, приводящих к появлению механических напряжений во льду.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА.

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 озёр по радиотепловому излучению ледяного спокрова// 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 — В96. — от 2009.96. — 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. Бордонский Г. С., Крылов С. Д., Савиных A.M. Возможность регистрации деформации ледяных покровов по их радиотепловому излучению. — Деп. ВИНИТИ, 1997. — № 3490-В97. от 28.11.97. — 12 с.

8. Бордонский Г. С., Крылов С. Д. Диэлектрические потери и минерализация ледяных покровов Забайкалья. — Деп. ВИНИТИ, 1997. — № 159-В97. 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. — v. 36. — № 2. — P. 678−680.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Экспериментальные исследования пресного льда в лабораторных условиях позволили изучить его диэлектрические параметры в зависимости от частоты и температуры. До недавнего времени такие измерения считались достаточными для задач радиофизики, в которых лед рассматривался как простая среда с фиксированными значениями элек-троманитных параметров. В последние годы было, однако, установлено, что микровключения в пресном льду оказывают значительное влияние на его электромагнитные потери. При этом особым образом выглядит природный лед, в котором происходит разнообразный метаморфизм включений и, следовательно, изменяются электромагнитные потери. Эти вопросы в настоящее время, как показывает обзор литературы, изучены недостаточно. Поэтому требуется дальнейшее, прежде всего экспериментальное, изучение электрофизических свойств пресного льда, находящегося в природных условиях и подвергающегося разнообразным воздействиям со стороны природной среды (переменные тепловые потоки, миграция вещества, облучение светом, воздействие со стороны биосферы, механические воздействия, антропогенное воздействие и т. д.).

Знание поведения радиофизических характеристик льда необходимо для решения разнообразных задач дистанционного зондирования в метеорологии, гидрологии, экологии, исследованиях состояния природной среды и других задач. Выполненный обзор позволяет сформулировать цель и задачи данного исследования.

Цель данного исследования заключается в изучении диэлектрических характеристик пресного природного льда и процессов, происходящих в естественных ледяных покровах.

Основные задачи исследования следующие:

— 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).

Решению указанных задач и посвящена данная работа.

Глава 2. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ.

Существует большое количество методов измерения диэлектрической проницаемости вещества на сверхвысоких частотах, что определяется наличием разнообразных типов линий передач, возможностью выбора параметров, удобных для измерения, использованием образцов различной формы и т. д. [ Бранд, 1963; Шестопалов и др., 1961; Afsar & а1., 1986]. Выбор методов измерения в данной работе определялся эффективностью методик, свойствами льда и условиями измерений. Особое внимание уделено методам измерений, близких к натурным, когда образцы льда исследуются сразу после их изъятия из изучаемого объекта.

2.1. Методики лабораторных измерений.

Для лабораторных исследований использовались известные методики измерений реальной и мнимой частей относительной диэлектрической проницаемости. Для измерений е' использован резонаторный метод при полном заполнении резонатора исследуемым веществом [Шестопалов, Яцук, 1961]. Резонаторный метод позволяет измерять е' с высокой точностью. При измерениях использовался прямоугольный резонатор типа Нкн, удобный для включения в стандартные волноводные линии. Образцы льда получались либо выпиливанием кусочка льда, либо замораживанием воды в резонаторе. Мнимую часть е" измеряли по ширине резонансной линии.

Точное измерение е" представляет значительные трудности из-за малости значений этой величины для пресного льда. Эффективным методом измерений е" является радиометрический метод, связанный с измерением собственного радиотеплового излучения. Этот метод использован в работах [Ма1г1ег, Wegmuller, 1987; Вогёопэкл, Кгу1оу, 1998].

Схема проведения измерений приведена на рис. 2.1. Измерения выполняются на вертикальной поляризации под углом Брюстера 6>,. При.

Рис. 2.1. Схема измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости льда с использованием радиометра. 1 — металлическая кювета со льдомс! — толщина льдаР — радиометрический приёмник.

Рис. 2.2. Модернизированный метод измерения электромагнитных потерь льда. РСВЧ-радиометр с рупорной антенной- 1 — цилиндрический образец льда высотой с1- Е указывает регистрируемое радиометром направление вектора электрического поля в электромагнитной волне. этом образец льда находится на металлическом листе под открытым небом в дальней зоне антенны радиометра. В данной схеме обязательным является присутствие низкотемпературного фонового излучения, которое создается холодным небом. Угльц и 8 лучей для слабо поглощающих сред связаны соотношением Снеллиуса = (2−1).

Фактор потерь находится из измерений радиояркостной температуры металлической кюветы с образцом и температуры неба Тн:

22).

Ш Т0-Тя где Тя — измеренное значение радиояркостной температуры, То — термодинамическая температура образца.

Относительная ошибка измерений в такой схеме оценивается не более ± 10%. В данном методе измерений предполагается, что интерференционными явлениями можно пренебречь, так как измерения производятся вблизи угла Брюстера, а также используются СВЧ-радиометры с достаточно широкой полосой частот 1 -2 ГГц. В результате имеется возможность измерений малых значений е" для относительно тонких образцов толщиной порядка единиц сантиметров. Регистрирующими приборами являлись модуляционные СВЧ-радиометры, характеристики которых приведены в таблице 1.