Многорелаксационная спектроскопическая и термодинамическая диэлектрическая модель сельскохозяйственной почвы в талом и мерзлом состоянии

В докладе представлены спектроскопическая и термодинамическая модели комплексной диэлектрической проницаемости влажной почвы, предназначенная для использования в алгоритмах обработки данных радарного и радиотеплового зондирования влажности и температуры почвенного покрова. Модель основана на данных измерений комплексной диэлектрической проницаемости для влажных образцов «Чернозема обыкновенного слабогумусного сверхмощного тяжелосуглинистого на лессовидных глинах» в диапазоне массовых влажностей от 1% до 50%, диапазоне температур от -30°С до +25°С (в режимах замораживания и оттаивания) и диапазоне частот от 10 МГц до 15 ГГц. Модель позволяет найти комплексную диэлектрическую проницаемость как функцию частоты электромагнитной волны, влажности и плотности сухого сложения почвы, температуры почвы как талой, так и мерзлой.
Созданная диэлектрическая модель основана на учете фазовых переходов различных компонентов почвенной воды и определении зависимостей от температуры для спектроскопических параметров диэлектрической проницаемости каждой компоненты почвенной воды с последующим использованием известных физических законов для определения соответствующих термодинамических параметров.
В частности, в рамках концепции обобщенной рефракционной модели диэлектрической проницаемости смеси выделены три компоненты почвенной воды – связанная, переходная и свободная вода и проведен анализ фазовых переходов каждой компоненты в процессе замораживания-оттаивания почвы. Установлены зависимости максимально возможного содержания связанной и переходной почвенной влаги от температуры и доказано существование явления гистерезиса для этих величин. Получены эмпирические формулы описывающие перенос массы между различными компонентами почвенной влаги в мерзлой почве. Установлено, что в процессе нагревания мерзлой почвы количество льда остается постоянным. Получены температурные зависимости параметров диэлектрических спектров Дебая и найдены их термодинамические параметры для каждой компоненты почвенной воды в талой и мерзлой и почве. В составе термодинамических параметров рассмотрены коэффициент объемного расширения, энергия активации и энтропия активации релаксационного процесса, температурный коэффициент проводимости. Исследованы явления гистерезиса для спектроскопических и термодинамических параметров при фазовых переходах каждой компоненты почвенной воды.
Показано, что разработанная модель позволяет проводить расчеты комплексной диэлектрической проницаемости во всем исследованном диапазоне температур, влажностей и частот с погрешностями сравнимыми с ошибками измерения диэлектрической проницаемости влажных почв. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для создания алгоритмов обработки данных радарного и радиометрического зондирования почвенных покровов в условиях замерзания и оттаивания почвенных покровов.
Работа выполнена в рамках Программы Президиума РАН, Доп. №2 к ГЗ-44П и Гранта РФФИ №13-05-00502.