Температурные зависимости диэлектрической проницаемости влажных почв. Эксперименты и моделирование Текст научной статьи по специальности «Физика»

Решетневскце чтения

УДК 537.226.1+631.437.226.2

Л. Г. Косолапова

Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Красноярск, Россия

ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ВЛАЖНЫХ ПОЧВ. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

Предлагается обзор современных представлений о влиянии температуры на диэлектрическую проницаемость влажных почв и простая диэлектрическая модель почвы, учитывающая температурную зависимость.

Влажность почвы является ключевым параметром в моделях прогноза погоды и изменений климата Земли. Наибольший интерес представляет почвенная влага, содержащаяся в верхнем 5-сантиметровом слое, так как она напрямую связана с процессом испарения. Показано, что существует сильная корреляционная связь между влажностью в 5-сантиметровом слое земли и коэффициентом излучения на частоте 1,4 ГГц [1]. В настоящее время мировым научным сообществом признано, что спутниковая радиометрия в Ь-диапа-зоне является наиболее эффективным инструментом для глобального картирования влажности земли [2]. Во всех алгоритмах восстановления влажности почвы из измерений яркостной температуры земли используются диэлектрические модели влажной почвы.

Комплексная диэлектрическая проницаемость (КДП) почв зависит от частоты электромагнитного поля, влажности, температуры и типа почвы. Температура оказывает меньшее влияние на величину диэлектрической проницаемости влажных почв, поэтому исследований, посвященных этому вопросу, гораздо меньше, чем исследований зависимости КДП почв от влажности и частоты. Наиболее масштабные измерения зависимости диэлектрической проницаемости

незамерзших почв от температуры проведены Курти-сом с соавторами [3]. В работе [3] проведены измерения для 12 типов почв на нескольких влажностях в диапазоне частот от 45 МГц до 26,5 ГГц для четырех значений температур: 10, 20, 30 и 40 °С. Рассмотрим данные этих измерений для комплексной диэлектрической проницаемости илистого песка (5" = 77 %, С = 14 %) при двух влажностях: 8,8 и 38,8 % (см. рисунок). Можно выделить три диапазона частот, в которых поведение кривых в зависимости от температуры различается. В низком диапазоне частот действительная часть КДП почв возрастает с увеличением температуры, затем в диапазоне частот 1...6 ГГц наблюдается обратная зависимость еП от температуры и в диапазоне высоких частот (выше 5.6 ГГц) опять наблюдается прямо пропорциональная зависимость. Относительное изменение действительной части КДП для всех почв в области частоты 0,1 ГГц составляет 2.14 %, а мнимой части КДП - 20.40 %; в области 1 ГГц изменение еП < 10 %, а еП - 10.70 % и в области 10 ГГц относительное изменение еП составляет 5.18 %, а изменение еП составляет 30.40 % при изменении температуры от 10 до 40 °С.

ИЛИСТЫЙ ПЕСОК

ВЕ"0>3.7%

аЕ"(т>е.5Ч :3ч ! ^ \Я/=ЗВ.4% % йе"(Т)=12,2%

юо МГц | агти ............-.,■ \ Тяад'с ! \\ т=за['с: ! \ Т=20°С ! \ т=ю^с —.....................

Типичная зависимость КДП почвы от частоты при температурах 10, 20, 30 и 40 °С и разных влажностях. Графики построены по результатам измерений [3]

Использование космических средств и технологий для мониторинга окружающей природной среды

Первая попытка учесть влияние температуры на КДП влажных почв заключалась в учете зависимости диэлектрической проницаемости воды от температуры:

^(Г) = 78,54 [1 - 4,579 ■ 10-3(7 - 25) + + 1,19 ■ 10-5(7 - 25)2 - 2,8 ■ 10^(7 - 25)3],

где Т - температура в градусах Цельсия.

Нами разработана одночастотная температурно-зависимая диэлектрическая модель влажных почв. Модель создана для частоты 1,4 ГГц, которая широко используется в дистанционном зондировании. Прототипом этой модели является ранее созданная В. Л. Мироновым и С. В. Фоминым спектроскопическая диэлектрическая модель, которая позволяет рассчитывать диэлектрическую проницаемость влажной почвы в зависимости от частоты электромагнитного поля, влажности, температуры и типа почвы [4]. Эта модель позволяет восстанавливать влажность почвы из измерений яркостной температуры земли с точностью 2...6 %. Однако она довольно громоздка и не всегда удобна в использовании. Исключение частотной зависимости позволило создать простую диэлектрическую модель влажной почвы, которая с такой же точностью, как и ее прототип, дает возможность рассчитывать комплексную диэлектрическую проницаемость на частоте 1,4 ГГц, как функцию влажности,

температуры и содержания глинистой фракции в почве [5]. В настоящее время эта модель применяется как штатная в алгоритме восстановления влажности суши с помощью европейского космического аппарата SMOS.

Библиографические ссылки

1. Passive microwave observation of diurnal soil moisture at 1.4 and 2.65 GHz / T. J. Jackson, P. E. O'Neill, W. P. Kustas et al. // Proc. IGARSS. 1995. Vol. 1. P. 492-494.

2. Fischman M. A., England A. W. Sensitivity of a 1.4 GHz direct-sampling digital radiometer // IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 1999. Vol.37, № 5/1. P. 2172-2180.

3. Curtis J. O., Weiss, C. A. Jr., Everett J. B. Effect of Soil Composition on Dielectric Properties : technical Report EL-95-34. Dec. 1995.

4. Mironov V. L., Fomin S. V. Temperature and Mineralogy Dependable Model for Microwave Dielectric Spectra of Moist Soils // PIERS Online. 2009. Vol. 5, № 5. P. 411-415.

5. Temperature and Texture Dependent Dielectric Model of Moist Soils at the SMOS Frequency / V. L. Mironov, Y. Kerr, J.-P. Wigneron et al. // Proc. IGARSS. 2012. P. 1127-1129.

L. G. Kosolapova

Kirensky Institute of Physics of Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, Russia, Krasnoyarsk

TEMPERATURE DEPENDENCES OF MOIST SOILS DIELECTRIC PERMITTIVITY.

EXPEREMENTS AND MODELING

The dielectric constant of soils depends on the frequency of the electromagnetic field, moisture, temperature and type of soil. Temperature affects the dielectric constant of unfrozen soil less, so the studies, both experimental and theoretical, on this subject are much less. An overview of modern views on the effect of temperature on the dielectric constant of wet soil and a simple dielectric model of soil, taking into account the temperature dependence are provided.

© KocojianoBa r., 2012

УДК 537.86

М. И. Михайлов, С. В. Фомин, А. В. Сорокин, К. В. Музалевский

Институт физики имени Л. В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук, Россия, Красноярск

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОЧВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ ГЛОНАСС И GPS

Представлены особенности временной зависимости интерференционных сигналов правоциркулярной и вертикальной поляризации от навигационных спутников ГЛОНАСС и GPS для безлесных участков почвы. Обсуждаются экспериментальные данные по восстановлению влажности.

Известно, что при работе спутниковых систем глобальной навигации одним из основных факторов погрешности позиционирования является эффект многолучевого распространения, проявляющийся в виде интерференции прямого и отраженного от почвы или сооружений сигналов спутников ГНСС. В то же

время интерференционный сигнал несет информацию о характеристиках почвенного слоя. На основе этого явления в работах [1-4] был предложен и развит метод дистанционного зондирования земной поверхности с целью определения влажности почвы. В данной работе представлены результаты измерений интерфе-