Влияние связанной воды на температурную зависимость частотных спектров диэлектрической проницаемости влажных почв

Активное развитие аэрокосмических технологий микроволнового дистанционного зондирования Земли дает новые возможности для получения информации о земной поверхности при решении экологических и других народнохозяйственных задач. Данные технологии активно используются для решения задач мониторинга влажности и температуры почв. Влажность почвы является ключевым параметром в моделях прогноза погоды, изменения климата, прогноза урожайности сельскохозяйственных культур, и др. В настоящее время дистанционное зондирование Земли осуществляется радиометрическими и радиолокационными методами в широком диапазоне частот, охватывающем мегагерцовую и гигагерцовую области частот. Одним из параметров определяющим закономерности отражения, рассеяния и излучения электромагнитных волн почвенными покровами является комплексная диэлектрическая проницаемость почв. В используемом дистанционным зондированием диапазоне частот электромагнитных волн проявляется два релаксационных процесса диэлектрической поляризации. Ниже 1 ГГц важную роль играет межфазная поляризация (также называемая эффектом Максвелла-Вагнера) [1, 2]. Благодаря эффекту Максвелла-Вагнера происходит увеличение значения диэлектрической проницаемости (ДП) почвы с уменьшением частоты. В гигагерцовой области частот проявляется ориентационная релаксация диполей.
В работе [3] была обнаружена частота, при которых наблюдается пересечение спектров ДП, полученных для образца одной фиксированной влажности, но при различных температурах. Однако авторы не изучили влияние влажности на отмеченную точку пересечения спектров ДП почвы, в частности не было изучено появление таких точек в почвах с влажностями, при которых вся вода находится в связанном состоянии. Использование в методах дистанционного определения влажности частот, на которых пересекаются спектры ДП почвы, может позволить исключить влияние температуры и получить единые соотношения, связывающие регистрируемые параметры электромагнитной волны с влажностью для всего диапазона положительных температур.
Известно, что во влажных почвах почвенные частицы не имеют частотную дисперсию ДП. В связи с этим основным компонентом почвы, влияющим на спектр ДП, является вода, которая в почве может быть в связанном и несвязанном состояниях. При этом спектроскопические характеристики ДП связанной и несвязанной воды могут существенно различаться. Цель данного исследования состояла в том, чтобы оценить влияние ДП категорий почвенной воды на частотные спектры ДП влажной почвы при положительных температурах. Для этого было проведено моделирование спектров ДП компонентов почвенной воды, используя ранее разработанную обобщенную рефракционную диэлектрическую модель смеси (ОРДМС) [4], на примере естественной минеральной почвы с содержанием глинистой фракции 41,3 %. С помощью ОРДМС были получены спектроскопические параметры каждой категории воды в почве, что позволяет отдельно исследовать спектры ДП этих категорий воды.
В результате проведенного моделирования были найдены частоты, при которых температурная зависимость ДП во влажной минеральной почве минимальна. Если в почве присутствует только связанная вода, то спектры ДП почвы не имеют пересечений при изменении температуры, при этом имеется область частот от 1 до 3 ГГц, в которой значения ДП почвы близки друг к другу при изменении температуры и различаются не более чем на 3%. Если в почве присутствует как связанная, так и несвязанная вода, то наблюдаются две точки пересечения спектров ДП почвы при изменении температуры, где температурная зависимость отсутствует. Показано, что данные точки пересечения возникают в результате действия низкочастотных релаксаций Максвелла-Вагнера, проявляющихся в связанной воде, и высокочастотной релаксации, проявляющейся в несвязанной воде. Когда в почве присутствует как связанная, так и несвязанная вода, можно выделить диапазон частот от 500 МГц до 3,5 ГГц, где спектры ДП почвы расположены наиболее близко друг к другу и находятся в пределах 7 % от средней величины ДП почвы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности в рамках научного проекта № 22-27-20112