Введение к работе
Актуальность.
В настоящее время все Солее широкое применение в научных исследованиях и хозяйственной деятельности находят методы дистанционного зондирования, т.е. изучение характеристик природных и технических объектов на расстоянии, без непосредственного контакта элементов аппаратуры с их поверхность!) 113. Стимулом к развитие и внедрению этих методов служит возрастающая актуальность научных и практических задач, связанных с комплексным изучением и освоением крупных регионов земного шара, исследованием иррациональным использованием природных ресурсов, контролем, охраной и управлением состоянием природной среды, изучением процессов взаимного влияния атмосферы, океана, суши, ледников и т.п. [2]. Проведение таких исследований традиционными прямыми методами в большинстве случаев неэффективно из-за высокой трудоемкости и малого результирусщего объема получаемой информации. В то же время использование методов дистанционного зондирования обеспечивает широкие возможности оперативного сбора данных в глобальном масштабе с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением.
В ряду обсуждаемых методов, чрезвычайно перспективным является пассивное зондирование в СВЧ-диапазоне волн. Его преимущества заключены, прежде всего, во всепогодности использования и налом, по сравнению с активной радиолокацией, энергопотреблении используемой аппаратуры [3,4].
Одним из основных объектов, изучаемых методами дистанлиенно-го зондирования, являются земные покровы и, в частности, различные типы почв. Крупные масштабы посевных площадей требуют применения дистанционных методов контроля их' состояния, позволяющих оперативно получать достаточно полную и точную информацию с больших территорий, не нарушая структуры изучаемого объекта. Это в полной мере обеспечивается исследованием теплового излучения земной поверхности с помощью чувствительных приемников.
В зимнее время года одним из наиболее распространенных естественных покровов на значительной территории являются мерзлые почвы. Их исследования, в том числе я методами дистанционного зондирования ведутся, на нац взгляд, недостаточно широко, несмотря
- г -
на реальную возможность улучшить с их помощью прогнозирование запасов влаги в почве. К сожаление, интерпретация данных дистанционного зондирования этого объекта сложна и носит вероятностный характер ввиду отсутствия должного теоретического обоснования, опирающегося как на четкие представления о физической сущности процессов, протекающих в мерзлой почве, так и на электродинамические модели формирования их собственного излучения в СВЧ-диапазоне волн. Основной причиной создавшегося положения является сложность механического строения и физических свойств мерзлых почв.
В связи с вышеизложенным, представляется актуальным решение задачи дистанционного зондирования мерзлых почв, т.е. регистрация электромагнитного излучения и установление связи его параметров с физико-механическими характеристиками почв. В принципе, информация об этих характеристиках содержится в собственном радиотепловом излучении. Однако радиофизические свойства мерзлых почв определяются большим числом взаимосвязанных факторов, быстро изменяющихся в пространстве и во времени. В связи с этим важным является подробное экспериментальное исследование корреляции между физико-механическими и радиофизическими характеристиками мерзлых почв. Выявить эту связь можно только с помощью лабораторных исследований, позволяющих определить вклад каждого параметра в собственное радиотепловое излучение почвы при отсутствии или постоянстве других.
Кроме того, наличие лабораторных исследований электрофизических характеристик мерзлых почв могут, по нашему мнению, послужить стимулирующим фактором для создания электродинамических моделей мерзлой почвы. Такие модели к настоящему времени созданы лишь для почв, находящихся при положительных температурах.
Целью диссертационной работы являлось:
лабораторные измерения диэлектрических и нзлучательных характеристик песка в СВЧ - диапазоне волн при отрицательных температурах, я вариаций этих характеристик при изменении температуры, влажности и гранулометрического состава;
исследование корреляции между диэлектрическими и излучате-льными свойствами песка в указанных выше условиях;
сравнение полученных данных с результатами аналогичного
- з -исследования свойств реальной песчаной почвы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1.Проведены детальные лабораторные исследования диэлектрических и излучательных характеристик мерзлого песка различного гранулометрического состава в широком диапазоне температур и значений влажности.
-
Обнаружен и исследован скачок диэлектрической проницаемости, радиояркостной температуры, а также термодинамической температуры песка при фазовом переходе вода-лед.
-
Изучены особенности образования льда в песке, высказано предположение о возможности образования из связанной воды нескольких типов льда с различными электрофизическими свойствами.
А. Обнаружен и исследован аномальный рост диэлектрической проницаемости мерзлого песка при понижении температуры, который непротиворечиво объясняется образованием в песке льда, обладающего сегнетоэлектрическими свойствами.
5. Установлен немонотонный характер зависимостей комплексной диэлектрической проницаемости и радиояркостной температуры песка от влажности при отрицательных температурах. На них обнаружен пик, положение которого зависит от температуры и размера гранул, связанный с наличием в образце сегнетоэлектрической компоненты.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
1. Разработаны и изготовлена термокамера, позволяющая проводить исследования диэлектрических и излучательных характеристик диэлектриков в диапазоне температур +50 —25С при автоматическом поддержании необходимого уровня температуры.
2.Экспериментально установлена высокая степень корреляции значений яркостной температуры и диэлектрической проницаемости мерзлого песка в широком диапазоне изменений температуры и влажности.
-
Показано, что в радиотепловом излучения реальной песчаной почвы наблюдаются те же радиофиэичесие эффекты, что и в чистом песке, однако из-за одновременного воздействия нескольких факторов, влияющих на излучательные характеристики образца они проявляются менее ярко.
-
Предложен способ оценки влажностя печН UP результатам
- 4 -измерений радиояркостной температуры ее собственного радиотеплового, излучения при температуре замерзания влаги.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современной аппаратуры, применением апробированых методик измерений, разумным согласием полученных экспериментальных данных с теоретическими, а также, в ряде случаев, с данными других авторов.
Апробация работы.
Основные материалы диссертации докладывались на XVII Конференции по распространение радиоволн (Ульяновск, 1993 г.), научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1993г.), на научных семинарах МПГУ им. В.И.Ленина, ИКИ РАН и ИРЭ* РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных труда, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии. Обьем работы составляет 148 стр. печатного текста, включая 36 стр. рисунков и таблиц- Список литературы содержит 106 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
