Импульсное радиоизлучение при кристаллизации воды

УДК 539.37:537.221

ИМПУЛЬСНОЕ РАДИОИЗЛУЧЕНИЕ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ ВОДЫ © Ю.И. Головин, А.А. Шибков, М.А. Желтое, М.А. Татарко

Golovin Y.I., Shibkov АЛ., Zheltov МА, Tatarico МА Radiowave Emmision During the Crystallization of Water. Electromagnetic waves emission in frequency range 10-103 Hz during the crystallization of water is found and investigated. It is shown that electromagnetic pulses are caused by front cristallization instabilities.

Известно, что кристаллизация льда и некоторых диэлектриков сопровождается возникновением межфазной разности потенциалов, определяемой, в основном, содержанием примесей и скоростью фронта кристаллизации и достигающей, при определённых условиях, сотен вольт [1-4]. В [5] обнаружено импульсное радиоизлучение кристаллизующейся воды в полосе 105-107 Гц, которое гипотетически связывалось авторами с электрическими разрядами между берегами микротрещин, периодически возникающими во льду вблизи межфазной границы. Целью настоящей работы является установление взаимосвязи параметров радиоизлучения с собственно кинетикой фазового превращения в системе вода-лед. С одной стороны, такая информация может быть полезна в исследованиях динамики фронта кристаллизации, а с другой - в прогнозировании поведения больших масс льда в природных условиях (состояние и вероятность разрушения, торошения ледяных полей в северных акваториях, схода ледников и снежных лавин в горах и т.п. [6]).

Нестационарное электрическое поле вблизи поверхности кристаллизующейся дистиллированной воды измерялось зондовым электрическим методом (7). Сигнал с плоского зонда площадью 30 см2 , установленного на расстоянии 1 см от поверхности воды, подавался на вход высокоомного предусилителя (входной импеданс Л = 1012 Ом, С = 20 пФ, полоса пропускания 10'1 - 106 Гц) и регистрировался осциллографом, самописцем и амплитудным анализатором импульсов (см. врезку к рис. 1). Одновременно процесс кристаллизации контролировался термическим и оптическим методами. Исследовался квазистационарный режим кристаллизации, реализуемый медленным, в течение десятков минут, охлаждением до полного замерзания небольшого объема (30 мл) воды при температуре термостата -5° С.

На фоне слабой непрерывной составляющей в виде шума в диапазоне частот 10-105 Гц обнаружена дискретная электромагнитная эмиссия

(ЭМЭ) в виде отдельных импульсов, сопровождающих весь процесс кристаллизации (рис. 1). По «частотным свойствам импульсы можно разделить на две основные группы: низкочастотные (НЧ) в полосе частот 10 - 300 Гц и высокочастотные (ВЧ) - в полосе 102 - 105 Гц. Установлено, что первые НЧ импульсы генерируются при появлении на поверхности воды пластинок льда размером ~ 1 мм и являются индикаторами начала кристаллизации. На долю НЧ импульсов приходится более 90 96 полного количества импульсов.

Ym,MB

Рис. 1. Временные зависимости скорости генерирования дискретных НЧ импульсов N (1), их средних амплитуд фт (2) и температуры Т (3) в ходе кристаллизации 30 мл дистиллированной воды. На врезке показана схема измерения: 4 - кювета с кристаллизующейся водой, 5 - зонд, 6 - предусилитель, 7 - анализатор импульсов, 8 - осциллограф С8-13, 9 - самописец Р303.

Функция распределения импульсов по амплитудам имеет максимум при 100 мВ, причем мелкие импульсы с амплитудой срт ( 20 мВ наиболее вероятны на начальной стадии кристаллизации. С ростом объема твердой фазы растет их средняя амплитуда и скважность. Последние стадии кристаллизации характеризуются возобновлением генерирования малоамплитудных импульсов, на фоне которых наблюдаются высокоамплитудные - с фт ~ (300 - 500) мВ ВЧ импульсы. Временная зависимость просуммированного по всем каналам потенциала ср(0 = 2 ФМ (фI и Л/ - средняя амплитуда и число импульсов в /-том канале) хорошо согласуется с экспериментальной зависимостью доли твёрдой фазы от времени (рис. 2). Можно заключить поэтому, что НЧ импульсы спектра ЭМЭ связаны с кинетикой кристаллизации и отражают её нестационарный характер. По оценкам, средний объём льда, приходящийся на один НЧ импульс ~ 1 мм3, что совпадает с размерами первых пластинок льда, а также соответствует характерным размерам развитой дендритной структуры льда.

Обсудим возможные механизмы электромагнитной эмиссии, сопровождающей кристаллизацию воды.

1. Электрические явления во льду и воде контролируются, как известно, протонными носителями заряда: молекулярными ионами НзО+ и ОН* и ориентационными дефектами Бъёррума и типа [8]. В процессе кристаллизации происходит нейтрализация ионов НзО+ и ОН*, так как их концентрация в твёрдой фазе на три порядка меньше, чем в жидкой. В результате на межфазной границе формируется двойной электрический слой толщиной ~ 1000 А, а между твёрдой и жидкой фазой возникает разность потенциалов - эффект Воркмана-Рейнольдса (11. Изменение геометрии межфазной границы в ходе превращения могут вызвать изменение дальнодействующего электрического поля, регистрируемого в виде ЭМЭ.

2. Диэлектрическая проницаемость е у льда выше, чем у воды, а их отношение определяется концентрацией примесей, температурой и частотой поля. Вблизи межфазной границы 8 возрастает до величины ~ 103 - 104 [6]. Поэтому кристаллизующаяся вода - система с сильно неоднородной проницаемостью е(х, у, г, 0, временные изменения которой в ходе превращения должны приводить к изменению ёмкостной связи с зондом и вызывать появление электрических сигналов.

3. Электрическое сопротивление межфазной границы при замерзании дистиллированной воды достигает 109 - 1010 Ом [3]. В сочетании с аномально высокой диэлектрической проницаемостью можно ожидать значительные, до 10'3 - 10’2 с, времена электрической релаксации на фронте кристаллизации, соизмеримые с длительностью НЧ импульсов.

4. Неоднородное распределение температуры ледяной корки приводит к её поляризации вследствие термоэлектрического эффекта [8]. Временные изменения дипольного момента твёрдой фазы в ходе кристаллизации способны вызвать ЭМЭ.

5. Кристаллизация, как известно, сопровождается акустической эмиссией (АЭ) (91. Последняя может возбуждать нормальные моды колебаний системы, частью которой является заряженный и поляризованный слой льда, и провоцировать появление ЭМЭ.

6. В результате дилатации вероятны явления локального отслаивания льда от стенок, трение и образование трещин. Каждое из них способно вызвать появление импульсов ЭМЭ.

Качественный анализ показывает, что тер-моэдс и АЭ не могут объяснить всей совокупности экспериментальных данных. Так, например, с ростом толщины ледяной корки температурный градиент падает, что должно приводить к уменьшению амплитуды импульсов ЭМЭ, а это противоречит опытным данным. Форма дискретных импульсов ЭМЭ значительно отличается от типичных для АЭ слабозатухающих колебаний; структура серии НЧ импульсов с возрастающей амплитудой и скважностью больше 10 трудно объяснима с точки зрения акустического механизма ЭМЭ. Установлено, что по частотному спектру и форме ВЧ импульсы при кристаллизации близки к импульсам ЭМЭ, возникающим при раскалывании поликристаллов льда, которое производили в серии независимых опытов при той же температуре и методике измерения. При кристал-

<Р.

100

мВ

.*•-

V,/V

1.0

50

•-1

о-2

— •

Л

0.5

5

10

15 I,,

Рис. 2. Временная зависимость потенциала НЧ импульсов, просуммированного по всем каналам анализатора <р (I) = (1) и кинетическая кривая

кристаллизации У^/О/У (2). На врезке показана типичная осциллограмма НЧ импульса ЭМЭ.

лизации они наблюдались, в основном, на последних стадиях, что свидетельствует об образовании и развитии дилатационных и термических трещин в твердой фазе, растущей в стесненных условиях. Из вышеперечисленного следует, что существуют, по меньшей мере, три возможные причины НЧ импульсов, интенсивность которых хорошо согласуется с кинетической кривой превращения: а) нестационарные изменения геометрии электрически активной межфазной границы, например, в результате прорастания дендритов, б) рост электрической ёмкости системы лёд-вода в ходе кристаллизации и в) скачкообразные изменения времени электрической релаксации льда на фронте кристаллизации. Во всех перечисленных случаях НЧ импульсы отражают кинетику кристаллизации льда и обнаруживают её прерывистый и ступенчатый характер.

Таким образом, в работе проанализированы характеристики спектра дискретной ЭМЭ, сопровождающей кристаллизацию льда. Впервые показано, что большая часть импульсов ЭМЭ (НЧ импульсы) непосредственно связаны с кинетикой фазового превращения, а другая

часть (ВЧ импульсы) - с процессами развития трещин в ходе кристаллизации. Результаты работы позволяют использовать метод анализа спектра ЭМЭ в качестве нового быстродействующего in situ метода исследования фазовых переходов первого рода и сопутствующих им процессов трещинообразования.

ЛИТЕРАТУРА

1. Workman E.J., Reynolds S.E. // Phys. Rev. 1950. V. 78. P. 254.

2 Качурин Л.Г., Бекряев В.И. // Докл. АН СССР. 1960. Т. 130. С. 57.

. 3. Качурин Л.Г., Бекряев В.И., Псаломщиков В.Ф. // Докл. АН СССР. 1967. Т. 174. С. 1122

4. Качурин Л.Г. Поверхностные явления в жидкостях. Д.: Изд-во ЛГУ, 1975. С. 137.

5. Качурин Л.Г., Колее С.А., Псаломщиков В.Ф. // Докл. АН СССР. 1982 Т. 267. С. 347.

6. Берри Б.Г., Григоров И.О., Качурин Л.Г. и др. // Проблемы технической гляциологии. Новосибирск: Наука, 1986. С. 24.

7. Головин Ю.И., Шибкое АЛ. // Физика тверд, тела. 1986. Т. 28. С. 3492

8. Hobbs P. V. Ice physics // Clarendon Press. Oxford, 1974. 854 p.

9. Голубев И.И., Павлов И.Ю., Потапов А.И. // Ж. физ. химии. 1992 Т. 66. С. 555.

Поступила в редакцию 1 октября 1996 г.