оптические свойства льда

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

Особенности распространения во льду электромагнитных волн оптического диапазона — инфракрасных, видимых, ультрафиолетовых длиной от 1 нм до 1 мм. Кристаллы льда оптически анизотропны — величины показателя преломления зависят от направления распространения луча в кристалле, что связано с анизотропией диэлектрической проницаемости льда. Показатель преломления льда характеризует уменьшение скорости распространения волны по сравнению с вакуумом. На границе раздела синус угла преломления относится к синусу угла падения как показатель преломления первой среды к показателю преломления второй. В любой точке кристалла льда преломление характеризуется тензором — эллипсоидом преломления, называемым оптической индикатрисой льда.

В соответствии с гексагональной сингонией в кристаллах льда имеется лишь одно круглое сечение эллипсоида, совпадающее с нормалью к его оси вращения. Эта ось является единственной оптической осью кристаллов льда, она совпадает с большой осью эллипсоида, поэтому кри-. сталлы льда оптически положительны. Двуосность может появиться в результате испытанных льдом упругих деформаций. Анизотропия кристаллов льда приводит к двойному лучепреломлению светового потока во льду. Обыкновенная волна преломляется в плоскости падающего луча по нормали к его поверхности, другая часть пучка — необыкновенная волна — отклоняется от этой плоскости. Показатели преломления обыкновенной волны п° и необыкновенной п^Е не одинаковы. В зависимости от длины волн при —3 °С п° меняется от 1,306 до 1,318, а п^Е — от 1,307 до 1,326. Величина п^Е — п° имеет порядок 0,001—0,002 — самый низкий показатель из всех минералов. В результате двойного лучепреломления световой пучок в кристадле поляризуется, т. е. световые волны колеблются в определенных плоскостях, а не хаотично, в частности обыкновенная волна — в плоскости оптической оси кристалла. Это позволяет определять положение оптических осей кристаллов при рассмотрении через поляроиды — экраны, пропускающие лишь свет, поляризованный в определенном направлении в зависимости от угла поворота экрана. Различное поглощение обыкновенных и необыкновенных волн, зависящее от частоты волны, приводит к разной окраске кристаллов при рассмотрении их между поляроидами, что позволяет оценивать господствующую ориентировку оптических осей кристаллов льда.

При прохождении света через лед наблюдается ослабление потока вследствие поглощения и рассеяния (отражения) по закону

J₂ = (I-A) Ioe^^az,

_{где /о и Iz} — соответственно плотность потока солнечной радиации на поверхности и глубине г; А — отражательная способность поверхности (альбедо); а — коэф. экстинкции (поглощения) льда.

В зависимости от длины волны этот коэф. меняется от 0,001 до 0,5 см^-1. Интегрально по оптическому спектру характерное значение а = 0,05 см^-1, что означает ослабление света в e раз в слое льда 20 см. В снегу а достигает 0,2—0,3 см^-1 (ослабление в e раз в слое 3—5 см). Собственно поглощение света во льду состоит в переводе энергии из световой в тепловую, следствием чего служит радиационный нагрев или таяние льда.

Рассеяние света во льду заключается в преломлении света на неоднородностях (границах кристаллов и пр.). Рассеяние описывается функцией углового распределения рассеянной лучистой энергии. Относительное угловое распределение силы света κ(γ, λ) характеризуется функцией

κ(γ, λ) = 4πσ (γ, λ)/σ (λ),

_{где γ — угол падения луча на рассеивающий объем; λ — длина волны; çr — показатель рассеяния, равный доле рассеиваемого света от всего потока.}

Функция κ называется индикатрисой рассеяния света во льду. Рассеянный свет распространяется во всех направлениях. Часть энергии, выходящей через поверхность льда или отраженной от нее непосредственно, образует отраженное излучение I_r. Отношение I_rII_q = А называется альбедо льда. Оно равно 0,2—0,4 для чистого льда и доходит до 0,88 для чистого снега из-за интенсивного отражения и рассеяния в нем света. Судя по измерениям В. Амбаха [236], в формировании альбедо решающую роль играют поверхностные слои льда, где коэф. экстинкции вследствие рассеяния достигает 0,25 и уменьшается до 0,05 на глубине 10 см. Рассеяние света во льду делает его голубым и даже изумрудным, причем густота окраски растет с уменьшением примесей. При обильном включении крупных пузырьков воздуха возникает белый цвет льда.

В инфракрасном диапазоне коэф. экстинкции льда равен 0,97. Поскольку поглощательная способность льда в инфракрасном диапазоне велика, а отражательная мала, тепловое излучение льда в инфракрасном диапазоне близко к излучению абс. черного тела, а оно пропорционально четвертой степени абс. температуры льда, коэф. экстинкции и постоянной Стефана — Больцмана. Лед из чистой воды при температуре жидкого азота становится флюоресцентным и фосфорисцентным, т. е. обладает способностью к люминесценции, соответственно сохраняющейся и исчезающей после облучения. Свечение льда связано с излучением, избыточным над тепловым.

_{А. Н. Кренке}