Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2017. Т. 14. № 3. С. 255-270
Коэффициент затухания и диэлектрическая проницаемость переохлажденной объемной воды в интервале температур 0…–90°C на частотах 11…140 ГГц
Г.С. Бордонский
1 , А.О. Орлов
1 , Ю.Б. Хапин
2 1 Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, Россия
2 Институт космических исследований РАН, Москва, Россия
Одобрена к печати: 27.01.2017
DOI: 10.21046/2070-7401-2017-14-3-255-270
При решении задач переноса микроволнового излучения в атмосферных аэрозолях, мёрзлых земных покровах и других природных и искусственных увлажнённых дисперсных средах необходимо знание диэлектрических параметров переохлажденной объёмной воды. Микроволновые свойства воды хорошо исследованы при положительных температурах, однако для переохлаждённой воды имеется незначительное количество работ. Измерения диэлектрической проницаемости выполнены только до температуры –18 °C на максимальной частоте 9,61 ГГц.
Вместе с тем имеется потребность в точном знании электромагнитных потерь воды для более низких температур и в широком интервале частот. Особенно это необходимо для миллиметрового диапазона, где наблюдается максимальное погонное затухание электромагнитного излучения. Основная сложность таких измерений заключается в получении достаточного количества переохлаждённой объёмной воды для выполнения измерений при температурах от –20 °C до –42 °C.
В настоящей работе для получения глубокого переохлаждения при измерениях диэлектрических параметров воды в частотном интервале 11…140 ГГц использовали увлажнённые нанопористые силикатные материалы – силикагели со средним диаметром пор 6–9 нм. При определённых условиях в них возможно получение воды, переохлажденной до –90 °C, которая по своим физическим свойствам близка к объёмной воде.
Выполненные измерения выявили ранее неизвестное свойство – наличие значительных избыточных потерь при температурах ниже –30 °C по сравнению с данными известных моделей. Для математического описания мнимой части относительной диэлектрической проницаемости введено добавочное слагаемое в виде суммы двух гауссовых функций. Одна из них имеет экстремум вблизи –45 °C, вторая – в области –60…–80 °C. Добавочное затухание при –45 °C, как предполагается, связано со второй критической точкой воды, обнаруженной ранее при компьютерном моделировании, а при –60…–80 °C определяется свойствами твёрдой матрицы и сегнетоэлектрического льда «0».
Ключевые слова: переохлаждённая вода, микроволновый диапазон, диэлектрические свойства, нанопористые среды, вторая критическая точка воды, сегнетоэлектрический лёд «0»
Полный текстСписок литературы:
- Антонов А.С., Батенин В.М., Виноградов А.П. Электрофизические свойства перколяционных систем. М.: Ин-т высок. температур, 1990. 117 с.
- Бахтина Е.Ю., Ешевский О.Ю., Ильин В.А., Коржавчиков М.А., Фролов А.В. Особенности фазовых переходов в пленках связанной воды на поверхности границ дисперсных систем // Конденсированные среды и межфазные границы. 2001. Т. 3. № 2. С. 136–142.
- Бензарь В.К. Техника СВЧ-влагометрии. Минск: Высшая школа, 1974. 350 с.
- Бобров П.П., Масленников Н.М., Сологубова Т.А., Эткин B.C. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влаги из свободной в связанную на сверхвысоких частотах // ДАН СССР. 1989. Т. 304. № 5. С. 1116–1119.
- Бордонский Г.С., Крылов С.Д. Структурные превращения переохлаждённой воды в нанопорах по данным о поглощении микроволнового излучения // Журнал физической химии. 2012. Т. 86. № 11. С. 1806–1812.
- Бордонский Г.C., Орлов А.О., Щегрина К.А. Диэлектрические потери в переохлаждённой поровой воде на частоте 34 ГГц // Известия вузов. Радиофизика. 2016. Т. 59. № 10. С. 906–915.
- Бордонский Г.С. Диэлектрические потери пресного льда на СВЧ // Радиотехника и электроника. 1995. № 11. С. 1620–1622.
- Бордонский Г.С., Орлов А.О. Перколяционный механизм зависимости диэлектрической проницаемости мелкодисперсных сред // Исследование Земли из космоса. 2011. № 4. С. 12–18.
- Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Влияние перколяции на диэлектрические свойства мерзлых дисперсных сред // Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. Т. 4. № 1. С. 21–26.
- Виноградов А.П. Электродинамика композитных материалов. М.: Эдиториал УРСС, 2001. 208 с.
- Ершов Э.Д. Влагоперенос и криогенные текстуры в дисперсных породах. М.: Изд-во МГУ, 1979. 214 с.
- Ильин В.А., Слободчикова С.В., Эткин В.С. Лабораторные исследования диэлектрической проницаемости мерзлых песчаных почв // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. № 6. С. 1036–1041.
- Каск Н.Е. Перколяция и переход «металл-неметалл» при лазерном испарении конденсированных сред // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60. Вып. 3. С. 204–208.
- Кутуза Б.Г., Данилычев М.В., Яковлев О.И. Спутниковый мониторинг Земли: Микроволновая радиометрия атмосферы и поверхности. М.: ЛЕНАНД, 2016. 336 с.
- Орлов А.О. Исследование микроволновых свойств переохлажденной воды в пористых средах на частотах 34 и 94 ГГц // Вестник ЗабГУ. 2016. Т. 22. № 8. С. 14–20.
- Парфенов В.А., Кирик С.Д. Получение мезоструктурированных силикатных материалов с контролируемыми размерами пор в присутствии цетилдиметиламина // Труды V Ставеровских чтений. Ультрапресные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение. Красноярск, 2009. С. 318–322.
- Хакен Г. Синергетика: Ч. 1, 2. М: УРСС: ЛЕНАНД, 2015. 880 с.
- Шарков Е.А. Радиотепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т. Т. 1. М.: ИКИ РАН, 2014. 544 с.
- Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных полупроводников. М.: Наука, 1970. 416 с.
- Angell C.A., Oguni M., Sichina W.J. Heat capacity of water at extremes of supercooling and superheating // J. Phys. Chem. 1982. Vol. 86. Iss. 6. P. 998–1002.
- Anisimov M.A. Cold and supercooled water: a novel supercritical-fluid solvent // Russian Journal of Physical Chemistry B. 2012. Vol. 6. No. 8. P. 861–867.
- Bertolini D., Cassettari M., Salvetti G. The dielectric relaxation time of supercooled water // J. Chem. Phys. 1982. Vol. 76. No. 6. P. 3285–3290.
- Caddedu M.P., Turner D.D. Evaluation of water permittivity models from ground-based observations of cold clouds at frequencies between 23 and 170 GHz // IEEE Trans. Geosc. Rem. Sens. 2011. Vol. 49. No. 8. P. 2999–3008.
- Castrillon S.R.-V., Giovambattista N., Arsay I.A., Debenedetti P.G. Structure and energetics of thin film water // J. Phys. Chem. C. 2011. Vol. 115. P. 4624–4635.
- Cerveny S., Mallamace F., Swenson J., Vogel M., Xu L. Confined water as model of supercooled water // Chem. Rev. 2016. Vol. 116. Iss. 13. P. 7608–7625.
- Ellison W.J. Permittivity of pure water, at standard atmospheric pressure, over the frequency range 0–25THz and the temperature range 0–100°C // J. Chem. Phys. Ref. Data. 2007. Vol. 36. No. 1. P. 1–18.
- Ellison W.J., English S.J., Lamkaouchi K., Balana A., Obligis E., Deblonde G., Hewison T.J., Bauer P., Kelly G., Eymard L. A comparison of ocean emissivity models using the Advanced Microwave Sounding Unit, the Special Sensor Microwave Imager, the TRMM Microwave Imager, and airborne radiometer observations // J. Geoph. Res. 2003. Vol. 108. No. D21. P. 4663–4677.
- Fedichev P.O., Menshikov L.I., Bordonskiy G.S., Orlov A.O. Experimental evidence of the ferroelectric nature of the λ-point transition in liquid water // JETP Letters. 2011. Vol. 94. No. 5. P. 401–405.
- Franzese G., Stanley H.E. The Widom line of supercooled water // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. Vol. 19. P. 205126/16.
- Hodge I.M., Angell C.A. The relative permittivity of supercooled water // J. Chem. Phys. 1978. Vol. 68. No. 4. P. 1363–1367.
- Komarov V., Wang S., Tang J. Permittivity and measurements. Encyclopedia of RF and Microwave Engineering. Edited by K. Chang. 2005. J. Wiley & Sons, Inc. P. 3693–3711.
- Korobeynikov S.M., Drozhzhin A.P., Furin G.G., Charalambakos V.P., Agoris D.P. Surface conductivity in liquid-solid interface due to image force // Proceedings of 2002 IEEE 14th International Conference on Dielectric Liquids. ICDL 2002. P. 270–273.
- Korobeynikov S.M., Melekhov A.V., Soloveitchik Yu.G., Royak M.E., Agoris D.P., Pyrgioti E. Surface conductivity at the interface between ceramics and transformer oil // Journal of Physics D: Applied Physics. 2005. V. 38. No. 6. P. 915–921.
- Limmer D.T., Chandler D. Phase diagram of supercooled water confined to hydrophilic nanopores // J. Chem. Phys. 2012. Vol. 137. P. 044509/11.
- Meissner T., Wentz F.J. The complex dielectric constant of pure and sea water from microwave satellite observations // IEEE Trans. Geosci. Rem. Sens. 2004. Vol. 42. № 9. P. 1836–1849.
- Quigley D., Alfè D., Slater B. Communication: On the stability of ice 0, ice i, and Ih // The Journal of Chemical Physics. 2014. Vol. 141. Issue 16. P. 161102.
- Ronne C., Thrane L., Astrand P.-O., Wallqvist A., Mikkelsen K.V., Keiding S.R. Investigation of the temperature dependence of dielectric relaxation in liquid water by THz reflection spectroscopy and molecular dynamics simulation // J. Chem. Phys. 1997. Vol. 107. Issue 14. P. 5319–5331.
- Rosenkranz P.W. A model for the complex dielectric constant of supercooled liquid water at microwave frequencies // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2015. Vol. 53. Issue 3. P. 1387–1393.
- Russo J., Romano F., Tanaka H. New metastable form of ice and its role in the homogeneous crystallization of water // Nature Materials. 2014. Vol. 13. Issue 7. P. 733–739.
- Schreiber A., Kotelsen I., Findenegy G.H. Melting and freezing of water in ordered mesoporous silica materials // Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. Vol. 3. P. 1185–1195.
- Stanley H.E., Buldyrev S.V., Franzese G., Havlin S., Mallamace F., Kumar P., Plerou V., Preis T. Correlated randomness and switching phenomena // Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. 2010. Vol. 389. Issue 15. P. 2880–2893.
- Stogryn P.A., Bull H.T., Rubayi K., Iravanchy S. The microwave permittivity of sea and fresh water // Tech. Rep. 1995. GenCorp Aerojet, Azusa, Calif.
- Widom B. Some Topics in the Theory of Fluids // J. Chem. Phys. 1963. Vol. 39. P. 2808–2812.
- Zelsmann H.R. Temperature dependence of the optical constants for liquid H2O and D2O in the far IR region // Journal of Molecular Structure. 1995. Vol. 350. Issue 2. P. 95–114.