Экспериментальное обнаружение просветления пресного льда в оптическом диапазоне вблизи 0 °С

Аннотация

В статье представлены результаты лабораторных измерений прозрачности блоков пресного льда в оптическом диапазоне в интервале температур от –15 °C до 0 °C. Исследования были выполнены на двух длинах волн в видимом диапазоне (на длине волны 535 nm) и ультрафиолетовом диапазоне (на длине волны 370 nm). Исследовали лед природного пресного водоема с характерной преимущественной пространственной ориентацией главной оптической оси кристаллов. Установлено, что при приближении к температуре 0 °C возникает просветление образца (уменьшение затухания). Эффект возникает в интервале –0.5 °C…0 °C. Он определяется возникновением пластической деформации из-за термических напряжений, вызванной начальной стадией фазового перехода лед-вода. При этом кристаллы льда начинают течь вдоль их базисных плоскостей, по которым, как известно, они деформируются при минимальных значениях сдвиговых напряжений. Обнаружено, что эффект проявляется в наибольшей степени при совпадении направления вектора электрического поля волн с базисной плоскостью кристаллов льда. Рассмотрены возможные причины просветления. Наиболее вероятная из них связана с образованием проводящего слоя нанометровой толщины, по которой происходит скольжение частей кристаллов льда. В такой структуре возможно значительное усиление электрических полей, вызванное плазмонными резонансами. Если предполагаемый механизм имеет место, то просветление возможно и по другим направлениям в кристалле в случае приложения к ним значительных механических напряжений, создающих сдвиговые деформации. Просветление в экспериментах с блоками льда толщиной ~10 см составляло значение 3%…25%. Полученные результаты представляют интерес для решения задач дистанционного зондирования, так как тающий лед является широко распространенным объектом из-за его значительной теплоты фазового перехода. Ранее эффект просветления пресного льда был также обнаружен в микроволновом диапазоне при приближении температуры образца к точке фазового перехода.