Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в мерзлой и талой лесной почве в диапазоне частот от 15 МГц до 15 ГГц

Разработка точных диэлектрических моделей почв является ключевой задачей для интерпретации данных дистанционного микроволнового зондирования Земли, особенно в контексте мониторинга таяния вечной мерзлоты и связанных с этим климатических изменений [1], где методы дистанционного зондирования в последнее время наиболее востребованы [2]. Изменение климата и таяние вечной мерзлоты требуют совершенствования методов мониторинга таких параметров почв, как влажность, температура и объем незамерзшей воды. Дальнейшее совершенствование методов дистанционного зондирования может быть связано с расширением частотного диапазона аппаратуры [3], в связи с чем требуется создание спектроскопических моделей диэлектрической проницаемости почв, учитывающих все возможные релаксационные процессы диэлектрической поляризации. Для анализа сложных динамических систем, со множеством релаксационных процессов, часто используется метод, предполагающий восстановление из частотной характеристики функции, описывающей распределение времен релаксаций в системе во временной области. В литературе эта функция носит название функция распределения времен релаксаций (ФРВР) [4]. В данной работе с помощью ФРВР, полученных из спектров комплексной диэлектрической проницаемости (КДП), проводился анализ диэлектрических релаксаций в мерзлой и талой лесной почве.
Исследования проводились на образцах лесного суглинка (гранулометрический состав по классификации USDA: 10.5% песка, 66.2% ила, 23.3% глины) с содержанием органического вещества 11.1%. Диэлектрические спектры измерялись в диапазоне частот электромагнитного поля от 15 МГц до 15 ГГц, диапазоне температур от минус 30 до 25 °C и влажностей от воздушно-сухого состояния до максимальной влагоемкости. Восстановление ФРВР из экспериментальных спектров почвы проводилось в соответствии с методом, изложенным в [5]. Нормированное среднеквадратическое отклонение рассчитанных с помощью найденных ФРВР спектров КДП от измеренных не превышало 1% для действительной и 3% для мнимой части КДП с коэффициентом детерминации не менее 0.99 для обеих частей КДП.
В результате анализа ФРВР, полученных из экспериментальных спектров КДП лесной почвы, установлено, что ФРВР имеет квазидискретный вид с хорошо различимыми пиками. В процессе интерпретации данных ФРВР предполагалось, что каждый пик ФРВР характеризует некий отдельный релаксационный процесс диэлектрической поляризации, причем параметры данного пика можно связать с параметрами релаксации: время максимума пика интерпретировалось как время релаксации, а отношение площади пика к сумме площадей всех пиков – как относительный вклад релаксации в спектр КДП. Количество пиков соотносилось с количеством диэлектрических релаксаций в рассматриваемом частотном диапазоне. Установлено, что наибольший вклад в спектр КДП как талой, так и мерзлой почвы в рассматриваемом диапазоне частот вносит низкочастотная релаксация с временами от 50000 до 100000 пс. Было проведено исследование влияния влажности и температуры образцов на ФРВР почвы. Так, в образце, близком к сухому состоянию, было идентифицировано две релаксации с временами около 25 пс и 50000 пс. С ростом влажности до 4% появляются дополнительные релаксации с временами около 8, 70 и 2000 пс. При дальнейшем увеличении влажности происходит расщепление некоторых пиков ФРВР. Пик, соответствующий релаксации со временем 70 пс, расщепляется при влажности 3%, а пик при 2000 пс расщепляется трижды – при влажностях 3%, 4% и 6%. Всего было идентифицировано до 9 релаксационных процессов в диапазоне времен релаксации от 8 пс до 100 000 пс.
Полученные результаты открывают возможность создания новых диэлектрических моделей в широком частотном диапазоне электромагнитных волн, учитывающих необходимое количество диэлектрических релаксаций для повышения точности описания КДП влажных почв, что будет способствовать повышению точности оценки параметров почв с помощью методов дистанционного зондирования.