Поглощение ИК-излучения тонкой пленкой льда

На высоте 80…90 км над Северным и Южным полюсами Земли образуются полярные мезосферные облака, называемые также серебристыми. Протяженность полярных облаков достигает максимума летом в июне месяце. С каждым годом эти облака увеличиваются в размерах так, что в последние годы их наблюдают и на широтах меньше 50°. Мезосферные облака отражают излучение радаров на частотах от 5 МГц. Причины такой отражательной способности до сих пор дискуссионные. Динамика мезосферных облаков вызывает большой интерес, так как её связывают с изменениями климата.
Ранее в наших работах (Bordonskiy et al., 2019, Бордонский и др., 2020б) высказывалось предположение, что отражательная способность мезосферных облаков связана с образованием льда 0. Лед 0 – теоретически предсказанная (Russo et al., 2014, Quigley et al., 2014) и обнаруженная в экспериментах (Бордонский, Орлов, 2017, Бордонский и др., 2020а) сегнетоэлектрическая модификация льда. На контакте двух диэлектриков (льда 0 и пылевой частицы) с большой разницей значений статической диэлектрической проницаемости, и возникновением плазмонного резонанса (Борен, Хафмен, 1986), образуется нанометровый слой с высокой проводимостью (Korobeynikov et al., 2005). Этот слой обеспечивает металлические свойства ледяных частиц мезосферных облаков. Также в работе (Бордонский и др., 2020а) было обнаружено затухание излучения лазера, вызванное образованием льда 0 на диэлектрической подложке.
В настоящей работе с целью изучения спектральных особенностей поглощения электромагнитного излучения льдом 0 ставилась задача измерения прохождения через диэлектрическую пластинку с осажденным на ней льдом 0 излучения в тепловом инфракрасном диапазоне.
Для исследования пленки льда 0 в инфракрасном диапазоне использована установка, в которой излучение генерируется мощной галогеновой лампой, а прием осуществляется ИК радиометром. Для проведения экспериментов использовалась схема аналогичная предложенной в работе (Орлов, Цыренжапов, 2021), позволяющая проводить эксперименты одновременно в двух диапазонах: оптическом и инфракрасном.
Эксперименты проводились при охлаждении до ~–100 °C образца монокристалла NaCl. Этот материал подложки был выбран из-за высокой прозрачности в тепловом ИК-диапазоне. При нагревании образца после охлаждения, наблюдали уменьшение интенсивности проходящего через подложку с осаждающимся на ней льдом излучения в ИК-диапазоне почти в четыре раза. Падение мощности прошедшего через образец излучения наблюдали до температур –30…–23 °C, где находится точка фазового перехода льда 0 в лед Ih. Как и в случае с лазером при разрушении льда 0 интенсивность проходящего излучения выше температуры –23 °C увеличивалась практически до значений без осажденной пленки. Однако при дальнейшем повышении температуры наблюдалось повторное уменьшение прошедшего сигнала. Это уменьшение связывается с прохождением точки эвтектики NaCl и образованием на поверхности образца жидкой воды при приближении к 0 °C.
Полученный результат может представлять интерес для уточнения радиационного баланса полярной атмосферы.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №20-05-00563).