Анизотропия микроволнового затухания в ледяном покрове содового озера

Дистанционное зондирование сред

УДК 621.396

Анизотропия микроволнового затухания в ледяном покрове содового озера

Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Крылов С.Д., Лукьянов П.Ю., Орлов А.О., Цыренжапов С.В. Аннотация: Выполнены измерения распространения микроволнового поляризованного излучения в ледяном покрове содового озера на длинах волн 2,3 см, 3 см и 18 см, а также лабораторные измерения на длине волны 0,88 см. В ледяном покрове озера обнаружили анизотропию затухания радиоволны, которая проявлялась в том, что проходящее излучение на горизонтальной поляризации значительно превосходило по мощности излучение на вертикальной поляризации.

Ключевые слова: микроволновое излучение, радиометрическая система, анизотропия потерь.

Anisotropy of microwave attenuation in ice cover of the soda lake

Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Lukyanov P.Yu., Orlov A.O., Tsyrenzhapov S.V. Abstract: Measurements of propagation of the polarized microwave radiation in an ice cover of the soda lake at wavelengths of 2.3 cm, 3 cm and 18 cm, and also laboratory measurements at wavelengths 0.88 were carried out. The anisotropy of attenuation of a radio wave was founded for propagated power radiation - it was considerably higher at horizontal polarization. The hysteresis of anisotropy of losses at cyclic change of temperature of ice was observed in laboratory experiment.

Key words: microwave radiation, radiometric system, anisotropy of losses.

Введение

Микроволновые радиометрические системы давно и успешно применяются в научных исследованиях и практических работах при организации зондирования различных природных сред. Их широкое применение обусловлено достаточной проработанностью измерительных методик, широким спектром конструктивных реализаций и возможностью проведения дистанционных измерений [1 -3]. Одно из возможных применений радиометрических измерительных систем - анализ свойств соленого льда, образующегося в условиях содового озера, который, благодаря особенностям химического состава озерной воды, должен отличаться от морского льда не только по своей структуре, но и по характеру затухания радиоволны.

В настоящей работе выполнено исследование анизотропии затухания микроволнового излучения в ледяном покрове содового озера Доронинское, расположенного в Забайкальском крае. Данный водоем имеет ми-

нерализацию вод около 30 г/л и является уникальным, поскольку содовые водоемы в мире встречаются исключительно редко, тем более, покрывающиеся в зимний период времени ледяным покровом. Озеро расположено в районе с резкоконтинентальным климатом, для которого характерны значительные колебания суточных температур воздуха. Площадь данного водоема составляет около 4,5 км2, а максимальная глубина 6,5 м [4]. В химическом составе его воды преобладают ионы №+, С032",НС03", СГ; pH воды около 10.

Ранее результаты измерений микроволновых свойств льда оз. Доронинское были представлены в работах [5, 6].

Методика измерений

При исследованиях изучали прохождение поляризованного микроволнового излучения в ледяном покрове содового озера параллельно поверхностям раздела сред на длинах волн 2,3 см и 18 см. Кроме того, выполняли

измерение затухания в блоке льда в виде куба, изъятого из верхней части ледяного покрова. Затухание исследовали при различном его пространственном расположении по отношению к электрическому полю электромагнитного излучения установки. Измерения проводили на длине волны 3 см. В этом случае определяли анизотропию затухания по различным пространственным направлениям во льду, т.е. выясняли особенности тензора диэлектрической проницаемости.

Кроме натурных измерений выполняли лабораторное исследование затухания проходящего излучения на длине волны 0,88 см, в котором выясняли изменение свойств среды при циклическом изменении температуры образца льда. Образец был образован из воды того же содового озера.

Натурные измерения выполнялись в феврале-марте 2011 и 2012 гг. В это время толщина льда на водоеме достигала 120-130 см при толщине снежного покрова 12-20 см. Для измерений на глубине 40 см от поверхности помещали маломощные генераторы и приемники излучения. В качестве приемников использовали микроволновые радиометры. Радиометрические приемники на длину волны 2,3 см размещали на расстоянии 1,5 м от генератора, а на длину волны 18 см - на расстоянии 10 м. Излучение в сантиметровом диапазоне осуществляли на круговой поляризации, а прием на 12-и линейных поляризациях при их последовательном переключении через 15°. Полный цикл измерений проводили за время 1 мин. Схема натурных из-

Измерения выполнялись для ледяного покрова центральной части озера. Непрерывная запись проходящего излучения осуществля-

лась в течение нескольких суток. По такому же принципу осуществлялось измерение проходящего излучения на длине волны 18 см, однако при этом измерения проводились на горизонтальной поляризации.

Для определения температуры ледяного покрова устанавливались терморезисторы на разных высотах покрова при непосредственном вмораживании термодатчиков в лед. Также устанавливались датчики для определения проводимости льда на различных глубинах. Концентрация солей в ледяном покрове определялась кондуктометрическим методом путем растапливания образцов льда.

Результаты измерений

Фрагмент записи мощности проходящего излучения на длине волны 2,3 см для трех линейных поляризаций (ГП - горизонтальной поляризации, ВП - вертикальной поляризации и поляризации с плоскостью, повернутой на угол 45° от горизонтальной) представлен на рис. 2

Р, отн.ед.

ІОі I

9- Ї},..;

8- 7- .J'C ;

6- ГП

5- ' *- -45°

3 2- 1- ВП w- , , , , 1 , - , L~

02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00

Рис. 2. Мощность проходящего излучения на длине волны 2,3 см на вертикальной, горизонтальной и 45° поляризациях (в относительных единицах). Измерения 23 февраля 2011 год.

Температура воздуха -25°С в вечернее и -15°С в

_________________дневное время__________________

Как следует из полученных экспериментальных графиков, наблюдаются суточные вариации мощности излучения. Кроме того, наблюдали дихроизм. Принимаемый сигнал на горизонтальной поляризации оказался по мощности значительно больше сигнала на вертикальной поляризации. Отличие достигало 20 дБ (для длины пути 1,5 м). Дихроизм был также обнаружен и на длине волны 18 см.

мерений представлена на рис. 1.

Рис. І.Схема экспериментальной установки. Г -генератор электромагнитного излучения, П -радиометрический приемник, Д - датчики температуры и проводимости ледяного покрова

Результаты измерений поляризационной диаграммы для регистрируемого сигнала на длине волны 2,3 см показаны на рис.3. Наряду с преобладанием в сигнале компоненты с горизонтальной поляризацией в некоторые моменты времени наблюдали искажение формы поляризационной диаграммы мощности в виде «вытянутости» вдоль горизон-

Измерение затухания по различным направлениям выполнено на блоке льда в виде куба со сторонами около 22 см, изъятого из верхней части ледяного покрова. Затухание излучения при ориентации волнового вектора перпендикулярно плоскости, соответствующей границам раздела ледяного покрова, составило 10 - 11 дБ в зависимости от поляризации. Для направления волнового вектора в блоке льда, соответствующего плоскости параллельной границам раздела ледяного покрова, затухание мощности сигнала составило 14 дБ для вертикальной поляризации и 12 дБ для горизонтальной поляризации. Таким образом, в данном случае разность потерь равнялась 2 дБ (на 0,2 м длины) или 10 дБ/м для длины волны 3 см. Температура блока льда составляла -10°С. Измерения выполнены 17 марта 2012 года. Концентрация солей во льду около 3 г/кг. Причем было замечено, что ее концентрация несколько возрастает в верхнем слое в конце зимы. При этом наблюдается накопление соли в тонком слое порядка миллиметра до значений в десятки грамм на килограмм льда.

В лабораторном эксперименте изучалась анизотропия затухания для ортогонально поляризованных излучений при циклическом

изменении температуры. Для получения структуры льда, близкой к структуре естественного ледяного покрова, воду замораживали в пенопластовой кювете с открытым верхом. Образец льда имел вид параллелепипеда с толщиной 10 см в направлении, в котором осуществляли его просвечивание. Сигнал от генератора с круговой поляризацией на длину волны 0,88 см через рупорную антенну направляли на исследуемый блок льда. Блок размещали в холодильной камере. Регистрацию проходящего излучения осуществляли при помощи поляризационного радиометра. Температуру блока льда измеряли термопарой с точностью 0,1°С. Выполнено несколько циклов непрерывных измерений температуры в интервале от -4°С до -22° С. Результаты измерений отношения интенсивностей проходящего сигнала на двух ортогональных поляризациях представлены на рис.4

Jr„/Jsn

-20 -15 -10 -5 0 Т, СС

Рис. 4. Результаты лабораторного эксперимента по просвечиванию образца льда, полученного в кювете при замораживании воды содового озера. Измерено отношение интенсивностей сигнала (1ГПЯВП) на двух ортогональных поляризациях для образца толщиной 0,1 м на волне 0,88 см при многократном циклическом изменении температуры. Концентрация солей во

_________________льду ~1 г/кг________________

Обнаруживается гистерезис в виде двух кластеров зависимости отношения интенсивности прошедшего сигнала от температуры.

Обсуждение результатов

Наблюдаемый микроволновый дихроизм связывается с особенностями строения соленого льда, для которого характерны вытяну-

тального направления.

а) 50 - ь) Л-',. „„ с)

Рис. 3. Поляризационные диаграммы мощности регистрируемого излучения при зондировании ледяного покрова на длине волны 2,3 см. Даты: а) - 22.02.2011; Ь) - 23.02.11; с) - 27.02.11

тые по вертикали капилляры с рассолом или кристаллогидратами солей. Этот эффект наблюдали еще в ранних работах [7, 8]. Вместе с тем, теория анизотропии поглощения микроволнового излучения во льдах до сих пор развита недостаточно. Для практических целей используют эмпирические данные по электромагнитным свойствам соленых льдов разных морей. Анизотропию поглощения можно связать с рассеянием на проводящих вытянутых анизотропных включениях, сравнимых с длиной волны. Однако эффективная проводимость жидких включений (о) падает

с частотой (/ ): о~ е / /, где в" - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости. Вместе с тем, в миллиметровом диапазоне отношение затухания на двух ортогональных поляризациях не уменьшается, например, по данным рис. 4 оно может достигать 100 дБ/м. Возможное объяснение -возникновение неавтономных сред с высокой электропроводностью на границе жидкости и льда [9, 10]. В настоящее время для соленых льдов этот вопрос не исследован.

Другая особенность полученных результатов - появление искажений поляризационной диаграммы мощности (рис. 3), где наблюдали ее вытянутость вдоль горизонтальной плоскости. Для приходящего сигнала на линейной поляризации поляризационная диаграмма должна иметь вид «восьмерки». В работах [11, 12] было исследовано распространение излучения в деформируемых пресных ледяных покровах и обнаружено аналогичное искажение поляризационных диаграмм. Было высказано предположение о том, что эффект обусловлен скачкообразным течением ледяных кристаллов вдоль базисных плоскостей в ледяных структурах с упорядоченным расположением кристаллов. Это предположение подтверждено в экспериментах с созданием импульсных механических напряжений, превышающих предел текучести [13]. В природных условиях течение ледяных структур возможно при изменении

температуры. Следует отметить, что влияние упорядочения кристаллов на анизотропию затухания отмечалось и в [7] по результатам поляризационных измерений потерь при вертикальном падении излучения на поверхность морского льда.

Обнаруженный при лабораторных исследованиях гистерезис отношения потерь на ортогональных поляризациях при циклическом изменении температуры может быть связан с образованием эвтектик солей в образцах и медленным переходами солевых структур из одного фазового состояния в другое. Этот эффект наблюдали также для солевых включений в пресном льду [14].

Выводы

Проведенные натурные исследования с применением микроволновой радиометрической аппаратуры позволяют придти к следующим заключениям:

1. Микроволновый дихроизм льда содового озера напоминает такой же эффект для морского льда. Предполагается, что эффект связан с повышенной проводимостью поверхностного слоя вытянутых капсул из-за появления неавтономных фаз на границах сред;

2. Из-за высокой минерализации верхних слоев озера в условиях резкоконтинентального климата дихроизм данного типа озер может усиливаться перед началом таяния. В этом случае ослабляется рассеяние сигнала от внутренних неоднородностей при радиолокационном зондировании на вертикальной поляризации;

3. Другой вид анизотропии потерь может присутствовать вследствие ориентированного расположения кристаллов льда и при деформациях ледяного покрова, приводящих к его течению в определенных направлениях. Этот вопрос требует дальнейшего изучения.

Литература

1. Carsey F.D. Microwave Remote Sensing of Sea Ice. -Amer. Geoph. Union, 1992. 462 pp.

2. Kwok R., Nghiem Son V., Martin S., Wine-brenner D.P. et al. Laboratory measurements of sea ice: connections to microwave remote sensing // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. Vol. 36,№ 5. pp. 1716-1730.

3. Радиолокация поверхности Земли из космоса / Под ред. Л.М. Митника, С.В. Викторова. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 200 с.

4. Борзенко С.В. Формы сероводорода в минеральных содовых водах озера Доронинское (Восточное Забайкалье) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2009, № 1,Вып. 13. С. 54-58.

5. Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Миграция солевых включений в ледяных покровах озер Забайкалья // Известия РАН. Серия Географическая. 2000, №4. -С. 98-102.

6. Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Orlov A.O., Tsyrenzhapov S.V. Microwave radiation scattering measurements of different types of lake ice covers // Fourteenth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/ Atmospheric Physics. Edited by Matvienko, Gennadii G.; Banakh, Victor A. Proceedings of the SPIE. Vol. 6936,2008, pp. 69361W-69361W-4.

7. Богородский В.В., Хохлов Г.П. Анизотропия диэлектрической проницаемости и удельного поглощения арктического дрейфующего льда в диапазоне СВЧ // Журнал технической физики. 1977. Т. 47, №6. С. 1301 - 1305.

8. Финкельштейн М.И., Глушнев В.Г., Петров А.П., Ивашенко В.Я. Об анизотропии затухания радиоволн в морском льду. // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1970. Т. 6, № 3. С. 311-313.

9. Korobeynikov S.M., Drozhzhin A.P., Furin G.G., Charalambakos V.P. and Agoris D.P. Surface conductivity in liquid-solid interface due to image force // Proc. of 14th IEEE Int. Con. On Conduct. And Break. In Diel. Liquids,pp. 270-273

10. Korobeynikov S, Melekhov A., Soloveitchik Y., RoyakM., Agoris D., Pyrgioti E. Surface conductivity at the interface between ceramics and transformer oil // Journal of Physics D: Applied Physics. Vol. 38, № 6, 2005. pp. 915-921.

11. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Крылов С.Д., Цыбикжапов А.Ц., Цыренжапов С.В. Обнаружение “новых” волн Гинзбурга-Пекара во льду в микроволновом диапазоне // Журнал технической физики. 2006, №5. С. 94-97.

12. 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, №9. С. 93-99.

13. Бордонский Г.С., Гурулев А.А., Орлов А.О., Цыренжапов С.В. Усиление микроволнового излучения во льду при фазовом переходе, вызванном давлением // Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38, Вып. 19. С. 30 - 36.

14. Bordonski G.S., Krylov S.D. Loss-factor behavior of freshwater ice at 13,4 and 37,5 GHz// IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. Vol. 36, №2. 1998. pp. 678-680.

References

1. Carsey F.D. Microwave Remote Sensing of Sea Ice. -Amer. Geoph. Union, 1992. 462 p.

2. Kwok R., Nghiem Son V., Martin S., Wine-brenner D.P. et al. Laboratory measurements of sea ice: connections to microwave remote sensing // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1998. Vol. 36,№ 5. pp. 1716-1730.

3. Radiolokatsiya poverkhnosti Zemli iz kosmo-sa [Radar-location of a surface of Earth from space] / Pod red. L.M. Mitnika, S.V. Viktorova. L.: Gidrome-teoizdat, 1990. 200 p.

4. Borzenko S.V. Vestnik KRAUNTs. Nauki o Zemle. 2009, № 1, ser. 13. -pp. 54-58.

5. Bordonskiy G.S., Krylov S.D. Izvestiya RAN. Seriya Geograficheskaya. 2000, №4. pp. 98-102.

6. Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Orlov A.O., Tsyrenzhapov S.V. Microwave radiation scattering measurements of different types of lake ice covers // Fourteenth International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/ Atmospheric Physics. Edited by Matvienko, Gennadii G.; Banakh, Victor A. Proceedings of the SPIE. Vol. 6936, 2008, pp. 69361W-69361W-4.

7. Bogorodskiy V.V., Khokhlov G.P. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 1977. T. 47, №6. pp. 1301 -1305.

8. Finkelshteyn MI., Glushnev V.G., Petrov А.P., Ivashchenko V.Ya. Izv. AN SSSR. Ser. Fizika atmosfery i okeana. 1970. T. 6, № 3. pp. 311-313.

9. Korobeynikov S.M., Drozhzhin A.P., Furin G.G., Charalambakos V.P. and Agoris D.P. Surface conductivity in liquid-solid interface due to image force // Proc. of 14th IEEE Int. Con. On Conduct. And Break. In Diel. Liquids,pp. 270-273

10. Korobeynikov S, Melekhov A., Soloveitchik Y., Royak M., Agoris D., Pyrgioti E. Surface conductivity at the interface between ceramics and transformer oil // Journal of Physics D: Applied Physics. Vol. 38, № 6, 2005. pp. 915-921.

11. Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Tsybikzhapov A.Ts., Tsyrenzhapov S.V. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2006, №5. pp. 94-97.

12. Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Orlov A.O., Tsyrenzhapov S.V. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2011. T.81, №9. pp. 93-99.

13. Bordonskiy G.S., Gurulev A.A., Krylov S.D., Orlov A.O., Tsyrenzhapov S.V. Pisma v ZhTF. 2012, T. 38, ser. 19. pp. 30 - 36.

14. Bordonski G.S., Krylov S.D. Loss-factor behavior of freshwater ice at 13,4 and 37,5 GHz// IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. Vol. 36, №2. 1998. pp. 678-680.

Работа выполнена при частичной поддержке Интеграционного проекта СО РАН №56 и гранта РФФИ 12-02-31237.

Поступила 14 июня 2012 г.

Информация об авторах

Бордонский Георгий Степанович - доктор физико-математических наук, профессор, заместитель директора Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук».

Гурулев Александр Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук».

Крылов Сергей Дмитриевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук», институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН.

Лукьянов Павел Юрьевич - кандидат технических наук, ведущий программист Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук», институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН.

Орлов Алексей Олегович - младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук», институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН.

Цыренжапов Сергей Васильевич - младший научный сотрудник Федерального государственного бюджетного учреждения науки «Институт природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук», институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН.

Адрес: 672090, Чита, ул. Бутина, 26.

E-mail: gsbord@chitaonline.ru, inrec.sbras@mail.ru.

Bordonskiy George Stepanovich - doctor of the physical and mathematical sciences, professore, deputies of director on science of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Gurulev Aleksandr Aleksandrovich - kandidat of the physical and mathematical sciences, senior research associate of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Krylov Sergey Dmitrievich - kandidat of the physical and mathematical sciences, senior research associate of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Lukyanov Pavel Yurevich - junior researcher of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Orlov Aleksey Olegovich - leading expert of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Tsyrenzhapov Sergey Vasilevich - leading expert of institute of natural resources, ecology and cryology of siberian department of the russian academy of science.

Address: 672090, Chita, st. Butin, 26.