Фаза коэффициента отражения от поверхности пресного льда в условиях переменных температур

В работе (Бордонский и др., 2009) при лабораторных измерениях фазы коэффициента отражения монохроматического излучения от поверхности блока пресного льда были обнаружены аномалии ее изменения при нагревании образца до 0°С. Обнаруженные аномалии, по теоретическим оценкам, не могли быть объяснены только появлением тонкого слоя увлажненного льда. Цель настоящей работы – продолжить исследование коэффициента отражения в натурных условиях вблизи температуры таяния для выяснения физического механизма обнаруженных аномалий.
Измерения фазы и модуля коэффициента отражения были выполнены на ледяном покрове пресного водохранилища, расположенного в предгорьях Яблонового хребта (Забайкальский край), где наблюдается резкое изменение дневных и ночных температур. Измерения выполнены в сантиметровом диапазоне на частотах от 8,5 ГГц до 13,5 ГГц с использованием векторного измерителя частотных характеристик.
Даты измерений: отдельные дни от 16.03. 2018 до 20.03.2018, когда температура верхнего слоя льда изменялась приблизительно на 10°С за 6 часов измерений. Толщина льда в этот период времени составляла 1,2 м, минерализация льда порядка единиц мг/кг. Для выполнения исследований удаляли снежный покров. К векторному анализатору подключали две рупорные антенны, их оси ориентировали перпендикулярно поверхности ледяного покрова, а сами антенны располагались на высоте около 0,7 м от границы поверхности льда.
Основные результаты следующие. Фаза коэффициента отражения монотонно изменялась, например, 20.02.2018, приблизительно до 100 градусов при изменении температуры верхнего слоя льда от -8°С до -3°С. При дальнейшем нагревании до -1°С наблюдали изменение знака приращения фазы. Эти изменения можно связать с ростом концентрации жидких включений, особенно на границах ледяного покрова.
При измерениях 16.03.2018 были выявлены флуктуации фазы в интервале 12…13,5 ГГц, которые резко возрастали при увеличении частоты зондирующего сигнала. Хаотические изменения фазы коэффициента отражения наблюдались на частоте 13,5 ГГц. Этот эффект может быть связан не только с началом таяния нижней границы ледяного покрова, но и с образованием волн течения среды, вызванных пластической деформацией , с характерными длинами волн в интервале 0.5…2 см (Зуев и др., 2010).
Для проверки этого предположения выполнены лабораторные измерения на блоке льда. Эти измерения показали наличие резкого возрастания флуктуаций на частоте 13 ГГц при быстром нагревании блока. При сдвиге частоты на +/- 0.5 ГГц флуктуации исчезали. Общий вывод исследования заключается в том, что микроволновые характеристики ледяных образований (ледников, ледяных покровов, мерзлых грунтов и других объектов) изменяются вблизи фазовых переходов воды не только из-за таяния (перемерзания), но и при динамических явлениях в случае возникновении пластической деформации. Такие явления могут наблюдаться также ниже -23°С, где имеет место образование льда 0, и -45°С из-за влияния второй критической точки воды (Бордонский и др., 2017).
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект № 18-05-00085).