ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАПИЛЛЯРНО-МЕНИСКОВОЙ
ПОЧВЕННОЙ ВЛАГИ © 2011 г. Т. А. Беляева, П. П. Бобров*, О. В. Кондратьева, А. В. Репин
Омский государственный педагогический университет, Омск *Е-таП: bobrov@omgpu.ru Поступила в редакцию 15.03.2010 г.
Приведены результаты измерения комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных дистиллированной водой порошков из сферических кварцевых гранул, порошка гидрофобного диэлектрика, речного песка, а также двух образцов естественных почв в диапазоне частот 0.1—8 ГГц. Обнаружено, что по диэлектрическим характеристикам в почве при влажности, не превышающей наименьшей влагоемкости, кроме прочно связанной воды можно выделить еще две ее формы. Показано, что диэлектрическая проницаемость этих двух форм воды зависит от физических свойств минерала, формы и размеров почвенных частиц. Найдены параметры модели Дебая для этих форм воды. Рассмотрены возможные причины, приводящие к изменению диэлектрической проницаемости воды при взаимодействии с почвенными частицами. Установлено, что влажность почвы, соответствующая переходу от одной формы воды к другой, близка к максимальной молекулярной вла-гоемкости.
Ключевые слова: диэлектрическая проницаемость, влажные смеси, сверхвысокие частоты, категории почвенной влаги, дистанционное зондирование
ВВЕДЕНИЕ
Одной из проблем микроволнового дистанционного зондирования (ДЗ) почв является зависимость комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) б = s' — je" (j — мнимая единица) почв от влажности. Несмотря на большое количество экспериментальных данных и опубликованных работ (Лещанский, Лебедева и др., 1971; Dobson, Ulaby etal., 1985; Curtis, Weiss et al., 1995; Беляева, Бобров, 2003), остается до конца не решенной проблема создания моделей, способных адекватно описывать диэлектрические свойства с.-х. почв разных типов в диапазоне влажностей от нулевой до состояния полного водонасыщения и в диапазоне частот, используемых в микроволновом ДЗ (0.3—12 ГГц). В ряде работ удалось значительно продвинуться в деле создания моделей КДП, позволяющих получить зависимость диэлектрической проницаемости почвы от частоты и влажности, используя стандартизированные агрофизические показатели, в первую очередь содержание физической глины (почвенных частиц размером менее 0.01 мм) и гумуса (Mironov, Bo-brov, 2003; Mironov, Dobson, 2004; Бобров, Миронов, 2008; Mironov, Kosolapova, 2009). С этими показателями статистически связаны максимальное количество связанной воды в почве и параметры модели Дебая, характеризующие ее КДП. Было установлено также, что диэлектрическая проницаемость свободной почвенной воды (в почвоведении ее подразделяют на капиллярно-менисковую и гравитацион-
ную) отличается от диэлектрической проницаемости истинно свободной воды и в разных почвах различна. Зависимостей КДП свободной почвенной влаги от каких-либо характеристик почв найдено не было, поэтому в моделях использовались усредненные значения параметров модели Дебая, найденные из экспериментальных измерений. Для почв с содержанием физической глины не менее 30% общей массы (суглинки и глинистые почвы) удовлетворительное согласование с экспериментом удавалось получить, принимая для статической диэлектрической проницаемости свободной почвенной воды при температуре 20—22°С значение е0в = = 100—101, для времени релаксации — значение тв « ~ 8 пс. В песчаных почвах параметры модели Дебая свободной почвенной влаги варьировались в больших пределах и расхождение экспериментальных данных с расчетными увеличивалось.
С целью установления взаимосвязи КДП капиллярно-менисковой почвенной влаги с размерами частиц нами были проведены тщательные экспериментальные исследования КДП увлажненных порошков сферических кварцевых гранул, порошка диэлектрика СТ-10, речного песка и проведено сравнение с КДП некоторых естественных почв.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Было исследовано несколько образцов влажных порошков с разными размерами кварцевых гранул.
Таблица 1. Распределение частиц по размерам (в % от массы) и наименьшая влагоемкость (в объемных долях) образцов 1—5
№ Образец Размер частиц , мкм НВ, м3/м3
0-10 10-25 25-50 50-100 100-200 200-400 400-800
1 Кварцевые гранулы 10-50 мкм 0.08 18.89 76.81 4.22 - - - 0.35
2 Кварцевые гранулы 50-100 мкм - 0.06 9.96 89.98 - - - 0.30
3 Кварцевые гранулы 100-400 мкм - - 0.01 1.93 56.52 41.54 - 0.26
4 Речной песок - - - - 2.4 67.46 30.14 0.30
5 Порошок СТ-10 63.0 37.0 - - - - - -
Распределение частиц по размерам (в процентах от общей массы) и наименьшая влагоемкость (НВ) (максимальное количество воды, которое может удержать почва менисковыми или капиллярными силами после стекания всей гравитационной воды) приведены в табл. 1. Образцы 1—3 содержали кварцевые гранулы почти сферической формы с небольшим количеством эллипсоидных частиц и мелких обломков (рис. 1б, 1в). В образце естественного речного песка (образец 4) основную долю составляли удлиненные частицы неправильной формы, часть из них имела шероховатую поверхность (рис. 1г). Образец 5 (рис. 1а) представлял собой измельченный органический диэлектрик СТ-10 (сополимер стирола с а — метилстиролом, наполненный двуокисью титана), имеющий в монолитной форме е' = 10 ± ± 0.5 и тангенс угла диэлектрических потерь = 2 х х 10-3. Частицы этого порошка имеют угловатую неправильную форму.
Распределение частиц по размерам в каждом типе порошков измерялось с помощью микроскопа. Исследуемые выборки содержали от 500 до 800 частиц. Распределение числа частиц по размерам переводили в массовые доли с учетом известной плотности минерала. В кварцевом порошке с наименьшим размером гранул (образец 1) основную массу составляют частицы с размерами 10—50 мкм. В образце 2 большая часть частиц почти равномерно
распределена в интервале 50—100 мкм. В образце 3 основная доля частиц имеет размер между 100— 400 мкм. Средние размеры (полусумма наибольшего и наименьшего размера) частиц речного песка (образец 5) лежат в интервале 200—800 мкм. Размеры частиц порошка СТ-10 существенно меньше, чем у предыдущих образцов. Основная доля частиц (около 80% массы) имеет средние размеры 412 мкм.
Также с малым шагом изменения влажности была измерена КДП двух образцов естественных почв, взятых из одного шурфа с разной глубины. Гранулометрический состав почв (по методу Н.А. Качин-ского) приведен в табл. 2. Образцы незначительно отличались содержанием физической глины (частиц размерами менее 0.01 мм). Содержание гумуса в образце 6 составляет 6.6% (по массе), а в образце 7-0.6%.
Результаты рентгенофазового и ИК-спектро-скопического анализов образца 6 показали, что в нем доминирует кварц ~ 55%, присутствуют полевые шпаты ~ 25% (плагиоклаз ~ 20% , и калиевый полевой шпат ~ 5%), слюда диоктаэдрическая (му-сковитового типа) ~ 5%, каолинит ~ 3-5%, смек-тит ~ 2-3%, органика ~ 6%.
Для измерения диэлектрической проницаемости исследуемые образцы размещались в ячейках, представляющих собой отрезки коаксиальных ли-
Рис. 1. Форма и размеры частиц исследуемых образцов: а - порошок СТ-10 (образец 5); б - кварцевые гранулы 10-50 мкм (образец 1); в - кварцевые гранулы 50-100 мкм (образец 2); г — речной песок (образец 4).
Таблица 2. Гранулометрический состав почв (в % от массы сухой почвы)
Образец Размер фракций, мм
1-0.25 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 <0.001 <0.01
6 2.20 43.80 17.90 4.20 1.40 30.50 36.10
7 0.80 27.24 28.03 3.86 5.22 34.80 43.88
ний длиной от 2 до 11 см. Нужная длина выбиралась в зависимости от влажности образца и диапазона частот, в котором производились измерения. В диапазоне частот 0.1—4 ГГц модуль и фаза коэффициента передачи ячейки измерялись с помощью векторного измерителя параметров цепей ZVRE, а в диапазоне частот 4—8 ГГц измерялись модули коэффициентов отражения и передачи с помощью панорамного измерителя Р2-103. Погрешность измерения КДП образца зависит от его влажности, длины ячейки и частоты. Погрешность измерения действительной части КДП с помощью ZVRE изменялась по диапазону частот от 6—9% на частоте 0.1 ГГц до 2—3% на частоте 4 ГГц, мнимой части — от 10—20% на частоте 0.1 ГГц до 2—5% на частоте 4 ГГц. В диапазоне частот 4—8 ГГц погрешность измерений действительной части КДП с помощью Р2-103 составляла не более 5% для сухих образцов и не более 10% для влажных. Погрешность измерения мнимой части в этом диапазоне частот составляла от 10 до 20%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И МОДЕЛИРОВАНИЯ
Измерения КДП влажных образцов с малым шагом изменения влажности показали, что зависимости от влажности ^действительной и мнимой частей показателя преломления образцов
п = п + /к = \1'<:' - уе" можно аппроксимировать кусочно-ломаными линиями. На рис. 2 приведены такие зависимости п(Ж) и к(Ж) в области значений влажности, меньших, чем НВ для кварцевых порошков из сферических гранул (образцы 1—3), а на рис. 3 — для речного песка (образец 4) и порошка СТ-10 (образец 5) на двух частотах. Видно, что изломы на характеристиках к(Ж) выражены сильнее, чем на характеристиках п( Ж). Влажности, соответствующие точкам перегиба и обозначенные через Ж на зависимостях п( Ж) и к( Ж), уменьшаются при увеличении размера кварцевых гранул (рис. 2) на частоте ГГц от 0.15 м3/м3 для образца 1 до 0.11 м3/м3 для образца 3. При уменьшении частоты от 3.1 до 0.5 ГГц влажность точки перегиба уменьшается на 20—30%. На графиках, приведенных на рис. 3, для речного песка и порошка СТ-10 такой зависимости Ж от частоты не наблюдается.
В рамках рефракционной модели диэлектрической проницаемости влажных смесей (Комаров, Миронов, 2000; Мкопоу, ЭоЪ8оп е! а1., 2004) посто-
янство наклона зависимостей п( Ж) и к( Ж) в определенном интервале влажностей можно трактовать как постоянство диэлектрических свойств воды, поэтому можно сделать вывод о том, что в образцах имеются две формы воды, имеющие разную диэлектрическую проницаемость. Следует сделать оговорку, что определяемые с помощью той или иной модели смеси значения п и к разных форм воды, строго говоря, являются параметрами модели, а не истинным
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.