Особенности микроволновых свойств льда с солевыми включениями в диапазоне температур ?20? с – ?190? с

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Физика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 53. 096 ББК 22. 3
Ксения Андреевна Щегрина
аспирант,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: lgc255@mail. ru Олег Игоревич Петров аспирант,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: lgc255@mail. ru Сергей Дмитриевич Крылов кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник,
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН
(Чита, Россия), e-mail: lgc255@mail. ru
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: lgc255@mail. ru Oleg Igorevich Petrov Postgraduate Student, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (Chita, Russia), e-mail: lgc255@mail. ru 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: lgc255@mail. ru
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 № 12−02−31 237 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, чемС1. 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& quot- - 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 & lt-¦>-"-'-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. 124 504.
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. 124 504.
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

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой