Уточнение параметров переохлажденной воды на частотах 11-140 ГГц

Знание микроволновых свойств воды необходимо при решении многочисленных задач дистанционного зондирования. Это связано как с повышением точности измерений, так и использованием длин волн зондирующего излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. При положительных температурах и температурах до -15°C микроволновые свойства жидкой воды достаточно хорошо изучены, но при более низких температурах экспериментальные данные отсутствуют, а существующие модели дают большое расхождение с результатами экспериментов. Между тем температура переохлаждения капель в облаках может достигать по разным источникам от -37,5°C до -40°C. В тоже время атмосферу Антарктиды, которая может содержать переохлаждённую воду в порах аэрозольных частиц, начинают исследовать микроволновыми методами (Witze, 2016) с целью прогноза погоды.
Во многих работах физиков и химиков было показано, что вода в наноразмерных порах может быть переохлаждена до температур значительно ниже -20°C. Например, в природном цеолите с порами порядка 1 нм, вода не замерзает до температуры -100°C (Бордонский, Крылов, 2012).
В настоящей работе исследовано прохождение микроволнового излучения через жидкую воду в поровом пространстве при её переохлаждении до температур -50°C и ниже. Исследования проводились на отдельных частотах от 11 ГГц до 140 ГГц. Для получения переохлажденной воды использовались силикагели КСКГ со средним размером пор 8 нм и Acros – 9 нм, большую часть воды в их порах при данных размерах можно считать близкой к объемной (Solveyra et al., 2011).
Для получения данных о диэлектрических параметрах (действительной и мнимой частей относительной диэлектрической проницаемости, а также коэффициента затухания) переохлажденной поровой воды использовали экспериментальную установку, в которой излучение от генератора отражалось от дна металлической охлаждаемой кюветы с образцом и принималось радиометрическим приемником. В этой схеме при использовании шумовых излучений измерения проводятся в свободном пространстве, что позволяет усреднять сигналы как по частоте, так и по площади образца.
Экспериментальные значения коэффициента затухания получались меньше, чем расчетные. Это связано с тем, что часть воды (1-2 мономолекулярных слоя) является прочно связанной и имеет диэлектрические параметры близкие ко льду. Поэтому экспериментальное значение коэффициента затухания корректировали, используя априорную информацию при 0°C (Meissner, Wentz, 2004), добавляя некоторое значение этой величины.
Из результатов определения коэффициента затухания и мнимой части относительной диэлектрической проницаемости было установлено, что имеется значительное дополнительное поглощение в поровой воде при температурах от -40°C до -45°C во всём частотном диапазоне, в котором проводили измерения по сравнению с данными (Meissner, Wentz, 2004). Дополнительное поглощение заметно в интервале температур от -20°C до -70°C и простирается до -160°C в зависимости от материала, его параметров и степени увлажнения. Поэтому в формулу комплексной диэлектрической проницаемости введен добавочный член, который можно связать с повышенной проводимостью среды. Для его нахождения вычислили разность между экспериментальными и расчетными значениями мнимой части относительной диэлектрической проницаемости. По полученным данным найдена зависимость, которая хорошо аппроксимируется двумя гауссовыми кривыми, одна из которых имеет экстремум при -45°C.
Наличие дополнительного поглощения с экстремумом при температуре около -45°C совпадает с предсказанным влиянием на свойства воды при атмосферном давлении второй критической точки при данной температуре. Несмотря на то, что эта точка виртуальная, по современным данным имеет место расходимость ряда термодинамических параметров воды при приближении к ней. Уточнение зависимости мнимой части относительной диэлектрической проницаемости для более низких температур необходимо при решении задач переноса излучения в многочисленных объектах криосферы.