ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТАЛОЙ И МЕРЗЛОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ПОЧВЫ НА ЧАСТОТЕ РАДИОМЕТРА AMSR
© 2015 г. В. Л. Миронов, Л. Г. Косолапова*, И. В. Савин
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск *Е-шаП: rsdvk@ksc.krasn.ru Поступила в редакцию 14.03.2014 г.
Создана простая одночастотная диэлектрическая модель талой и мерзлой арктической почвы для частоты 6.9 ГГц. Модель создана на основе лабораторных диэлектрических измерений образцов почвы, содержащей 80—90% органического вещества, в диапазоне гравиметрических влажностей от 0.01 до 0.942 г/г (объемных влажностей от 0.007 до 0.573 см3/см3), температур — от +25 до —30°С в режиме замораживания. В качестве уравнения регрессии для измеренных значений комплексного показателя преломления почвы в зависимости от влажности использовалась рефракционная модель смеси. Из регрессионного анализа были определены комплексные показатели преломления различных компонентов почвы (минерало-органической компоненты, связанной, переходной и свободной воды (льда для мерзлой почвы)), а также величины для максимально допустимого содержания связанной и переходной воды в почве при всех измеренных температурах. Получены эмпирические зависимости комплексного показателя преломления компонентов почвы и максимально допустимых содержаний различных типов воды в почве от температуры. В результате была построена модель, которая позволяет рассчитывать диэлектрическую проницаемость талой и мерзлой органической почвы в зависимости от влажности и температуры на частоте 6.9 ГГц. Среднеквадрати-ческая ошибка для действительной части комплексной диэлектрической проницаемости почвы составила 0.20, а для мнимой — 0.22, при значениях коэффициента детерминации 0.999 и 0.995 соответственно.
Ключевые слова: органическая почва, влажность, диэлектрическая модель, талая и мерзлая почва, радиометр АМ8Я, 6.9 ГГц
БО1: 10.7868/80205961415050061
ВВЕДЕНИЕ
Радиометр AMSR-E, измеряющий яркостные температуры микроволнового излучения Земли на частотах 6.9, 10.65, 18.7, 23.8, 36.5 и 89.0 ГГц на вертикальной и горизонтальной поляризациях в полосе шириной 1450 км, действовал на борту спутника Aqua с мая 2002 по октябрь 2011 г. Он был остановлен в связи с увеличением трения вращения, а в декабре 2012 г. снова запущен в эксплуатацию на более низкой скорости вращения, и информация, измеряемая им, снова доступна пользователям. Кроме того, в мае 2012 г. запущен и действует по настоящее время японский спутник GCOM-W1 с радиометром AMSR2, который проводит измерения на семи частотах (6.9, 7.3, 10.65, 18.7, 23.8, 36.5 и 89.0 ГГц) (http://suza-ku.eorc.jaxa.jp/GCOM_W/index.html). Для восстановления влажности поверхности суши более всего подходит самая низкая частота 6.9 ГГц, так как она наиболее чувствительна к воде. Во всех алгоритмах восстановления влажности почвы из измерений яркостной температуры земли используются диэлектрические модели влажной
почвы (М1аёепоуа е! а1., 2014). В составе алгоритма обработки данных космического аппарата 8М08 в настоящее время функционирует недавно разработанная В.Л. Мироновым с соавт. (Мкопоу, Бошт, 2009) диэлектрическая модель для влажных почв, которая позволяет рассчитывать комплексную диэлектрическую проницаемость (КДП) талых минеральных почв с различным гранулометрическим составом — в зависимости от влажности и температуры почвы в диапазоне частот от 0.3 до 26.5 ГГц.
Почвы приполярной Арктики имеют высокое содержание органики. Значительный запас мертвых растительных остатков в тундрах обусловлен замедленной минерализацией опада, бедностью бактериальной флоры, неблагоприятными почвенными температурами. Верхний, органогенный, горизонт арктической тундры содержит более 30% органического углерода (Розанов, 1975). Присутствие органики оказывает существенное влияние на диэлектрические свойства влажных почв. Известные формулы, связывающие диэлектрическую проницаемость органических почв с
Таблица 1. Плотность сухого сложения почвы, ра, г/см3. Гравиметрическая влажность относительно веса сухого образца, ш„, г/г. Объемная влажность тсм3/см3, относительно объема сухого образца
mg 0.01 0.106 0.126 0.144 0.176 0.202 0.237 0.245 0.263 0.339 0.377 0.385 0.382 0.441 0.562 0.763 0.942
Pd 0.666 0.622 0.625 0.591 0.604 0.568 0.564 0.567 0.566 0.581 0.564 0.574 0.595 0.601 0.596 0.603 0.608
mv 0.007 0.066 0.079 0.085 0.106 0.115 0.134 0.139 0.149 0.197 0.213 0.221 0.227 0.265 0.335 0.46 0.573
влажностью, разрабатывались для калибровки промышленно выпускаемых рефлектометров, предназначенных для измерения влажности талых почв в мегагерцовом диапазоне частот (Торр й а1., 1989; 8с1егасИа, 2000; Ритрапеп, Пуе8тет1, 2005). В гигагерцовом диапазоне частот ранее Мироновым с соавторами (Мкопоу е! а1., 2010; Миронов и др., 2010) была создана многочастотная (частота изменяется от 1.0 до 16.0 ГГц) модель богатой органикой арктической почвы в талом и мерзлом состояниях для диапазонов температур —7°С < Т< 25°С и —30°С < Т < —7°С соответственно. В этой модели влажностные зависимости описываются рефракционной моделью, частотные — уравнениями Де-бая, а температурные — уравнениями Клаузиуса— Мосотти, Дебая и уравнением для температурного коэффициента ионной проводимости. В результате она содержит довольно много параметров и не очень удобна для практического использования. Кроме того, в многочастотной модели (Мкопоу е! а1., 2010; Миронов и др., 2010) вследствие выбранного способа замораживания почвы температура замерзания почвы оказалась равной —7°С, в то время как в природных условиях температура замерзания почвы может изменяться в диапазоне отрицательных температур в пределах от десятых долей градусов Цельсия до нескольких градусов.
В настоящей работе предлагается более простая одночастотная (6.9 ГГц) температурно-зави-симая диэлектрическая модель для этой же арктической почвы. При этом, благодаря применению другой технологии замораживания почвенных образцов, созданная диэлектрическая модель для замерзшей почвы применима в диапазоне температур -30°С < Т <-1°С.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ И РЕФРАКЦИОННАЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СМЕСИ
Для диэлектрических измерений был выбран образец почвы (кустарниковая тундра), взятый сотрудниками Мичиганского университета вблизи оз. Тулик (Аляска) в ходе полевых работ 2004 г. фе Яоо е! а1., 2006). Содержание органического вещества в этой почве составляет 80—90%, в минеральной составляющей доминирует кальцит
~60—70%, присутствует кварц ~20—30%, отмечаются следы слюды, плагиоклаза, каолинита. Диэлектрические свойства почвы были измерены в области частот от 1 до 16 ГГц, гравиметрическая влажность изменялась от 0.01 до 0.942 г/г (объемная влажность при этом изменялась от 0.007 до 0.573 см3/см3), температура варьировала от +25 до —30°С с шагом 5 и 2°С в зависимости от измеряемого локального диапазона. Плотность сухого сложения почвы in vivo равнялась 0.254, в то время как in vitro средняя плотность сухой почвы составляла 0.597 г/см3. Плотность сухого сложения почвы варьировала от образца к образцу, поскольку плотность наполнения измерительной ячейки зависела от влажности почвы (табл. 1).
Измерения комплексной диэлектрической проницаемости проводились с помощью векторного анализатора цепей ZVK фирмы Rohde & Schwarz. Методика измерений описана в работе (Mironov et al., 2010).
Так же, как и в работе (Mironov et al., 2010), будем анализировать комплексную диэлектрическую проницаемость почвы s в терминах приведенного комплексного показателя преломления (КПП)
(п* -1)/ра = (Тб- 1)/р, = (п -1)/р4 + , (1)
где п = ЯеУе и к = 1шУе — действительная и мнимая части КПП соответственно; р^ — плотность сухого сложения почвы, размерность г/см3.
На рис. 1 представлены результаты измерений приведенного комплексного показателя преломления в диапазонах температур —5°С < Т< 25°С и —30°С < Т < 7°С для талой и мерзлой почв соответственно. Наряду с результатами измерений приведенного комплексного показателя преломления на рис. 1 представлены линии регрессии, полученные с использованием обобщенной рефракционной диэлектрической модели смеси (2) и (3) в том виде, в каком она приведена в работе (Мкопоу е! а1., 2010).
Приведенный КПП, (п* - 1)/рй 7г а
6
5
4
3
2
1
0
Т = +25°с Т = +15°с Т = 0°с
Т = 0°с Т = +15°с Т = +25°с
Приведенный КПП, (п* - 1)/р^
б
2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0
0
Т = —7°с
Т= —20°с Т= -30°с
¿т = —7°с
Т= —20°с т= -30°с
Гравиметрическая влажность, т.
£
Гравиметрическая влажность, т
£
Рис. 1. Зависимости приведенного комплексного показателя преломления (КПП) почвы от гравиметрической влажности при различных температурах, Т (значения указаны на графиках) на частоте 6.9 ГГц: а — талая почва, б — мерзлая почва.
п, - 1 Р^(т )
пт -1 (пь -1)
—— + ——- т ; т. < т^, Р т Рь
^ + ^ тё1п + ^ т - тё1п); Р т Рь Р(
т^п < т. < тё2п,
(2)
^ + ^ тё1п + ^ (т^2п - т^1п) + Р т Рь Р<
пи -1
+ —-т - т^2п); т. > те2п ,
Р; , I
к „
Р^ (т.)
Кт Кь ^
— + — т„; т. < т
РЬ
•£1к>
— + — т.1к + К (т. - т.1к); Рь Р,
т.1к < т. < т. 2к ,
(3)
— + — т.1к + — (т.2к - т.1к) + Р!
Рь
К,
+ — (т. - т 2к); т > т 2к. Рц
Индексы d, т, Ь, I и / обозначают влажную почву, сухую почву, органо-минеральную компоненту почвы, связанную, переходную, свободную (жидкую) воду и лед соответственно; т£1п, т£1к и т£2п, т£2к — величины для максимально допустимого содержания связанной воды и общего максимально допустимого содержания связанной и переходной воды, определенные из влажностных зависимостей действительной (т&Хп, т&1п) и мнимой (т£1к, т£2к) частей приведенного КПП соот-
ветственно. Согласно формулам (2) и (3), при вычислении действительной или мнимой частей КПП, когда влажность образца возрастает, учитывается присутствие в образце только связанной компоненты почвенной воды, если выполняются неравенства т£ < т£1п или т£ < т£1к, двух компонент почвенной воды (связанной и переходной), если выполняются неравенства т&Хп < т&< т£2п или т£1к < т£ < т£2к, и всех трех компонент (связанной, переходной и свободной) почвенной воды, если выполняются неравенства т£2п < т£ или т£2к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.