Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы и постановка задач
1.1. Экологический мониторинг водоемов дистанционным способом 11
1.2. Радиометрические исследования ледяных покровов в СВЧ-диапазоне 16
1.3. Электромагнитные свойства льда 25
Выводы и постановка задач 33
ГЛАВА II. Техника и методика исследования
2.1. Методика измерения комплексной диэлектрической проницаемости резонаторным методом 36
2.2. Методика измерений мнимой части диэлектрической проницаемости радиометрическим методом 39
2.3. Расчетная модель радиотеплового излучения ледяного покрова 43
2.4. Методика измерений радиояркостной температуры 52
ГЛАВА III. Измерения диэлектрических параметров льда содержащего солевые включения
3.1. Лабораторные измерения электромагнитных параметров льда 58
3.2. Измерения диэлектрических характеристик природного льда 65
ГЛАВА IV. Расчет радиояркостной температуры ледяного покрова с малым содержанием солей
4.1. Расчетные зависимости радиояркостной температуры ледяного покрова от основных параметров модели 72
4.2. Расчеты зависимостей радиояркости от углов наблюдения и поляризации 79
4.3. Расчеты влияния снежного покрова, термодинамической температуры, вариаций действительной части диэлектрической проницаемости льда и различных видов солей 81
ГЛАВА V. Исследование радиотеплового излучения ледяных покровов пресных и слабосоленых водоемов
5.1. Результаты измерений радиояркостной температуры ледяных покровов пресных водоемов Забайкалья 91
5.2. Исследование радис теплового излучения оз. Байкал 99
5.3. Задача о восстановлении минерализации вод пресных и слабосоленых водоемов по собственному излучению ледяных покровов 103
Заключение 113
Список литературы 116
- Радиометрические исследования ледяных покровов в СВЧ-диапазоне
- Методика измерений мнимой части диэлектрической проницаемости радиометрическим методом
- Измерения диэлектрических характеристик природного льда
- Расчеты влияния снежного покрова, термодинамической температуры, вариаций действительной части диэлектрической проницаемости льда и различных видов солей
Введение к работе
Загрязнение окружающей среды стало серьезной проблемой человечества. Практически каждый уголок нашей планеты подвержен влиянию деятельности человека. Это коснулось и гидросферы. В связи с данной проблемой актуален вопрос о развитии мониторинга водных объектов — океанов, морей, озер и рек.
На смену классического метода мониторинга водного объекта (непосредственный отбор проб) приходит дистанционный метод аэрокосмического мониторинга. Аэрокосмический мониторинг водоемов позволяет решать радиофизическими методами такие задачи как: определение циркуляции вод океана; определение параметров ветра, волнения и зыби; взаимодействие атмосферы и океана; физические и биологические процессы в водоемах; слежение за перемещением штормов; оценивать биологическую продуктивность; определять источники загрязнения, степень солености морей и океанов и т.д. [37, 50, 51, 53, 75, 91]
Однако радиофизические методы аэрокосмического мониторинга качества вод ограничены при их использовании для пресных и слабосоленых водоемов. Это связано со слабым изменении. коэффициентов отражения (излучения) для электромагнитных волн при низких концентрациях растворенных в воде веществ. Так, точность определения минерализации водоема из космоса, например, по излучательным характеристикам водной поверхности составляет значение порядка 1 г/л [4, 75]. Для пресных водоемов определить минерализацию по радиотепловому излучению воды по данной методике нельзя. Однако определение низких уровней солености вод и загрязнений растворимыми в воде соединениями дистанционным способом представляется весьма актуальным.
В ряде случаев данное затруднение можно обойти. Существуют косвенные эффективные методы дистанционного зондирования некоторых
загрязнений, например, нефтяных пленок, которые подавляют волнение и влияют, таким образом, на рассеяние радиолокационных сигналов [3, 4, 37].
С другой стороны, в зимнее время внутренние водоемы многих стран, таких как Канада, Россия, Финляндия, США и даже Китая, покрываются ледяным покровом. Во вре^я образования ледяного покрова происходит захват солей в лед. Концентрации солей во льду в десятки раз меньше исходной минерализации вод, однако, данные примеси меняют диэлектрические параметры льда, происходит значительное увеличение мнимой части относительной комплексной диэлектрической проницаемости [89]. В этом случае эффективным оказывается метод СВЧ-радиометрии для решения ряда задач, с использованием электромагнитных свойств ледяного покрова как индикатора состояния водного объекта [23, 25, 26, 32]. Таким образом, лед может служить косвенным, но эффективным индикатором состояния окружающей среды.
Спектральные измерения радиояркостной температуры ледяного покрова позволяют получатЕ информацию о толщине ледяного покрова, наличии снега, газовых включений и т.д. Однако работ, посвященных влиянию малых концентраций солей в ледяном покрове на радиотепловое излучение системы лед-вода, нет.
Из вышесказанного следует, что исследование электромагнитных свойств ледяных покровов пресных и слабосоленых водоемов, изучение влияния малых концентраций солей на радиотепловое излучение ледяного покрова и изменчивости параметров радиотеплового излучения в течение зимнего периода в настоящее время является актуальным.
Целью работы является исследование радиотеплового излучения ледяного покрова, содержащего малые количества солевых включений, в СВЧ-диапазоне при их концентрации от 2 до 100 мг/кг (что соответствует минерализации исходных вод от 100 мг/л до 5 г/л).
Ставятся следующие задачи исследования;
изучение электромагнитных свойств льда, содержащего солевые включения в малых количествах в СВЧ-диапазоне;
исследование радиотеплового излучения ледяного покрова пресных и слабосоленых водоемов в зависимости от концентрации солей, толщины, угла наблюдения и поляризации на частотах от 1 до 100 ГГц;
исследование факторов, влияющих на радиотепловое излучение ледяных покровов, таких как снежный покров, примеси органического происхождения, вариации термодинамической температуры и коэффициентов отражения на границах сред;
сопоставление теоретической модели радиотеплового излучения ледяного покрова с данными натурных измерений;
выработка рекомендаций для разработки методики измерения минерализации пресных, и слабосоленых водных объектов с концентрацией солей в воде от 100 мг/л до 5 г/л по радиотепловому излучению ледяных покровов.
Для решения поставленных задач использовались различные методы физических исследований, что позволило достаточно полно определить совокупность свойств исследуемого объекта. В данной работе были выполнены: экспериментальные исследования диэлектрических параметров льда, как природного происхождения, так полученного в лабораторных условиях, содержащего малые количества солей; расчеты радиояркостнои температуры на основе слоисто-неизотермической модели; исследовано радиотепловое излучение ледяных покровов естественных водоемов с различной минерализацией; найдены оптимальные условия для радиофизических измерений солености вод по состоянию ледяного покрова. Были проведены натурные измерения радиояркостнои температуры ледяного покрова радиометрами на длинах волн 2,3; 5,6; 18 см на озерах Читинской области, оз. Байкал и дельты реки Селенги, имеющих различную минерализацию исходных вод. Полученные экспериментальные данные радиояркостнои температуры хорошо согласуются с расчетными данными.
7 Основные защищаемые положения
экспериментально показанное влияние различных видов солей во льду (NaCl, KI, морская соль, Na2S04) на диэлектрические свойства льда в СВЧ-диапазоне в интервале концентраций 2 мг/кг - 100 мг/кг;
теоретические и экспериментальные доказательства того, что по радиотепловому излучению ледяного покрова можно судить о минерализации пресных и слабосоленых водоемов, а также определять относительную минерализацию вод водоемов одного региона;
вычисленные и экспериментально определенные оптимальные параметры наблюдения: длины волн, углы зондирования и виды поляризации, необходимые для оценки степени минерализации водоема;
установленные ограничения радиометрического метода определения минерализации исходных вод, связанные с влиянием толщины снежного покрова и включений во льду органического происхождения;
рекомендации по созданию системы мониторинга пресных и слабосоленых водоемов с использованием измерений на одной частоте и двух ортогональных поляризаций в средней части сантиметрового диапазона.
Практическая ценность работы заключается в том, что
показано влияние различных видов солей на диэлектрические свойства льда и радиояркостную температуру ледяного покрова пресных и слабосоленых водоемов на частотах 1 — 100 ГГц;
выполнены расчеты радиояркостной температуры ледяного покрова пресных и слабосоленых водоемов в зависимости от минерализации льда, толщины, угла наблюдения, поляризации и частоты;
экспериментально показана зависимость радиояркостной температуры от концентрации солей во льду;
предложены рекомендации по разработке методики определения концентрации солей в воде водоема в зимнее время по собственному
радиотепловому излучению ледяного покрова пресных и слабосоленых водоемов, что представляет особый интерес для условий России.
Научная новизна и теоретическая значимость работы состоит в следующем:
- рассмотрена новая задача микроволновой радиометрии в области
і радиофизики; і
теоретически исследовано радиотепловое излучение ледяного покрова, содержащего различные концентрации солей, в диапазоне частот 1-100 ГГц при различных углах визирования, для двух линейных поляризаций (горизонтальной и вертикальной), для различных толщин ледяного покрова;
экспериментально исследовано радиотепловое излучение ледяного покрова в микроволновом диапазоне пресных и слабосоленых водоемов с различной минерализацией исходных вод;
получены дополнительные данные о диэлектрической проницаемости льда, содержащего различные виды солей.
О достоверности полученных данных можно судить по
совпадению значений радиояркостных температур, полученных расчетным и экспериментальным методами;
большим количеством полученных расчетных и экспериментальных данных с использованием различных методик и методов измерений; Основное содержание диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 125 страниц, в том числе 62 рисунка. Список использованной литературы содержит 97 работ.
Во введении раскрывается актуальность исследования, перечислены цели и задачи работы, основные результаты, а также приведен краткий обзор работы.
В первой главе дан обзор литературы и сформулированы задачи исследования, которые направлены на широко распространенный природный криогенный объект, как ледяной покров пресных и слабосоленых водоемов.
Во второй главе описаны методики экспериментальных исследований диэлектрических свойств льда в СВЧ-диапазоне, представлена радиофизическая модель для расчетов радиояркостной температуры ледяного покрова, методики измерения теплового излучения естественного ледяного покрова в дециметровом и сантиметровом диапазонах.
В третьей главе приведены экспериментальные значения комплексной
диэлектрической проницаемости льда, содержащего различные
концентрации солей. Измерения выполнены для различных типов солей - это такие соли, как хлористый натрий, йодистый калий, морская соль и сульфат натрия.
Выполнены измерения диэлектрических потерь ледяного покрова на разных горизонтах. Показана корреляция диэлектрических потерь с концентрацией солевых включений во льду.
В четвертой главе приведены результаты расчетов радиояркостной температуры на различных длинах волн в СВЧ-диапазоне. Расчеты выполнены для разных толщин ледяного покрова, для разных углов наблюдения, для двух линейных поляризаций (горизонтальной и вертикальной) в зависимости от концентрации солевых включений во льду. При вычислениях учитывается вертикальное распределение температур в ледяном покрове.
Выполнены оценки влияния на приращение радиояркостной температуры такого фактора, как снег на ледяном покрове, вариаций термодинамической температуры и действительной части диэлектрической проницаемости льда.
В пятой главе приведены значения радиояркостной температуры в сантиметровом диапазоне, полученные на пресных озерах Забайкалья, оз. Байкал и дельты реки Селенги обладающих различной степенью
минерализации. Показано, что озера, имеющие более высокую минерализацию, имеют и большее значение радиояркостной температуры.
В заключении сформулированы основные результаты работы и сделаны выводы по диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на: Всероссийской научной конференции «Устойчивой развитие: проблемы охраняемых территорий» традиционное природопользование в Байкальском регионе» в г. Чите (1999); Третьей Верещагинской байкальской международной конференции в г. Иркутске (2000); Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами» в г. Муроме (2001); Третьей Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» в г. Москве (2001); XX Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» в г. Н. Новгород (2002); Всероссийской научной конференции студентов физиков-9 в г. Красноярске (2003); Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование поверхности Земли и атмосферы» в г. Иркутске (2003); Международном симпозиуме «Изменение климата и окружающей среды Центральной Азии» в г. Чите (2003); Второй всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» в г. С.-Петербурге (2004); Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии» в г. Москве (2004); Всероссийской научной конференции «Распространение радиоволн» в г. Йошкар-Оле (2005); Третьей конференции геокриологов России в г. Москве (2005).
По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Радиометрические исследования ледяных покровов в СВЧ-диапазоне
Основные направления в развитии радиозондирования льда до 90- годов прошлого столетия, в основном, связаны с измерением толщины ледяного покрова, картированием ледников, изучением их внутреннего строения ледников, исследованием ледовой обстановки, определением возраста льда [1, 8, 9, 13, 56, 83, 95]. Большое развитие получили исследования, связанные с морским льдом и снегом [81, 88]. Радиозондированием пресного ледяного покрова, как правило, занимались с целью определения его толщины [95].
В первых работах по радиометрии морского льда были показаны возможности определения его толщины в дециметровом диапазоне по одночастным или двухчастотным измерениям. Так в работе [95] приводятся расчетные и экспериментальные данные по радиояркостной температуре морского льда с различной степенью минерализации в зависимости от толщины ледяного покрова. На рисЛ.З., приведена трассовая запись, на расстоянии 1000 метров, радиояркостной температуры морского льда. Измерения выполнены на частоте 610 МГц. График вверху соответствует толщине льда по этой трассе. Как следует из экспериментальных данных, наблюдается изменение значений радиояркостной температуры. Вариации теплового излучения по трассе авторы относят к вариациям толщины ледяного покрова.
К сожалению, авторы не приводят данные по солености льда, по его плотности, наличии снежного покрова, особенностям структуры льда. На рис. 1.4. приведены расчетные значения радиояркостной температуры ледяного покрова на частоте 500 МГц [83] для двух типов льдов с соленостью 0,5 г/кг и для чистого льда в зависимости от его толщины при узкополосном приеме.
Как видно из представленного графика, вследствие интерференции электромагнитной волны, есть осцилляции значения радиояркостной температуры. Из графика также видно, что наличие соли в ледяном покрове приводит к увеличению мощности теплового излучения. Разность значений радиояркостных температур для двух льдов, чистого и с исходной минерализацией 500 мг/кг, достигает 80 К. Повышенное значение мощности теплового излучения соленого льда обусловлено наличием жидкой фазы внутри ледяного покрова. При расширении полосы принимаемого сигнала интерференция может быть существенно ослаблена [67], от толщины с исходной соленостью 500 мг/кг и для чистого льда [83]. Кроме того, для морского льда были выявлены спектральные особенности , связанные с природой льда, его возрастом, степенью солености и микроструктурой [6, 8, 9, 56].
Как известно молодые льды с толщиной несколько дециметров имеют повышенное влагосодержание и соленость. С увеличением возраста льдов содержание влаги и соленость снижаются. В верхних слоях многолетних льдов наблюдается увеличение содержание пузырьков воздуха. Содержание воздуха может достигать значений 100 см3/кг. За счет пузырьков наблюдается эффект рассеяния излучения на неоднородностях. В связи с чем, наблюдается различие значений радиояркости молодых и многолетних льдов. Определять толщину морского льда, а, соответственно, и его возраст, в микроволновом диапазоне возможно до нескольких дециметров, т.к. радиояркостная температура однолетнего льда достигает максимального значения на длинах волн 0,8 - 8,0 см при толщине 50 - 70 см [9].
Что касается пресного льда, то его долгое время считали монолитным льдом с постоянными по высоте электрическими характеристиками. Однако пресный ледяной покров оказался сложным и довольно интересным объектом для дистанционного зондирования РСА и СВЧ-радиометрическими методами, что было показано в работах последних десятилетий [2, 10, 45, 58, 60,61,76].
Так в работах [2, 58] показаны возможности изучения пресных водоемов по РСА-изображениям. По данным изображениям можно судить о начале замерзания водоемов, определять границу распространения льдов, выделять границы различной торосистости и разрывов. В работе [58] выявлена следующая особенность: в весенний период происходит значительное уменьшение контраста между ровным и торосистым льдом и на заключительной стадии таянил льда невозможно выделение торосов по РСА-изображениям.
Одной из новых задач радиометрии ледяных покровов пресных и слабосоленых водоемов, как это было продемонстрировано в [31], является поиск газирующих объектов по захваченным в лед пузырькам газа. В работе [31] рассмотрены микроволновые излучательные характеристики пресного ледяного покрова, содержащего газовые включения. По мнению авторов, если газовые включения равномерно распределены по всему объему ледяного покрова и эти включения много меньше длины волны излучения, то радиояркостная температура ледяного покрова будет меньше, чем у ледяного покрова, не содержащего газовые включения. В случае, накопления газов на нижней границе лед-вода наблюдается повышение радиояркостной температуры до 10 К и более в зависимости от толщины этого переходного слоя. Максимальный эффект для такой структуры наблюдается в коротковолновой части сантиметрового диапазона.
Если же газовые включения соизмеримы с длиной волны, то в зависимости от толщины льда и типов газовых включений в ледяном покрове значение радиояркостной температуры будет различным. По расчетам [80] получена зависимость радиояркостной температуры ледяного покрова, содержащего сферические рассей вател и в виде газовых пузырьков, от толщины льда. График данной зависимости показан на рис. 1.5. Как видно из графика, значение радиояркостной температуры ледяного покрова, содержащего газовые включения, до определенной толщины имеет большее значение, чем у льда без газовых включений.
Методика измерений мнимой части диэлектрической проницаемости радиометрическим методом
Этот метод для осуществления обмера одного керна (при его длине до 1,6 м) требует времени около одного часа. За это время, если температура воздуха значительно отличается от температуры льда, образцы заметно изменяют свою температуру.
Поэтому для быстрого получения информации о распределении потерь льда использована модификация радиометрического метода, при измерениях собственного излучения образца на фоне холодного неба — рис. 2.5.
В модифицированном методе только что изъятый керн располагается горизонтально. Через его тело СВЧ-радиометр ориентируется вертикально. Керн передвигается вдоль горизонтальной оси и неподвижного радиометра. Измеряемый сигнал пропорционален мощности потерь в керне в локальной области, облучаемой антенной, поскольку геометрия системы неизменна. Вблизи концов керна измерения не проводятся. Полученные значения калибруются. Для этого керн распиливается в определенном месте и плоский диск обмеряется по обычной методике. То же производится к концевыми участками керна.
Образцы льда брались либо из ледяных покровов пресных водоемов, либо изготовлялись в лабораторных условиях. Соленость льда определялась кондуктометрическим способом, с помощью прибора DIST 1 (пр-во Германия) точность определения составляет 0,5 мг/кг. Для расчетов радиояркостной температуры слоистых природных объектов существуют различные модели [10]. К таким моделям относятся: 1. Однородные модели — это излучающее электрически и геометрически однородное полупространство с гладкой границей. 2. Модели с поверхностными электрическими неоднородностями. К таким моделям относятся: плоская фигура на плоском излучающем полупространстве; система плоских фигур на плоском излучающем слое. 3. Модели с электрическими неоднородностями внутри слоя. Это модели, имеющие слоистую структуру со следующим законом изменения диэлектрической проницаемости: со ступенчатообразным законом; с монотонным законом ее изменения; с комбинированным законом изменения величины; со случайным законом изменения диэлектрической проницаемости. 4. Модели с геометрическими неоднородностями на границе. К таким моделям относятся модели, имеющие следующие структуры: слоистая структура с верхней шероховатой границей; слоистая структура с двумя шероховатыми границами; модели с внутренними геометрическими неоднородностями; излучающий слой с внутренними пустотами; сочетание излучающего однородного слоя и излучающего полупространства с внутренними пустотами, например модель, которая имеет и геометрическую и электрическую неоднородность.
Пресный ледяной покров можно рассматривать как неизотермическую слоистую структуру. Использовать модель льда, имеющую однородную структуру для всех случаев нельзя по следующим причинам. Температура ледяного покрова меняется по высоте. Верхние слои имеют температуру близкую к температуре воздуха, при малой толщине снежного покрова, а нижние слои имеют температуру близкую к температуре фазового перехода лед-вода. Кроме того, диэлектрические свойства ледяного покрова меняются по высоте, особенно при таянии льда. Это связано как с температурой, так и с захватом солей и различных примесей, имеющихся в водоеме. Как правило, наблюдается послойное распределение примесей [55].
Поверхность ледяного покрова можно считать ровной для сантиметрового диапазона [15]. Размеры неровностей много меньше длины волны Л, а размеры излучающего тела, напротив, гораздо больше X. Это касается как нижней границы раздела лед-вода, так и верхней границы снег-лед. Поверхность снега тоже можно считать в сантиметровом диапазоне ровной.
В работах [48, 49] разработан метод расчета теплового излучения слоисто-неоднородных неизотермических сред для произвольного угла наблюдения и типа поляризации. В данном методе учитывается поглощение излучения в каждом слое, интерференция волн при переходе из одной среды в другую из-за отражения волн на границах двух сред. Расчет радиояркостной температуры этим способом наиболее полно отражает реальную картину излучения.
Более конкретно метод заключается в следующем. Структура излучающей системы состоит из конечного числа горизонтальных слоев с плоскими границами. Каждый слой имеет свою температуру, свое значение действительной и комплексной диэлектрической проницаемости, толщину. Схематическое представление излучающей структуры вода-лед приведено на рис, 2.6. На рис. 2.7. представлен ход лучей в j-слое. Формула для расчета радиояркостной температуры слоисто-неоднородных неизотермических сред имеет следующий вид [49]. Для горизонтальной поляризации где N - количество слоев, Tj - температура каждого слоя, Z} - волновое сопротивление (импеданс) с диэлектрической проницаемостью eJt нормированное на волновое сопротивление свободного пространства коэффициенты отражения волны на нижней и верхней границе j -го слоя соответственно, Wj - коэффициент прохождения по амплитуде электрического поля от внутренней стороны верхней границы слоя j на границу среды.
Измерения диэлектрических характеристик природного льда
С учетом того что, геометрическая форма, а соответственно и площади металлического листа, и поверхности воды в калибровочной яме равны, получаются равными и фоновые температуры (Тф) при измерении неба и радиотеплового излучения воды. Также при калибровке антенны и радиометров их термодинамическая температура не меняются, поэтому 7 температура, связанная с потерями антенны остается постоянной.
Из этих соображений можно найти температуру ледяного покрова, которая будет определяться по формуле где выходные напряжения с СВЧ-радиометров соответственно равны и , - ПРИ измерении воды; идьда - при измерении ледяного покрова; UHI,ria -при измерении отраженного сигнала неба от металлических листов. Высота расположения радиометров от поверхности ледяного покрова составляет 220 см. Тогда расстояние от измеряемой поверхности ледяного покрова до антенн радиометров для углов 30 , 45 , 60 будут равны 250 см, 310 см, 440 см соответственно. Для определения погрешности калибровки были осуществлены измерения с разными площадями измеряемой поверхности. На длине волны 5,6 см при уменьшении площади металлической поверхности до 2,15 м (уменьшение площади в 6 раз) радиояркостная температура ледяного покрова изменилась на 0,9 К. При изменении положения автомобиля относительно калибровочного места в пределах сантиметра значение радиояркостной температуры ледяного покрова не менялось. При изменении высоты положения радиометров ±50 см над калибровочной поверхностью, значение радиояркостной температуры не менялось в пределах флуктуационной чувствительности радиометров. Для выявления влияния снежного покрова применялась эта же методика, только первоначально определялась антенная температура ледяного покрова со снегом, а затем без снега. Снежный покров удалялся по тем же размерам что и размеры металлических листов. На рис. 2.12. показана фотография процесса калибровки СВЧ-радиометров. Данный метод измерения позволяет определять значение радиояркостной температуры ледяного покрова с достаточной точностью. Точность абсолютных измерений считалась не хуже ± 1 К. Погрешность относительных измерений при неизменном геометрическом положении аппаратуры равна погрешности измерения СВЧ-радиометров. Как показали калибровочные измерения миллиметровый диапазон чувствителен к состоянию поверхности. Кроме того, из-за больших потерь во льду наблюдалось быстрое насыщение мощности излучения от толщины покрова. Поэтому при измерениях радиояркостной температуры использованы, в основном, радиометры сантиметрового и дециметрового диапазонов. Основные результаты во второй главе следующие: 1. Выбрана оптимальная модель для расчета радиотеплового излучения ледяного покрова. 2. Уточнены методики измерения диэлектрических потерь льда. На частотах порядка единиц гигагерц использован резонаторныи метод измерений, а на более высоких частотах — радиометрический метод измерений на просвет. 3. Выбраны длины волн измерений радиояркостной температуры для конкретной задачи, они составили: 2,3 см; 5,6 см; 18 см. Длины волн 0,34 см и 0,88 см малопригодны для исследования влияния солей для типичных толщин ледяного покрова в зимнее время. Измерению диэлектрических свойств льда, содержащего малые концентрации солей посвящена данная глава. В диапазоне частот 3 — 5 ГГц измерения льда проводились в прямоугольном резонаторе. Измерения были выполнены в интервале температур -60 - 0С. На длинах волн 0,34; 0,88; 2,3; 5,6 см, что соответствует частотам 88, 34, 13, 5,3 ГГц, измерения проводились радиометрическим способом в открытом пространстве. Исследовано распределение электромагнитных потерь ледяного покрова по высоте. Изучались различные соли: хлористый натрий, морская соль, сульфат натрия, йодистый калий. Выбор данных солей обусловлен следующим. Хлористый натрий является распространенным химическим соединением, хорошо растворимым в воде. Морская соль также содержит много хлористого натрия. Представляет интерес сравнить данные для этой соли и ее смеси с другими солями. Сульфат натрия распространенная в природе соль. Ее особенность заключается в том, что она имеет температуру эвтектики вблизи 0С, т.е. при больших концентрациях в растворе она при охлаждении достаточно быстро превращается в кристаллогидрат, для которого электромагнитные потери о.кидаются существенно меньшими, чем для раствора соли. Йодистый калий не встречается в больших количествах в природных водах. Однако в работе [76] сообщалось о том, что некоторые соединения йода, например NalOs, при определенных условиях вместо того, чтобы выбрасываться изо льда, накапливаются в нем в концентрациях, превышающих концентрацию в исходной воде. С этой целью и была выбрана йодистая соль в виде йодистого калия.
Расчеты влияния снежного покрова, термодинамической температуры, вариаций действительной части диэлектрической проницаемости льда и различных видов солей
Это результат можно объяснить увеличением концентрации жидкой фазы по высоте ледяного покрова. В нижних слоях ледяного покрова концентрация жидкости по измерениям с центрифугированием имела значение 4%. Большой объем жидких включений во льду обусловлен большой концентрацией солей и большим значением температуры льда в нижним слое по сравнению с верхним слоем, т.е. в верхних слоях происходит процесс вымораживания солевых включений.
Неоднородность распределения є" по высоте появляется с первыми признаками таяния льда. Это явление характерно не только для соленых и слабосоленых водоемов, где соль может мигрировать из воды в покров, но и для водоемов с ультрапресной водой, например, на оз. Байкал. В одном из экспериментов в апреле 2001 г. Вблизи пос. Листвянка на юге оз. Байкал выполнялись трассовые измерения радиояркостнои температуры на длинах волн 2,3 см и 5,6 см. При их выполнении были обнаружены участки, где радиояркостная температура возрастала на 30 — 40 К от среднего значения. На участках, где наблюдалось такое повышение, проведены замеры значения мнимой части относительной комплексной диэлектрической проницаемости и ее распределения по высоте. Результаты измерений для двух областей ледяного покрова с максимальной и минимальной радиояркостными температурами приведены на рис. 3.8.
Как видно из рис. 3.8. наблюдается характерный минимум є" в средней части ледяного покрова. Участок льда с повышенной радиояркостнои температурой имел более высокие значения электромагнитных потерь льда. Это связывается с началом таяния льда, которое начинается как с верхних слоев льда, так и с нижних слоев ледяного покрова.
Как показали исследования капиллярной воды, полученной при помощи центрифугирования в начальный период таяния льда в ней кроме солей водоема имеются и растворимые формы кремния. Их концентрация в капиллярах достаточно велика и может достигать единиц мг/л. Однако общая концентрация Si во льду обычно на два порядка меньше, поэтому соединения кремния не влияют существенно на диэлектрические потери льда.
Каковы же причины начала таяния участков льда пресноводных водоемов и неравномерности их распределения по акватории водоемов? Для ответа на данный вопрос проведены сравнительные измерения фактора потерь (который в микроволновом диапазоне для льда совпадает с мнимой частью относительной диэлектрической проницаемости) для мезотрофных и сильно эвтрофированных водоема. Для последнего во льду характерно присутствие некоторого количества органического вещества, которое представляет из себя захваченные в лед планктонные организмы и продукты их жизнедеятельности. Концентрация органического вещества определялась методом перманганатной окисляем ости. Результаты исследования в виде спектральной зависимости от длины волны для фактора потерь приведены на рис. 3.9. В данных экспериментах измерения проводились на четырех длинах волн, в том числе, на волне 0,34 см.
Измерения выполнены для льда, образованного в плоских кюветах, из воды двух водоемов, а также из воды керна льда, полученной после растапливания керна. Зависимость мнимой части относительной комплексной диэлектрической проницаемости от длины волны. Кривая под номером 1 соответствует льду с концентрацией соли порядка 10 мг/кг; 2 - соленость льда 100 мг/кг; 3 - лед с концентрацией солей 200 - 300 мг/кг и с концентрацией органического вещества 300 мг/кг. Сравнение данных рис, 3.9. показывает, что наличие во льду включений из органического вещества приводит к росту є" приблизительно соответствующему массе соли, равной массе органики. Действительно, если найти приращение, соответствующее 100 мг соли в кг льда Д, = e"(S = ЮО.мг) -e (S = Омг), а далее найти отношение е = 600л/г). то он0 оказывается приблизительно равным 6, т.е. равно отношению масс примесей для двух льдов. По данной главе можно сделать следующие выводы: 1. Наличие малых концентраций солей во льду (2 мг/кг — 100 мг/кг) практически не влияет на действительную часть комплексной диэлектрической проницаемости. 2. При увеличении концентрации солей в ледяном покрове при малых ее значениях происходит увеличение мнимой части относительной комплексной диэлектрической проницаемости. При этом не наблюдается скачка є" при охлаждении льда ниже точки эвтектики соли. 3. Существенное влияние на е" льда оказывает тип солей, находящихся в нем. Для исследованных солей: КІ, NaCl, Na2SC 4, морская соль - интервал изменения величины составляет ± 50% от среднего значения, соответствующего поваренной соли. 4. Распределение фактора потерь по высоте ледяного покрова является близким к однородному для зимних условий, наблюдавшееся отклонение значений не превышает 10%. Для сильносоленого льда, а также льда пресных и слабосоленых водоемов в начальный период таяния, наблюдается более чем двукратное повышение є в верхних слоях покрова. 5. Для льда эвтрофированных водоемов существенным оказывается вклад в электромагнитные потери от захваченных в лед органического вещества в виде планктонных организмов.
