Влияние льда 0 на микроволновые свойства ледяных структур

В работе (Russo et al., 2014) сообщалось об открытии новой модификации льда, названного лед 0. Этот лед является переходной формой, предшествующей образованию льда Ih. Лед 0 образуется в области нормального атмосферного давления при температурах воды ниже -23°С, поэтому не наблюдается для ее макроскопических масс. Интерес к данной модификации связан с тем, что лед 0 является сегнетоэлектриком и это свойство может проявиться в микроволновом диапазоне из-за возрастания проводимости на контакте льда с диэлектриками с низким значением статической диэлектрической проницаемости (Korobeinikov et al., 2005).
Данное предположение было исследовано в (Бордонский, Орлов, 2014), где экспериментально обнаружены аномалии электромагнитных свойств поровой переохлажденной воды. Для нее возможно переохлаждение до -30 … -100°С, если размеры пор составляют 1-6 нм. Такие поры существуют в природных средах, например, в цеолите, глине, частицах аэрозолей, растительных тканях.
В настоящей работе представлены результаты микроволновых параметров разнообразных увлажненных пористых сред на частотах 12…140 ГГц при их охлаждении до -60…-160°С. В ранее выполненных нами экспериментах по измерению низкочастотной диэлектрической проницаемости было обнаружено возникновение сегнетоэлектрического состояния воды в нанопористом силикате MCM-41 при температуре ниже -37°С на частотах порядка десятков герц.
Микроволновые измерения на увлажненном силикагеле показали возрастание электромагнитных потерь при охлаждении сред от -50°С до ~-100°С. Этот эффект связывается с образованием льда с более высоким значением статической диэлектрической проницаемости, т.е. льда 0, по сравнению с материалом матрицы. Эта особенность приводит к возрастанию проводимости контактного слоя между материалом пор и льдом на 5-6 порядков (Korobeinikov et al., 2005). Выполнена оценка влияния проводящих слоев на изменение действительной и мнимой частей относительной комплексной диэлектрической проницаемости, например, на частоте 10 ГГц, наиболее выражено изменение мнимой ее части, которая может вырасти в несколько раз по сравнению со случаем отсутствия контактных слоев с повышенной проводимостью; действительная часть относительной комплексной диэлектрической проницаемости возрастает примерно на 10% для увлажненного силикагеля с удельной площадью поверхности 500 м2/г. Расчеты подтвердили результаты экспериментов.
Таким образом, обнаруженные особенности электромагнитных параметров ледяных структур в пористых средах объясняются возникновением в них сегнетоэлектрического льда 0. Такой лед может проявляться при дистанционном зондировании мерзлых земных покровов и атмосферных аэрозолей при температурах ниже -30°С повышенным значением электромагнитных потерь. Для их учета требуется изучение процесса трансформации данной модификации льда 0 в лед Ih и процессов структурирования проводящих структур в среде.