О возможном влиянии минерализованных водоемов на микроклимат

УДК: 551.501, 541.8, 621.371

О ВОЗМОЖНОМ ВЛИЯНИИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ВОДОЕМОВ НА МИКРОКЛИМАТ

Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, *****@

На основе результатов лабораторных измерений диэлектрических параметров водных растворов, образующих кристаллогидраты, выдвинуто предположение о возможности существования спорадического микроволнового излучения, в результате увлажнения пересыхающих высокоминерализованных водоемов.

ВВЕДЕНИЕ

Микроволновое излучение водной поверхности несет важную информацию о разнообразных процессах и явлениях, происходящих в водной толще и связанных с изменением физических и химических свойств воды, ее структуры и агрегатного состояния. На радиоизлучательные характеристики водной поверхности в значительной степени оказывают влияние температура и минерализация воды [1-3], а также атмосферные движения (атмосферные фронты, волны, конвективные ячейки и др.), обнаруживаемые за счет возникновения резонансных эффектов, в частности, приповерхностного ветра, в результате чего на поверхности воды образуется мелкомасштабная рябь, рассеивающая радиоволны [4, 5].

Влияние водной поверхности на приземный слой атмосферы проявляется за счет энерго - и массопереноса между пограничными слоями и в значительной мере зависит от температуры и солености воды [6-8].

В зимний период наблюдаемое изменение радиояркостной температуры водной поверхности связано с образованием ледяного покрова и проявляется в немонотонном росте ТЯ с увеличением толщины ледяного покрова [9]. Установлено, что при увеличении толщины льда над слабоминерализованным озером наблюдается участок понижения ТЯ, обусловленный уменьшением минерализации и вымораживанием жидких включений во льду в течение зимы [10].




В летний период достаточно распространенными являются процессы, связанные с водно-солевым режимом периодически пересыхающих в течение года высокоминерализованных озер, существующих во многих районах Земного шара, в частности в степной части Российской Федерации, в Республике Казахстан, Монголии, Китае, а также в Северной Америке, Австралии, Африке.

Образование кристаллогидратов солей, наблюдаемое при их осаждении из насыщенного раствора, сопровождается выделением тепловой энергии, в результате протекания эндотермической реакции, в то время как при плавлении кристаллогидратов, наблюдаемом при повышении температуры окружающей среды выше температуры фазового перехода второго рода, происходит поглощение энергии, требующейся на восстановление первоначальных веществ (соли и воды). Выпадение осадков на высохшую поверхность озера, покрытую солевой коркой, сопровождается понижением температуры, Так, например, при увлажнении безводной соли Na2CO3 лабораторных условиях было достигнуто уменьшение температуры образующегося водно-солевого раствора на 6-10°С, в зависимости от объемных долей соли и воды).

В результате процессов увлажнения-иссушения, наблюдаемых в природных условиях, могут происходить значительные изменения теплообмена между поверхностью водоема и атмосферой, способные привести к возникновению явлений, связанных с резким изменением температуры окружающей среды, в частности, к заморозкам.

Предсказание возможности изменения температуры окружающей среды за счет процессов увлажнения-иссушения поверхности высокоминерализованных водоемов может быть осуществлено дистанционным способом по наблюдениям с космических аппаратов за вариациями излучательных характеристик подстилающей поверхности в инфракрасном диапазоне.




Установка радиометрической аппаратуры для микроволнового зондирования земной поверхности на искусственные спутники Земли позволяет получать с периодичностью до нескольких раз в сутки информацию о радиояркостных характеристиках земных покровов, зависящих от физико-химических свойств подстилающей поверхности [11-14]. Однако следует заметить, что влияние этих процессов на микроволновое излучение земной поверхности является мало изученным.

В данной работе на основе проведенных лабораторных исследований диэлектрических параметров водно-солевых растворов показана возможность резкого изменения радиояркостной температуры высокоминерализованных озер, поверхность которых во время пересыхания представляет собой солевую корку толщиной 3…5 см, состоящую, в зависимости от солевого состава из обезвоженных солей Na2SO4, Na2CO3, MgSO4, NACl, а также их кристаллогидратов. Следует отметить, что процесс высыхания озера достаточно длительный, в то время как наполнение пересохшего озера водой или увлажнение солевой корки, лежащей на его поверхности, протекает в достаточно короткие сроки, занимая от 3 часов до суток. В этом случае перепад яркостных температур может быть обнаружен при использовании космической информации микроволнового зондирования.

Основными радиоизлучательными характеристиками подстилающей поверхности являются радиояркостная температура ТЯ и коэффициент излучения c, связанные между собой известным соотношением ТЯ = cТ, где Т – термодинамическая температура подстилающей поверхности (в кельвинах). В свою очередь коэффициент излучения может быть выражен через показатели преломления n и поглощения k по формуле [15].




. (1)

Для оценки возможных вариаций c измеряли в лабораторных условиях значения n и k соли Na2CO3, образующей кристаллогидраты. С учетом проведенных измерений по формуле (1) для Na2CO3 были рассчитаны коэффициенты излучения безводной соли cС = 0.95 и насыщенного раствора cНР = 0.20 [16, 17].

Измерения диэлектрических характеристик безводной соли и водных растворов проводили с помощью лабораторной установки мостового типа, предназначенной для измерения диэлектрических характеристик дисперсных и жидких материалов. В процессе эксперимента определяли модуль |A| и фазу j комплексного коэффициента прохождения электромагнитной волны с частотой 1.11 ГГц в волноводе через образец почвогрунта. Погрешности измерения |A| и j составляли не более 0.2 дБ и 0.2 град. соответственно. Измеренные величины использовали для определения n и k.

Для исследований в качестве образцов минеральных солей брали реактивы с химической чистотой не менее 99% и дистиллированную воду c химической чистотой не менее 99,9%. Высокая степень чистоты воды и отсутствие в ней воднорастворимых соединений подтверждались измерением показателей преломления и поглощения при S=0 и сравнением их с теоретическими значениями, рассчитанными по формулам, приведенным в работе [18].

Минеральную соль увлажняли путем дозированного добавления дистиллированной воды в воздушную смесь, высушенную в сушильном шкафу при температуре 215°С (для удаления прочносвязанной воды). Одинаковых значений плотности достигали путем соответствующего уплотнения образца в контейнере. Эксперименты проводили при температуре образца t = 24±1°С.




Для количественного описания содержащейся в образце воды использовали объемную влажность, определяемую из соотношения , где ZВ= MВ/M и MВ= M-MСУХ – массовая доля и масса содержащейся в образце воды, M и MСУХ – массы влажного и высушенного образцов, r, rВ » 1 г/см3 – плотности почвенного образца и воды, соответственно.

Приготавливали растворы требуемой концентрации путем растворения определенного количества минеральных солей в некотором фиксированном объеме дистиллированной воды. Массовую концентрацию соли в растворе S определяли по формуле , где MВ = МР – MС – масса воды в растворе, MР, MС – массы раствора и безводной соли, измеренные путем взвешивания на аналитических весах с точностью до 0.001 г до и после выпаривания воды из образца в термостате при t = 215°С. Более подробно методика эксперимента, оценка источников возникающих погрешностей изложены в [15, 19].

Результаты экспериментальных измерений диэлектрических характеристик минеральных солей, а также их водных растворов [16, 17] позволяют построить зависимость c(S) в диапазоне S от 0 (пресная вода) до 100% (обезвоженная соль).

Зависимость c(S) для водно-солевой смеси Na2CO3 приведена на рис. 1. Из графика видно, что нелинейный вид зависимости связан с изменением структуры и физических свойств объекта. В диапазоне массовых концентраций от 0 (пресная вода) до SНР (насыщенный раствор), наблюдается уменьшение значения c = 0.36, характерного для пресной воды, до c = 0.20, соответствующего насыщенному раствору. В диапазоне массовых концентраций от SНР … SК, соответствующем образованию кристаллогидратов, наблюдается резкое возрастание c до значения 0.85. Дальнейшее увеличение массовой концентрации соответствует уменьшению водности кристаллогидратов, вплоть до полного обезвоживания, что приводит к дальнейшему возрастанию коэффициента излучения до значения c ~ 0.95, характерного для обезвоженной соли.




Рис. 1. Зависимость коэффициента излучения от массовой концентрации соли для водно-солевой смеси Na2CO3

Возможность возникновения спорадического микроволнового излучения, которое может быть зарегистрировано из космоса, подтверждается тем, весьма вероятным возникновением в природных условиях следующих ситуаций:

1. Вариации суточных температур. В случае высыхания минерализованного водоема до кристаллогидратного состояния переход утренних и вечерних температур через температуру плавления tФ, соответствующую температуре фазового перехода, вызовет плавление кристаллогидратов и соответствующее изменение коэффициента излучения, например, с c ≈ 0.55 до c = 0.20. Для ряда кристаллогидратов (Na2CO3×10H2O, Na2SO4×10H2O, MgSO4×7H2O, CaCl2×6H2O и др.) значения tФ попадают в интервал летних суточных температур 20…40°С. Так, например, плавление кристаллогидрата Na2CO3×10H2O, происходящее при tФ= 32.5°C = 305.5 К и соответствующее уменьшение c с 0.55 до 0.20 вызовет изменение DТЯ ≈ 107 К.

2. Изменения, связанные с атмосферными осадками. Из результатов экспериментальных исследований и установленной зависимости c(S), а также измерений температуры t при увлажнении безводной соли следует вывод о возможности значительного изменения радиоизлучательных параметров земной поверхности в течение 2-3 часов. Так, например, увлажнение Na2CO3, соответствующее уменьшению c с 0.95 до 0.20, а термодинамической температуры с ТСУХ = 299 К до ТВ=293 К (за счет протекания эндотермической реакции) приведет к изменению DТЯ»225К.




Подобные резкие изменения радиояркостной температуры подстилающей поверхности микроволнового излучения при регистрации из космоса будут восприниматься как сильные спорадические всплески микроволнового излучения.

Следует отметить, что высыхание минерализованного озера сопровождается плавным изменением радиояркостной температуры, так как в этом случае основную роль начинает играть наличие увлажненных слоев под поверхностным слоем обезвоженной соли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Космическое землеведение // Под ред. Акад. . М.: Изд-во МГУ, 19с.

2.  СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 19с.

3.  , , Мильшин А, А, Шутко пространственно-временной изменчивости гидрофизических параметров водоемов по данным синхронных СВЧ - и ИК-радиометрических измерений // Исследование Земли из космоса, 1994. № 5. С. 78-81.

4.  , , и др. Критические явления при тепловом излучении периодически неровной поверхности. // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1978. Т. 14. № 7. С. 733-739.

5.  , , и др. Физические механизмы формирования аэрокосмических радиолокационных изображений океана // УФН. 2003. Т. 173. № 1. С. 69-87.

6.  . , , и др. Радиометрические исследования температурного режима поверхности воды в лабораторных условиях. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2004. Т. 40. № 1. С. 96-101.

7.  , О влиянии солености воды на ее испарение // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 5. С. 718-720.

8.  , О характеристиках переноса тепла в призменном слое атмосферы по результатам прямых измерений // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43. № 5. С. 636-642.




9.  , , Космическая дистанционная индикация акваторий и водосборов (Микроволновые методы). СПб.: Гидрометеоиздат, 19с.

10.  , Изменение радиояркости пресного ледяного покрова в течение зимнего периода. // Изв. АН. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. № 6. С. 842-847.

11.  Шарков аэрокосмическое зондирование Земли: прошлое, настоящее и планы на будущее //Исследование Земли из космоса, 2005. № 6. С. 75-92.

12.  , , , О научной программе экспериментов в ходе эксплуатации космического аппарата "СИЧ-1М // Исследование Земли из космоса, 2005. № 2. С. 40-46.

13.  , , , О научной программе экспериментов в ходе эксплуатации космического аппарата "СИЧ-1М // Исследование Земли из космоса, 2005. № 2. С. 40-46.

14.  , Ведешин радары метрового диапазона: Возможности и перспективы использования в дистанционном зондировании Земли (аналитический обзор) // Исследование Земли из космоса, 2004. № 3. С. 88-96.

15.  Радиофизические методы дистанционного зондирования почвенного покрова. //Дисс... на соиск. уч. степени д. ф.-м. н. Барнаул, 19с.

16.  Влияние минералогического состава на диэлектрические свойства дисперсных смесей в микроволновом диапазоне //Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. №5. С. 537-544.

17.  Романов А. Н. Влияние массовой концентрации минеральных солей на диэлектрические характеристики их водных растворов в микроволновом диапазоне. //Радиотехника и электроника. Т. 49. №С. .

18.  Stogryn A. Equation for Calculation the Dielectric Constant of Saline Water //IEEE Trans. Microwave Theory Techn. 1971. MIT-19. P.733-736.

19.  Романов А. Н. Диэлектрические и радиоизлучательные свойства засоленных почв в микроволновом диапазоне. Барнаул: Изд-во Алтайского ун-та. 20с.

, доктор технических наук, профессор АлтГТУ, ведущий научный сотрудник Лаборатории физики атмосферных и гидросферных процессов ИВЭП СО РАН, автор более 100 публикаций в российских и зарубежных изданиях, 10 изобретений. Основные направления исследований – диэлектрические и радиоизлучательные свойства засоленных почв, минерализованных водоемов, микроволновая радиометрия земных покровов.



Подпишитесь на рассылку:

Проекты по теме:

Основные порталы, построенные редакторами

Домашний очаг

ДомДачаСадоводствоДетиАктивность ребенкаИгрыКрасотаЖенщины(Беременность)СемьяХобби
Здоровье: • АнатомияБолезниВредные привычкиДиагностикаНародная медицинаПервая помощьПитаниеФармацевтика
История: СССРИстория РоссииРоссийская Империя
Окружающий мир: Животный мирДомашние животныеНасекомыеРастенияПриродаКатаклизмыКосмосКлиматСтихийные бедствия

Справочная информация

ДокументыЗаконыИзвещенияУтверждения документовДоговораЗапросы предложенийТехнические заданияПланы развитияДокументоведениеАналитикаМероприятияКонкурсыИтогиАдминистрации городовПриказыКонтрактыВыполнение работПротоколы рассмотрения заявокАукционыПроектыПротоколыБюджетные организации
МуниципалитетыРайоныОбразованияПрограммы
Отчеты: • по упоминаниямДокументная базаЦенные бумаги
Положения: • Финансовые документы
Постановления: • Рубрикатор по темамФинансыгорода Российской Федерациирегионыпо точным датам
Регламенты
Термины: • Научная терминологияФинансоваяЭкономическая
Время: • Даты2015 год2016 год
Документы в финансовой сферев инвестиционнойФинансовые документы - программы

Техника

АвиацияАвтоВычислительная техникаОборудование(Электрооборудование)РадиоТехнологии(Аудио-видео)(Компьютеры)

Общество

БезопасностьГражданские права и свободыИскусство(Музыка)Культура(Этика)Мировые именаПолитика(Геополитика)(Идеологические конфликты)ВластьЗаговоры и переворотыГражданская позицияМиграцияРелигии и верования(Конфессии)ХристианствоМифологияРазвлеченияМасс МедиаСпорт (Боевые искусства)ТранспортТуризм
Войны и конфликты: АрмияВоенная техникаЗвания и награды

Образование и наука

Наука: Контрольные работыНаучно-технический прогрессПедагогикаРабочие программыФакультетыМетодические рекомендацииШколаПрофессиональное образованиеМотивация учащихся
Предметы: БиологияГеографияГеологияИсторияЛитератураЛитературные жанрыЛитературные героиМатематикаМедицинаМузыкаПравоЖилищное правоЗемельное правоУголовное правоКодексыПсихология (Логика) • Русский языкСоциологияФизикаФилологияФилософияХимияЮриспруденция

Мир

Регионы: АзияАмерикаАфрикаЕвропаПрибалтикаЕвропейская политикаОкеанияГорода мира
Россия: • МоскваКавказ
Регионы РоссииПрограммы регионовЭкономика

Бизнес и финансы

Бизнес: • БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумаги: • УправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги - контрольЦенные бумаги - оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудит
Промышленность: • МеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетика
СтроительствоАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Каталог авторов (частные аккаунты)

Авто

АвтосервисАвтозапчастиТовары для автоАвтотехцентрыАвтоаксессуарыавтозапчасти для иномарокКузовной ремонтАвторемонт и техобслуживаниеРемонт ходовой части автомобиляАвтохимиямаслатехцентрыРемонт бензиновых двигателейремонт автоэлектрикиремонт АКППШиномонтаж

Бизнес

Автоматизация бизнес-процессовИнтернет-магазиныСтроительствоТелефонная связьОптовые компании

Досуг

ДосугРазвлеченияТворчествоОбщественное питаниеРестораныБарыКафеКофейниНочные клубыЛитература

Технологии

Автоматизация производственных процессовИнтернетИнтернет-провайдерыСвязьИнформационные технологииIT-компанииWEB-студииПродвижение web-сайтовПродажа программного обеспеченияКоммутационное оборудованиеIP-телефония

Инфраструктура

ГородВластьАдминистрации районовСудыКоммунальные услугиПодростковые клубыОбщественные организацииГородские информационные сайты

Наука

ПедагогикаОбразованиеШколыОбучениеУчителя

Товары

Торговые компанииТоргово-сервисные компанииМобильные телефоныАксессуары к мобильным телефонамНавигационное оборудование

Услуги

Бытовые услугиТелекоммуникационные компанииДоставка готовых блюдОрганизация и проведение праздниковРемонт мобильных устройствАтелье швейныеХимчистки одеждыСервисные центрыФотоуслугиПраздничные агентства

Блокирование содержания является нарушением Правил пользования сайтом. Администрация сайта оставляет за собой право отклонять в доступе к содержанию в случае выявления блокировок.