орские, речные и озерные льды
УДК 537.874
Добавочные электромагнитные волны в ледяных покровах
© 2011 г. Г.С. Бордонский, А.А. Гурулев, С.Д. Крылов, А.О. Орлов, С.В. Цыренжапов
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита
lgc255@mail.ru
Статья принята к печати 21 апреля 2011 г.
Добавочные волны, ледяной покров, микроволновое излучение, течение льда. Additional waves, ice cover, ice flowing, microwave radiation.
Выполнено экспериментальное исследование распространения микроволнового излучения в пресном ледяном покрове на частотах 13-14 ГГц. Наблюдалось появление двух типов добавочных электромагнитных волн. Первый тип - когерентные волны, всегда существующие в плоскослоистых структурах. Они интерферируют с исходными волнами и создают сильные пространственные изменения интенсивности излучения. Второй тип - некогерентные волны, которые могут возникать в любых ледяных телах, имеющих преимущественно пространственную ориентацию осей кристаллов. Они возникают при механических напряжениях непосредственно в процессе пластической деформации (течение льда). Некогерентные волны не интерферируют с исходными, поэтому происходит сложение их интенсивностей. Добавочные волны необходимо учитывать при интерпретации данных дистанционного зондирования ледяных структур.
Введение
При исследовании распространения микроволнового излучения в пресном ледяном покрове оз. Арахлей в Забайкалье нами обнаружены аномалии излучения. Одна из них связана с осцилляциями мощности сигнала и зависит от расстояния между передатчиком и приёмником, помещёнными в глубь ледяного покрова [5, 7, 8]. Её появление объяснили существованием в среде так называемых добавочных (или «новых» волн, по терминологии В.Л. Гинзбурга и С.И. Пекара) электромагнитных волн, возникающих в средах с пространственной дисперсией [1, 15]. В подобных средах компоненты тензора диэлектрической проницаемости зависят от волнового вектора. Особенность добавочных волн состоит в том, что они имеют одинаковую поляризацию с исходными волнами, но другое значение волнового вектора. Наложение исходной и добавочной волн приводит к их интерференции и пространственным осцилляциям мощности монохроматического излучения. Пример сред с пространственной дисперсией — периодическая среда с характерной длиной изменения параметров, близкой к длине волны излучения. Однако в работах [1, 15] добавочные волны исследовали в оптическом диапазоне; в микроволновом диапазоне они впервые были обнаружены нами при исследовании ледяных покровов [5].
Оказалось, что в ледяном покрове природа добавочных волн связана с другим фактором. Ещё в исследовании [10] было теоретически показано, что особая структура волн любой природы (акустических, электромаг-
нитных) имеет место в плоских волноводных каналах, например, в тонком слое между двумя полубесконечными средами. В такой структуре эффект возникает из-за многочисленных переотражений излучения точечного источника от границ слоёв. Суммарное поле оказывается периодическим в пространстве и эквивалентно суперпозиции нескольких волн (их можно назвать добавочными) с различными волновыми числами.
При некоторых упрощениях и следуя [10], на большом расстоянии от источника г поле волны в слое (например, электрическое ЕЕ) можно представить в виде
H
i=i
cos
¡Un
№ \
exp(/û)i), (1)
где к0 = 2яД — волновое число; I — номер волны, который может принимать значения от 1 до X — длина волны излучения в среде; к[ = Цс02 — (/л/А)2 — волновое число 1-й волны; к — толщина слоя; г0 — расстояние излучателя от нижней границы слоя; г — расстояние приёмника от нижней границы слоя; i — мнимая единица; ю — угловая частота поля; t — время.
Как видно из формулы (1), в тонком слое существует много добавочных волн с волновыми числами к, однако реально их число не более числа полуволн, укладывающихся на толщине слоя. Кроме того, волны с более высоким номером волны I затухают быстрее как из-за увеличения длины пути, так и из-за уменьшения коэффициента отражения от границ сред (угол падения по мере роста номера волны I
уменьшается от значения, близкого к 90°). При этом толщина слоя должна быть больше длины волны.
Однако необычным в работе [5] было зарегистрированное при некоторых измерениях искажение поляризационной диаграммы для интенсивности принимаемого сигнала. При линейной поляризации такая диаграмма (зависимость в полярных координатах регистрируемой мощности от угла поворота поляризации антенны приёмного устройства) должна иметь вид «восьмёрки»; при круговой поляризации — окружности, а в случае эллиптической — промежуточный вид. Эксперимент с использованием четырёх различных линейных поляризаций показал невозможность построения таких диаграмм.
Другая аномалия обнаружена нами при проведении одного из экспериментов на оз. Арахлей в конце зимнего периода. Установлено периодическое изменение мощности излучения на фиксированной дистанции около 40 м с периодом 12 ч. При этом экстремумы прохождения сигнала на одной из поляризаций точно совпадали с максимумами приливной волны, создаваемой Луной и Солнцем. Дата наблюдения соответствовала полнолунию, т.е. максимально возможным амплитудам приливных волн (рис. 1). В данном эксперименте на частоте 13 ГГц использовали излучатель с круговой поляризацией, а приём вели на двух линейных поляризациях — горизонтальной (ГП), для которой вектор электрического поля параллелен горизонтальной плоскости, и вертикальной (ВП), для которой этот вектор перпендикулярен границам раздела сред. Кроме высокой чувствительности к слабым волнам сжатия и растяжения (деформация для твёрдых земных покровов составляет 10-7^10-6), неожиданным оказалось различие характера принимаемых сигналов на двух поляризациях: на вертикальной наблюдали один суточный экстремум, а на горизонтальной — два.
Попытки повторить наблюдения во время полнолуния и новолуния, когда приливная волна имеет максимальное значение, зимой в другие годы и на других участках ледяного покрова не увенчались успехом. Наблюдалось лишь характерное изменение мощности сигнала с периодом 24 ч [9], а также несовпадение экстремумов приливных волн и максимумов сигнала, если появлялся 12-часовой период интенсивности принимаемого излучения. Этот результат долгое время не удавалось объяснить.
Постановка проблемы
В настоящей работе сделано предположение, что наблюдаемые аномалии связаны с анизотропией и нелинейными свойствами объекта. Кроме того, принято, что источником нелинейности может стать течение среды при превышении в ней предела текучести из-за температурных деформаций или волновых воздействий. Известно, что деформация сдвига в кристалле льда существенно легче проходит вдоль базисных плос-
Рис. 1. Измеренная мощность излучения P (в отн. ед.), прошедшего через ледяной покров на частоте 13,7 ГГц на двух ортогональных поляризациях:
1 — на горизонтальной; 2 — на вертикальной; стрелками отмечены моменты максимумов приливов, соответствующие экстремальным положениям Луны и Солнца для данной местности (полнолуние); поляризация излучаемой волны — круговая Fig. 1. The measured radiation power P (in arbitrary units) propagated through the ice at 13.7 GHz for two orthogonal polarizations: 1 — on the horizontal; 2 — on the vertical; arrows indicate the time of maximum tides corresponding to the extreme position of the Moon and the Sun for the given region; the polarization of the emitted wave — the circular
костей, которые расположены перпендикулярно главной оптической оси (С-оси) [19]. Если среда состоит из кристаллов с преимущественным направлением С-оси, то течение её принимает характер сдвига вдоль определённых плоскостей в ледяном теле. В этом случае разрыв водородных связей должен приводить к анизотропии электрических свойств объекта. При этом деформация кристаллов носит прерывистый характер из-за особого вида нелинейной зависимости деформации от давления. Данные свойства — весьма важный момент, на который исследователи электромагнитных свойств льда раньше не обращали должного внимания. Таким образом, наша задача заключалась в изучении пропускающих микроволновое излучение свойств льда, находящегося в состоянии течения. В процессе исследований выполнены многополяризационные измерения по радиопросвечиванию ледяного покрова в моменты возникновения выраженного течения объекта (его пластической деформации). Кроме того, мы попытались установить связь наблюдаемых аномалий с особенностями строения льда.
Методика проведения экспериментов
В процессе радиофизических исследований использовалась специальная методика измерений, которая заключалась в регистрации мощности принимаемых сигналов на 12 линейных поляризациях. Для обычных сред использование большого числа поляризаций — избыточно, поэтому измерения такого рода не проводятся. Предполагалось, что в случае нелинейной и анизотропной среды для её изучения потребуется измерение более чем в двух базисных (ортогональных) состояниях электромагнитного поля. Известно, что при распространении электромагнитной волны в свободном пространстве для её описания достаточно двух базисных состояний. При этом монохроматическая волна представляется в виде суммы двух векторов с определённым сдвигом фазы между ними. Для интенсивности излучения в виде четырёх компонентов часто используют и представление в виде вектор-параметра Стокса [16].
При обработке данных по измеренным интенсив-ностям излучения на различных поляризациях определяли также первые три параметра Стокса — ¿1, ¿2 и ¿3 . Первый параметр Стокса Б1 характеризует полную интенсивность (или мощность) принимаемого излучения. Для обнаружения особых свойств среды значения находили для двух базисов, повёрнутых относительно друг друга на 45°: ¿1 (ВП, ГП) и ¿1" (45, -45). Далее вычисляли разность Д£ = — ¿1", которая для линейных сред равна нулю. Появление Д£ ^ 0 можно объяснить возникновением нелинейности в среде.
При выполнении натурных измерений использована установка, состоящая из генератора монохроматического излучения О и двух приёмников — Ш, К2, расположенных особым образом (рис. 2). Генератор и приёмники наход
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.