Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Диэлектрические характеристики дисперсных минералов и минеральных солей в микроволновом диапазоне 23
1.1. Основные электродинамические и гидрофизические свойстваі дисперсных почвенно-минеральных смесей 23
1.1.1. Формирование микроволнового излучения почвенным покровом. Связь радиоизлучательных и диэлектрических характеристик ... 23
1.1.2. Основные физические свойства почвенно-грунтовых смесей 26
1.1.3. Классификация засоленных почв 33
1.2. Лабораторные измерения диэлектрических характеристик дисперсных смесей и жидкостей в микроволновом диапазоне... 40
1.2.1. Метод и аппаратура для измерения диэлектрических характеристик дисперсных минералов и их водных растворов 41
1.2.2. Методика приготовления образцов 49
1.3. Частотные зависимости диэлектрических характеристик почвообразующих минералов и минеральных солей в микроволновом диапазоне 51
1.3.1. Частотные зависимости диэлектрических характеристик сухих и влажных минералов 52
1.3.2. Частотные зависимости диэлектрических характеристик влажных минеральных солей 55
1.4. Влияние объемной влажности и минералогического состава на диэлектрические характеристики дисперсных минеральных смесейв микроволновом диапазоне 60
1.4.1. Влажностные зависимости диэлектрических характеристик минеральных смесей, различающихся по минеральному составу.. 60
1.4.2. Модели влажностных зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости минеральных смесей
1.5. Влияние температуры на диэлектрические свойства минералов и минеральных солей 81
1.5.1. Температурные зависимости диэлектрических характеристик кристаллогидратов
1.5.2. Температурные зависимости диэлектрических характеристик NaCl 84
1.5.3. Температурные зависимости диэлектрических характеристик слаборастворимых минералов 86
1.5.4. Модель температурной зависимости диэлектрических характеристик минералов и минеральных солей в температурном диапазоне от 25 до 80С 89
1.6. Влияние гидратации на диэлектрические характеристики кристаллогидратов минеральных солей 93
1.7. Влияние массовой концентрации минеральных солей на диэлектрические характеристики их водных растворов 99
1.7.1. Диэлектрические характеристики водных растворов минеральных солей 101
1.7.2. Модель комплексной диэлектрической проницаемости водных растворов минеральных солей 1 И
1.7.3. Чувствительность радиоизлучательных характеристик водно-солевых растворов к вариациям массовой концентрации 118
1.7.4. Диэлектрические и радиоизлучательные характеристики некоторых пресных и соленых водоемов Алтайского края 120
1.8. Выводы по главе 124
ГЛАВА 2. Диэлектрические и радиоизлучательные характеристики незаселенных почв в микроволновом диапазоне 126
2.1. Метод и аппаратура дистанционных самолетных измерений радиоизлучательных характеристик почвенного покрова и внутренних водоемов в микроволновом диапазоне 126
2.1.1. Цели и задачи самолетной микроволновой съемки 126
2.1.2. Бортовой радиометрический комплекс дистанционного зондирования 129
2.1.3. Калибровка радиометрической аппаратуры дистанционного зондирования 132
2.1.4. Регистрация и обработка данных радиометрических измерений.. 134
2.1.5. Методика проведения наземных исследований физических параметров почв в подспутниковом и подсамолетном экспериментах 135
2.2. Влияние объемной влажности и гранулометрического состава на диэлектрические и радиоизлучательные свойства незасоленной почвы. Метод дистанционного определения влажности незасоленной почвы 138
2.3. Влияние близко залегающих к поверхности грунтовых вод на радиоизлучение почвенного покрова. Дистанционный 2-волновый метод определения глубины залегания грунтовых вод 148
2.4. Дистанционное определение глубины залегания грунтовых вод в зоне Кулундинского магистрального канала (Алтайский край)... 152
2.5. Картирование объемной влажности почвы и глубины залегания грунтовых вод по данным аэрокосмического зондирования в инфракрасном и микроволновом диапазонах 155
2.6. Выводы по главе 167
ГЛАВА 3. Диэлектрические и радиоизлучательные характеристики засоленных почв в микроволновом диапазоне 168
3.1. Проблемы дистанционного зондирования засоленных почв 168
3.2. Влияние объемной влажности на диэлектрические свойства засоленных почв
3.2.1. Результаты измерений 171
3.2.2. Радиационно-влажностные зависимости засоленных почв 178
3.2.3. Модель влажностной зависимости диэлектрических характеристик засоленной почвы 181
3.3. Влияние засоленности на диэлектрические характеристики влажных почв, находящихся при положительной температуре 186
3.3.1. Результаты эксперимента 186
3.3.2. Чувствительность радиоизлучательных характеристик почвы к вариациям засоления 194
3.3.3. Моделирование зависимостей диэлектрических характеристик сухих и влажных почвогрунтов от засоленности. 200
3.4. Выводы по главе 206
ГЛАВА 4. Радиоизлучательные характеристики мерзлых почв и почв, находящихся при отрицательной температуре 207
4.1. Методика проведения дистанционных самолетных измерений радиоизлучательных характеристик почвенного покрова и внутренних водоемов в зимний период ; 207
4.2. Влияние объемной влажности на радиоизлучение мерзлой почвы 209
4.3. Влияние гранулометрического состава и термодинамической температуры на радиоизлучение мерзлой почвы. Метод дистанционного определения гранулометрического состава незасоленной почвы 214
4.4. Влияние засоленности на радиоизлучательные характеристики почвы, находящейся при отрицательной температуре. Дистанцион-ный способ определения степени засоленности почвы
4.5. Влияние глубины промерзания на радиотепловое излучение почвенного покрова 222
4.6. Выводы по главе 227
Заключение 228
Список литературы
- Формирование микроволнового излучения почвенным покровом. Связь радиоизлучательных и диэлектрических характеристик
- Температурные зависимости диэлектрических характеристик слаборастворимых минералов
- Бортовой радиометрический комплекс дистанционного зондирования
- Чувствительность радиоизлучательных характеристик почвы к вариациям засоления
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке микроволновых методов дистанционнойдиагностикигеоэкологическогосостоянияпочвенного покрова, развивающегося под непрерывным воздействием совокупностиразличныхприродныхиантропогенныхфакторов.
Актуальность. Значительное количество земель на Земном шаре засолены или подтоплены. Около 200-г-ЗОО тысяч гектар высокоценных поливных земель теряется в мире ежегодно за счет вторичного засоления, возникающего в результате неправильного проведения мелиоративных мероприятий. В целом, более 40% поливных земель подвержены процессам засоления.
Важной задачей является своевременное выявление и прогнозирование возможных экологических угроз, включая оценку природных и техногенных факторов, вызывающих негативные экологические последствия.
Основными геоэкологическими показателями, характеризующими экологическое состояние почвогрунтов и направленность процессов деградации, являются влажность, засоленность, гранулометрический состав почвы, уровень грунтовых вод. Использование наземных методов для определения этих параметров на больших территориях оказывается неэффективным, вследствие их трудоемкости.
Для геоэкологического мониторинга почвогрунтов целесообразно комплексное использование космической съемки, применяемой для оценки экологической обстановки территории в глобальном масштабе, данных мезо-масштабного зондирования с помощью средств малой авиации, и наземных измерений в реперных точках, местоположение которых определено с помощью аэрокосмической информации.
Использование дистанционных микроволновых методов позволяет получать информацию о поверхностном слое почвы толщиной от нескольких сантиметров до десятков дециметров. Но возможность интерпретации этих данных ограничивалась недостаточной исследованностью радиоизлучательных свойств почвообразующих минералов и минеральных солей, отсутствием модели, адекватно описывающей диэлектрические свойства засоленных почв в микроволновом диапазоне.
Поэтому экспериментальные и теоретические исследования диэлектрических и радиоизлучательных свойств почвогрунтов представляют значительный интерес, так как лежат в основе разработки новых дистанционных методов геоэкологического мониторинга засоленных и подтопленных почвогрунтов.
|
;'ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
Цель исследования состоит в разработке и совершенствовании микроволновых методов геоэкологического мониторинга почвенного покрова с использованием эмпирических и теоретических моделей комплексного показателя преломления (КПП) и комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) почвогрунтов, основанных на учете диэлектрических свойств составляющих их компонент.
В задачи входило:
-
Экспериментальные исследования диэлектрических свойств почвообразующих минералов, минеральных солей и засоленных почв в диапазоне частот 0.5...4.5 ГГц при вариациях объемной влажности, гранулометрического состава, температуры и засоленности.
-
Теоретическое моделирование диэлектрических характеристик почвообразующих минералов, минеральных солей, засоленных почв и водно-солевых растворов.
-
Разработка микроволновых методов дистанционной оценки влажности и засоленности почвы, глубины залегания грунтовых вод;
-
Создание комплекса радиометрической аппаратуры и установка его на самолет для измерения интенсивности радиоизлучения земной поверхности в инфракрасном и микроволновом диапазонах.
-
Разработка методов калибровки самолетных радиометрических измерений на тестовых участках в летний и зимний периоды.
Научная новизна
-
Впервые предложен дистанционный микроволновый способ определения гранулометрического состава почвы, основанный на измерении коэффициента излучения мерзлой незасоленной почвы.
-
Впервые предложен дистанционный микроволновый способ определения засоленности, основанный на измерении коэффициентов излучения почв, находящихся при отрицательной температуре.
-
Разработан дистанционный микроволновый способ определения объемной влажности почвы, основанный на учете диэлектрических свойств сухой почвы, свободной и связанной воды.
-
Разработан новый дистанционный микроволновый метод оценки глубины залегания грунтовых вод, основанный на измерении радиоизлучения почвы на двух длинах волн.
-
Развита методика аэрокосмического картирования глубины залегания грунтовых вод в региональном масштабе, основанная на использовании орбитальной съемки в инфракрасном диапазоне, самолетной микроволновой съемки, а также модельных представлений о распределении влаги в капиллярной кайме.
-
Впервые экспериментально установлены температурные дисперсии КДП различных по химической природе влажных
минералов. Впервые обнаружено скачкообразное возрастание КДП для кристаллогидрата Na3CO) содержащего кристаллизационную воду, и монтмориллонита, содержащего связанную воду. Сделан вывод о существовании температурной дисперсии КДП воды, связанной на минеральных частицах.
-
Впервые разработана диэлектрическая модель водно-солевого раствора, основанная на зависимости КПП растворов NaCl, СаСІ2, іїа0А, MgSO*, CaSOt, Na2C03, MgC03, СаСОз, от массовой концентрации соли и включающая в себя параметры, учитывающие изменение диэлектрических свойств растворов за счет образования гидратных оболочек вокруг ионов растворенных солей;
-
Впервые экспериментально установлены новые зависимости диэлектрических характеристик почвогрунтов, содержащих соли NaCl, CaCh> Na^SO*, MgS04, CaS04, Na}COi, MgC03, CaC03.
-
Впервые разработана модель КДП влажной засоленной почвы, учитьшающая процессы образования кристаллогидратов и растворения почвенных солей.
Предметом защиты являются новые микроволновые методы определения почвенных параметров, характеризующих экологическое состояние засоленных и подтопленных почвогрунтов.
На защиту выносятся:
-
Дистанционный микроволновый способ определения объемной влажности почвы, основанный на выделении вкладов в радиоизлучение почвенного покрова от сухой почвы, свободной и связанной воды.
-
Дистанционный микроволновый метод определения глубины залегания грунтовых вод, основанный на измерении радио-излучательных параметров почвенного покрова на двух длинах волн.
-
Дистанционный микроволновый способ определения гранулометрического состава почвы, основанный на измерении коэффициента излучения мерзлой почвы, содержащей, в зависимости от гранулометрического состава, различное количество незамерзшей воды, относящейся к категории связанной.
-
Дистанционный микроволновый способ определения степени засоленности, основанный на измерении коэффициентов излучения почв, находящихся при отрицательной температуре и содержащих, в зависимости от засоления, разное количество почвенного раствора.
-
Методология дистанционного определения засоленности почвы и качественной оценки типа почвенного засоления, основанная на измерении в микроволновом диапазоне радиоизлучательных характеристик почвы, находящейся при положительной температуре.
Научное значение полученных результатов заключается в
выявлении новых взаимосвязей между диэлектрическими и физико-химическими характеристиками почвенно-минеральных смесей, водно-солевых растворов, засоленных и переувлажненных почвогрунтов в микроволновом диапазоне и разработке теоретических моделей комплексной диэлектрической проницаемости.
Практическая значимость
Выполненные экспериментальные и теоретические исследования явились научной основой для разработки новых микроволновых методов определения физико-химических и структурных параметров почвогрунтов, использованных для геоэкологического мониторинга на территории Алтайского края и Кемеровской области.
Найдены технические решения по созданию и установке на самолет АН-2 7-канального радиометрического комплекса, используемого для измерения интенсивности теплового излучения земной поверхности в инфракрасном и микроволновом диапазонах. Развита методика калибровки самолетных микроволновых измерений в зимний период.
Разработаны новые способы дистанционного определения объемной влажности, гранулометрического состава и засоленности почвы (получены патенты).
Для студентов радиофизических специальностей вузов разработан спецкурс "Радиоволновые методы зондирования", читаемый на физико-техническом факультете Алтайского государственного университета, и опубликовано учебное пособие "Микроволновые методы дистанционного зондирования земных покровов".
Достоверность результатов экспериментальных исследований и
базирующихся на их основе защищаемых научных положений
подтверждается достаточным с позиций теории вероятности и
математической статистики количеством проведенных измерений
исследуемых параметров, использованием современных методов и
аттестованных метрологической службой измерительных приборов,
применением современных компьютерных технологий,
обеспечивающих заданный уровень надежности, проведением контрольных измерений, совпадающих с экспериментальными данными полученными другими авторами, многочисленными публикациями в рецензируемых изданиях в России и за рубежом, обсуждением основных результатов на российских и международных научных конференциях и симпозиумах, проведением государственной экспертизы при оформлении патентов.
Научная апробация результатов
Основные результаты работ, составляющих содержание диссертации, обсуждались на совещаниях, семинарах, конференциях, симпозиумах всероссийского, всесоюзного и международного уровня, таких как: Всесоюзное совещание "Роль мелиорации в природопользовании" (Владивосток, 1990), I и II Всесоюзные конференции "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды", (Ереван, 1990, Муром, 1990), XVI-XVIII Всесоюзные и ХГХ Всероссийская конференции по распространению радиоволн (Харьков, 1990, Ульяновск, 1993, Санкт-Петербург, 1996, Казань, 1999), Межрегиональная конференция "Проблемы региональной экологии" (Томск, 1992), Международный научный семинар по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы (Киев, 1993), International Symposium on Radio Propagation (Beijing, China, 1993), International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS'93) (Tokyo, Japan, 1993), IGARRS'95 (Firence, Italia, 1995), IGARSS'98 (Seattle, USA, 1998), IGARSS'99 (Hamburg, German, 1999), 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Symposium on Remote Sensing (Vancouver, Canada, 1996), Всероссийская научная конференция "Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами" (Муром, 2001), Всероссийская конференция "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса", (Москва, 2003) и др.
Практическая апробация результатов
Разработанные дистанционные методы использованы при дистанционном определении влажности почвы в 12 районах Алтайского края, при оценке зон фильтрации Кулундинского магистрального канала, аэрокосмическом картировании влажности почвы и уровней грунтовых вод вблизи отстойников Алтайского горнообогатительного комбината (пос. Горняк) и Беловского водохранилища (Кемеровская обл.).
Внедрены в практику Алтайским институтом мониторинга земель и экосистем и Главным управлением природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Алтайскому краю "Дистанционный микроволновый метод определения глубины залегания грунтовых вод" и "Технология картирования объемной влажности почвы и уровней грунтовых вод по данным аэрокосмического зондирования в инфракрасном и микроволновом диапазонах".
Связь с плановыми научно-исследовательскими работами
В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных в Институте водных и экологических проблем СО РАН и Научно-исследовательском институте экологического мониторинга при АлтГУ в рамках плановых научно-исследовательских работ по федеральным научным программам "Университеты России" (1993, 2000), "Экология России" (1993), "Комплексная программа оценки последствий испытаний ядерных устройств на Семипалатинском полигоне на население Алтайского края", госбюджетным темам "Разработка научных основ системы регионального экологического мониторинга", "Дистанционное зондирование природных ресурсов в условиях антропогенного воздействия", грантам РФФИ №99-02-16816 (1999-2000) и №02-02-30007 (2002 г.), ФЦКП "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 годы", проект № 252 "Учебно-научный центр РАН и МО и ПО-Научно-исследовательский институт экологического мониторинга при АлтГУ", проект И0615 "Разработка научных основ мониторинга объектов природной среды Сибирского региона с использованием спутниковой информации", (2002 г.) и др.
Личный вклад автора при выполнении работы заключался в формулировании основных научных идей, проведении теоретических расчетов по моделированию диэлектрических характеристик почв и воды, организации и проведении самолетных и полигонных измерений радиоизлучательных параметров мерзлых и незамерзших почв, внутренних водоемов в Алтайском крае и Кемеровской области. Все лабораторные измерения диэлектрических параметров минералов, солей, засоленных почв выполнены автором лично.
Автор выражает искреннюю признательность за сотрудничество соавторам научных работ и, в первую очередь, научному консультанту д.ф.-м.н., профессору И.А Суторихину, за методологическую помощь в представлении экспериментальных и теоретических данных-Публикаций. По теме диссертации опубликовано 65 работ, в том числе: 3 монографии (общий объем 14,5 уч.-изд. л.), 1 коллективная монография (5,9 уч.-изд. л.), 1 учебно-методическое пособие (5 уч.-изд. л.), более 20 статей в центральной печати, 3 патента на изобретение. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 261 наименования, содержит 92 рисунка, 16 таблиц. Общий объем диссертации составляет 255 страниц.
Формирование микроволнового излучения почвенным покровом. Связь радиоизлучательных и диэлектрических характеристик
Почва представляет собой сложную минерально-органическую полидисперсную гетерогенную систему, состоящую из твердой, жидкой и газообразной фаз и различающуюся по минералогическому и химическому составу. Соотношение между объемами и массами твердой, жидкой и газообразной фаз, различное для разных почв и непрерывно изменяющееся под воздействием почвенно-климатических условий, антропогенного фактора и т.д., определяет различие физических свойств. Подробное описание физических свойств почв приведено в [101-109].
Твердая фаза почвы, состоящая из минеральных и органоминеральных частиц, различающихся по размерам, формируется первичными минералами, которые являются остаточным материалом выветривания исходных пород и вторичными минералами, возникающими из первичных под воздействием климатических и биологических факторов.
Первичные минералы представлены преимущественно частицами больше 0.01 мм, вторичные меньше 0.01 мм. Наиболее распространенными первичными минералами в почвах являются кварц (40-60%), полевые шпаты (до 20%), а также амфиоболы, пироксены и слюды.
Величиной, характеризующей состав первичных элементов, является плотность твердой фазы рт (г/см ), равная отношению массы твердой фазы Мт к единице объема твердой фазы VT. pT = MT/VT (1.1.9) Если твердая фаза представлена каким-либо одним веществом, то рт равна плотности этого вещества рм (плотность монолита). В группу вторичных минералов входят преимущественно глинистые минералы: монтмориллонит, нонтронит, саппонит, каолинит, биотит, ш мусковит, гидрослюды, а также гидроокиси кремния, алюминия, железа, марганца и т. д., образующиеся при выветривании первичных минералов. Для различных минералов величина рт колеблется в пределах 2.5- 4.0 г/см3. Диэлектрические проницаемости минералов определенным образом зависящие от их внутренней структуры и некоторых кристаллохимических характеристик, в большинстве случаев не превышают 10-12 [110, 111].
Твердая фаза почв состоит из дисперсных частиц минеральный состав которых и дисперсность могут варьировать в широких пределах. В зависимости от содержания в почве элементарных почвенных частиц (ЭПЧ), размеры которых меньше чем 0.01 мм (физическая глина) и ЭПЧ, размеры которых больше чем 0.01 мм (физический песок) последнюю классифицируют по гранулометрическому составу. Общепринятой является классификация, разработанная Н.А. Качинским [103]. Величиной, характеризующей гранулометрический состав почвы, является плотность сложения сухой почвы р0 [г/см], равная отношению массы твердой фазы Мт к общему объему V: Po = MT/V. (1.1.10) Значение ро изменяется от 1.0 г/см для глинистых почв до 1.8 г/см для грубо-песчаных почв. Помимо гранулометрического состава, величина р зависит от степени агрегирования почвы, плотности сложения агрегатов и характера их упаковки. Плотность скелета почвы оказывает значительное влияние на диэлектрические характеристики сухого почвогрунта [112, 113]. На частотах выше 0,1 МГц действительная часть КДП зависит от ро и может быть оценена по эмпирической формуле [112]: Ve = l + y-p0, (l.l.ll) где j = 0.4-0.6 — численный коэффициент, зависящий от состава первичных минералов. Для сухих песчано-глинистых почвогрунтов с = 3-Н- [110].
Почва с ненарушенной структурой порового пространства в природных условиях содержит твердую, газообразную и жидкую фазы, характеризуется плотностью в естественном сложении р. Величина р, равная отношению общей массы Мк общему объему V, определяется по формуле P=M/V. (1.1.12) Величины р0, рт и р используются для расчета объемных долей твердой и газообразной фаз при моделировании диэлектрических свойств почвы. Отдельные частицы, составляющие дисперсную смесь, неплотно прилегают друг к другу. Между ними образуются поры, различающиеся по величине и форме. Общее количество и размеры пор зависят от размера и формы частиц, их упаковки, наличия микро- и макроагрегатов. Величина Р, представляющая собой отношение объема всех пор и пустот к объему дисперсной смеси называется пористостью, выражается в процентах от общего объема и связана с р0 и рт следующим соотношением: F X Рт- 0.1.13)
Как правило, почвенные поры заняты газообразной или жидкой фазами. Газообразная фаза дисперсной смеси (почвенный воздух) представлена атмосферным воздухом, насыщенным водяными парами и газами, образующимися в самой почве. Объем воздуха, находящегося в дисперсной смеси, зависит от влажности смеси и пористости Р. Чем выше пористость и меньше влажность, тем больше воздуха содержится в дисперсной смеси.
Так как в микроволновом диапазоне диэлектрические проницаемости большинства газов и их смесей мало отличаются от 1 (для атмосферного воздуха Б = 1.00057), то влияние газообразной фазы на диэлектрические свойства почвы несущественно. Жидкая фаза почвы (почвенная вода) представляет собой почвенный раствор, содержащий ионы растворимых солей и минералов, и находящийся в непосредственном контакте с твердыми частицами. Количественной характеристикой содержания в почве воды является массовая влажность W\t, равная отношению массы жидкой фазы Mw к общей массе М: WM= — . (1.1.14)
Помимо W\i для количественного описания находящейся в почве воды используется объемная влажность почвы Wv равная отношению объема жидкой фазы Vw к общему объему смеси V: V Wv=y. (1.1.15) Объемная и массовая влажности связаны между собой следующим соотношением: р WV=—-WM. (1.1.16) Рв где рв — плотность воды. Как массовая, так и объемная влажности выражаются в долях или в процентах (при умножении выражений (1.1.15) и (1.1.16) на 100%).
Почвенная вода, находящаяся на разном удалении от поверхности минеральных частиц, является неоднородной, что позволяет выделить в ней переходные фазы, представляющие собой адсорбированные слои, находящиеся на границе "твердая частица-почвенный раствор" и различающиеся по своим физическим свойствам. Выделяют следующие категории почвенной воды, находящейся в жидком состоянии [102].
Температурные зависимости диэлектрических характеристик слаборастворимых минералов
Как следует из графиков 2, 2 , наиболее значительные изменения є и є" наблюдаются в интервале частот от 0.5 до 2.0 ГГц, затем в интервале от 2.0 ГГц до 4.0 ГГц частотные зависимости становятся более пологими.
Изображенные на рисунке 1.6 частотные зависимости s (f) (2) и є"(0 (2 ) для монтмориллонита с объемной влажностью W = 0.18, достигнутой в эксикаторе, выражены гораздо сильнее, чем для каолинита. Вид зависимостей может быть объяснен совокупным влиянием связанной воды и насыщенного раствора, характеризующегося высокой проводимостью и образующегося в результате растворения солей, содержащихся в монтмориллоните, обладающем природной засоленностью.
Согласно результатам экспериментальных исследований [64-68, 150], содержащиеся в почвенно-минеральной смеси, свободная и связанная вода, различающиеся по степени взаимодействия с поверхностью нерастворимых и трудно растворимых минеральных частиц, различаются также и по диэлектрическим характеристикам. При этом степень различия оказывается неодинаковой на разных частотах.
При увлажнении растворимых минеральных солей водой на вид частотных зависимостей є (і) и є"(0 минеральной смеси значительное влияние оказывает характер взаимодействия соли с водой. Для исследований были выбраны противоположные по характеру взаимодействия с водой поваренная соль NaCl, при увлажнении щ диссоциирующая на ионы, и сода NajCOi, образующая кристаллогидраты. Частотные зависимости є (г) и є"(0 Для солей NaCl и Ма2СОз, находящихся в сухом и увлажненном состояниях, приведены на рисунке 1.7. На том же графике нанесены экспериментальные значения є и є" для « этих солей, измеренные на разных частотах. Объемные влажности для исследованных солей составили JF=0.04 для NaCl и W=03\ дляіУагСОз-Как видно из графиков 2, 2 , значения є и є" для NaCl даже при малом « увлажнении существенным образом зависят от частоты, в то время для сухой соли (графики 1,1 ) частотная дисперсия не наблюдается. Подобное поведение є (/) и є"(/) может быть объяснено тем, что для NaCl при увлажнении характерно образование насыщенного раствора, КДП которого зависит от ионной проводимости и частоты. Согласно (1.3.1 )-(1.3.2), с увеличением частоты происходит уменьшение є и є" водно-солевого раствора NaCl, входящего в состав увлажненной дисперсной соли, что и вызывает наблюдаемое на графиках 2, 2 уменьшение є и є" с возрастанием частоты.
Для Na2COi с увеличением частоты от 0.4 до 4.0 ГГц значения є (3) и » є" (3 ) остаются постоянными. Частотная дисперсия этих величин не наблюдается даже при значительном увлажнении. Это связано с тем, что NaiCOi при увлажнении образует кристаллогидраты, в которых содержится вода, относящаяся к категории химически связанной во влажностном диапазоне от 0 до WYM- Здесь WKN — объемная влажность, соответствующая максимальному содержанию кристаллизационной воды в кристаллогидрате. Из анализа экспериментальных данных можно v сделать вывод о том, что кристаллизационная вода, входящая в структуру кристаллогидрата, образовавшегося из Na2COz с влажностью W = 0.31, не т оказывает заметного влияния на диэлектрические свойства кристаллогидрата в целом. щ Помимо ЫагСО , частотные зависимости КДП кристаллизационной воды исследовались на примере кристаллогидратов солей NaiSO и MgSO$. В результате эксперимента установлено, что в диапазоне от 0.4 до 4.0 ГГц є и е" кристаллогидратов этих солей частотной дисперсии не имеют. Величины е и є" слабо зависят от влажности при W Ww Численные значения є є" для исследованных солей с влажностью W WKN, находившихся в дисперсном состоянии, приведены в таблице 1.2.
Таким образом, как видно из сравнения рисунков 1.5-1.7, зависимости s (f) и s"(f) имеют одинаковый характер для сухих и разный для влажных минералов и солей, различающихся по химическому составу. Эти различия являются причиной того, что вода, содержащаяся в минералах и солях при одинаковой влажности, имеет разный фазовый состав и характеризуется разными значениями є и є" на разных частотах.
Бортовой радиометрический комплекс дистанционного зондирования
Водные растворы минеральных солей широко распространены в природе, что вызывает постоянный, неослабевающий интерес к их изучению. Являясь важным элементом гидросферы Земли, присутствуя в океанской и морской воде, соленых внутренних водоемах, водные растворы играют существенную роль в протекании многих глобальных климатических процессов, находясь в почве в виде почвенного раствора и, будучи растворенными в грунтовых водах, оказывают существенное влияние на многие физико-химические свойства почвы и в конечном счете ее биопродуктивность.
Исследование диэлектрических характеристик водно-солевых растворов является основой для разработки высокоэффективных дистанционных методов зондирования почвенного покрова и водной поверхности, позволяющих по измеренному радиоизлучению проводить оценку степени засоленности почв и минерализации водоемов [7, 39, 40, 45, 88-90].
В основе современных представлений о растворах лежат фундаментальные работы Борна, Дебая, Кирквуда, Онзагера, Лондона, Бернала, Фаулера и др. Большая часть экспериментальных и теоретических результатов по диэлектрическим и радиоизлучательным характеристикам воды, содержащей различные соли, изложена в [25, 29, 171-181]. В этих работах приведены результаты исследований диэлектрических характеристик морской воды и солевых растворов на разных частотах.
Для описания КДП водно-солевых растворов на разных частотах используется, в основном, дебаевская модель дисперсии и ионной проводимости [148, 149], в которой влияние физических параметров (температуры t и концентрации S) учитывается путем установления аппроксимационных зависимостей для входящих в модель параметров: статической диэлектрической проницаемости стлт( S) и времени релаксации т(/, S) (см. например [25, 84, 181]). В последнее время значительное внимание уделяется исследованию влияния на диэлектрические свойства происходящих в растворе структурных и гидратационных изменений [182-187], обусловленных искажением структуры чистого растворителя (в данном случае дистиллированной воды), наблюдаемым при взаимодействии ионов растворенных солей с молекулами растворителя, в результате чего вокруг ионов образуются состоящие из молекул воды внутренняя (ближняя) и внешняя (дальняя) гидратные сферы. Эти сферы рассматриваются, как отдельные фазы, объем, и свойства которых зависят от строения гидратированного раствора и структуры растворителя.
Влияние массовой концентрации S на КДП раствора, наиболее заметное в дециметровом диапазоне электромагнитных волн [84], проявляется неодинаковым образом для действительной е \\ мнимой "частей КДП.
При малых значениях S, когда в растворе имеется достаточное для образования гидратных сфер количество свободной воды, на зависимости e{S) наблюдается резкий спад є\ обусловленный диэлектрическим насыщением молекул воды в ближних гидратных сферах катионов и анионов и исключением их из процесса создания эффективного дипольного момента системы [179]. Дальнейшее увеличение концентрации солей приводит к дефициту воды и вызывает перераспределение молекул воды в гидратных сферах ионов, что сопровождается уменьшением наклона зависимости s\S).
В отличие от е\ величина є" при увеличении S возрастает нелинейным образом, что связывается с увеличением ионной проводимости раствора, возникающей при появлении в воде ионов растворенных солей.
В [180] показано, что наблюдаемые спектральные зависимости диэлектрических характеристик концентрированных растворов связаны с изменениями вращательных и либрационных движений молекул воды в гидратных сферах ионов. На этой основе для описания диэлектрических спектров растворов в частотном диапазоне от 10 мкхм до 10 см предложено использовать гибридную модель [181], которая в длинноволновой части микроволнового диапазона сводится к дебаевской модели.
Для изучения диэлектрических свойств водно-солевых растворов в диапазоне концентраций от 0 до насыщенного раствора проводились лабораторные измерения диэлектрических характеристик водных растворов NaCl, CaCl2, Na2S04, MgS04, CaS04, Na2C03, MgC03, CaC03.
Для исследований в качестве образцов минеральных солей были взяты реактивы с химической чистотой не менее 99 % и дистиллированная вода. Приготовление растворов с требуемой концентрацией производилось путем растворения определенного количества минеральных солей в некотором фиксированном объеме дистиллированной воды. Массовая концентрация соли в растворе S определялась по формуле Мг где Мв = Мр-Мс, — масса воды в растворе, Л/Р, Мс — массы раствора и безводной соли, измеренные путем взвешивания на аналитических весах с точностью до 0.001 грамма до и после выпаривания воды из образца в термостате при температуре 215С. Измерения диэлектрических параметров водных растворов проводились при температуре 24±1С.
Чувствительность радиоизлучательных характеристик почвы к вариациям засоления
В результате аэрокосмического картирования УГВ на территории, прилегающей к промышленным отстойникам, на расстоянии до 4-6 км установили, что фильтрационные процессы наблюдаются по всему периметру находящегося в эксплуатации отстойника [229-239].
Использование данных аэрокосмической съемки в оптическом и микроволновом диапазонах позволяет получить информацию о распределении областей с переувлажненным поверхностным слоем почвы, областей с близким залеганием грунтовых вод, а также получить численные значения влажности почвы и УГВ на больших площадях.
На рисунке 2.11 приведена карта-схема распределения УГВ вблизи отстойников, построенная путем совмещения спутникового изображения и данных самолетной микроволновой съемки с картой-основой, а также показаны участки с Нугв 1 м, оконтуренные по данным СВЧ-съемки.
Оценку поперечных размеров зоны фильтрации осуществляли путем облета территории на самолете по запланированным галсам длиной 4-6 км перпендикулярно отстойнику. Расстояние между галсами выбирали исходя из размеров полосы захвата, зависящей от высоты полета, с таким расчетом, чтобы вся территория зоны фильтрации была покрыта галсами.
Вместе с тем оказалось, что по одним трассовым измерениям затруднительно воссоздать двумерную картину. Для решения подобной задачи возможно совместное использование микроволновой съемки и сканерной спектрофотометрии в оптическом диапазоне [232, 234].
В соответствии с предложенным методом картирования орбитальные снимки, сделанные сканером МСУ-3 с космического аппарата "Космос-1939" использовали для предварительной оценки гидрологической обстановки. Самолетную СВЧ-съемку применяли для определения почвенной влажности и УГВ. Синхронно проводили наземные измерения W и УГВ в реперных точках. Значения УГВ, полученные по данным трассовой СВЧ-съемки, интерполировали на всю площадь методом сеток, затем совмещали с картой-основой и космическим сканерным изображением. В результате тематической обработки данных дистанционной СВЧ-съемки на компьютере были получены карты-схемы участков с близким залеганием УГВ.
Практическое значение выполненной работы заключалось в том, что полученные данные включали не только отдельные населенные пункты, но и большие территории, занятые сельскохозяйственным производством. Проведенная работа свидетельствует об эффективности применения аэрокосмических методов для контроля и анализа экологической ситуации на сравнительно больших территориях. Сочетание с полигонными исследованиями позволяет оптимально планировать с помощью аэрокосмической информации наземные эксперименты по локальному отбору проб. Данные химического анализа и компьютерная обработка данных позволяют осуществлять тематическое картирование.
Сопоставление результатов аэрокосмического зондирования и наземных измерений УГВ с данными геохимического обследования прилегающих к отстойнику почв, осуществленного Ассоциацией "Геоэкология", показало, что области повышенной концентрации в почве многих тяжелых элементов соотносятся с территориями, на которых глубина залегания грунтовых вод составляет менее 1 метра. Это является доказательством того, что часть химических элементов из отстойника может разноситься грунтовым потоком и аккумулироваться в местах выклинивания грунтовых вод в поверхностный слой почвы. Для примера на рисунках 2.12-2.15 приведены карты-схемы распределения УГВ и областей повышенного содержания некоторых тяжелых элементов вблизи отстойника.
Экспериментальные исследования по дистанционному картированию уровней грунтовых вод вблизи Беловского водохранилища проводились в период с сентября по октябрь 1994 г. Предварительно проводили камеральные исследования по выделению по тону аэрофотоснимка участков открытой водной поверхности, заболоченных и подтопленных территорий. Этот этап проводился с целью планирования самолетной микроволновой съемки. Помимо этого аэрофотоснимки использовали для построения карт-основ исследуемых территорий, на которые в последствии наносились данные самолетной микроволновой съемки и наземных измерений УГВ.
Микроволновые измерения коэффициентов излучения почвенного покрова на Х\ = 2.25 и А.2 = 21 см интерпретировали помощью зависимостей X(W) в объемные влажности почвы в поверхностных слоях / .i и In- При этом %(W) строили по данным лабораторных изхмерений КДП почвенных образцов, отобранных с тестовых участков. Помимо этого диэлектрические характеристики почв использовали для построения зависимостей /A(W).
На рисунках 2.16-2.17 приведены карты-схемы распределения объемных влажностей рассчитанных по формуле (2.2.8) с использованием измеренных с самолета коэффициентов излучения почвенного покрова х(Лі) и /((Я:) Как видно из карт-схем почва на исследуемой территории характеризуется повышенной влажностью, что может быть объяснено погодно-климатическими условиями, сложившимися на данный период.
Дистанционно определенные влажности использовали для оценки УГВ по формуле (2.3.2). Карта-схема распределения УГВ приведена на рисунке 2.18. На этом же рисунке для сравнения приведены данные контактных измерений УГВ на тестовых участках. Переувлажненные участки в ряде случаев совпадают с естественными понижениями в рельефе.
