ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 1, с. 15-23
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 537.226.1+631.437.226.2
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ СТАНДАРТИЗОВАННЫЕ АГРОФИЗИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ © 2008 г. П. П. Бобров*, В. Л. Миронов, О. А. Ивченко, В. Н. Красноухова
*Омский государственный педагогический университет Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск *Тел.: (3812) 33-52-38; e-mail: bobrov@omgpu.ru Поступила в редакцию 16.04.2007 г.
Приведены результаты измерения диэлектрических и гидрофизических характеристик почв, на основании которых параметры релаксационной модели Дебая для почвенной связанной влаги выражены с помощью регрессионных уравнений через параметры, характеризующие гранулометрический состав и максимальную гигроскопичность почв. На основе установленных зависимостей разработана диэлектрическая спектроскопическая модель влажной почвы, использующая ее стандартизованные агрофизические показатели в качестве входных параметров.
ВВЕДЕНИЕ
При дистанционном исследовании почв микроволновыми методами необходима информация об их диэлектрических свойствах. Последние значительно различаются у разных типов почв, что определяется в первую очередь различным содержанием связанной воды и ее диэлектрическими свойствами, различными в разных типах почв. Ввиду трудоемкости отбора почвенных образцов и измерений их диэлектрической проницаемости задача создания баз данных о диэлектрической проницаемости почв на больших территориях является практически нереализуемой.
В то же время хорошо изучены и известны для значительной части почв сельскохозяйственного назначения физические и гидрологические характеристики: гранулометрический состав, содержание гумуса, максимальная гигроскопичность, наименьшая полевая влагоемкость и др.
В настоящее время за рубежом для вычисления комплексной диэлектрической проницаемости влажных почв в СВЧ-диапазоне широко применяется полуэмпирическая модель Добсона [1], в которой в качестве физических параметров почвы используется весовое содержание глины, песка и пыли. Эмпирические коэффициенты этой модели подобраны на основе диэлектрических измерений для пяти сельскохозяйственных почв. При этом влияние связанной воды учитывалось опосредованно через изменение показателя степени во влажностной зависимости диэлектрической проницаемости, который подбирался в зависимости от содержания глины, песка и пыли. Ктому же, авторы [1] объясняют неравномерность совпадения расчетных данных с измерен-
ными диэлектрическими характеристиками отсутствием учета в данной модели частотной дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости связанной воды. В работе [2] этот недостаток был устранен путем использования измеренных значений релаксационных параметров Дебая для связанной воды и установлена существенная зависимость статической диэлектрической проницаемости, времени релаксации и проводимости для связанной почвенной влаги от типа почвы.
В настоящей работе сделан следующий шаг в указанном направлении и предпринята попытка установить связь всех параметров рефракционной диэлектрической модели смеси со стандартизованными агрофизическими показателями почв на основе анализа собственных и известных в литературе данных [1—10] измерений диэлектрической проницаемости влажных почв. Все использованные диэлектрические данные соответствуют диапазону температур от 20 до 25°С.
ОБОБЩЕННАЯ РЕФРАКЦИОННАЯ
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СМЕСИ
Предложенная и развитая в [3—6] спектроскопическая модель комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) влажной почвы была названа обобщенной рефракционной диэлектрической моделью смеси (ОРДМС). Согласно [3, 4], КДП б^ = — ]б" и комплексный показатель преломления (КПП) п ^ = п — /к влажных почв, как функции объемной влажности Щ могут быть
представлены в форме рефракционной диэлектрической модели смеси
е! = п, - к2, е;* = 2щк, (1)
Г п , + (щ - 1) Ж, Ж < Ж, П; = 1 (2)
1 па + к - 1) Ж, + К - 1)(Ж- Ж,), Ж> Ж,,
[к, + КьЖ, Ж< Ж,
[к, + к, Ж, + к (Ж - Ж,), Ж > Ж,,
(3)
где п, пё, пЬ, пи и кЛ, кё, кЬ, кн — значения действительной и мнимой частей показателей преломления. Индексы ё, Ь, и и в (1) и далее относятся к влажной почве, сухой почве, связанной и свободной влаге в почве, соответственно, а Ж обозначает предельное содержание связанной влаги в данном типе почвы. Значения КПП, относящиеся к сухой почве, связанной и свободной почвенной влаге, могут быть выражены через значения КДП как
п
й, Ъ,
= Vей, Ъ, и У ей, Ъ, и,
(4)
где значения действительной и мнимой частей КДП для связанной и свободной почвенной влаги представлены в виде релаксационных формул Дебая
еЪ, и +
-0, Ъ,
г е™
1 + ( 2 я/Хъ, и)
2
еЪ и =
-0, Ъ, и
- еа
;2я/хъ
>Ъ, и
(5)
(6)
1 + (2 п/Тъ, и )2 2пе/
В формулах (5), (6) / — частота электромагнитного поля; сть, и, ть, и и е0, Ь, и — проводимости, времена релаксации и статические диэлектрические константы для связанной и свободной почвенной влаги; ег = 8.854 х 10-12 Ф/м — диэлектрическая постоянная; еш = 4.9 — высокочастотная диэлектрическая проницаемость. Как видно из формул (1)—(6), спектральные диэлектрические свойства конкретного типа влажной почвы могут быть полностью определены через совокупность следующих девяти величин: КДП сухой почвы ей и е'й ; предельного количества связанной воды Ж; статической диэлектрической проницаемости связанной почвенной влаги е0, Ь; времени релаксации связанной почвенной влаги ТЬ; проводимости связанной почвенной влаги сть; статической диэлектрической проницаемости свободной почвенной влаги е0, и; времени релаксации свободной почвенной влаги Ти; проводимости свободной почвенной влаги сти.
Метод определения этих величин включает, согласно [3, 4], следующие операции:
— экспериментальное измерение зависимостей КПП почвы от объемной влажности для данного
типа почвы при фиксированной температуре для двух или многих частот;
— получение значений пй, кй; Ж; щ(/д, Пь(/2); Пи(А), ПиШ; кХ/!), кШ, ки(/1), киШ путем линейного регрессионного анализа с использованием соотношений (2) и (3);
— вычисление значений КПП для связанной (еЪ (/1), еЪ (/2), еЪ' (/1), еЪ' Ш) и свободной (еи (/1) еи (/2), е1 (./1), е'и (/2)) почвенной влаги;
— расчет величин релаксационных параметров Дебая СТь, Сти, Ть, Ти, ео, ь, ео, и для связанной (сть, Ть, е0, Ь) и свободной (сти, Ти, е0, и) почвенной влаги с использованием методов, приведенных в [2—6].
СВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ОРДМС С МАКСИМАЛЬНОЙ ГИГРОСКОПИЧНОСТЬЮ ПОЧВ
Диэлектрическая проницаемость влажных почв сильно зависит от содержания воды. Вода в почвенных капиллярах, называемая свободной, испытывает весьма слабое действие со стороны твердой фазы почвы, и ее свойства мало отличаются от свойств обычной воды. Другое дело — вода, адсорбированная поверхностью почвенных частиц. На основании множества данных, полученных различными методами (ядерный магнитный резонанс, инфракрасная спектроскопия, электронный парамагнитный резонанс, диэлектрическая спектроскопия, калориметрия и т.д.), существует следующее представление о свойствах воды, находящейся в поле поверхности реального кристаллического твердого тела.
При увлажнении сухой почвы первые порции молекул воды в равновесных условиях занимают наиболее активные адсорбционные центры поверхности. Молекулы воды сильно связаны с центрами, их подвижность и способность к вращению очень мала, поэтому малы проводимость и диэлектрическая проницаемость. Первые порции воды могут и не образовывать монослоя, скорее всего, в зависимости от силы поля дефекта связываются либо отдельные молекулы, либо гроздья молекул. Последующие порции воды садятся на более или менее упорядоченную адсорбцией поверхность и образуют, соответственно, более упорядоченную структуру. Подобное состояние воды может распространяться довольно далеко от поверхности. Как показали исследования [7], диэлектрические свойства связанной воды в первом приближении остаются неизменными при увеличении влагосодержания вплоть до достижения некоторого значения влажности, которое получило название предельного содержания связанной влаги. Свойства следующих порций почвенной влаги близки к свойствам жидкой воды. Хотя в действительности и не существует резких гра-
к =
Таблица 1. Физические характеристики исследованных почв
Почва, горизонт Глубина взятия, см Гумус, % Физ. глина, % Песок, % МГ, % Wt, %
№
НВ,%
Омские лугово-черноземные почвы (агробиостанция ОмГПУ)
Пашня, Л^ Пашня, С
Пашня, Л\ Целина,
0-10 60-70
6.6 0.6
36.1 43.9
46 24.8
Чернозем курский (заповедник "Каменная степь")
0-10 0-10
5.1 7.7
56.1 54.1
13.9 15.9
7.3
5.4
11.7 11.4
11.8 7
21.6 20.4
Почвы стационара Института леса СО РАН "Погорельский Бор"
Почвы Туруханского района Красноярского края (пункт Комса)
38.7 32.2
43.1 53.6
5 Пашня, Aj 0-10 6.03 38.1 49.9 5.4 7 36.9
6 Пашня, АВ 10-20 5.53 39.8 48.1 5.8 7 36.7
7 Пашня, В1 40-50 0.52 34.1 55.9 4.5 5 28.6
8 Пашня, 5-10 12.8 13.5 73.8 7.4 19 61.4
9 Пашня, А2 10-15 10.3 12.1 75.2 6.7 8 53.7
10 Пашня, В2 20-40 10.4 11.9 85.9 1.3 5 24.2
11 Лесная почва, А 5-10 8.3 18.1 57.7 4.7 9 34.9
Почвы Эвенкии (долина р. Кочечум)
12 Гранузем палевый, В 15-20 0.3 4.35 49.1 3.4 2.7 30.1
13 Криозем гомогенный, В 25-30 2.3 20.5 43.8 11.8 7.4 52.3
14 Криозем тиксотропный, В 45-59 1.2 28.4 53.7 10.5 5.6 30.5
ниц раздела между слоями, изменение диэлектрических свойств воды при увеличении общего влагосодержания происходит быстро и на влаж-ностных зависимостях действительной и мнимой частей КДП влажность, соответствующая предельному количеству связанной влаги, определяется достаточно четко.
Понятно, что предельное количество связанной воды определяется общей поверхностью почвенных частиц, которая зависит от гранулометрического состава (в первую очередь от содержания физической глины) и содержания гумуса. Почвы принято характеризовать удельной поверхностью в м2/г. Гранулометрический состав и содержание гумуса также измеряют в долях или процентах от массы сухой почвы. В то же время в ОРДМС предельное количество связанной воды Ж харак
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.