CC BY
10УДК 537.86 + 630*3
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРОН ДЕРЕВЬЕВ
В. В. Балтайс1, А. В. Сорокин1' 2
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт физики имени академика Л. В. Киренского, Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 Е-шаП: Vika.Baltajs@yandex.ru
Представлены результаты определения параметра ориентационного порядка ветвей в кронах берёзы и сосны. Выявлено уменьшение параметра порядка от вершины к нижней границы крон. Обсуждается влияние параметра порядка на эффективную диэлектрическую проницаемость крон.
Ключевые слова: кроны деревьев, параметр порядка, эффективная диэлектрическая проницаемость.
DIELECTRIC PROPERTIES OF TREE CROWNS
B. B. Baltajs1, A. V. Sorokin1, 2
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Institute of Physics named after academician L. V. Kirenskiy Krasnoyarsk Scientific Center of the Russian Academy of Sciencess, Siberian Branch 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation E-mail: Vika.Baltajs@yandex.ru
The results of determining the parameter of the orientation order of branches in the crowns of birch and pine are presented. The decrease of the order parameter from the top to the lower boundary of the crowns is revealed. The effect of the order parameter on the effective permittivity of crowns is discussed.
Keywords: trees, the order parameter, the effective dielectric constant.
Сигналы навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS эффективно используются в мониторинге состояния леса [1; 2]. Лесной массив как двухкомпо-нентная сплошная диэлектрическая среда, включающая элементы дерева и воздух, может рассматриваться как смешанный диэлектрик. Это позволяет создать адекватную модель взаимодействия сигналов навигационных спутников с лесом, учитывающую видовые и сезонные особенности электрофизических характеристик лесных массивов.
Кроны деревьев различных видов индивидуальны по пространственному расположению ветвей. Параметром структурирования крон является длина волны зондирующих сигналов навигационных спутников и их соотношение с характерными размерами элементов деревьев [3]. На рис. 1 приведены фотографии типичных крон берёзы и сосны.
В данной работе представлены результаты определения параметра ориентационного порядка крон ветвей деревьев для реальных лесных массивов сосны и берёзы. Измерены углы наклона ветвей относительно ствола для деревьев 4 возрастных групп: для берёз 11-12 и 16-18 лет, и для сосны 7-8 и 12-13 лет. Проведён расчёт ориентационного параметра порядка для верхних ярусов деревьев.
Электрофизическая модель леса как совокупность отдельных деревьев с относительно малой плотностью распределения элементов деревьев в объёме древостоя предполагает учёт диэлектрических свойств отдельного дерева и его элементов. Анизотропия древесины определяет анизотропию эффективной диэлектрической проницаемости как отдельного дерева так лесного массива в целом. В отличие от ствола дерева, имеющее вертикальную ориентацию, кроны формируются из ветвей разной ориентации относительно ствола. Анизотропные свойства древесины стволов и крон можно считать близкими [4]. Поэтому ориентационный параметр порядок ветвей кроны необходим для корректного описания эффективной диэлектрической проницаемости крон и древостоя в целом.
Ветви крон отдельного дерева представляют упорядоченную систему, которую можно охарактеризовать ориентационным параметром порядка S относительно направления [5]:
13 соэ2е-^
s =
2
где 9 - угол между ветвями и стволом, усреднение по всему годичному ярусу ветвей.
Использование космических^средств, технологий и геоинформационны^систем для мониторинга и моделирования природной среды
Рис. 2. Зависимость параметра порядка от ярусов крон ветвей деревьев: а - для берёзы 11-12 лет; б - для сосны 12-13 лет
Зависимости ориентационного параметра порядка 8 ветвей крон сосны и берёзы представлена рис. 2.
Экспериментальные данные о зависимости элементов тензора комплексной диэлектрической проницаемости древесины е = е' + ш" разных видов леса от влажности и температуры для радиочастот в диапазоне 20-1011 Гц представлены в монографии [3]. Различие диэлектрических свойств древесины наблюдается для ориентаций вектора напряженности электрического поля вдоль волокон (ствола), в радиальном и тангенциальном направлении. В практических приложениях используются элементы тензора, соответствующие продольному направлению (Ь) и поперечному (С). Анизотропия древесины характеризуется величиной Д е = еь - ес. Слой стволов с влажностью 40 % при температуре 20° С для берёзы на частотах порядка 1,5 Гц имеет значение анизотропии эффективной диэлектрической проницаемости древостоя А е = 6. В случае равновероятной ориентации ветвей в кронах А е = 0, что соответствует изотропной среде [2]. Частичная упорядоченность ветвей в кронах характеризуется параметром порядка и лежит в интервале 0 < А е < еЬ - ее. Пересечение слоёв стволов и крон
с известным распределением анизотропии по вертикали позволяет корректно определить комплексную эффективную диэлектрическую проницаемость слоистой модели древостоя в целом.
Использование слоистой анизотропной модели древостоя для описания трансформации поляризационных и амплитудных характеристик сигналов навигационных спутников позволяет корректно восстанавливать биометрические характеристики лесных массивов.
Библиографические ссылки
1. Эволюция характеристик сигналов навигационных спутников в лесу / А. В. Сорокин [и др.] // Известия вузов. Физика. 2017. Т. 60, № 12/2. С. 19-22.
2. Сорокин А. В., Подопригора В. Г., Макаров Д. С. Рассеяние сигналов навигационных спутников на пространственных неоднородностях леса // Решетневские чтения [Электронный ресурс] : материалы XXI Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева (8-11 нояб. 2017, г. Красноярск). Ч. 1. С. 416-417.
3. Попов В. И. Распространение радиоволн в лесах. М. : Горячая линия -Телеком, 2015. 392 с.
4. Torgovnikov G.I. Dielectric Properties of Wood and Wood-Based Materials. Springer-Verlag. 1993. 194 p.
5. Блинов Л. М. Электро- и магнитоптика жидких кристаллов. М. : Наука, 1978. 384 с.
References
1. Evolution of characteristics of navigation satellite signals in the forest / A. V. Sorokin [et al.] // News universities. Physics. 2017. Vol. 60, No. 12/2. P. 19-22.
2. Sorokin A. V., Podoprigora V. G., Makarov D. S. Rasseyanie signalov navigatsionnykh sputnikov na pros-transtvennykh neodnorodnostyakh lesa. // Reshetnevskie
chteniya [Elektronnyy resurs] : materialy XXI Mezhdu-nar. nauch.-prakt. konf., posvyashch. pamyati gen-eral'nogo konstruktora raketno-kosmicheskikh sistem akademika M. F. Reshetneva (8-11 noyab. 2017, g. Krasnoyarsk). Ch. 1. P. 416-417.
3. Torgovnikov G. I. Dielectric Properties of Wood and Wood-Based Materials. Springer-Verlag. 1993. 194 p.
4. Popov V. I. Rasprostranenie radiovoln v lesakh -M. : Goryachaya liniya - Telekom, 2015. 392 p.
5. Blinov L. M. Electro- and magnetooptics liquid crystals. M. : Science, 1978. 384 p.
© Балтайс В. В., Сорокин А. В., 2018
